專利名稱：采用多循環(huán)膜分離的自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用氧氣供給技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧的方法。
背景技術(shù)：
目前，用于醫(yī)療用途的氧氣生產(chǎn)、供給方法主要有
I以深冷空分技術(shù)制取氣態(tài)氧氣并灌充至鋼瓶內(nèi)或制取液態(tài)氧氣灌充至液氧儲(chǔ)槽內(nèi)，運(yùn)輸至醫(yī)院現(xiàn)場，其中，鋼瓶裝醫(yī)用氧以匯流排對醫(yī)院實(shí)施集中供氧，液氧則經(jīng)汽化后對醫(yī)院實(shí)施集中供氧，這兩種供氧方法是目前醫(yī)院的主流供氧方法，其氣源來源均為深冷空分技術(shù)自空氣中制取的氧氣，該氧氣的理化性能指標(biāo)遵循國標(biāo)《GB8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》的技術(shù)要求，氧氣純度> 99. 5% ；
2醫(yī)用分子篩制氧則是一種新興的供氣方法，該供氣方法的氣源來自變壓吸附技術(shù)制取的氧氣，按《YY/0289-1998醫(yī)用分子篩設(shè)備通用技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，醫(yī)用分子篩制氧的氧氣純度僅需> 90%。上述兩種供氧方法中，因變壓吸附技術(shù)的靈活、方便、投資少、能耗低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，一開始應(yīng)用就得以迅速發(fā)展，目前已裝備于各大醫(yī)院數(shù)百套，成為醫(yī)用氧現(xiàn)場供氣的熱點(diǎn)方法，至今仍然呈現(xiàn)不斷增長的趨勢。但是，因受制于常規(guī)制氧分子篩的性能，采用CaA，CaX, NaX, LiX型等普通沸石分子篩基于平衡吸附機(jī)理的分子篩變壓吸附制氧技術(shù)，僅能從空氣中獲得純度80 95. 7%的氧氣，其氧氣純度指標(biāo)明顯低于《中國藥典》和2009年5月I日發(fā)布執(zhí)行的《GB8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》對醫(yī)療用氧的技術(shù)指標(biāo)(強(qiáng)制執(zhí)行條款)要求，這也是我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低于國標(biāo)的一個(gè)特例。膜分離技術(shù)為制取醫(yī)用氧氣開辟了一條全新的技術(shù)途徑，膜分離制氧過程是物理過程，無相變，設(shè)備本質(zhì)安全，可滿足任何醫(yī)院使用的安全要求，無瓶裝氧氣、液氧杜瓦瓶的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用等安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，同時(shí)，膜分離方法也具有PSA方法的一切優(yōu)點(diǎn)，靈活、方便、投資少、能耗低、自動(dòng)化程度高，但是，現(xiàn)有單一的膜分離過程因受制于膜分離材料的分離性能，單級膜分離過程難以達(dá)到《GB8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氧氣純度彡99. 5%的技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上情況，本發(fā)明提供一種分離氧氣純度高，而且投資少、能耗低、自動(dòng)化程度高、安全的自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧氣的方法。本發(fā)明提供的自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧氣的方法，采用多循環(huán)的膜分離耦合工藝，可以將氧分壓> 100 (KPa)的含氧空氣組分混合氣提純?yōu)檠鯕饧兌?gt; 99. 5%以上的氧氣。
