氧氣分離器和產生氧氣的方法

2023-10-08 21:53:14

氧氣分離器和產生氧氣的方法
【專利摘要】本發明涉及一種從包含氧氣的氣體中分離氧氣的方法，所述方法包括以下步驟：至少執行第一氧氣分離周期和第二氧氣分離周期，所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期每一個都包括將包含氧氣的氣體引導到氧氣分離裝置(12、14)的第一側的步驟，所述氧氣分離裝置(12、14)包括氧氣分離吸附劑(16、18)，並且所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期每一個都包括通過在所述氧氣分離裝置(12、14)的所述第一側和所述第二側之間形成壓力差而從所述氧氣分離裝置(12、14)產生富含氧氣的氣體流；以及在所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期之間執行冷卻周期，其中所述冷卻周期包括引導衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟，所述衝洗吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能e1；並且所述冷卻周期包括引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟，所述冷卻吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能e2，其中所述吸收能e2低於所述吸收能e1。此方法提供了尤其是就高溫而言的改善的氧氣分離特性。本發明還涉及一種氧氣分離器(10)。
【專利說明】氧氣分罔器和產生氧氣的方法發明領域
[0001]本發明涉及氧氣分離領域。更具體來說，本發明涉及用於呼吸應用的氧氣分離，尤其是在家庭護理領域中。

【背景技術】
[0002]氧氣治療術是將氧氣施用為一種治療方式。其廣泛地用於慢性病和急症患者護理中的各種用途，因為氧氣對於細胞代謝是必不可少的，繼而，組織氧合對於所有生理功能都是必不可少的。氧氣治療應當用來以下述方式使患者受益:增加氧氣到肺部的供應，從而增加氧氣到身體組織的可利用性，尤其是在患者正承受缺氧和/或低血氧症時。氧氣治療可用於醫院和家庭護理兩者的應用中。氧氣治療的主要家庭護理應用是用於具有嚴重的慢性阻塞性肺疾病(C0PD)的患者。
[0003]氧氣可用多種方式施用。優選的氧氣施用方式是通過使用一種所謂的氧氣按需產生方法。就此而論，所謂的氧氣濃縮機或分離器等商用解決方案分別已是眾所周知的。這些氧氣濃縮機多數會將氧氣與含有氧氣的氣體分離開，以便按需(即，在恰好使用之前)提供氧氣。
[0004]本領域中已知的此類氧氣濃縮機或氧氣分離器的任務分別是處理相應的氧氣分離吸附劑的氧氣分離能力與溫度的相依性。
[0005]根據US 2006/0048644 A1已知一種變壓吸收系統。此變壓吸收系統包括:氣體供給源；壓縮機，用於接納和壓縮供給氣體，從而提供壓縮的供給空氣；以及少於六個的分子篩吸附室，所述分子篩吸附室中具有分子篩材料，用於將所述壓縮的供給空氣分離成濃縮的氣體組分；其中所述系統對所述濃縮氣體組分的恢復率大於約30%。為了處理具有高於周圍空氣的溫度的壓縮空氣，根據本文獻的壓縮空氣沿著多腔室罐的長度行進，從而起到熱交換的作用，以便在傳遞到相應的分子篩之前使壓縮空氣冷卻。
[0006]然而，仍需要改善氧氣分離裝置的氧氣分離性能，尤其是相對於溫度影響、且尤其是相對於以高溫存儲或使用氧氣分離器方面的氧氣分離性能。


【發明內容】

[0007]本發明的目的是提供一種氧氣分離器和一種從包含氧氣的氣體中分離氧氣的方法，所述方法的構建成本較低、易於執行和/或就分離效率來說是有利的。
[0008]此目的是通過一種根據權利要求1所述的從含有氧氣的氣體中分離氧氣的方法而實現的。此目的還通過一種根據權利要求8所述的氧氣分離器而實現。在從屬權利要求中限定了優選的實施例。
[0009]一種從包含氧氣的氣體中分離出氧氣的方法包括以下步驟:至少執行第一氧氣分離周期和第二氧氣分離周期，所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期每一個都包括將包含氧氣的氣體引導到氧氣分離裝置的第一側的步驟，所述氧氣分離裝置包括氧氣分離吸附劑，並且所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期每一個包括通過在所述氧氣分離裝置的所述第一側和所述第二側之間形成壓力差而從所述氧氣分離裝置產生富含氧氣的氣體流的步驟；以及在所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期之間執行冷卻周期，其中所述冷卻周期包括引導衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置的步驟，所述衝洗吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑具有吸收能el ;並且所述冷卻周期包括引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置的步驟，所述冷卻吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑具有吸收能e2，其中所述吸收能e2低於所述吸收能ei。
