Концентратор кислорода
Концентратор кислорода — это устройство, которое концентрирует кислород из источника газа (обычно окружающего воздуха) путем выборочного удаления азота для подачи потока газового продукта, обогащенного кислородом. Они используются в промышленности для обеспечения дополнительного кислорода на больших высотах, а также в качестве медицинских устройств для кислородной терапии . [1]
Концентраторы кислорода широко используются для подачи кислорода в здравоохранении, особенно там, где жидкий кислород или кислород под давлением слишком опасны или неудобны, например, в домах или портативных клиниках, а также могут служить экономичным источником кислорода в промышленных процессах, где они также известны. в качестве генераторов газообразного кислорода или установок по производству кислорода . Обычно используются два метода: адсорбция при переменном давлении и мембранное разделение газов .
Концентраторы кислорода с адсорбцией при переменном давлении (PSA) используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции атмосферного азота при переменном давлении на цеолитовых минералах под высоким давлением. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально представляет собой скруббер азота, пропускающий другие атмосферные газы, оставляя кислород в качестве основного газа. Технология PSA — это надежный и экономичный метод для производства кислорода в небольших и средних масштабах. Криогенное разделение более подходит при больших объемах. [2]
Разделение газов через мембрану — это процесс, управляемый давлением, движущей силой которого является разница давлений между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в этом процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет серьезной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. На проницаемость влияет размер пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют меньший коэффициент диффузии. Мембранное оборудование для разделения газов обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне входа, а азот — на стороне выхода. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода с содержанием от 25 до 40% в день. [3]
История
[ редактировать ]Домашние медицинские концентраторы кислорода были изобретены в начале 1970-х годов, а в конце 1970-х годов объем производства этих устройств увеличился. Union Carbide Corporation и Bendix Corporation были первыми производителями. До этого времени домашняя медицинская кислородная терапия требовала использования тяжелых кислородных баллонов высокого давления или небольших систем криогенного жидкого кислорода. Обе эти системы доставки требовали частых визитов поставщиков на дом для пополнения запасов кислорода. В Соединенных Штатах в середине 1980-х годов Medicare перешла от оплаты услуг к фиксированной ежемесячной ставке за домашнюю кислородную терапию, в результате чего индустрия медицинского оборудования длительного пользования (DME) быстро начала использовать концентраторы как способ контроля затрат. Это изменение возмещения резко сократило количество первичных систем подачи высокого давления и жидкого кислорода, использовавшихся в то время в домах в Соединенных Штатах. Концентраторы кислорода стали предпочтительным и наиболее распространенным средством доставки кислорода в дом. В результате этого изменения количество производителей, выходящих на рынок кислородных концентраторов, значительно возросло. Корпорация Union Carbide изобрела молекулярное сито в 1950-х годах, что сделало возможным создание этих устройств. В 1960-х годах компания также изобрела первые домашние медицинские кислородные системы с криогенной жидкостью.
Как работают концентраторы кислорода
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Октябрь 2013 г. ) |
Концентраторы кислорода, использующие технологию адсорбции при переменном давлении (PSA), широко используются для подачи кислорода в медицинских учреждениях, особенно там, где жидкий или сжатый кислород слишком опасен или неудобен, например, в домах или портативных клиниках. Для других целей существуют также концентраторы на основе мембранной технологии разделения азота .
Концентратор кислорода поглощает воздух и удаляет из него азот, оставляя газ, обогащенный кислородом, для использования людьми, нуждающимися в медицинском кислороде из-за низкого уровня кислорода в крови. [4] Концентраторы кислорода служат экономичным источником кислорода в промышленных процессах, где они также известны как генераторы газообразного кислорода или установки по производству кислорода .
Адсорбция при переменном давлении
[ редактировать ]
Эти концентраторы кислорода используют молекулярное сито для адсорбции газов и работают по принципу быстрой адсорбции атмосферного азота при перепаде давления на цеолитовых минералах под высоким давлением. Таким образом, этот тип адсорбционной системы функционально представляет собой скруббер азота, пропускающий другие атмосферные газы, оставляя кислород в качестве основного газа. Технология PSA — это надежный и экономичный метод производства кислорода в малых и средних масштабах. Криогенное разделение больше подходит для больших объемов, а внешняя доставка обычно больше подходит для небольших объемов. [5]
При высоком давлении пористый цеолит адсорбирует большие количества азота из-за своей большой площади поверхности и химических характеристик. Концентратор кислорода сжимает воздух и пропускает его через цеолит, заставляя цеолит адсорбировать азот из воздуха. Затем он собирает оставшийся газ, который в основном представляет собой кислород, а азот десорбируется из цеолита при пониженном давлении и удаляется.