本發(fā)明中，所謂含氧空氣組分混合氣，系指由氮?dú)?、氧氣、氬氣三組分為主的具有一定氧氣分壓的混合氣；為更好的解釋氧分壓，如空氣，空氣中氧氣純度為21%，0 m海拔條件大氣壓力為101. 325 (KPa)，根據(jù)玻意耳定律，該空氣的氧分壓為21%Χ101· 325 (KPa)=21.28 (KPa);如將該空氣加壓到IOatm (絕壓)，則其氧分壓為21%X 10 X 101. 325 (KPa)=212.8(KPa);又如由變壓吸附制取的氧氣，如其氧氣純度為90%，0 m海拔條件，如將該含氧90%的混合氣加壓到3atm (絕壓)，則其氧分壓為90%X 3 X 101. 325 (KPa) =273. 58 (KPa)；以此類推。本發(fā)明中，涉及膜分離過程的膜分離器，所指膜分離器，是一種裝填有膜分離材料的分離元件，它對待分離的氧、氮、氬組分具有一定的選擇性，所謂選擇性，也稱分離系數(shù)，α (阿爾法)值，如氧/氮分離系數(shù)，其一般定義為α (阿爾法)值，氧/氮分離系數(shù)=(Qn2/Qffi),式中Qn2和Q02分別為單位時(shí)間、壓力下純組分氮?dú)夂脱鯕馔ㄟ^特定膜材料的滲透量，以此類推。所述膜分離器，至少具有一個(gè)I個(gè)原料氣入口，I個(gè)滯留氣出口，前者稱為膜分離器首部，后者稱為膜分離器尾部；還有至少I個(gè)滲透氣出口，并且，膜分離器具有高壓側(cè)與低壓側(cè)，其中，高壓側(cè)的一端連接原料氣入口，即膜分離器的首部，接收原料氣，另一端連接滯留氣出口即膜分離器的尾部，用以排除較難通過膜分離材料的氣體，而低壓側(cè)則連接滲透氣出口，用以排出較容易通過膜分離材料的氣體；
本發(fā)明方法具體步驟如下
(1)采用至少I級膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氮?dú)?。它接收原料空氣和后級循環(huán)返回的工藝氣體，混合后達(dá)到> 100 (KPa)的氧分壓后，作為第I級膜分離器的原料氣，并自該級膜分離器中的滯留側(cè)出口排除富氮?dú)怏w，而自膜分離器中的滲透側(cè)出口產(chǎn)生富氧氣體并以此作為后級膜分離器的原料氣；
(2)采用至少I級多循環(huán)的膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氬氣、氮?dú)?。該循環(huán)的膜分離器至少由2組膜分離器、升壓設(shè)備以及必要的閥門組成，接收前級產(chǎn)生的富氧氣體為原料，并與循環(huán)返回的工藝氣體混合后的混合氣作為該級膜分離器的原料氣，自第I組膜分離器的滯留側(cè)排除富含氬氣、氮?dú)鉃橹鳉怏w，而自第2組膜分離器的滲透側(cè)經(jīng)升壓設(shè)備排出純度彡99. 5%以上的氧氣；
并且，組成該循環(huán)的膜分離過程的2組膜分離器應(yīng)該首尾相接，其中第I組的原料氣入口與第2組的滯留氣出口相連通，而前級的原料氣與自第2組膜分離器的的滯留側(cè)出口排出的至少一部分氣體相混合后作為第I組膜分離器的原料氣；
并且，第2組膜分離器的滲透側(cè)至少為2個(gè)出口，一個(gè)滲透氣出口靠近原料氣入口側(cè)或者稱膜分離器的首部，另一個(gè)滲透氣出口靠近滯留氣出口側(cè)或者稱膜分離器的尾部；
并且，組成該循環(huán)的膜分離過程的兩組膜分離器中，第I組膜分離器的滲透側(cè)出口與第2組膜分離器的滲透側(cè)靠近尾部的出口相連通，自第I組膜分離滲透側(cè)產(chǎn)生的富氧氣體與自第2組膜分離器的滲透側(cè)產(chǎn)生的富氧氣體混合后自靠近首部的出口排出，并自首部的出口連接一個(gè)升壓設(shè)備，典型的，該升壓設(shè)備如壓縮機(jī)或真空泵，用于輸送該自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣所需的輸送動(dòng)力。其中
Ca)將自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣的至少一部分輸出為產(chǎn)品氣；
(b)將自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣循環(huán)返回第2組膜分離器作為原料氣。
