分子筛制氧机原理

收稿日期

:2009-06-23医用分子筛制氧机应用研究

毕光迎

(湖北省襄樊市第一人民医院

,湖北襄樊

441000)

〔中图分类号〕

TH789 〔文献标识码〕

B 〔文章编号〕

1002-2376(

2009)

09-0021-03

〔摘　要〕本文从医用分子筛制氧机配置要求

,使用分子制氧机注意事项及

PSA技术的发展方向进行讨

论。

〔关键词〕分子筛

;制氧机

;应用研究

医用分子筛制氧设备是以沸石分子筛为吸附

剂

,用变压吸附法(

PressureSwingAdsorption简称

PSA)制取医用氧气的设备(以下简称制氧机)。

该设备是在常温低压下以空气为原料

,将空气中的

氧气(约占

21%)用物理的方法直接分离

,从而

产生高纯度的医用氧气

,制取的氧气浓度为

90%

～

96%,其特点是产氧快

,安全

,经济

,方便

,轻

松取代过去的瓶装氧和化学制氧。近年来逐步在国

内各大中型医院推广应用。

1962年美国联合碳化物公司(

UCC)发现了分

子筛对气体的选择性特性

,并在实验设备上实现了

对少数不同气体的分离

,随即研制成功了世界上第

一台制氢工业装置。随着分子筛材料与工艺的不断

提升

,七十年代中期美国和德国首先将

PSA技术

应用于空气分离并在化工领域得到应用

,到八十年

代中期化学工业的发展为分子筛性能的提高起到了

关键作用

,使设备小型化成为可能。

1985年美国

的

Praxair公司研制的第一台小型制氧机的问世标

志着

PSA技术小型化的开始。九十年代初产品意

义上的医用制氧机开始出现

,美国材料实验学会

(

ASTM)于

1993年颁布了医用制氧机标准规范

(

F1464-1993)

,国际标准组织于

1996年发布了医

用制氧机的安全性标准(

ISO8359:1996)。从此

,

医用分子筛制氧机在国外医院得到广泛应用。

国内医院开始使用医用分子筛制氧机几乎与国

际同步

,但由于各地区对其产氧浓度是否满足医疗

用氧及国家规范认识上存在分歧

,导致推广应用缓

慢。对于医用氧气的氧含量问题

,应以满足医院用

于缺氧的预防和治疗为目的

分子筛制氧机设计原理

赵鑫 浙江曙光医疗器械制造有限公司 日期 版本号 描述 编写人 2013.7.5 V1.0.0 制氧机原理 赵鑫 第1页 1. 概述 分子筛式制氧机是指以变压吸附(PSA) 技术为基础，从空气中提取氧气的新型设备。其利用分子筛物理吸附和解吸技术在制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。具体工作过程为压缩空气经空气纯化干燥机净化后，通过切换阀进入吸附塔。在吸附塔内，氮气被分子筛吸附，氧气在吸附塔顶部被聚积后进入氧气储罐，再经除异味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得合格的医用氧气。 2. 制氧原理 2.1. 吸附剂氧分子筛 分子筛是一种晶状铝硅酸盐，其原子按一定的形状排列，基本结构单元是四个氧阴离子围绕一个较小的硅或铝离子而形成的四面体。钠离子或其它阳离子的作用是补充铝氧四面体正电荷的不足。四个氧阴离子的每一个，又都分被另一个铝氧或硅氧四面体共用，使晶格作三维延伸。晶格中暴露的阳离子使分子筛具有更强的吸附能力，这些阳离子起着局部强正电荷格点的作用，对极性分子的阴端进行静电吸引，分子的偶极矩越大，被吸引和吸附得越牢。在阳离子上的局部强正电荷的影响下，分子会受到电磁感应而产生偶矩。氧和氮都具有四极矩,但氮的四极矩（0.3ã）比氧（0.1ã）比大得多。因此，氮原子与阳离子之间的作用力较强，而被优先吸附。当有压力时，分子筛会吸附较多的氮原子；当减压时，分子筛会将吸附的氮原子释放出来（称为解吸）。 家庭制氧用分子筛一般用13X（NaX）型和5A（CaA）型。13X的氧气吸收率为47%，5A的氧气吸收率为54%。还有更高吸收率的CaX型（71%）、LiX型（82%），但成本太高。 浙江曙光医疗器械制造有限公司

第2页 2.2. 微型PSA吸附工艺 是一种加压吸附常压解吸制氧工艺，因耗电量高，适用于小型制氧装置。又分为产品气压低于0.2MPa及高于0.2MPal两种工艺流程。 家庭制氧采用气压低于0.2MPa的吸附工艺，其工作原理框图如下：

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1 1、分子筛简介

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。由于分子筛具有吸附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，使得分子筛获得广泛的应用。