| я | вход сжатого воздуха | А | адсорбция | |
|---|---|---|---|---|
| ТО | выход кислорода | Д | десорбция | |
| И | выхлоп |
Кислородный концентратор состоит из воздушного компрессора, двух баллонов, наполненных гранулами цеолита, резервуара для выравнивания давления, а также нескольких клапанов и трубок. В первый полупериод в первый цилиндр поступает воздух от компрессора, который длится около 3 секунд. За это время давление в первом цилиндре повышается от атмосферного примерно до 2,5-кратного нормального атмосферного давления (обычно 20 фунтов на квадратный дюйм / 138 кПа манометрического или 2,36 атмосферы абсолютного давления), и цеолит насыщается азотом. Когда первый цилиндр достигает почти чистого кислорода (есть небольшие количества аргона, CO 2 , водяного пара, радона и других второстепенных компонентов атмосферы) в первом полупериоде, клапан открывается и газ, обогащенный кислородом, течет до давления -уравнительный резервуар, подключаемый к кислородному шлангу пациента. В конце первой половины цикла происходит еще одно изменение положения клапана, чтобы воздух из компрессора направлялся во второй цилиндр. Давление в первом цилиндре падает по мере того, как обогащенный кислород перемещается в резервуар, позволяя азоту десорбироваться обратно в газ. В середине второй половины цикла происходит еще одно изменение положения клапана, чтобы выпустить газ из первого цилиндра обратно в окружающую атмосферу, не допуская падения концентрации кислорода в резервуаре для выравнивания давления ниже примерно 90%. Давление в шланге подачи кислорода из уравнительного резервуара поддерживается редукционным клапаном.
Старые агрегаты работали в течение примерно 20 секунд и подавали до 5 литров в минуту кислорода с содержанием 90+%. Примерно с 1999 года доступны агрегаты, способные подавать до 10 л/мин.
В классических концентраторах кислорода используются двухслойные молекулярные сита; в новых концентраторах используются многослойные молекулярные сита. Преимуществом многослойной технологии является повышенная доступность и резервирование, поскольку молекулярные сита производительностью 10 л/мин расположены в шахматном порядке и могут быть размещены на нескольких платформах. При этом можно производить более 960 л/мин. Время разгона — время, прошедшее до того, как многослойный концентратор начнет производить кислород с концентрацией> 90% — часто составляет менее 2 минут, что намного быстрее, чем у простых двухслойных концентраторов. Это большое преимущество в мобильных чрезвычайных ситуациях. Возможность заполнять стандартные кислородные баллоны (например, 50 л при 200 бар = 10 000 л каждый) с помощью усилителей высокого давления, чтобы обеспечить автоматическое переключение на ранее заполненные резервные баллоны и обеспечить цепочку подачи кислорода, например, в случае сбоя электропитания. , дается с этими системами.
Мембранное разделение
[ редактировать ]При мембранном разделении газов мембраны действуют как проницаемый барьер, через который разные соединения проходят с разной скоростью или не пересекают вообще.
Газовые смеси можно эффективно разделять синтетическими мембранами, изготовленными из полимеров, таких как полиамид или ацетат целлюлозы , или из керамических материалов. [6]
Хотя полимерные мембраны экономичны и технологически полезны, они ограничены своими характеристиками, известными как предел Робсона (проницаемостью необходимо пожертвовать ради селективности и наоборот). [7] Этот предел влияет на использование полимерных мембран для отделения CO 2 от потоков дымовых газов, поскольку массоперенос становится ограниченным, а отделение CO 2 становится очень дорогим из-за низкой проницаемости. Мембранные материалы расширились до диоксида кремния , цеолитов , металлоорганических каркасов и перовскитов из-за их сильной термической и химической стойкости, а также высокой настраиваемости (способности модифицироваться и функционализироваться), что приводит к повышенной проницаемости и селективности. Мембраны можно использовать для разделения газовых смесей, где они действуют как проницаемый барьер, через который разные соединения движутся с разной скоростью или не движутся вообще. Мембраны могут быть нанопористыми, полимерными и т. д., и молекулы газа проникают в них в зависимости от их размера, коэффициента диффузии или растворимости.