典型的，本發(fā)明可采用兩級膜分離耦合工藝，即第一級采用一個(gè)膜分離器進(jìn)行分離，第二級采用I級多循環(huán)的膜分離器進(jìn)行分離；自第2級的第2組膜分離器的滯留側(cè)出口排出的至少一部分氣體循環(huán)返回進(jìn)入第I級膜分離過程與原料空氣相混合后作為第I級膜分離器的原料氣；
本發(fā)明采用的上述兩級膜分離耦合工藝中，第I級膜分離過程采用的膜分離材料其氧/氮分離系數(shù)應(yīng)> 6，氧/氬分離系數(shù)應(yīng)> 3 ;第2級膜分離過程中的第1、2組采用的膜分離材料，其氧/氮分離系數(shù)應(yīng)> 6，氧/氬分離系數(shù)應(yīng)> 10。根據(jù)本發(fā)明方法，可以獲得滿足《GB8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》標(biāo)準(zhǔn)要求的
氧氣純度彡99. 5%的醫(yī)用氧氣。


圖I是一種以至少兩級的多循環(huán)膜分離耦合工藝自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧的方法流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步闡述本發(fā)明方法
在本發(fā)明中的分離方法中，如附圖I所示的膜分離過程。說明書包括實(shí)施例子所指說的一些名字釋義如下
如附圖I所示的膜分離器M101A、M201A是一種3 口膜分離器，每個(gè)膜分離器由膜分離材料分隔為高壓側(cè)、低壓側(cè)，其中，高壓側(cè)的一端連接I個(gè)原料氣入口，即膜分離器的首部，接收原料氣，另一端連接I個(gè)滯留氣出口即膜分離器的尾部，用以排除較難通過膜分離材料的氣體，而低壓側(cè)則連接I個(gè)滲透氣出口，用以排出較容易通過膜分離材料的氣體，該膜分離器具有氧氣與氮?dú)?、IS氣的分離功能，氧氣較容易透過而氮?dú)?、IS氣較難以通過。如附圖I所示的膜分離器M202A是一種4 口膜分離器，每個(gè)膜分離器由膜分離材料分隔為高壓側(cè)、低壓側(cè)，其中，高壓側(cè)的一端連接I個(gè)原料氣入口，即膜分離器的首部，接收原料氣，另一端連接I個(gè)滯留氣出口即膜分離器的尾部，用以排除較難通過膜分離材料的氣體，而低壓側(cè)則連接2個(gè)滲透氣出口，用以排出較容易通過膜分離材料的氣體，其中一個(gè)滲透氣出口靠近原料氣入口側(cè)或者稱膜分離器的首部，另一個(gè)滲透氣出口靠近滯留氣出口側(cè)或者稱膜分離器的尾部，該膜分離器具有氧氣與氮?dú)?、氬氣的分離功能，氧氣較容易透過而氮?dú)?、氬氣較難以通過。附圖中，以V代表控制閥門，如Vl，V2等等，都是控制閥門，可以根據(jù)需要進(jìn)行開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)，優(yōu)選可以帶有流量控制、調(diào)節(jié)性能的自動(dòng)控制閥門，這些閥門可以是手動(dòng)的、氣動(dòng)控制的，也可以是電動(dòng)、液壓控制的自動(dòng)閥。ABOl代表升壓設(shè)備，如壓縮機(jī)械、真空泵。實(shí)施例
O如附圖I的2級多循環(huán)的膜分離耦合工藝，其中第I級膜分離過程接收壓縮并進(jìn)行了預(yù)處理的潔凈的壓縮空氣作為原料氣經(jīng)Vl閥調(diào)節(jié)流量后輸入，與第2級膜分離過程的第2組自滯留側(cè)排出的至少一部分氣體經(jīng)V4調(diào)節(jié)流量與之混合后，自①作為第I級膜分離過程的原料氣，其氧分壓應(yīng)彡100 (KPa)；本級分離過程中，典型的，空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到如4 10 atm (表壓)后，經(jīng)如公知技術(shù)的過濾器包括活性炭除油器或者過濾器、冷凍干燥機(jī)或吸附式干燥機(jī)等組成的預(yù)處理系統(tǒng)，脫除壓縮空氣中夾帶的水分、固體顆粒雜質(zhì)以及油份后進(jìn)入，其中，過濾器可以是多級的、組合式的，吸附式干燥機(jī)、冷凍干燥機(jī)可以是聯(lián)合的，也可以單獨(dú)采用，按照通常的設(shè)計(jì)要求，本專業(yè)的技術(shù)人員可以靈活的掌握預(yù)處理系統(tǒng)所包含的組件與設(shè)計(jì)要求；
