RU217089U1

RU217089U1 - OXYGEN CONCENTRATOR

Info

Publication number: RU217089U1
Application number: RU2022127862U
Authority: RU
Inventors: Михаил Серафимович Дроздов; Виктор Анатольевич Капитанов; Евгений Викторович Кузнецов; Павел Валерьевич Максимов
Original assignee: Акционерное общество "Научно- исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Полезная модель относится к области разделения газов методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА), в частности к области получения из воздуха кислорода для медицинских нужд.The utility model relates to the field of gas separation by the method of pressure swing adsorption (CBA), in particular, to the field of obtaining oxygen from air for medical needs.

Концентратор кислорода, включающий компрессор, к выходу которого присоединен воздушный ресивер и управляемые клапаны, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам, соединенными через управляемый клапан, к выходам адсорберов подключены дроссели и кислородный ресивер, воздушный и кислородный ресиверы выполнены в виде емкости, разделенной стенкой, общей для обоих ресиверов.An oxygen concentrator, including a compressor, to the outlet of which an air receiver and controlled valves are connected to adsorbers filled with zeolite, connected through a controlled valve, throttles and an oxygen receiver are connected to the outlets of the adsorbers, the air and oxygen receivers are made in the form of a container separated by a wall common to both receivers.

Технический результат, достигаемый с помощью полезной модели - снижение массы ресиверов.

The technical result achieved with the utility model is a reduction in the mass of the receivers.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области разделения газов методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА), в частности к области получения из воздуха кислорода для медицинских нужд.The proposed utility model relates to the field of gas separation by the method of pressure swing adsorption (CBA), in particular, to the field of obtaining oxygen from air for medical needs.

В настоящее время для обеспечения кислородом нуждающихся в нем пациентов в случае отсутствия баллонного кислорода и системы его подачи (например, в домашних и выездных условиях, в недостаточно оборудованных медицинских учреждениях) применяют концентраторы кислорода, позволяющие получить кислород достаточно высокой концентрации (более 90%) непосредственно на месте из атмосферного воздуха.At present, oxygen concentrators are used to provide oxygen to patients who need it in the absence of bottled oxygen and its supply system (for example, at home and abroad, in insufficiently equipped medical institutions), which make it possible to obtain oxygen of a sufficiently high concentration (more than 90%) directly. in situ from atmospheric air.

Известен концентратор кислорода [1], содержащий соединенные трубопроводами воздушный компрессор и блок очистки, воздушный ресивер и адсорбционный блок, выполненный из двух заполненных сорбентом адсорберов, патрубки входа и выхода которых соединены между собой двумя парами параллельных трубопроводов с установленными на них управляемыми клапанами, связанными с блоком управления, согласно полезной модели, блок очистки соединен с ресивером дополнительным трубопроводом, а трубопроводы выхода блока очистки снабжены регулируемыми клапанами, связанными с блоком управления. Блок управления осуществляет переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация и с целью регулирования уровня концентрации кислорода в воздухе на выходе.An oxygen concentrator [1] is known, containing an air compressor and a purification unit connected by pipelines, an air receiver and an adsorption unit made of two adsorbers filled with sorbent, the inlet and outlet pipes of which are connected to each other by two pairs of parallel pipelines with controlled valves installed on them, connected with control unit, according to the utility model, the cleaning unit is connected to the receiver by an additional pipeline, and the cleaning unit output pipelines are equipped with adjustable valves associated with the control unit. The control unit switches the valves in a certain sequence in order to implement the adsorption-regeneration cycle in adsorbers and to regulate the level of oxygen concentration in the outlet air.

Недостаток данного концентратора кислорода - повышенный удельный расход энергии на единицу производимого кислорода. Причина в том, что в цеолите под давлением адсорбируется как азот, так и кислород, а при снятии давления десорбируется в первую очередь именно кислород. В результате в начале стадии регенерации из адсорбера выходит газ, обогащенный не азотом, а кислородом. Этот обогащенный кислородом газ в данном концентраторе кислорода безвозвратно теряется.The disadvantage of this oxygen concentrator is an increased specific energy consumption per unit of oxygen produced. The reason is that both nitrogen and oxygen are adsorbed in the zeolite under pressure, and when the pressure is removed, it is oxygen that is desorbed in the first place. As a result, at the beginning of the regeneration stage, a gas enriched not with nitrogen, but with oxygen, leaves the adsorber. This oxygen-enriched gas is irretrievably lost in this oxygen concentrator.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является концентратор кислорода [2], в котором потерь обогащенного кислородом газа не происходит.The closest in technical essence to the proposed utility model is an oxygen concentrator [2], in which there is no loss of oxygen-enriched gas.