Разделение газов через мембрану — это процесс, управляемый давлением, движущей силой которого является разница давлений между входом сырья и выходом продукта. Мембрана, используемая в этом процессе, обычно представляет собой непористый слой, поэтому не будет серьезной утечки газа через мембрану. Производительность мембраны зависит от проницаемости и селективности. На проницаемость влияет размер пенетранта. Более крупные молекулы газа имеют меньший коэффициент диффузии. Гибкость полимерной цепи и свободный объем полимера материала мембраны влияют на коэффициент диффузии, поскольку пространство внутри проницаемой мембраны должно быть достаточно большим, чтобы молекулы газа могли диффундировать через нее. Растворимость выражается как отношение концентрации газа в полимере к давлению газа, контактирующего с ним. Проницаемость – это способность мембраны позволять проникающему газу диффундировать через материал мембраны вследствие разницы давлений на мембране, и ее можно измерить с точки зрения скорости потока пермеата, толщины и площади мембраны, а также скорости потока пермеата, толщины и площади мембраны. перепад давления на мембране. Селективность мембраны является мерой соотношения проницаемости соответствующих газов для мембраны. Его можно рассчитать как соотношение проницаемостей двух газов при бинарном разделении. [3]
Оборудование для мембранного разделения газов обычно закачивает газ в мембранный модуль, и целевые газы разделяются на основе разницы в диффузии и растворимости. Например, кислород будет отделяться от окружающего воздуха и собираться на стороне входа, а азот — на стороне выхода. По состоянию на 2016 год сообщалось, что мембранная технология способна производить от 10 до 25 тонн кислорода с содержанием от 25 до 40% в день. [3]
Приложения
[ редактировать ]Медицинские концентраторы кислорода используются в больницах или дома для концентрации кислорода для пациентов. [8] Генераторы PSA представляют собой экономичный источник кислорода . Они безопаснее, [9] менее дорогой, [10] и более удобная альтернатива баллонам с криогенным кислородом или баллонам под давлением. Их можно использовать в различных отраслях промышленности, включая медицину, фармацевтическое производство, очистку воды, производство стекла.
Генераторы PSA особенно полезны в отдаленных или труднодоступных частях мира или в мобильных медицинских учреждениях ( военные госпитали , службы экстренной помощи). [11] [12]
Портативные концентраторы кислорода
[ редактировать ]
С начала 2000-х годов многие компании производят портативные концентраторы кислорода. [13] Обычно эти устройства производят непрерывный поток кислорода, эквивалентный одному-пяти литрам в минуту, и используют некоторую версию импульсного потока или «потока по требованию» для подачи кислорода только тогда, когда пациент вдыхает. [14] Они также могут подавать импульсы кислорода либо для обеспечения более высоких прерывистых потоков, либо для снижения энергопотребления.
Исследования концентрации кислорода продолжаются, и современные методы позволяют предположить, что количество адсорбента, необходимое для медицинских концентраторов кислорода, потенциально можно «уменьшить в три раза, обеспечивая при этом примерно на 10–20% более высокую степень извлечения кислорода по сравнению с типичным коммерческим устройством». [15]
ФАУ одобрило использование портативных концентраторов кислорода на коммерческих авиалиниях. [16] Однако пользователям этих устройств следует заранее проверить, разрешена ли конкретная марка или модель на рейсах конкретной авиакомпании. [17] В отличие от коммерческих авиакомпаний, пользователям самолетов без наддува салона необходимы концентраторы кислорода, способные обеспечить достаточный расход даже на больших высотах.
Обычно кислородные концентраторы «по требованию», или импульсно-поточные, пациенты не используют во время сна. Были проблемы с концентраторами кислорода, которые не могли определить, когда спящий пациент вдыхает воздух. Некоторые более крупные портативные концентраторы кислорода предназначены для работы в режиме непрерывного потока в дополнение к режиму импульсного потока. Режим непрерывного потока считается безопасным для использования в ночное время в сочетании с аппаратом CPAP .
Альтернативные приложения
[ редактировать ]Перепрофилированные медицинские концентраторы кислорода или специализированные промышленные концентраторы кислорода могут быть изготовлены для работы с небольшими кислородно-ацетиленовыми или другими газовыми режущими, сварочными и ламповыми горелками. [18]
Применение генератора кислорода PSA в промышленности
[ редактировать ]Кислород широко необходим для окисления различных химических веществ в промышленных целях. Раньше эти отрасли закупали кислородные баллоны в больших количествах для удовлетворения своих потребностей. но это было очень дорого, а кислородные баллоны не всегда были в наличии на рынке.