經(jīng)本級分離后，自膜分離器的滯留側(cè)經(jīng)V2調(diào)節(jié)流量后自②排除氮?dú)?、氬氣，而自膜分離器的滲透側(cè)自③輸出純度30 75%的富氧氣體；
2)如附圖I的2級多循環(huán)的膜分離耦合工藝，第I級滲透側(cè)自③產(chǎn)生的富氧氣體經(jīng)閥V3調(diào)節(jié)流量后，與第2級膜分離過程的第2組自滯留側(cè)排出的至少一部分氣體經(jīng)V5調(diào)節(jié)流量與之混合后，自④作為第2級第I組膜分離器的原料氣，并經(jīng)V6調(diào)節(jié)流量自⑥排除氮?dú)?、氬氣，而自?級第I組膜分離器的滲透側(cè)產(chǎn)生富氧氣體自⑦進(jìn)入第2級第2組膜分離器的滲透側(cè)并與第2組產(chǎn)生的富氧氣體混合后自⑧經(jīng)連接的升壓設(shè)備ABOl送出，其中
至少一部分經(jīng)閥V8調(diào)節(jié)流量后自⑨輸出為氧氣純度> 99. 5%的醫(yī)用氧氣；
至少一部分經(jīng)閥V7調(diào)節(jié)流量后循環(huán)返回第2級第2組膜分離器作為原料氣；
3)上述兩級膜分離耦合工藝中，自第2級第2組膜分離器的滯留側(cè)出口自⑤排出的氣體中的至少一部分氣體經(jīng)閥V4調(diào)節(jié)流量后循環(huán)返回進(jìn)入第I級膜分離過程與原料空氣相混合后作為第I級膜分離器的原料氣，而至少一部分經(jīng)閥V5調(diào)節(jié)流量后循環(huán)返回并與第I級膜分離器產(chǎn)生的富氧氣體混合后自④作為第2級第I組膜分離器的原料氣；
4)采用的上述至少2級的多循環(huán)的膜分離耦合工藝過程中，第I級膜分離過程采用的膜分離材料其氧/氮分離系數(shù)應(yīng)> 6，氧/氬分離系數(shù)應(yīng)> 3，典型的，如選擇由美國APCI生產(chǎn)的聚砜、聚酰亞胺材質(zhì)的膜分離器；第2級膜分離過程中的第1、2組采用的膜分離材料，其氧/氮分離系數(shù)應(yīng)> 6，氧/氬分離系數(shù)應(yīng)> 10，典型的，如選擇由上海傯達(dá)弗材料科技有限公司生產(chǎn)的分子篩膜分離器。經(jīng)檢測，通過上述分離步驟，即可分離純度達(dá)99. 5%以上的高純度氧氣。如上述的分離步驟，其中，升壓設(shè)備以克服系統(tǒng)阻力、循環(huán)所需達(dá)到的工藝壓力與流量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，可按公知技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以上所描述或附圖所示的方法、工藝參數(shù)和裝置中，可作出各種不同變動(dòng)而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍。因此，其它的不違背本發(fā)明精神的方法、裝置或結(jié)合應(yīng)用的改良以及可在本發(fā)明的實(shí)踐中采用的實(shí)施方案也應(yīng)包括在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。上面所描述的實(shí)施方法僅闡述本發(fā)明的一些重要特征，本專業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該知道，盡管本發(fā)明結(jié)合附圖進(jìn)行了部分描述，但這僅僅是本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例或者一種方法，一切不違反本發(fā)明闡述的實(shí)質(zhì)的其它變化也屬于本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種采用多循環(huán)膜分離的自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧的方法，其特征在于具體步驟如下 (1)采用至少I級膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氮?dú)猓? 