[0010]用在本文中的術語「包含氧氣的氣體」可以是指至少部分地包含氣態氧氣或者由氧氣組成的任何氣體。因此，術語「富含氧氣的氣體」應具體是指與包含氧氣的氣體相比具有較高的氧氣濃度且在極端的情況下可為純氧氣的氣體。
[0011]術語「氧氣分離裝置」可尤其是指氧氣分離器的活性部分。例如，氧氣分離裝置可包括氧氣分離吸附劑，所述氧氣分離吸附劑可與包含氧氣的氣體交互作用，或者與包含氧氣的氣體中除氧氣以外的限定組分交互作用，且因此所述氧氣分離吸附劑可藉助與所述包含氧氣的氣體中除氧氣以外的至少一種組分的交互作用而從包含氧氣的氣體中分離出氧氣。因此，如此的氧氣分離裝置或其氧氣分離吸附劑分別能夠從包含氧氣的氣體中分離出氧氣，尤其是通過吸附過程，如吸收過程來分離。因此，所述氧氣分離裝置可分別被設計為或包括吸收劑床或篩床。
[0012]此外，可將氧氣分離吸附劑理解為下述材料，其分別從包含氧氣的氣體中吸附且因此吸引或吸收除氧氣之外的至少一種物質、或者比氧氣吸附且因此吸引或吸收得較好的至少一種物質。
[0013]此外，用在本文中的術語「氧氣分離裝置的第一側」可以是指所述氧氣分離裝置的朝向一個方向引導的側或部分，所述包含氧氣的氣體沿所述方向在所述側或部分處被引導到氧氣分離裝置，而用在本文中的術語「氧氣分離裝置的第二側」可以是指所述氧氣分離裝置的朝向相反側引導的側或部分，即存在所產生的純氧氣或富含氧氣的氣體的一側。
[0014]此外，氧氣分離周期可被理解為使目標產生富含氧氣的氣體的周期，且因此為介於響應於打開氧氣分離器而開始氧氣分離過程與響應於關閉氧氣分離器而結束氧氣分離過程之間的周期。因此，打開和關閉氧氣分離器可被理解為用戶指示(例如，通過按下按鈕)應將氧氣分離器設定為開模式或關模式。因此，此周期可包括產生富含氧氣的氣體流，但在一些情況下同時也通過引導再生氣體從氧氣分離裝置的第二側穿過所述氧氣分離裝置到達其第一側以便使在氧氣分離期間吸收的物質解吸而使氧氣分離吸附劑再生。氧氣分離周期也可以被理解為完整的氧氣產生周期，其以加壓和供給階段開始以作為氧氣分離步驟並以減壓和清空階段結束以作為再生步驟。本領域的技術人員可顯而易見，在使用兩個氧氣分離裝置的情況下，第二個氧氣分離裝置將相對於第一個氧氣分離裝置延遲半個周期。
[0015]此外，衝洗吸附物可被理解為一種物質，例如氣體，其以限定的吸收能&結合到氧氣分離吸附劑。相應地，冷卻吸附物可尤其是指以吸收能e2結合到氧氣分離吸附劑的吸附物。關於吸收能，e2應低於ei，從而導致在將冷卻吸附物結合到氧氣分離吸附劑並取代衝洗吸附物時形成冷卻效應。
[0016]因此，一種從包含氧氣的氣體中分離出氧氣的方法會提供改善的分離效率，尤其是在用於執行此方法的氧氣分離器至少暫時地存儲在高溫下或在高溫下使用的情況下。特別是，根據本發明的方法解決了高的工作溫度以及氧氣分離吸附劑的存儲溫度對於性能(例如氧氣分離裝置的氧氣純度)的巨大影響。
[0017]具體來講，根據本發明的方法是基於以下發現的:通過至少部分地將一種物質結合或吸附到氧氣分離吸附劑，並因此通過完全地或僅在一定程度上將具有限定吸收能的物質(衝洗吸附物)承載到所述氧氣分離吸附劑上，可通過用分別具有相應的較低結合能或吸收能的冷卻吸附物來替代所述衝洗吸附物而使所述氧氣分離吸附劑冷卻。在這種情況下，由於事實上移除被強結合的衝洗吸附物確實比形成與冷卻吸附物的較弱結合需要更多能量，因此這導致了氧氣分離吸附劑的瞬間冷卻。因此，能量差導致了冷卻效應。
[0018]由於所述冷卻效應，氧氣分離效率由於事實上氧氣分離吸附劑的吸附特性與其溫度極其相關而可以顯著提高。具體來講，溫度性能可從相應的等溫線推斷出。僅作為示例性的值，通過在使用L1-LSX沸石材料作為氧氣分離吸附劑時使用針對氮氣和氧氣的溫度相關等溫線可知，可以就得到在篩溫下從空氣中濃縮的通量為1升/分鐘、純度大於85%的氧氣所需的氧氣分離吸附劑的量來計算所需的氧氣分離吸附劑的最小量的增量Μ% (ΛΤ)。相對於室溫操作(To?23°C )而言，氧氣分離吸附劑的溫度增量ΛΤ = +20°C導致(最小)所需材料增量Μ% (ΔΤ = 20°C )為約40%;氧氣分離吸附劑的溫度增量ΛΤ = +30°C導致Μ% (ΛΤ = 30°C )為約65%。對於AT = 40°C而言，需要大約兩倍的吸附劑量。
[0019]因此，當例如在氧氣分離裝置內部具有給定量的吸附劑材料時，通常特定特性可能僅在限定的溫度範圍內才是安全的。在離開所述溫度範圍的情況下，例如在超出所述溫度範圍的情況下，所限定的特性可能發生變化，這在一些情況下可能導致氧氣分離能力發生不期望的降低，且因此導致富含氧氣的氣體的品質降低。
[0020]由於下述事實，尤其對於可攜式氧氣分離器來說就是這種情況，所述事實是指，由於氧氣分離吸附劑的量有限，可攜式氧氣分離器可能對在高溫下工作非常敏感。例如，相應的氧氣分離裝置可能包括300cm3的鋰篩材料，其對應於僅200克的質量。此有限數量的氧氣分離吸附劑通常可提供在成本以及大小和重量且因此相應系統的舒適性方面的優點。尤其是對於可攜式裝置來說，根據本發明的方法可因此避免提供質量較多的氧氣分離吸附齊U，以便安全地實現滿足氧氣純度規格。