Отрасли промышленности, которым необходимы для производства кислородные генераторы PSA
[ редактировать ]Бумажная промышленность
[ редактировать ]Кислород здесь необходим для отбеливания бумажной массы с помощью процесса окисления, чтобы сделать бумагу белой. Кроме того, лигнин, присутствующий в древесине, удаляется в процессе делигнификации, для которого также необходим кислород.
Стекольная промышленность
[ редактировать ]Для плавления сырья, из которого образуется стекло, необходимы огромные печи. Кислород разжигает огонь печи, чтобы гореть при более высокой температуре, необходимой для производства стекла.
Химическая промышленность
[ редактировать ]Кислород необходим для окисления различных химических веществ с образованием нужных химических веществ. Отходы химической продукции сжигаются и уничтожаются в мусоросжигательной печи с помощью кислорода; таким образом, необходима непрерывная подача большого количества кислорода, что возможно только с помощью генератора кислорода PSA.
Безопасность
[ редактировать ]Как в клинических ситуациях, так и в ситуациях неотложной помощи кислородные концентраторы имеют то преимущество, что они не так опасны, как кислородные баллоны , которые в случае разрыва или утечки могут значительно увеличить скорость горения огня. Таким образом, кислородные концентраторы особенно полезны в военных или стихийных ситуациях, когда кислородные баллоны могут быть опасными или невозможными.
Концентраторы кислорода считаются достаточно надежными, чтобы их можно было поставлять отдельным пациентам по рецепту для использования дома. Обычно они используются в качестве дополнения к с помощью CPAP лечению тяжелого апноэ во сне . Концентраторы кислорода имеют и другие медицинские применения, включая ХОБЛ и другие респираторные заболевания.
отключится электричество Люди, которые используют концентраторы кислорода для ухода на дому, могут столкнуться с опасными для жизни чрезвычайными ситуациями, если во время стихийного бедствия . [19]
Промышленные концентраторы кислорода
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Октябрь 2013 г. ) |
В промышленных процессах могут использоваться гораздо более высокие давления и потоки, чем в медицинских учреждениях. Чтобы удовлетворить эту потребность, еще один процесс, называемый вакуумной адсорбцией разработала компания Air Products (VSA) . В этом процессе используется один нагнетатель низкого давления и клапан, который меняет направление потока через нагнетатель, так что фаза регенерации происходит в вакууме. Генераторы, использующие этот процесс, продаются предприятиям аквакультуры . Промышленные концентраторы кислорода часто доступны в гораздо более широком диапазоне мощностей, чем медицинские концентраторы.
Промышленные концентраторы кислорода иногда называют генераторами кислорода в кислородной и озоновой промышленности, чтобы отличить их от медицинских концентраторов кислорода . Это различие используется для того, чтобы прояснить, что промышленные концентраторы кислорода не являются медицинскими устройствами, одобренными Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), и не подходят для использования в качестве прикроватных медицинских концентраторов. Однако применение номенклатуры генераторов кислорода может привести к путанице. Термин «генератор кислорода» является неправильным, поскольку кислород не генерируется , как в случае с химическим генератором кислорода , а концентрируется из воздуха.
Немедицинские концентраторы кислорода можно использовать в качестве питающего газа для медицинской кислородной системы, такой как кислородная система в больнице, хотя требуется правительственное одобрение, например, FDA, и обычно требуется дополнительная фильтрация.
Во время пандемии COVID-19
[ редактировать ]Пандемия COVID-19 увеличила спрос на концентраторы кислорода. Во время пандемии кислородные концентраторы с открытым исходным кодом были разработаны, произведены на местном уровне (по ценам ниже импортных) и использовались, особенно во время волны пандемии COVID-19 в Индии . [20] [21]
См. также
[ редактировать ]- Мембрана для отделения азота
- Кислородная терапия - использование кислорода в качестве лечения.
- Портативный кислородный концентратор - устройство, используемое для кислородной терапии.
- Мембранное газоразделение - технология разделения определенных газов из смесей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Как работает концентратор кислорода?» . Oxygentimes.com . Проверено 10 августа 2021 г.
- ^ Рутвен, Дуглас М.; Фарук, Шамсузман; Кнебель, Кент С. (1993). Адсорбция при переменном давлении . Вайли-ВЧ. п. 6304. ISBN 978-0-471-18818-6 .
