医用分子筛制氧设备的标准及应用现状

PSA技术与医用分子筛制氧设备

卢樟好    冯涛

(军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161)

 

从PSA技术制取氧气的机理和特点出发,阐述了用这种技术制取的氧气可作为医用氧气的理论依据,并简介了我所PSA医用分子筛制氧设备的工艺流程及其使用性能。

关键词:PSA技术分子筛医用氧气

当气相物质与固相物质组成一个吸附体系时,在相界面处的成分产生富集的现象称为吸附;已被吸附剂吸附的气体分子重新返回气相的过程称为解吸。变压吸附(Pressure Swing Adsorption)技术,即PSA技术,就是在等温条件下,加压吸附、减压解吸的循环操作过程。

1、PSA技术在气体分离、提纯和净化领域用途广泛

PSA技术是近30年内发展起来的一项新技术,它在气体分离、提纯和净化领域有着十分广泛的用途。例如:从空气中分离制取O2、N2,从发酵气中分离CH4、CO2,从混合气中分离和提纯H2,分离回收CO、CO2;用于He、Ar等稀有气体的分离和提纯,正、异烃类的分离;用于气体净化脱除H2O、CO2、H2S,工业废气脱除SOx、NOx、NH3等等。其中,用PSA技术从空气中分离制取氧、氮气体工艺最为引人注目,发展亦最快。

2、用PSA技术制取的氧气适合医用,且具有其他制氧方法所不具备的优点

以往,工业用氧气,包括医用氧气,都是采用低温技术(深冷法)从空气中分离氧、氮气体而制取的。低温技术制氧,是采用深度冷冻的方法,即把空气冷却到零下一百多度的低温,使其变成液体,再分馏出氧气。这种制氧方法,启动时间长,约需6~12h;工作周期亦长,一般开机后一周以内不宜停机;装置复杂,投资大。故只适用于工业大规模生产。对于非用氧大户,尤其是医疗单位,其用氧量相对于工业用氧而言就很小,不可能用低温技术实现就地制取氧气。PSA技术的不断开发应用,对中、小型低温空分制氧装置而言,已越来越显示出它的竞争力,并正在逐渐取代低温技术制氧,而医用氧气的制取,则有可能被PSA技术完全取而代之。

用PSA技术制取氧气的基本原理是:以空气为原料,以沸石分子筛为吸附剂,在常温低压条件下,利用沸石分子筛加压时对氮(吸附质)的吸附容量增加,减压时对氮的吸附容量减少的特性,在吸附塔内形成加压吸附、减压解吸的快速循环过程,使空气中的氧、氮气体分离而制取氧气的。它有两点对于解决医疗单位的医用氧问题极为有利。

其一,用PSA技术制取氧气所用的吸附剂为沸石分子筛,它是一种由阳离子和带负电荷的硅铝氧骨架所构成的极性吸附剂。虽然O2和N2是一种非极性吸附质,但O2和N2非极性分子受沸石分子筛极性分子的影响会产生诱导偶极。诱导偶极和极性分子固有偶极之间有一种吸引力作用,此力被称为诱导力。因N2的诱导力大于O2的诱导力,故沸石分子筛对N2的吸附量远大于对O2的吸附量。当空气通过沸石分子筛时,N2优先被沸石分子筛吸附,并在其微孔内富集,而O2除少量被吸附外,大部分通过沸石分子筛成为产品气。正是由于沸石分子筛是一种极性物质,且可通过静电诱导使非极性分子极化,因此,凡极性越强,或越容易被极化的分子,也就越容易被吸附。空气中的酸、碱、二氧化碳、氧化物、卤素等,均属于分子极性很强的物质,自然很难通过沸石分子筛进入产品氧。这就保证了产品氧中不含有对人体有害的成分。这是用PSA技术制取的氧气可以医用的关键所在。据日本《医器学》期刊报导,按日本药典规定的检测方法检测,并未发现产品氧中含有酸、碱、二氧化碳、氧化物、卤素等不纯物。通过对产品氧细菌培养和尘埃检出试验也未发现什么问题。我们把用PSA技术制取的产品氧气送到医药管理局指定的检测中心检测,结果表明(见表1天津市理化分析中心分析报告),其水分、酸、碱、二氧化碳、氧化物、卤素等有害成分的含量,均比国标《GB8982医用氧气》中规定的含量低。所以,用PSA技术制取的氧气完全适合于医用。