[0021]上述情況可能是即使是僅將氧氣濃縮器存儲在顯著高於正常室溫的溫度下且然後在大約室溫(T?25°C)下啟動的情況。其原因是氧氣分離吸附劑(例如相應的沸石)相對於周圍氣體的容量的高熱容量以及氧氣分離裝置內的低導熱率(尤其是在將氧氣分離吸附劑設計為篩粒的情況下)。因此，即使系統在正常操作條件(正常空氣供給流)下的操作也將不會導致快速冷卻，而是可能處於氣體流穿過氧氣分離材料數分鐘的範圍內。
[0022]與此相對，根據本發明，通過適當地選擇相應的衝洗吸附物以及冷卻吸附物，尤其是根據其吸收能或其相應吸收能的比，可有效地使氧氣分離吸附劑瞬間冷卻。這導致氧氣分離吸附劑溫度的快速降低以及氧氣分離性能的快速提高。換句話說，根據本發明，即使是在高溫存儲之後，也能夠分別使氧氣分離吸附劑快速冷卻並快速提供所期望的氧氣分離規格或氧氣純度。因此，在兩個工作周期之間的正常工作程序期間，尤其是在以高溫使用氧氣分離器的情況下，能夠使用根據本發明的方法。
[0023]此外，由於事實上吸附劑材料瞬間地且因此非常快速地冷卻，因此可在非常有限的時間範圍內實現上述目的。此外，此冷卻步驟並非基於與位於氧氣分離吸附劑外部的冷卻裝置相互作用，而是與其相反，例如由於事實上冷卻吸附物與氧氣分離裝置中所包含的所有吸附劑顆粒以非常一致的方式相互作用而從吸附劑材料床的表面以及內部實現冷卻效應。除此之外，引導衝洗吸附物以及冷卻吸附物穿過氧氣分離吸附劑的步驟可在幾秒鐘的時間範圍內實現，還顯示了快速冷卻過程及因此所產生氧氣的品質的快速提高。僅作為示例性的值，對於每100克氧氣分離吸附劑來說，為將冷卻吸附物引導穿過其以便實現期望的溫度降低，5秒到10秒的時間範圍可能是適當的。
[0024]根據實施例，衝洗吸附物包括氮氣和/或冷卻吸附物包括氧氣，或稀有氣體，如氬氣或氦氣。這些吸附物材料非常易於獲得且成本低廉，此外還易於處理。除此之外，所有吸附物均可接合到相同的吸附劑，從而相應地導致氧氣分離裝置或其氧氣分離吸附劑的非常簡單且成本低廉的布置。另外，這些吸附物相對於多種吸附劑具有相應的吸收能，所述吸收能在廣泛的範圍內發生變化，使得(例如)即使僅通過用氧氣來交換少量氮氣，也可提供非常有效且快速冷卻的效應，導致非常有利的氧氣分離性能。
[0025]根據另一實施例，在氧氣分離周期期間和/或在冷卻周期期間產生所述衝洗吸附物和/或冷卻吸附物。此實施例允許布置用於執行根據本發明的方法的氧氣分離器，而無需將相應的衝洗吸附物和/或冷卻吸附物從外部重新裝填到可能存在的容器或槽中。這允許實現根據本發明的此實施例的方法的非常成本低廉的性能。此外，由於事實上無需存儲任何衝洗吸附物和/或冷卻吸附物，或者衝洗吸附物和/或冷卻吸附物可能被用完，因此可執行非常安全的方法。此實施例可尤其適合於衝洗吸附物包括氮氣和/或冷卻吸附物包括氧氣的情況。具體來講，氧氣在任何情況下都是通過根據本發明的方法產生的。因此，可在容器中引導所產生的氧氣，且可自所述容器使用氧氣以便施加衝洗吸附物。相應的容器可以是與可用於將所產生的氧氣應用到所選應用的容器相同的容器，或者也可以是單獨的容器。另外，氮氣主要在標準工作程序期間被吸附到氧氣分離吸附劑，以便產生氧氣。因此，通過捕獲此氮氣，例如通過將用於氧氣分離吸附劑的再生步驟的氣體從氧氣分離裝置引導到氣體容器，可產生氮氣並將其用於使氧氣分離吸附劑冷卻。例如，可在關閉氧氣分離器時或其之後產生衝洗吸附物和/或冷卻吸附物。這可以通過執行額外的氧氣分離步驟而實現，例如在關閉氧氣分離器之後執行。
[0026]根據另一實施例，在關閉用於根據本發明的方法的氧氣分離器之後立即執行以下步驟:引導所述衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置。根據此實施例，可(例如)用氮氣(諸如，空氣)衝洗氧氣分離吸附劑來作為在用戶指示應關閉所述氧氣分離器之後、因此在氧氣分離周期之後且在氧氣分離器切換到關模式(例如用於以關模式存儲氧氣分離器)之前的最後一個措施。因此，這可以在用戶指示必須關閉氧氣分離器之後、且因此在正常的氧氣分離周期結束之後的額外步驟中實現。因此，此措施完全抵消了在(例如)變壓吸收系統中通常已知的程序。根據這些已知程序，應嚴格地避免(例如)在氧氣分離周期結束時使氧氣分離吸附劑承載有氮氣或甚至氮氣飽和，因為此措施會降低下一個周期時的氧氣分離能力。因此，熟知的措施通常包括出於再生的目的而引導氧氣穿過氧氣分離裝置的步驟。然而，根據本發明，氧氣分離器已準備好用於在開始下一個氧氣分離周期之前使氧氣分離吸附劑冷卻。
[0027]根據另一實施例，所述氧氣分離吸附劑承載有大於3 wt.-%。的衝洗吸附物量。由於事實上存在足量的衝洗吸附物且其可由冷卻吸附物替代，因此此實施例確保能產生足夠的冷卻效應。因此，使氧氣分離吸附劑不充分地承載有衝洗吸附物可能是有利的。這使得既可以直接開始新的氧氣分離周期或用冷卻吸附物替代所述衝洗吸附物又可以因此使氧氣分離吸附劑冷卻。採取哪一後續程序可取決於相應的需求。根據此實施例，可提供特別多種多樣的應用程式，並尤其改善了維護性和舒適度。