Концентратор кислорода [2] включает в себя компрессор, к выходу которого присоединен воздушный ресивер и управляемые клапаны, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам, соединенным через управляемый клапан, к выходам адсорберов подключены дроссели и кислородный ресивер.The oxygen concentrator [2] includes a compressor, to the outlet of which an air receiver and controlled valves are connected to adsorbers filled with zeolite, connected through a controlled valve, throttles and an oxygen receiver are connected to the outlets of the adsorbers.

Процесс утилизации обогащенного кислородом газа предполагает подачу его из адсорбера, в котором закончилась стадия продуцирования кислорода, в соседний адсорбер, в котором стадия продуцирования кислорода только начинается. Этот процесс называют эквализацией, потому что он сопровождается выравниванием давлений в обоих адсорберах через полностью открытый управляемый клапан, соединяющий адсорберы. Применение схем с выравниванием давлений позволяет значительно сократить энергозатраты [3]. Процесс КБ А с выравниванием давлений между адсорберами реализован в концентратор кислорода [2].The process of utilization of oxygen-enriched gas involves its supply from the adsorber, in which the stage of oxygen production has ended, to the adjacent adsorber, in which the stage of oxygen production is just beginning. This process is called equalization because it is accompanied by pressure equalization in both adsorbers through a fully open pilot valve connecting the adsorbers. The use of schemes with pressure equalization can significantly reduce energy costs [3]. The CB A process with pressure equalization between adsorbers is implemented in an oxygen concentrator [2].

Поскольку в ходе эквализации кислород потребителю не поступает, то концентратор кислорода [2] нуждается не только в воздушном, но и в кислородном ресивере, сглаживающем прерывания потока кислорода. Поэтому концентратор кислорода [2] характеризуется повышенными затратами материала на изготовление ресиверов.Since oxygen is not supplied to the consumer during equalization, the oxygen concentrator [2] needs not only an air receiver, but also an oxygen receiver, which smooths out interruptions in the oxygen flow. Therefore, the oxygen concentrator [2] is characterized by increased material costs for the manufacture of receivers.

Задачей полезной модели является сокращение массы кислородного и воздушного ресиверов концентратора кислорода.The objective of the utility model is to reduce the mass of the oxygen and air receivers of the oxygen concentrator.

Поставленная задача решается тем, что в известном концентраторе кислорода, включающем в себя компрессор, к выходу которого присоединен воздушный ресивер и управляемые клапаны, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам, соединенным через управляемый клапан, к выходам адсорберов подключены дроссели и кислородный ресивер, воздушный и кислородный ресиверы выполнены в виде емкости, разделенной стенкой, общей для обоих ресиверов.The problem is solved by the fact that in a known oxygen concentrator, which includes a compressor, to the outlet of which an air receiver and controlled valves are connected to adsorbers filled with zeolite, connected through a controlled valve, throttles and an oxygen receiver, air and oxygen receivers are connected to the outlets of the adsorbers made in the form of a container separated by a wall common to both receivers.

На чертеже представлена схема предлагаемой полезной модели.The drawing shows a diagram of the proposed utility model.

Предлагаемая полезная модель концентратора кислорода включает компрессор 1, к выходу которого присоединен воздушный ресивер 2 и управляемые клапаны 3, 4, 5, 6, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам 7 и 8, соединенными через управляемый клапан 9. К выходам адсорберов подключены дроссели 10, 11 и кислородный ресивер 12, причем воздушный ресивер 2 и кислородный ресивер 12 выполнены в виде емкости, разделенной стенкой 13, общей для обоих ресиверов.The proposed useful model of an oxygen concentrator includes a compressor 1, to the outlet of which an air receiver 2 and controlled valves 3, 4, 5, 6 are connected to adsorbers 7 and 8 filled with zeolite, connected through a controlled valve 9. Chokes 10, 11 are connected to the outputs of the adsorbers and an oxygen receiver 12, wherein the air receiver 2 and the oxygen receiver 12 are made in the form of a container separated by a wall 13 common to both receivers.

Концентратор кислорода работает следующим образом: компрессор 1 нагнетает сжатый воздух в выходной тракт и в воздушный ресивер 2. При открытом управляемом клапане 3 сжатый воздух поступает в адсорбер 7, давление в котором поддерживается благодаря сопротивлению дросселя 10. Под давлением в адсорбере 7 сорбируется преимущественно азот, а оставшийся кислород с концентрацией более 90% накапливается в кислородном ресивере 12 и поступает к потребителю совместно с кислородом, выходящим через дроссель 10.The oxygen concentrator operates as follows: compressor 1 pumps compressed air into the outlet duct and into air receiver 2. When controlled valve 3 is open, compressed air enters adsorber 7, the pressure in which is maintained due to the resistance of throttle 10. Under pressure, nitrogen is sorbed in adsorber 7, and the remaining oxygen with a concentration of more than 90% accumulates in the oxygen receiver 12 and enters the consumer together with the oxygen leaving through the throttle 10.