- ^ Jump up to: а б с Чонг, КЦ; Лай, СО; Тиам, HS; Теох, ХК; Хэн, СЛ (2016). «Последние достижения в разделении кислорода и азота с использованием мембранной технологии» (PDF) . Журнал инженерных наук и технологий . 11 (7): 1016–1030.
- ^ Как работает концентратор кислорода? . Oxygentimes.com Проверено 10 августа 2021 г.
- ^ Рутвен, Дуглас М.; Шамсузман Фарук, Кент С. Кнебель (1993). Адсорбция при переменном давлении . Вайли-ВЧ. п. 6304. ISBN 978-0-471-18818-6 .
- ^ Керри, Фрэнк (2007). Справочник по промышленным газам: разделение и очистка газов . ЦРК Пресс. стр. 275–280. ISBN 9780849390050 .
- ^ Чан, Кван-Сук; Ким, Хён Джу; Джонсон-младший; Ким, Вун-гви; Корос, Уильям Дж.; Джонс, Кристофер В.; Наир, Санкар (28 июня 2011 г.). «Модифицированные мезопористые кремнеземные газоразделительные мембраны на полимерных полых волокнах». Химия материалов . 23 (12): 3025–3028. дои : 10.1021/cm200939d . ISSN 0897-4756 .
- ^ «Как пользоваться концентраторами кислорода в домашних условиях?» . www.primehealers.com . 25 июня 2022 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
- ^ Дьюк, Т.; Ванди, Ф.; Джонатан, М.; Матай, С.; Каупа, М.; Сааву, М.; Субхи, Р.; Пил, Д. (2008). «Улучшенные кислородные системы при детской пневмонии: исследование эффективности нескольких больниц в Папуа-Новой Гвинее». Ланцет . 372 (9646): 1328–1333. дои : 10.1016/S0140-6736(08)61164-2 . ПМИД 18708248 . S2CID 38396918 .
- ^ Фризен, РМ; Рабер, МБ; Реймер, Д.Х. (1999). «Кислородные концентраторы: основной источник подачи кислорода» . Канадский журнал анестезии . 46 (12): 1185–1190. дои : 10.1007/BF03015531 . ПМИД 10608216 .
- ^ «Исследование CO2CRC – Хранение CO2» . Архивировано из оригинала 28 сентября 2013 года.
- ^ Шреста, Б.М.; Сингх, Б.Б.; Гаутам, член парламента; Чанд, МБ (2002). «Кислородный концентратор является подходящей альтернативой кислородным баллонам в Непале» . Канадский журнал анестезии . 49 (1): 8–12. дои : 10.1007/BF03020412 . ПМИД 11782322 .
- ^ «Рост производителей портативных концентраторов» . Характеристики кислородных концентраторов . Проверено 12 октября 2013 г.
- ^ Флинн, Энди (28 мая 2022 г.). «16 преимуществ портативных концентраторов кислорода» . СпрайЛайф . Проверено 08 августа 2022 г.
- ^ Рама Рао, В.; Котаре, М.В.; Сиркар, С. (2014). «Новая конструкция и характеристики медицинского концентратора кислорода с использованием концепции адсорбции с быстрым перепадом давления». Журнал Айше . 60 (9): 3330–3335. Бибкод : 2014АИЧЕ..60.3330Р . дои : 10.1002/aic.14518 .
- ^ «Переносные концентраторы кислорода, одобренные Федеральным управлением гражданской авиации» . ФАА . Проверено 9 марта 2012 г.
- ^ «Список авиакомпаний, разрешающих использование портативных кислородных аппаратов» . Иноген Кислород. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 г. Проверено 26 марта 2014 г.
- ^ «Отзывы» . Архивировано из оригинала 7 июля 2007 года . Проверено 18 сентября 2013 г.
- ^ Хафф, Шарлотта (12 мая 2021 г.). «Люди в опасности в ту минуту, когда отключается электричество» . Журнал «Сланец» . Проверено 18 мая 2021 г.
- ^ «Индийские технологические компании объединяются, чтобы создать концентраторы кислорода с открытым исходным кодом; цена будет около 40 тысяч рупий» . Экономические времена . Проверено 13 июня 2021 г.
- ^ «Эталонные конструкции кислородных концентраторов с открытым исходным кодом | Три примера» . Электроника для вас . 11 мая 2021 г. Проверено 13 июня 2021 г.