[0028]根據另一實施例，在打開用於根據本發明的方法的氧氣分離器之後立即執行以下步驟:引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置。特別是，引導冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置的步驟可作為響應於用戶在一段關閉時間之後指示打開氧氣分離裝置的首個步驟來執行，且因此在氧氣分離器的關閉時間與氧氣分離周期的開始之間執行。此實施例允許恰好在開始氧氣產生周期之前且因此在嚴格地需要氧氣分離吸附劑冷卻時使氧氣分離吸附劑冷卻。因此，根據此實施例，可尤其有效地改善氧氣分離能力及因此改善所產生氧氣的品質。因此，可尤其是在相應的氧氣分離器的長的關閉時間之後且在以高溫存儲之後，或者在以高溫執行氧氣分離方法時在氧氣分離程序期間的一個限定循環之前，啟動後續為氧氣分離周期的冷卻周期的開始。
[0029]因此顯而易見，所述冷卻周期或所述冷卻周期的相應步驟可被氧氣分離器的關閉周期分離開，且因此未必正好依次執行。
[0030]根據另一實施例，引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置的步驟和/或引導冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置的步驟是根據氧氣分離吸附劑的溫度來執行的。此實施例允許僅在需要的情況下才使氧氣分離吸附劑冷卻。例如，在可由溫度傳感器探測的溫度處於所使用的相應氧氣分離器或氧氣分離吸附劑的氧氣分離規格限值內時，不執行冷卻，從而允許尤其有效地產生氧氣。然而，如果所述溫度例如太高且可超出限定的值，則可選擇性地使氧氣分離吸附劑冷卻以便快速達到所需的溫度。此實施例尤其是(例如)可與僅使所述氧氣分離吸附劑部分地承載有衝洗吸附物相組合來執行，因為這尤其允許以氧氣產生步驟或冷卻步驟(視需要而定)開始。另外，此實施例可結合以下步驟使用:在開始氧氣分離周期之前、且因此尤其是在打開氧氣分離器時或打開氧氣分離器之後，立即可選地執行所述冷卻步驟，因為在此情況下，氧氣分離吸附劑處的溫度可被實時探測，使得所述方法尤其有效。可啟動根據本發明方法的冷卻步驟的示例性溫度可介於40°C或甚至更高的範圍內。因此，所限定的溫度可根據所使用的氧氣分離吸附劑和將要吸附的物質來選擇。
[0031]關於產生氧氣的方法的其它優勢和技術特性，可參見氧氣分離器的說明書、附圖及【專利附圖】

【附圖說明】。
[0032]本發明還涉及一種氧氣分離器，包括含有氧氣分離吸附劑的至少一個氧氣分離裝置，所述氧氣分離裝置在第一側處具有氣體入口，用於將包含氧氣的氣體流引導到氧氣分離裝置中，並且所述氧氣分離裝置在第二側處具有氣體出口，用於引導富含氧氣的氣體流離開氧氣分離裝置；和壓力調節裝置，其用於在所述氧氣分離裝置的第一側和第二側之間形成壓力差；其中所述氧氣分離器包括控制單元，所述控制單元適於在兩個氧氣產生周期之間引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置，所述衝洗吸附物相對於氧氣分離吸附劑具有吸收能^，且適於在兩個氧氣產生循環之間引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置，所述冷卻吸附物相對於氧氣分離吸附劑具有吸收能e2，其中吸收能e2低於吸收能ei。
[0033]用在本文中的術語「氧氣分離器」可尤其是指能夠從包含氧氣的氣體中分離出氧氣的裝置。因此，藉助氧氣分離器，從包含氧氣的氣體開始，可產生純氧氣或基本純的氧氣並因此產生富含氧氣的氣體。
[0034]術語「壓力調節裝置」可以指能夠在氧氣分離裝置的第一側和第二側之間產生壓力差的任何裝置。例如，其可以是連接到氧氣分離裝置第一側的氣體壓縮裝置，或者是連接到氧氣分離裝置第二側的真空泵。
[0035]此氧氣分離器能夠使氧氣分離吸附劑的溫度快速降低，尤其是分別在氧氣分離周期開始時或在打開氧氣分離器之後。具體來講，控制單元可設置有控制系統，例如微處理器，其用於引導衝洗吸附物或冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置。例如，這可以通過控制被分別填充的氣體容器和導管(例如)的相應閥而實現。
[0036]另外，可提供單個氧氣分離裝置，或者可提供兩個或甚至兩個以上的氧氣分離裝置。具體來講，如本領域中通常已知，氧氣分離器在包括兩個或兩個以上的氧氣分離裝置時可被設計成變壓吸收系統(PSA系統)。
[0037]因此，根據本發明的氧氣分離器用於對氧氣分離性能進行改善，尤其是在以高溫存儲之後，和/或在以高溫進行氧氣分離程序的情況下。
[0038]根據實施例，所述氧氣分離器包括用於探測氧氣分離吸附劑的溫度的傳感器。此實施例允許僅在需要的情況下才使氧氣分離吸附劑冷卻。例如，在溫度處於所使用的相應氧氣分離器或氧氣分離吸附劑的氧氣分離規格限值內時，不需要冷卻，從而允許尤其有效地產生氧氣。然而，如果所述溫度(例如)太高且因此超出限定的值，則可選擇性地使氧氣分離吸附劑冷卻以便快速達到所需的溫度。
[0039]根據另一實施例，所述氧氣分離器包括用於容納所述衝洗吸附物的容器和/或用於容納冷卻吸附物的容器。此實施例允許氧氣分離器自給自足，且因此無需至固定裝置的任何連接。顯而易見，在其中提供電池或發電機且此外將空氣用作含有氧氣的氣體的情況下，此實施例可以是尤其有利的。此外，此實施例對於可攜式裝置來說尤其有利。另外，在使用氧氣分離器的步驟期間產生衝洗吸附物和/或冷卻吸附物，此實施例可能尤其有益。
