醫療保健氣體液氧反注式製取和供氣裝置及其製取方法與流程

2023-08-11 18:39:21

本發明屬於深冷法製取氧氣技術領域，尤其涉及了醫療保健氣體液氧反注式製取和供氣裝置及其製取方法。

背景技術：

深冷法是先將空氣壓縮、冷卻、淨化吸附空氣中的水和二氧化及碳氫物質等，在換熱器中與冷流股換熱並使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點的不同，在精餾塔中實現氧、氮分離，這就是空氣精餾法。

目前工業上大規模製氧普遍採用深冷法，由大型深冷裝置生產的液氧，通過槽車運送至安裝在醫院內的低溫壓力儲槽內，經空浴式汽化器汽化後供醫院使用，其缺點是液體供應主動權掌握在供應商手中，存在質量風險，液氧來源路途遙遠，運輸不方便，成本較高，加之生產液氧單位耗能較高，氧氣折合價格約為3元/nm3。

小型深冷裝置目前在醫用領域僅限於充裝氧氣瓶和直接生產液氧，並沒有一個針對大型醫院用氣需求和特點專門設計的用於醫院現場連續供氣的小型深冷裝置。而且裝置佔地較大，且單位制氧能耗較高，約1.3～1.5kwh/nm3。

另一種折衷的辦法是在醫院安裝採用變壓吸附法制氧(即psa制氧)裝置直接生產氧氣供應醫院使用，其基本原理是基於分子篩對空氣中的氧、氮組分具有選擇性吸附而使空氣中氧氮氣分離從而獲得氧氣。當空氣經過壓縮，經吸附塔的分子篩吸附層時，氮分子優先被吸附，氧分子留在氣相中穿過吸附床層而成為產品氧氣。當吸附劑層中的氮氣吸附達到相對飽和時，利用減壓或抽真空的方法將吸附劑分子表面吸附的氮分子解吸出來並送出界區排空，使吸附劑得到解吸重新恢復原有的吸附能力，為下一周期的吸附產氧準備，兩個以上(含兩個)吸附塔不停地循環，就實現了連續產氧的目的。該方法所生產的氧氣純度通常只有93％左右。即使採取極端辦法，其氧氣純度最高只能達到95％，無法達到醫用氧99.5％的純度要求，所以只適合對氧氣純度要求不高的場合，而且制氧單耗較高，約1.5～1.8kwh/nm3。且無法同時供應其他醫療保健氣體。

傳統的中小型醫院由於用氣量有限，但是直接購買灌裝氣在長期使用過程中成本較高，而且搬運麻煩，同時氣體的質量存在風險。而且傳統的現場制氧設備成本較高，需要的動力設備較多，給維護和保養帶來了更多的成本。

技術實現要素：

本發明為深冷技術在醫療健康領域的技術應用拓展，針對中小型醫院對醫療氣體的需求和用氣情況，提供了一種無需液氧泵和膨脹機的設備成本較低的醫療保健氣體液氧反注式製取和供氣裝置及其製取方法。

為了解決上述的技術問題，本發明通過下述技術方案得以解決：

醫療保健氣體液氧反注式製取和供氣裝置，包括包括冷端系統和後備系統，冷端系統包括精餾塔和液氧反注管線，後備系統包括液氧貯槽，液氧貯槽設置有出液口，精餾塔設置有液氧進液口，出液口和進液口通過液氧反注管線相連。液氧貯槽的液氧通過液氧管道能夠對裝置精餾提供冷量，使裝置無需配置膨脹機製冷。

作為優選，還包括熱端系統，熱端系統設置有空氣出氣口，冷端系統還包括主冷凝蒸發器，主冷凝蒸發器設置有空氣進氣口和空氣出氣口，後備系統還包括第一空氣管道，熱端系統空氣出氣口與主冷凝蒸發器的空氣進氣口通過第一空氣管道相連，精餾塔設置有液氧出液口，主冷凝蒸發器設置有液氧出液口和液氧進液口，精餾塔的液氧出液口通過液氧管道連接到主冷凝蒸發器的液氧進液口，主冷凝蒸發器的液氧出液口通過液氧管道連接到精餾塔的液氧進液口，而且精餾塔內的液氧通過液氧管道能夠為主冷凝蒸發器內空氣的換熱提供足夠的冷量。