其二,用PSA技术制取氧气,由于是在常温低压条件下进行,设备具有工艺流程简单、投资少、能耗低、使用安全可靠和操作简单,一开机就出氧,可根据用氧需要随开随停,以及保养和检修简便易行等一系列优点,故很适宜在氧气不可缺少、但需要量又不是特别大的医疗单位就地制取医用氧气。它不仅可为城市大中型医院管道化中心供氧氧源提供理想的制氧设备,也可为远离城市的农村、山区、高原及边缘地区解决医疗用氧问题提供方便可靠的制氧设备。

3、我所研制的PSA医用分子筛制氧设备工艺流程及使用性能

军事医学科学院卫生装备研究所追踪国际先进技术,始于60年代末在国内率先研究PSA技术,研制医用分子筛制氧装置,已先后开发了4代PSA医用分子筛制氧设备,并形成了系列产品。图1是我所研制开发的第四代PSA医用分子筛制氧设备的工艺流程。原料空气由空气压缩机1压缩到0.5MPa左右,进入制氧机主体的分离器3脱水,再经分水滤气器4进一步脱水和过滤处理后,极少量压缩空气按程序控制器6发出的指令,通过电磁阀2进入气缸9,作为动力驱使多通旋转分配阀5运行,大部分压缩空气通过多通旋转分配阀按设定程序分别导入四个装填5A分子筛的吸附塔7(A、B、C、D)。压缩空气中的氧、氮气体在吸附塔内经12个程序的变换被分离:氮气从吸附塔底部引出,经多通旋转分配阀排空;氧气从吸附塔顶部流出,经多通旋转分配阀进入小储氧罐10,除一小部分氧气回充用于另一吸附塔的氧充压外,大部分氧气作为产品气进入大储氧罐8,以供使用。这种制氧设备的氧产量可根据用户的需求设计,氧浓度≥90%,其它成分的含量均符合医用氧气的要求。

图1 PSA医用分子筛制氧设备工艺流程

1.空气压缩机;2.电磁阀;3.分离器;4.分水滤气器;5.多通旋转分配阀;6.程序控制器;7.吸附塔;8.大储氧罐;9.气缸;10.小储氧罐;11.流量计。

PSA医用分子筛制氧设备进入医院使用始于70年代初。经大连医科大学附属一院、华西医科大学附属一院、湖北太和医院、解放军206、251、304、307医院及济南军区总医院等20多所医院长期使用证明,随着我们对PSA技术研究的不断深入和对装置不断的自我完善,这种制氧设备已成为医院管道化中心供氧、高压氧舱供氧和氧吧及家庭医疗保健供氧的理想设备,它为医疗单位乃至家庭医疗保健开辟了一条就地快捷制取医用氧气的最佳途径。由于这种制氧设备启动期短,氧气可根据需要随时制取;制氧过程除水电外无须其它投入,氧气成本低廉(仅为外购瓶氧的1/8~1/6),有很好的社会效益和经济效益;既简单方便,又实用可靠,已越来越受到用户的欢迎和青睐。

4、结束语

为加快我国对用PSA技术制取医用氧气的开发研究步伐,严格规范医用分子筛制氧设备在我国的生产和使用,中国人民解放军总后勤部和国家医药管理局先后于1992年和1995年分别委托军事医学科学院卫生装备研究所起草制订关于医用分子筛制氧设备的国家军用标准和国家医药行业标准。中国人民解放军总后勤部于1996年11月20日发布了国家军用标准《GJB2799-96医用分子筛制氧机通用规范》,自1997年4月1日起实行。国家医药管理局于1998年4月8日发布了国家医药行业标准《YY/T0298-1998医用分子筛制氧设备通用技术规范》,自1998年10月1日起实施。这两个标准的颁布实施,为PSA技术在医疗保健领域的进一步开发和应用敞开了大门。对指导我国医用分子筛制氧设备的研制、生产、使用和管理,对提高医用分子筛制氧设备的社会效益和经济效益,都将起到积极的推动作用。

 

参考文献

1特许公报昭61-205613

2SepSciTechnol,1998,23(7/6):519~529

3美国专利4608061

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