[0040]根據另一實施例，氧氣分離吸附劑包括L1-LSX沸石，例如可以商品名SXSDM從CECA購買或以商品名OxySiv MDX從U0P購買的L1-LSX沸石。根據此實施例，可使用具有尤其高的吸收強度的氧氣分離吸附劑。因此，根據此實施例，可使用尤其有效的冷卻效應，使得根據此實施例的氧氣分離器的氧氣分離性能尤其有效。因此，L1-LSX沸石可尤其是經過Li交換的低矽X型沸石(LSX，Si/Al = 1)。例如，其可通過離子交換法而從Na-LSX沸石製備得來。
[0041]因此，X型沸石是指Si/Al比率介於1和1.5之間的沸石。
[0042]關於氧氣分離器的其它優勢和技術特性，可參見產生氧氣的方法的說明書、附圖及【專利附圖】

【附圖說明】。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]根據下文描述的實施例，本發明的這些和其它方面將顯而易見，並參照下文描述的實施例對其進行闡釋。
[0044]在圖中:
[0045]圖1示出了用於執行根據本發明的方法的根據本發明的氧氣分離器的實施例的示意圖；
[0046]圖2示出了將根據本發明方法的效果可視化的示意圖；並且
[0047]圖3示出了用於執行根據本發明的方法的根據本發明的氧氣分離器的另一實施例的示意圖。

【具體實施方式】
[0048]在圖1中，示意性地示出用於產生氧氣的氧氣分離器10。氧氣分離器10可用於就治療應用產生氧氣，例如在C0PD治療領域中。氧氣分離器10可被設計為靜止布置，例如用於在醫院中使用所述氧氣分離器，或者其可以是可攜式裝置，例如用於在家庭護理應用領域中使用所述氧氣分離器。然而，氧氣分離器10還可以用於必須提供純氧氣或基本純氧氣的任何應用，例如在航空飛機中或用於焊接目的。此氧氣濃縮機或氧氣分離器10分別可基於氧氣濃縮機，例如被稱為EverGo且可自Philips Respironics購得的氧氣濃縮機。
[0049]氧氣分離器10包括能夠從包含氧氣的氣體中分離出氧氣的至少一個氧氣分離裝置12。然而，優選的是氧氣分離器10包括平行布置的至少兩個氧氣分離裝置12、14。在下文中，結合兩個氧氣分離裝置12、14來描述本發明。然而，本領域的技術人員將顯而易見，通過使用僅一個氧氣分離裝置12，或者使用兩個以上氧氣分離裝置12、14，可相應地提供每一個特性。每一個氧氣分離裝置12、14可形成為篩床，且可裝備有氧氣分離吸附劑16、18。氧氣分離吸附劑16、18尤其被配置成使氧氣大量通過，尤其是在氧氣以有限的濃度接觸氧氣分離吸附劑的情況下，但分別與包含氧氣的氣體中存在的其它組分或至少一個其它組分交互作用，或者吸收所述組分。在將空氣用作包含氧氣的氣體的情況下，因此優選地將氧氣分離材料16、18配置成吸收氮氣但較少與氧氣交互作用。適合的氧氣分離材料16、18可包括沸石材料，例如含鋰的八面沸石材料。然而，可以使用本領域中已知的每一種適合的氧氣分離材料16、18來例如用於變動過程中，諸如變壓吸收或真空變動吸收過程中。
[0050]入口導管20設置用於將包含氧氣的氣體流引導到氧氣分離裝置12的第一側的氣體入口 22。相應地，入口導管24設置用於將包含氧氣的氣體流分別引導到氧氣分離裝置14的第一側的氣體入口 26。此外，用於將富含氧氣的氣體或純氧氣分別引導出氧氣分離裝置12、14的出口導管28、30連接到相應的氧氣分離裝置12、14的氣體出口 32、34。
[0051]氧氣分離裝置12、14的入口導管20、24連接到氧氣分離器10的入口 36。包含氧氣的氣體源，例如氣體存儲裝置或環繞氧氣分離器10的空氣，可連接到入口 36。另外，可提供用於在氧氣分離裝置12、14的第一側和第二側之間形成壓力差的壓力調節裝置。根據圖1，提供壓縮機38，用於壓縮包含氧氣的氣體並迫使其穿過入口導管42、44，所述入口導管可為氧氣分離裝置12、14的入口導管20、24的一部分或連接至入口導管20、24。在壓縮機38下遊或上遊，可設置入口過濾器40，以便提供包含氧氣的氣體的第一清潔步驟。具體來講，可尤其是將固態顆粒從所述包含氧氣的氣體中濾出。
[0052]為了允許間歇地引導所述包含氧氣的氣體穿過氧氣分離裝置12、14，可在入口導管42、44中設置入口閥46、48。根據本發明的閥將是可允許氣體流動、抑制氣體流和/或調節氣體流的量的任何裝置。因此，通過關閉閥48並通過打開閥46，可引導包含氧氣的氣體穿過第一氧氣分離裝置12，而通過打開閥48並通過關閉閥46，包含氧氣的氣體可被引導穿過第二氧氣分離裝置14。相應地，可在出口導管28中設置閥50，且可在出口導管30中設置閥52。通過將包含氧氣的氣體引導穿過第一氧氣分離裝置12，閥50可被打開，而閥52可被關閉。相應地，通過將包含氧氣的氣體引導穿過第一氧氣分離裝置14，閥52可被打開，而閥50可被關閉。
[0053]在閥50、52下遊，出口導管28、30分別連接到氧氣收集器54或氣體箱，以便相應地存儲產生的氧氣或富含氧氣的氣體。氧氣收集器54可連接到出口管線56，所述出口管線中可設置流量控制器58以便控制富含氧氣的氣體流。除此之外，可在出口管線56中設置純度傳感器60，以便監控所產生的富含氧氣的氣體的純度。此外，在將所產生的氧氣引導到出口 64之前，可在出口管線56中設置額外的過濾器62。所產生的包含氧氣的氣體可被從出口 64引導到期望的應用處，例如到達患者。另外，可在收集器54下遊於出口管線56中設置閥53，以便在關斷氧氣分離器10之後保持壓力。