作為優選，後備系統還包括第二空氣管道，冷端系統還包括主換熱器，主換熱器設置有空氣進氣口和空氣出氣口，主換熱器的空氣出氣口通過第一空氣管道與主冷凝蒸發器的空氣進氣口相連，主換熱器的空氣進氣口通過空氣管道與熱端的空氣出氣口相連，熱端系統的空氣出氣口通過第一空氣管道與主換熱器的空氣進氣口相連，熱端系統的空氣出氣口通過第二空氣管道與後備系統相連。換熱後的氣氧得到復熱，空氣得到冷卻降溫，換熱的過程節約了能源，同時省去了膨脹機的使用，節約了成本。

作為優選，冷端系統還包括過冷器，過冷器設置有空氣進氣口和空氣出氣口，主冷凝蒸發器的空氣出氣口通過第一空氣管道與過冷器的空氣進氣口相連，過冷器的空氣出氣口通過管道連接到精餾塔。液態空氣進行過冷有利於節約冷量，降低汽化率，從而節約能源。

作為優選，熱端系統包括用管道連接的空氣過濾器、空氣壓縮機、空氣緩衝罐、冷幹機和分子篩系統，後備系統還包括送氣管網、氧氣緩衝罐、汽化器和氣氧管道，氣氧管道依次連接精餾塔、換熱器和氧氣緩衝罐，送氣管網與分子篩系統、氧和氣緩衝罐通過管道連接；分子篩系統為熱端系統的末端，分子篩系統設置有空氣出氣口，分子篩系統的空氣出氣口一路通過第二空氣管道連接到送氣管網，另一路通過第一空氣管道送入主換熱器，汽化器與主冷凝蒸發器和液氧貯槽通過管道連接。

作為優選，後備系統還包括汙氮氣管道，分子篩系統設置有汙氮氣進氣口，精餾塔設置有汙氮氣出氣口，汙氮氣出氣口與精餾塔的汙氮氣出氣口通過汙氮氣管道相連，過冷器和換熱器均與汙氮氣管道相連；分子篩系統包括加熱器、控制器和至少兩個分子篩吸附器，分子篩吸附器至少一個在吸附，一個在再生，加熱器為電加熱器，控制器控制分子篩系統的循環；單個分子篩吸附器吸附周期為4～8小時。採用多個分子篩吸附器能夠進行不間斷對空氣進行處理，而且充分利用精餾塔產生的汙氮氣，這表現在兩個方面，一方面為充分利用汙氮氣的冷量對空氣進行過冷，另一方面汙氮氣作為再生氣節約了空氣，節約了能量；採用電加熱器相比蒸汽加熱器具有佔地面積小，易於控制，運行可靠等優點。

作為優選，主冷凝蒸發器通過管路連接與精餾塔底端連接且設置在精餾塔的一側，通過相應管線連接採用側置主冷凝蒸發器代替原有的底部放置方案，能進一步降低冷箱高度，有利於室內安裝。

作為優選，冷端系統的設備和熱端系統的設備分別以貨櫃的方式進行設置，有利於集成化裝配合生產，同時具有佔地面積小等優點。

一種上述設備的的醫療保健氣體液氧反注式製取方法，製取步驟如下：

步驟a，將空氣過濾壓縮冷卻後再進行乾燥；

步驟b，將乾燥後的氣體經過純化進一步去除水蒸氣、co2、n2o；

步驟c，將步驟b中乾燥淨化後的空氣分成兩股，一股空氣進入主換熱器7經冷卻後送到主冷凝蒸發器與進入主冷凝蒸發器的液氧換熱液化，進入主冷凝蒸發器的液氧來自精餾塔的底部；另一股空氣作為醫用乾燥空氣進入送氣管網進行收集；