它接收原料空氣和后級循環(huán)返回的工藝氣體，混合后達(dá)到> 100 KPa的氧分壓后，作為第I級膜分離器的原料氣，并自該級膜分離器中的滯留側(cè)出口排除富氮?dú)怏w，而自膜分離器中的滲透側(cè)出口產(chǎn)生富氧氣體并以此作為后級膜分離器的原料氣； (2)采用至少I級多循環(huán)的膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氬氣、氮?dú)猓? 該循環(huán)的膜分離器至少由2組膜分離器、升壓設(shè)備以及必要的管線、閥門組成，其一級循環(huán)的膜分離器接收前級級循環(huán)的膜分離器產(chǎn)生的富氧氣體為原料，并與循環(huán)返回的工藝氣體混合后的混合氣作為該級膜分離器的原料氣，自第I組膜分離器的滯留側(cè)排除富含氬氣、氮?dú)鉃橹鳉怏w，而自第2組膜分離器的滲透側(cè)經(jīng)升壓設(shè)備排出純度> 99. 5%以上的氧氣; 并且，組成該循環(huán)的膜分離過程的2組膜分離器首尾相接，其中第I組的原料氣入口與第2組的滯留氣出口相連通，而前級的原料氣與自第2組膜分離器的的滯留側(cè)出口排出的至少一部分氣體相混合后作為第I組膜分離器的原料氣； 并且，第2組膜分離器的滲透側(cè)至少為2個(gè)出口，一個(gè)滲透氣出口靠近原料氣入口側(cè)或者稱膜分離器的首部，另一個(gè)滲透氣出口靠近滯留氣出口側(cè)或者稱膜分離器的尾部； 并且，組成該循環(huán)的膜分離過程的兩組膜分離器中，第I組膜分離器的滲透側(cè)出口與第2組膜分離器的滲透側(cè)靠近尾部的出口相連通，自第I組膜分離滲透側(cè)產(chǎn)生的富氧氣體與自第2組膜分離器的滲透側(cè)產(chǎn)生的富氧氣體混合后自靠近首部的出口排出，并自首部的出口連接一個(gè)升壓設(shè)備，用于輸送該自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣所需的輸送動(dòng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，采用兩級膜分離耦合工藝，即第I級采用I個(gè)膜分離器進(jìn)行分離，第2級采用I級多循環(huán)的膜分離器進(jìn)行分離；自第2級的第2組膜分離器的滯留側(cè)出口排出的至少一部分氣體循環(huán)返回進(jìn)入第I級膜分離過程與原料空氣相混合后作為第I級膜分離器的原料氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，上述兩級膜分離耦合工藝中，第I級膜分離過程膜分離器采用的膜分離材料，其氧/氮分離系數(shù)> 6，氧/氬分離系數(shù)> 3 ;第2級膜分離過程中的第I、第2組膜分離器采用的膜分離材料，其氧/氮分離系數(shù)> 6，氧/氬分離系數(shù)> 10。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)用氧氣供給技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種采用多循環(huán)膜分離的自含氧空氣組分混合氣中制取醫(yī)用氧的方法。本發(fā)明(1)采用至少1級膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氮?dú)猓?2)采用至少1級多循環(huán)的膜分離器進(jìn)行分離，主要用于祛除氬氣、氮?dú)猓黄渲?a)將自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣的至少一部分輸出為產(chǎn)品氣；(b)將自滲透側(cè)產(chǎn)生的氧氣循環(huán)返回第2組膜分離器作為原料氣。根據(jù)本發(fā)明方法，可以獲得滿足《GB8982-2009醫(yī)用及航空呼吸用氧》標(biāo)準(zhǔn)要求的氧氣純度≥99.5%的醫(yī)用氧氣。
文檔編號B01D61/02GK102921301SQ201210425050
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者陳宗蓬, 羅二平, 申廣浩, 謝東紅, 俞曉峰 申請人:陜西莫格醫(yī)用設(shè)備有限公司