[0054]第一氧氣分離裝置12的出口導管28和第二氧氣分離裝置14的出口導管30可通過閥50、52上遊的交叉導管66連接，所述交叉導管中可設置有流調節器68 (例如，孔口)或流量控制器。這允許出於氧氣分離裝置12、14的再生目的，將所產生的(例如在氧氣分離裝置12、14中產生的)富含氧氣的氣體的限定的一部分往回引導穿過另一氧氣分離裝置14、12，或反之亦然。作為另外一種選擇，可引導來自收集器54的富含氧氣的氣體穿過氧氣分離裝置12、14。就此而言，在氧氣分離裝置12、14的第一側設置再生管線70、72，每一個再生管線70、72都包括一個閥74、76。如果出於再生目的而引導氧氣從氧氣分離裝置12、14的第二側穿過所述氧氣分離裝置到達其第一側，例如在所產生的氧氣具有有限純度的情況下，則可選擇性地引導流出物穿過再生管線70、72並穿過排氣裝置78。
[0055]如上文所述的氧氣分離器10還包括控制單元80。類似於下文將描述，控制單元80適於在兩個氧氣產生周期之間引導衝洗吸附物和冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置12、14。因此，控制單元可連接到例如閥46、48、50、52、53、74、76以及壓縮機38，並控制後面的這些裝置。取決於所使用的衝洗吸附物和冷卻吸附物，可引導相應的吸附劑穿過氧氣分離裝置12、14，從第一側至其第二側，或者從其第二側至其第一側。
[0056]另外，可提供用於探測氧氣分離吸附劑16、18的溫度的傳感器82、84，所述氧氣分離吸附劑可以示例性的方式為篩床，示例性地包括L1-LSX沸石。
[0057]如上文所述的氧氣分離器10可用於從包含氧氣的氣體中分離氧氣的方法。所述方法可包括以下步驟。可執行氧氣分離的至少兩個相應周期。這些周期中的每一個都包括將包含氧氣的氣體(例如空氣)引導到氧氣分離裝置12、14的第一側的步驟，氧氣分離裝置12、14包括氧氣分離吸附劑16、18。因此，產生富含氧氣的氣體流，並通過由(例如)壓縮機38在氧氣分離裝置12、14的第一側和第二側之間形成壓力差而將此氣體引導出氧氣分離裝置12、14。在相應周期之間，可以以關模式存儲氧氣分離器，例如以(諸如)40°C或高於40°C溫度的高溫進行存儲。
[0058]在如上文所述的第一氧氣分離周期和第二氧氣分離周期之間，引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置12、14，所述衝洗吸附物相對於氧氣分離吸附劑具有吸收能ei。所述衝洗吸附物可包括氮氣，且可以示例性的方式使用空氣。此外，可在結束氧氣分離周期時，且因此(例如)在用戶關閉氧氣分離器或指示要關閉氧氣分離器之後，可執行引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置12、14的步驟。另外，取決於氧氣分離吸附劑16、18的承載性能，可執行引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置12、14的步驟。具體來講，氧氣分離吸附劑16、18可承載有大於3wt.-%。的衝洗吸附物量。因此，在將氮氣用作衝洗吸附物的情況下，且在氧氣分離裝置12、14中的一個包括具有承載性能且因此具有在前述範圍內的氮氣吸附能力的氧氣分離吸附劑的情況下，可僅就第二氧氣分離裝置14執行引導衝洗吸附物的步驟。作為引導衝洗吸附物穿過僅一個氧氣分離裝置12、14的另外一種選擇，可為兩個氧氣分離裝置12、14都提供衝洗吸附物。
[0059]此步驟可通過(例如)使用壓縮機38引導空氣(作為包含氮氣的氣體)穿過氧氣分離裝置12、14中的一個或兩個而實現。作為一個例子，可打開閥46、76，而可關閉閥74、50,52,或者可打開閥48、74，而可關閉閥46、76、50、52。這可允許以串聯的方式引導包含氮氣的氣體穿過氮氣分離裝置12、14兩者。作為另一措施，在氧氣分離器10的關閉時間期間，供給側上的朝向排氣裝置78的閥74、76可被打開，以使空氣流至少進入氧氣分離裝置12、14中達幾秒，以便吸收氧氣分離吸附劑16、18處的氮氣。在此情況下，空氣的氮氣含量可用作具有較高吸收熱量的氣體，且因此用作衝洗吸附物。
[0060]此外，例如，通過在關斷氧氣分離器10期間或之後、或者在用戶指示關閉氧氣分離器10之後且因此作為將氧氣分離器轉換為關模式之前的最後措施增加額外的階段，可實現引導衝洗吸附物穿過氧氣分離裝置12、14的步驟。具體來講，引導包含氧氣的氣體穿過氧氣分離裝置12、14的步驟可被延長直到所產生氧氣的純度降到低於限定水平(例如，低於70%)為止。直到此時才可打開閥50、52。氧氣傳感器60可監測氧氣純度。此外，由於事實上相應氧氣分離裝置12、14通常處於不同的承載階段中，因此優選的是在每個出口28,30中都提供氧氣傳感器。因此，與一個閥52、50相比，可較早地關閉另一個閥50、52。