步驟d，步驟c中進入主冷凝蒸發器後的液化空氣經過過冷器過冷後進入精餾塔參與精餾，經精餾在精餾塔的塔頂得到汙氮氣，在塔底部得到液氧；

步驟e，精餾塔底部的液氧一部分作為液氧進行收集，精餾塔塔底的液氧一部分汽化成氣氧，汽化的氣氧一部分作為精餾的上升氣參與精餾，另一部分氣氧進入主換熱器進行復熱，復熱的同時冷卻步驟c中的進入主換熱器7的空氣，復熱後氧氣進行收集；塔頂得到的汙氮氣作為分子篩系統的汙氮氣，汙氮氣和與液氧換熱後的空氣在過冷器內進行換熱，換熱後的汙氮氣再經主換熱器復熱後進入分子篩系統；

步驟f，氧氣高峰用量時，通過加大液氧貯槽的液氧反注量向塔底提供更多的液氧，同時通過在主冷凝蒸發器底部抽取液氧送入空浴式汽化器汽化得到常溫氧氣，補充用氧高峰期增加的流量。

作為優選進入主換熱器的空氣壓力為6～12bara，經主換熱器換熱後的溫度-150～-170℃；精餾塔的操作壓力為1.5～5bara。提高精餾塔的操作壓力使從精餾塔內出的氣氧能夠達到醫用壓力的標準，而且免去了液氧泵的使用，降低了成本，提高了安全性能。

採用以上技術手段，本發明具有以下有益效果：

本發明採用深冷法可在醫院現場同時製取氧氣和乾燥壓縮空氣，氧氣純度滿足醫用氧99.5％的要求。醫院無需再單獨配置乾燥壓縮氣體供應裝置。工藝流程中通過提高精餾塔操作壓力，使裝置無需配置液氧泵便能提供符合醫院用氣壓力的氧氣，並且通過液氧反注工藝提供裝置所需的冷量，使裝置無需配置膨脹機製冷。本發明降低了裝置設備成本，利用了液氧的冷能，使醫院相同液氧量的使用時間延長約3～10倍，並可以有效加快裝置啟動速度，增加了運行可靠性，降低了後期維護費用。使深冷制氧裝置此等小規模用氧的應用中(用氧量4～50nm3/h以內)具有了經濟性和可行性。同時減少了空氣進氣量，降低了能耗，制氧單耗約1.0～1.4kwh/nm3。而且換熱過程充分利用熱量，不需要附加其他能量供應，節約了能源。在裝置停車的情況下，液氧貯槽內的液氧可以作為緊急用氣供應到送氣管路。而且本發明使用的裝置結構緊湊，佔地面積小，通過相應管線連接採用側置主冷凝蒸發器代替原有的底部放置方案，能進一步降低冷箱高度，有利於室內安裝。同時無需液氧泵和膨脹機，減少了成本支出，而且提高了裝置運行的安全性。

附圖說明

圖1是本發明實施例的設備工作流程圖。

附圖中各數字標號所指代的部位名稱如下：1—空氣過濾器、2一空氣壓縮機、3一空氣緩衝罐、4一冷幹機、5一分子篩吸附器、6—加熱器、7一主換熱器、8一精餾塔、9—主冷凝蒸發器、10—過冷器、11一液氧貯槽、12一汽化器、13一氧氣緩衝罐、14一控制器、15一熱端系統、16一冷端系統、17一液氧反注管線、18一第二空氣管道、19一第一空氣管道、20一氣氧管道、21一汙氮氣管道、22一液氧管道。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細描述。