В это же время из адсорбера 8 десорбируется ранее сорбированный на цеолите азот и через открытый управляемый клапан 6 выбрасывается в атмосферу. Одновременно из кислородного ресивера 12 в адсорбер 8 поступает поток кислорода, ограниченный дросселем 11, промывка цеолита кислородом способствует его более полной регенерации.At the same time, the nitrogen previously adsorbed on the zeolite is desorbed from the adsorber 8 and released into the atmosphere through the open control valve 6. At the same time, oxygen flow limited by throttle 11 enters adsorber 8 from oxygen receiver 12; washing the zeolite with oxygen contributes to its more complete regeneration.

Затем наступает стадия эквализации, управляемые клапаны 3,4,5,6 закрываются (компрессор 1 при этом не выключается и нагнетаемый им сжатый воздух накапливается в воздушном ресивере 2), открывается управляемый клапан 9, выравнивается давление в адсорбере 7 (до того находившемся при повышенном давлении) и в адсорбере 8 (до того находившемся практически при атмосферном давлении). При сбросе давления в адсорбере 7 в нем начинается процесс десорбции, но в первую очередь десорбируется хуже сорбируемый газ, т.е. не азот, а кислород. Обогащенный кислородом газ поступает в адсорбер 8.Then the equalization stage begins, the controlled valves 3,4,5,6 close (compressor 1 does not turn off and the compressed air pumped by it accumulates in the air receiver 2), the controlled valve 9 opens, the pressure in the adsorber 7 equalizes (before that it was at an increased pressure) and in adsorber 8 (before that, it was practically at atmospheric pressure). When pressure is released in adsorber 7, the desorption process begins in it, but the gas that is less adsorbed is desorbed first; not nitrogen, but oxygen. The oxygen-enriched gas enters adsorber 8.

На стадии эквализации кислород поступает потребителю только из кислородного ресивера 12.At the equalization stage, oxygen is supplied to the consumer only from the oxygen receiver 12.

Далее стадия эквализации заканчивается и адсорберы меняются функциями: в адсорбере 7 начинается стадия регенерации цеолита, а в адсорбере 8 - стадия продуцирования.Further, the equalization stage ends and the adsorbers change their functions: in the adsorber 7, the stage of regeneration of the zeolite begins, and in the adsorber 8, the stage of production.

Открывается управляемый клапан 5 и из адсорбера 7 в атмосферу сбрасывается ранее сорбированный на цеолите азот, одновременно цеолит в адсорбере 7 промывается потоком кислорода, поступающим из кислородного ресивера 12 и ограниченного дросселем 10.The controlled valve 5 opens and the nitrogen previously sorbed on the zeolite is discharged from the adsorber 7 into the atmosphere;

Открывается управляемый клапан 4 и компрессор 1 нагнетает сжатый воздух одновременно в воздушный ресивер 2 и адсорбер 8, давление в котором поддерживается благодаря сопротивлению дросселя 11. Под давлением в адсорбере 8 сорбируется преимущественно азот, а оставшийся кислород с концентрацией более 90% накапливается в кислородном ресивере 12 и поступает к потребителю совместно с кислородом, выходящим через дроссель 11.The controlled valve 4 opens and the compressor 1 pumps compressed air simultaneously into the air receiver 2 and the adsorber 8, the pressure in which is maintained due to the resistance of the throttle 11. Under pressure, nitrogen is mainly sorbed in the adsorber 8, and the remaining oxygen with a concentration of more than 90% accumulates in the oxygen receiver 12 and enters the consumer together with oxygen leaving through the throttle 11.

Работу предлагаемой полезной модели поясняют следующие примеры.The work of the proposed utility model is illustrated by the following examples.

Пример 1. Концентратор кислорода согласно [1] с компрессором мощностью 1,1 кВт и двумя адсорберами объемом по 3,6 л каждый, заполненными цеолитом 13ХНР, фракция - шарик диаметром 0,4…0,8 мм, оснащенный воздушным ресивером из стали Х18Н10Т объемом 10 л и массой 4,2 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 11 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,1 кВт/(л/мин).Example 1. Oxygen concentrator according to [1] with a compressor with a power of 1.1 kW and two adsorbers with a volume of 3.6 liters each, filled with zeolite 13ХНР, the fraction is a ball with a diameter of 0.4 ... 0.8 mm, equipped with an air receiver made of steel Х18Н10Т with a volume of 10 liters and a mass of 4.2 kg. At an oxygen concentration at the outlet of 93% vol. the concentrator has a capacity of 11 l / min at n.c., i.e. specific energy consumption is 0.1 kW/(l/min).