[0061]此外，以上限定的額外階段或後續周期分別可通過PSA過程的限定時間循環來控制。具體來講，在相對於處於氧氣分離模式下的第一氧氣分離裝置12的循環的25%之後，且因此在處於再生模式下的第二氧氣分離裝置14的循環的75%之後，兩個氧氣分離裝置可關於氮氣飽和度達到大致相當的階段。因此，可通過僅如上文所述的氧氣濃縮之後或氧氣濃縮之外的操作時間實現氧氣分離裝置的關閉時刻及因此所有閥的關閉時刻。
[0062]此外，在關斷氧氣分離器10時，可引導空氣穿過所有氧氣分離裝置12、14，因此中斷可能執行的再生循環，其中可打開閥46、48和74、76，而可關閉閥50、52。
[0063]就根據本發明的方法的另一步驟而言，也就是在第一周期和第二周期之間，於是弓丨導冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置12、14，所述冷卻吸附物具有冷卻吸附物相對於氧氣分離吸附劑的吸收能e2。就此而言，吸收能％低於衝洗吸附物的吸收能ei。這導致衝洗吸附物與冷卻吸附物的交換，且因此導致作用於氧氣分離吸附劑16、18上的冷卻效應。所述冷卻吸附物可示例性地包括氧氣或稀有氣體，諸如氦氣或氬氣，其濃度足以使衝洗吸附物解吸。作為示例性的值，可處於90%或甚至更高的範圍內的所產生氧氣的濃度可以是足夠的。另外，可在氧氣分離周期期間產生衝洗吸附物和/或冷卻吸附物。根據實施例，可在開始氧氣分離循環之前，且因此恰在打開氧氣分離裝置之後，且因此尤其是在以高溫存儲一段時間之後，作為氧氣分離器的一段關閉時間之後的第一措施，可執行引導冷卻吸附物穿過氧氣分離裝置12、14的步驟。
[0064]例如，可將在前一操作期間產生且存儲於收集器54中的富含氧氣的氣體的一小部分用作具有低吸收熱的氣體，且因此用作冷卻吸附物。出於此目的，例如，可分別打開閥50、52、74、76，以便引導氧氣穿過氧氣分離裝置12和/或14達幾秒鐘。在氧氣分離器10的關閉時間期間，可關閉閥50、52和53。
[0065]對如上文所述的氧氣分離器10執行的如上文所述的方法可顯著降低沸石粒的溫度，例如在氧氣分離過程開始時。這可以從對特殊設計的分子篩筒執行的簡單實驗推斷出，其中所述分子篩筒具有適配的熱電偶以便測量篩粒溫度。這在圖2中示出。
[0066]圖2示出了典型實驗的結果。針對此實驗，已將熱電偶放置於氧氣分離裝置的筒內的篩材料內，距離供給側約1釐米。對於所使用的Li篩材料(SXSDM)和約22毫米(長度為155毫米)的筒直徑來說，此溫度測量的特徵在於約5克的篩材料工作。在每次實驗之前用氮氣衝洗所述篩材料。用於將氮氣或氧氣用作供給氣體所得的結果在圖2中示出。
[0067]具體來講，圖2是示出了時間t(以秒為單位，t[s])相對於溫度T(以。C為單位，T[°C])和流速f(以每分鐘標準立升為單位，f[Nl/min])的圖表。在此圖內，示出了四條曲線，曲線A示出了在氧氣流穿過篩時Li篩材料的溫度，曲線B示出了在氮氣流穿過分子篩時的溫度，曲線C示出了氧氣流量且曲線D示出了氮氣流量。例如，可看出，在給定流速下(曲線C和D)，在篩材料內側約1釐米處的溫度發展。因此，示出了針對篩筒的氧氣清空(曲線A和C)以及氮氣清空(曲線B和D)的情形。顯而易見，如果將氧氣用作供給流，則在開始供給流之後，在幾秒鐘的時間範圍內溫度明顯降低(>10°C)。這示出了引導冷卻吸附物穿過氧氣分離吸附劑16、18的步驟。在使用氮氣作為供給流時，溫度保持恆定。
[0068]對可能的溫度降低的簡單估計如下。僅對於具有少量篩材料的篩床來說，因此從篩床的輸入端以高溫朝向輸出端快速傳輸氧氣，其中氮氣與氧氣的交換率增加，則溫度降低極快，例如僅在幾秒鐘內。僅作為示例性的值，通過使用1.2巴的冷卻吸附物(流速約為4.5Nl/min)，可通過用氧氣交換氮氣而在不到10秒內實現約15K的溫度降低。
[0069]在圖3中，示意性地示出了根據本發明的氧氣分離器10的另一個實施例。就圖3而言，與圖1相比相同的附圖標記是指相同或類似的特性，因此下文將主要論述其不同之處。
[0070]根據圖3，氧氣分離器10包括用於容納冷卻吸附物的另一容器80。容器86通過冷卻管線88連接到閥50、52上遊的出口導管28、30，所述冷卻管線中設置有閥90。在這種情況下，閥50、52可被設計成止回閥。
[0071]如果需要的話，可存在用於衝洗吸附物的相應容器。例如，用於衝洗吸附物的另一容器可設置在氧氣分離裝置12、14的供給側上，尤其是通過相應的閥連接到導管70、72。相應的容器可類似於下文所述被填充，或者其可被拆卸且因此設計為可更換的裝置，從而允許根據相應的應用來改變所使用的吸附物。
[0072]尤其是，在氧氣分離步驟期間，可將所產生的氧氣的一部分填充到容器86中。例如，在容器86中存在限定量的冷卻吸附物(例如氧氣)的情況下，所述冷卻吸附物可使用壓力傳感器(或另外一種選擇為流量控制器)通過容器86內部的壓力而探測到，可關閉閥90。根據本發明的方法可如先前關於氧氣收集器54所提及的來執行，其中容器86與收集器54交換，且閥90可與閥50、52交換。
[0073]另外，必須注意，出於填充容器86的目的，例如，能量消耗是微不足道的。因此，優選的是以較高壓力操作壓縮機38，以便更快地填充容器86。另外，與如上文所述的PSA過程的半個循環相比，優選的是在更長的時間範圍內執行容器80的填充。