如圖1所示，包括冷端系統16和後備系統，冷端系統16包括精餾塔8和液氧反注管線17，後備系統包括液氧貯槽11，液氧貯槽11設置有出液口，精餾塔8設置有液氧進液口，出液口和進液口通過液氧反注管線17相連；所述的裝置系統還包括熱端系統15，熱端系統15設置有空氣出氣口，冷端系統16還包括主冷凝蒸發器9，主冷凝蒸發器9設置有空氣進氣口和空氣出氣口，後備系統還包括第一空氣管道19，熱端系統15空氣出氣口與主冷凝蒸發器9的空氣進氣口通過第一空氣管道19相連，精餾塔8設置有液氧出液口，主冷凝蒸發器9設置有液氧出液口和液氧進液口，精餾塔8的液氧出液口通過液氧管道22連接到主冷凝蒸發器9的液氧進液口，主冷凝蒸發器9的液氧出液口通過液氧管道22連接到精餾塔8的液氧進液口。熱端系統15處理後的一股空氣與主冷凝蒸發器9內的液氧進行換熱。

後備系統還包括第二空氣管道18，冷端系統16還包括主換熱器7，主換熱器7設置有空氣進氣口和空氣出氣口，主換熱器7的空氣出氣口通過第一空氣管道19與主冷凝蒸發器9的空氣進氣口相連，主換熱器7的空氣進氣口通過空氣管道19與熱端的空氣出氣口相連，熱端系統的空氣出氣口通過第一空氣管道19與主換熱器7的空氣進氣口相連，熱端系統15的空氣出氣口通過第二空氣管道18與後備系統相連，冷端系統16還包括過冷器10，過冷器10設置有空氣進氣口和空氣出氣口，主冷凝蒸發器9的空氣出氣口通過第一空氣管道19與過冷器10的空氣進氣口相連，過冷器10的空氣出氣口通過管道連接到精餾塔8，熱端系統15包括用管道連接的空氣過濾器1、空氣壓縮機2、空氣緩衝罐3、冷幹機4和分子篩系統，後備系統還包括送氣管網、氧氣緩衝罐13、汽化器12和氣氧管道20，氣氧管道20依次連接精餾塔8、換熱器7和氧氣緩衝罐13，送氣管網與分子篩系統、氧和氣緩衝罐13通過管道連接；分子篩系統為熱端系統15的末端，分子篩系統設置有空氣出氣口，分子篩系統的空氣出氣口一路通過第二空氣管道18連接到送氣管網，另一路通過第一空氣管道19送入主換熱器7，汽化器12與主冷凝蒸發器9和液氧貯槽11通過管道連接，汽化器12將液氧汽化為常溫氣氧輸送至送氣管網。工作過程為熱端系統吸入的空氣首先通過空氣過濾器1以去除灰塵和其他微小機械雜質，然後經一臺空氣壓縮機2壓縮至6.5～13bara送入空氣緩衝罐3。空氣緩衝罐3內的壓縮空氣進入冷幹機4冷卻，壓縮空氣出冷幹機4的溫度8～12℃。乾燥後的壓縮空氣進入分子篩系統純化空氣中留存的有害組分比如水蒸氣、co2、n2o和其他潛在的有害碳氫化合物。處理後的空氣進入冷端系統16的和後備系統；分子篩系統為熱端處理空氣的末端，處理後的一股空氣進入送氣管網，另一股進入主換熱器7；氧氣緩衝罐13儲存來自精餾塔8的經主換熱器7換熱後的氧氣，氧氣緩衝罐13的操作壓力維持在1.5～5bara之間，經過減壓閥減壓至約1.5～4bara將氧氣送至醫院的氧氣管網。