分

子

筛

结构图

2、制氧分子筛

5A小型制氧分子筛是一种特制的5A分子筛，是专为医疗保健制氧机而生产的，该分子筛具有制氧纯度高、速度快、使用寿命长的特点，是5A分子筛在医疗保健行业的一个重要应用。

化学式：4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·2 SiO2

硅铝比：SiO2/Al2O3≈2

有效孔径：约5A

应用：除具有一般5A分子筛的特性外，主要用于变压吸附制氧。

3、小型分子筛制氧机的发展历程

1962年美国联合碳化物公司（UCC）发现了分子筛对气体的选择性特性，并在实验设备上实现了对少数不同气体的分离；随即研制成功了世界上第一台制氢工业装置；随着分子筛材料与工艺的不断提升，70年代中期美国和德国首先将PSA技术应用于空气分离并在化工领域得到应用，到80年代中期化学工业的发展为分子筛的性能提高起到了关键作用，这使设备小型化成为可能，1985年美国的Praxair公司研制的第一台小型制氧机的问世标志着PSA技百度文库 - 让每个人平等地提升自我

2 术小型化的开始，90年代初产品意义上的医用小型制氧机开始出现，美国材料实验学会（ASTM）于1993年颁布了医用小型制氧机标准规范（F1464-1993），国际标准组织于1996年发布了医用小型制氧机的安全性标准（ISO8359：1996）。

目前我国只有国家药品管理局颁布的《YY/T0298—1998医用分子筛制氧设备通用技术规范》，还没有相应的与国际接轨的医用小型制氧机行业或产品标准。

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第1页 1. 概述 分子筛式制氧机是指以变压吸附(PSA) 技术为基础，从空气中提取氧气的新型设备。其利用分子筛物理吸附和解吸技术在制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高纯度的氧气。具体工作过程为压缩空气经空气纯化干燥机净化后，通过切换阀进入吸附塔。在吸附塔内，氮气被分子筛吸附，氧气在吸附塔顶部被聚积后进入氧气储罐，再经除异味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得合格的医用氧气。 2. 制氧原理 2.1. 吸附剂氧分子筛 分子筛是一种晶状铝硅酸盐，其原子按一定的形状排列，基本结构单元是四个氧阴离子围绕一个较小的硅或铝离子而形成的四面体。钠离子或其它阳离子的作用是补充铝氧四面体正电荷的不足。四个氧阴离子的每一个，又都分被另一个铝氧或硅氧四面体共用，使晶格作三维延伸。晶格中暴露的阳离子使分子筛具有更强的吸附能力，这些阳离子起着局部强正电荷格点的作用，对极性分子的阴端进行静电吸引，分子的偶极矩越大，被吸引和吸附得越牢。在阳离子上的局部强正电荷的影响下，分子会受到电磁感应而产生偶矩。氧和氮都具有四极矩,但氮的四极矩（0.3ã）比氧（0.1ã）比大得多。因此，氮原子与阳离子之间的作用力较强，而被优先吸附。当有压力时，分子筛会吸附较多的氮原子；当减压时，分子筛会将吸附的氮原子释放出来（称为解吸）。 家庭制氧用分子筛一般用13X（NaX）型和5A（CaA）型。13X的氧气吸收率为47%，5A的氧气吸收率为54%。还有更高吸收率的CaX型（71%）、LiX型（82%），但成本太高。 杭州启德医疗器械有限公司-全护医疗器械

第2页 2.2. 微型PSA吸附工艺 是一种加压吸附常压解吸制氧工艺，因耗电量高，适用于小型制氧装置。又分为产品气压低于0.2MPa及高于0.2MPal两种工艺流程。 家庭制氧采用气压低于0.2MPa的吸附工艺，其工作原理框图如下： 工作原理 如上图所示，采用Skarstrom循环两床（即两个分子筛塔）制氧机形式，工作过程如下: 空气经过滤器进入压缩机,压缩空气通过旋转分离阀进人吸附器A、B进行吸附分离，控制系统控制分离阀改变吸附周期，以及分配进气和排气流动方向。以过程中一个循环为例（见图2），压缩空气进人吸附器A，此时旋转阀门FA1、FA2打开，FB1、FB2关闭，空气中的氮气被吸附到吸附器内的分子筛中，氧气通过吸附器顶端三通流出，一部分用于反吹处于解吸状态的吸附器B，另一部分经过精筛塔和流量计输出。当吸附器A中分子筛达到吸附饱和临界状态前，控制器将阀门FA1、FA2关闭，FB1、FB2打开，见图3，进气被切换到吸附器B，同时对吸附器A减压解吸，解吸气（废气富氮）经分离阀排出。吸附器B工作过程同吸附器A完全相同，二者交替工作完成连续生产氧气。 杭州启德医疗器械有限公司-全护医疗器械