[0074]儘管已在附圖和前述說明中詳細示出和描述了本發明，但此類圖示和說明應當視為例示性或示例性而非約束性的；本發明並不限於所公開的實施例。根據對附圖、公開內容和隨附權利要求的研究，本領域的技術人員可在實踐所要求保護的本發明時理解和實施所公開實施例的其它變化形式。在權利要求書中，詞語「包括」並不排除其它元件或步驟，而不定冠詞「一」或「一個」並不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中描述某些措施並不表明這些措施不能夠有利地結合起來使用。在權利要求書中的任何元件符號不應視為限制其範圍。
【權利要求】
1.一種從包含氧氣的氣體中分離氧氣的方法，所述方法包括以下步驟: 至少執行第一氧氣分離周期和第二氧氣分離周期，所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期每一個都包括將包含氧氣的氣體引導到氧氣分離裝置(12、14)的第一側的步驟，所述氧氣分離裝置(12、14)包括氧氣分離吸附劑(16、18)，並通過在所述氧氣分離裝置(12、14)的所述第一側和所述第二側之間形成壓力差而從所述氧氣分離裝置(12、14)產生富含氧氣的氣體流，以及 在所述第一氧氣分離周期和所述第二氧氣分離周期之間執行冷卻周期，其中所述冷卻周期包括以下步驟: 引導衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)，所述衝洗吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能ei，以及 引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)，所述冷卻吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能e2， 其中所述吸收能e2低於所述吸收能ei。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述衝洗吸附物包括氮氣，和/或其中所述冷卻吸附物包括氧氣或稀有氣體。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在氧氣分離周期期間和/或在冷卻周期期間產生所述衝洗吸附物和/或所述冷卻吸附物。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在關閉用於根據權利要求1所述的方法的氧氣分離器之後立即執行引導所述衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述氧氣分離吸附劑(16、18)承載有大於3wt.-%。的衝洗吸附物量。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在打開用於根據權利要求1所述的方法的氧氣分離器之後立即執行引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述引導所述衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟和/或所述引導所述冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)的步驟是根據所述氧氣分離吸附劑的溫度來執行的。
8.一種氧氣分離器，包括 含有氧氣分離吸附劑(16、18)的至少一個氧氣分離裝置(12、14)，所述氧氣分離裝置在第一側具有用於將包含氧氣的氣體流引導到所述氧氣分離裝置(12、14)中的氣體入口(22、26)、且在第二側具有用於引導富含氧氣的氣體流離開所述氧氣分離裝置(12、14)的氣體出口(32、34)，和 壓力調節裝置，用於在所述氧氣分離裝置(12、14)的所述第一側和所述第二側之間形成壓力差，其中 所述氧氣分離器(10)包括控制單元(80)，所述控制單元適於在兩個氧氣產生周期之間引導衝洗吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)，所述衝洗吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能ei，且所述控制單元適於在兩個氧氣產生循環之間引導冷卻吸附物穿過所述氧氣分離裝置(12、14)，所述冷卻吸附物相對於所述氧氣分離吸附劑(16、18)具有吸收能e2， 其中所述吸收能e2低於所述吸收能ei。
9.根據權利要求8所述的氧氣分離器，其特徵在於，所述氧氣分離器(10)包括用於探測所述氧氣分離吸附劑(16、18)的溫度的傳感器(82、84)。
10.根據權利要求8所述的氧氣分離器，其特徵在於，所述氧氣分離器(10)包括用於容納所述衝洗吸附物的容器(80)和/或用於容納所述冷卻吸附物的容器。
11.根據權利要求8所述的氧氣分離器，其特徵在於，所述氧氣分離吸附劑(16)包括L1-LSX 沸石。
【文檔編號】A62B21/00GK104271217SQ201380023307
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月22日 優先權日:2012年5月4日
【發明者】R·希爾比希, A·G·R·克貝爾, P·范德斯路易斯, M·克萊, W·C·科爾 申請人:皇家飛利浦有限公司