後備系統還包括汙氮氣管道21，分子篩系統設置有汙氮氣進氣口，精餾塔8設置有汙氮氣出氣口，汙氮氣出氣口與精餾塔8的汙氮氣出氣口通過汙氮氣管道21相連，過冷器10和換熱器7均與汙氮氣管道21相連；分子篩系統包括加熱器6、控制器14和至少兩個分子篩吸附器5，分子篩吸附器5至少一個在吸附，一個在再生，加熱器6為電加熱器，控制器14控制分子篩系統的循環；單個分子篩吸附器5吸附周期為4～8小時。其中分子篩系統的再生氣來自精餾塔11頂部產出的汙氮氣，來自精餾塔11的汙氮氣在電加熱器6中被加熱到150～170℃。在冷吹階段汙氮氣21旁通電加熱器6到分子篩吸附器5中吹除熱量。採用多個分子篩吸附器能夠進行不間斷對空氣進行處理，而且充分利用精餾塔產生的汙氮氣，這表現在兩個方面，一方面為充分利用汙氮氣的冷量對空氣進行過冷，另一方面汙氮氣作為再生氣節約了空氣，節約了能量；採用電加熱器相比蒸汽加熱器具有佔地面積小，易於控制，運行可靠等優點。

經主冷凝蒸發器9換熱後的空氣為液態空氣；精餾塔8底部的部分液氧換熱汽化作為上升氣。液氧貯槽的液氧通過液氧管道能夠對精餾塔精餾提供冷量，而且精餾塔內的液氧通過液氧管道能夠為主冷凝蒸發器內空氣的換熱提供足夠的冷量。其中，過冷器10的換熱過程為精餾塔8產生的汙氮氣和與需要進行過冷的空氣換熱。主冷凝蒸發器9設置在精餾塔8的一側。精餾塔8底部與液氧貯槽11通過管路連接，通過相應管線連接採用側置主冷凝蒸發器代替原有的底部放置方案，能進一步降低冷箱高度，有利於室內安裝。通過液氧反注工藝提供裝置所需的冷量，使裝置無需配置膨脹機製冷。同時液態空氣進行過冷有利於節約冷量，降低汽化率，從而節約能源。氧氣高峰用量時，通過加大液氧反注量向精餾塔8底提供更多的液氧，通過在主冷凝蒸發器9底部液氧排放管道22抽取液氧送入汽化器12汽化得到常溫氧氣，補充用氧高峰期增加的流量。

一旦裝置停車，液氧貯槽11儲存的液氧可用於保證氧氣供應。從真空壓力貯槽11抽出的液氧，經空浴式汽化器12蒸發，進入氧氣管網。

其中，冷端系統16的設備和熱端系統15的設備分別以貨櫃的方式進行設置，有利於安裝和生產，同時有利於節約空間。

主換熱器7為板翹式換熱器；過冷器10為板式換熱器；主冷凝蒸發器9為浴式蒸發器；空氣壓縮機2為無油式空氣壓縮機，冷卻方式為風冷。

本發明還提供了一種基於上述裝置的醫療保健氣體液氧反注式製取方法，製取步驟如下：

步驟a，將空氣過濾壓縮冷卻後再進行乾燥；

步驟b，將乾燥後的氣體經過純化進一步去除水蒸氣、co2、n2o；

步驟c，將步驟b中乾燥淨化後的空氣分成兩股，一股空氣進入主換熱器7經冷卻後送到主冷凝蒸發器9與進入主冷凝蒸發器9的液氧換熱液化，進入主冷凝蒸發器9的液氧來自精餾塔8的底部；另一股空氣作為醫用乾燥空氣進入送氣管網進行收集；

步驟d，步驟c中進入主冷凝蒸發器9後的液化空氣經過過冷器10過冷後進入精餾塔8參與精餾，經精餾在精餾塔8的塔頂得到汙氮氣，在塔底部得到液氧；

步驟e，精餾塔8底部的液氧一部分作為液氧進行收集，精餾塔8塔底的液氧一部分汽化成氣氧，汽化的氣氧一部分作為精餾的上升氣參與精餾，另一部分氣氧進入主換熱器7進行復熱，復熱的同時冷卻步驟c中的進入主換熱器7的空氣，復熱後氧氣進行收集；塔頂得到的汙氮氣作為分子篩系統的汙氮氣，汙氮氣和與液氧換熱後的空氣在過冷器10內進行換熱，換熱後的汙氮氣再經主換熱器7復熱後進入分子篩系統；