Пример 2. Концентратор кислорода согласно [2], с компрессором, адсорберами и воздушным ресивером согласно примеру 1, оснащенный кислородным ресивером из стали Х18Н10Т объемом 10 л и массой 4,2 кг, т.о. суммарная масса обоих ресиверов составляет 8,4 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 16 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,069 кВт/(л/мин).Example 2. An oxygen concentrator according to [2], with a compressor, adsorbers and an air receiver according to example 1, equipped with an oxygen receiver made of X18N10T steel with a volume of 10 l and a mass of 4.2 kg, i.e. the total mass of both receivers is 8.4 kg. At an oxygen concentration at the outlet of 93% vol. the concentrator has a capacity of 16 l / min at n.c., i.e. specific energy consumption is 0.069 kW/(l/min).

Пример 3. Концентратор кислорода, выполненный согласно предлагаемой полезной модели (см. чертеж), с компрессором и адсорберами согласно примеру 1, оснащенный совмещенными ресиверами (воздушным и кислородным) объемом по 10 л каждый, выполненными из стали Х18Н10Т и разделенными перегородкой. Суммарная масса ресиверов составляет 7,2 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 16 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,069 кВт/(л/мин).Example 3. An oxygen concentrator made according to the proposed utility model (see drawing), with a compressor and adsorbers according to example 1, equipped with combined receivers (air and oxygen) with a volume of 10 liters each, made of X18N10T steel and separated by a partition. The total mass of the receivers is 7.2 kg. At an oxygen concentration at the outlet of 93% vol. the concentrator has a capacity of 16 l / min at n.c., i.e. specific energy consumption is 0.069 kW/(l/min).

С помощью предлагаемой полезной модели удается достичь поставленной задачи - сократить затраты металла на изготовление ресиверов по сравнению с концентратором кислорода согласно [2] с 8,4 до 7,2 кг, что позволяет снизить себестоимость концентратора кислорода и сократить трудоемкость его изготовления, поскольку вместо двух сварных швов, прикрепляющих стенки ресиверов к их обечайкам, выполняется один.With the help of the proposed utility model, it is possible to achieve the task - to reduce the cost of metal for the manufacture of receivers in comparison with the oxygen concentrator according to [2] from 8.4 to 7.2 kg, which reduces the cost of the oxygen concentrator and reduces the complexity of its manufacture, since instead of two welds attaching the walls of the receivers to their shells, one is performed.

Данный вывод подтверждается результатами изготовления и испытаний опытного образца концентратора кислорода.This conclusion is confirmed by the results of manufacturing and testing a prototype oxygen concentrator.

Источники информацииInformation sources

1. Попов Е.В., Вершинин Μ.Α., Леонов А.В. Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха. RU 82576 U1. Заявка: 2008132774/22, 07.08.2008.1. Popov E.V., Vershinin M.A., Leonov A.V. Installation for obtaining oxygen from atmospheric air. EN 82576 U1. Application: 2008132774/22, 08/07/2008.

2. Шарипов Χ.Α., Костаков С.В., Шацких П.А. Концентратор кислорода. RU 149979 U1. Заявка: 2014125089/05, 19. 06.2014 г. - прототип.2. Sharipov H.A., Kostakov S.V., Shatskikh P.A. oxygen concentrator. EN 149979 U1. Application: 2014125089/05, 06/19/2014 - prototype.

3. Ермаков, А.А. Технологии короткоцикловой адсорбции получения кислорода из воздуха / А.А. Ермаков, Е.И. Акулинин // Труды ТГТУ: сб. статей. - Тамбов, 2006. - Вып. 19. - С. 53-57.3. Ermakov, A.A. Technologies of short-cycle adsorption for obtaining oxygen from air / A.A. Ermakov, E.I. Akulinin // Proceedings of TSTU: Sat. articles. - Tambov, 2006. - Issue. 19. - S. 53-57.

Claims

An oxygen concentrator, including a compressor, to the outlet of which an air receiver and controlled valves are connected to adsorbers filled with zeolite, connected through a controlled valve, throttles and an oxygen receiver are connected to the outlets of the adsorbers, characterized in that the air and oxygen receivers are made in the form of a container separated wall common to both receivers.