步驟f，氧氣高峰用量時，通過加大液氧貯槽11的液氧反注量向塔底提供更多的液氧，同時通過在主冷凝蒸發器9底部抽取液氧送入空浴式汽化器12汽化得到常溫氧氣，補充用氧高峰期增加的流量。

下文針對具體中小型醫院對醫療氣體的需求和用氣情況，例如醫院平均用氧量在4～50nm3/h，氧氣壓力為1.5～4bara，還需要乾燥壓縮空氣50nm3/h，對本發明作更進一步闡述。

本裝置若在室內安裝，則冷箱高度不超過4m，噪音低於70db。

吸入的空氣30～500nm3/h，首先通過空氣過濾器1以去除灰塵和其他微小機械雜質，然後經一臺空氣壓縮機2壓縮至6.5～13bara送入空氣緩衝罐3。

空氣緩衝罐3內的壓縮空氣進入冷幹機4冷卻，壓縮空氣出冷幹機4的溫度約10℃。

乾燥後的壓縮空氣進入分子篩系統純化，空氣中留存的有害組分比如水蒸氣、co2、n2o和其他潛在的有害碳氫化合物，其中分子篩系統包括互相交替再生的兩個分子篩吸附器5。一個分子篩吸附器5吸附時，另外一個分子篩吸附器5再生。單筒吸附周期約4～8小時。

其中分子篩系統的再生氣來自精餾塔11頂部產出的汙氮氣，來自精餾塔11的汙氮氣在電加熱器6中被加熱到150～170℃。在冷吹階段汙氮氣旁通電加熱器6到分子篩吸附器5中吹除熱量。在再生循環結束後，再生後的分子篩吸附器5開始工作，同時另外一個分子篩吸附器5開始進行新的再生循環。

分子篩系統的循環由控制器14dcs或plc自動控制完成。

乾燥淨化的加工空氣通過分子篩系統後溫度約20℃分成二股，一股壓縮空氣進入主換熱器7冷卻接近到空氣液化溫度然後送入到精餾塔8。另一股壓縮空氣壓力約為6～12.5bara抽出後通過減壓閥減至一定壓力後作為乾燥壓縮空氣送管網。其中第一股空氣經主換熱器7換熱後的溫度-150～-170℃。

第一股空氣經主換熱器7換熱後進入主冷凝蒸發器9進一步與液氧換熱液化成為液態空氣，省去了氣體膨脹機，節約了成本同時提高了設備的安全性。液態空氣再經過過冷器10與汙氮氣換熱後進入精餾塔頂部8作為回流液進行精餾。塔底液氧被空氣加熱蒸發一部分作為上升氣參與精餾，另一部分氧氣流量為4～50nm3/h送到主換熱器7復熱，至接近大氣溫度後出主換熱器7，並送至氧氣緩衝罐13約1～5m3，使其操作壓力維持在1.5～5bara之間，再經過減壓閥減壓至約1.5～4bara送至醫院的氧氣管網，

液氧貯槽11經液氧反注管線17向精餾塔底部注入液氧約0.5～10nm3/h提供冷量從而保持裝置冷量平衡。精餾塔8塔頂的一段抽取汙氮氣經過冷器10和主換熱器7復熱後送入分子篩系統，作為分子篩系統的再生氣。

氧氣高峰用量時，通過加大液氧反注量向精餾塔8底提供更多的液氧，通過在主冷凝蒸發器9底部液氧排放管線抽取液氧送入汽化器12汽化得到常溫氧氣，補充用氧高峰期增加的流量。

一旦裝置停車，液氧貯槽11儲存的液氧可用於保證氧氣供應。從0.2～5m3真空壓力貯槽抽出的液氧4～50nm3/h，經空浴式汽化器12蒸發，進入氧氣管網。

總之，以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。