基于變壓吸附技術(shù)的連續(xù)不間斷制供氧裝備研究.pdf

1、氧氣是參與人體生命活動的關(guān)鍵物質(zhì)。人體通過呼吸從外界獲取需要的氧氣，并參與體內(nèi)生物的氧化作用，為人體提供能量。缺氧可導(dǎo)致人體新陳代謝功能障礙，嚴(yán)重時甚至?xí){生命。及時補充氧氣能有效提高危重病人救治率、降低傷死率，加速體弱病人身體康復(fù)速度，同時氧療也是對一些呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管系統(tǒng)疾病、高原反應(yīng)與高原病等疾病的一種有效治療方法，此外日常生活的氧保健也可快速消除機體疲勞，提高識別能力。
　　在災(zāi)害救援及戰(zhàn)時傷病員的救治都需要大量的

2、呼吸用氧氣。氧氣可通過制氧裝備現(xiàn)場制備，并通過供氧裝備輸送供給。制供氧技術(shù)包括氧氣制備技術(shù)和氧氣增壓技術(shù)。目前，常用的制氧技術(shù)為變壓吸附法，它是一種以空氣為原料，以電力為動力，通過分子篩的吸附分離作用可連續(xù)不間斷制備氧氣的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于中小型制氧系統(tǒng)。氧氣增壓技術(shù)主要為活塞式氣體增壓技術(shù)，是一種壓力范圍廣，增壓效率高，適應(yīng)能力強的連續(xù)不間斷氧氣增壓技術(shù)。現(xiàn)有的制供氧裝備主要有模塊化制供氧裝備、組合化制供氧裝備和一體化制供氧裝備，能滿足

3、一般的用氧需求，但是大多數(shù)功能單一，不能滿足災(zāi)害救援及戰(zhàn)時既可制得直供呼吸的常壓氧氣又可增壓供呼吸機、麻醉機用氧的需求。
　　本研究基于變壓吸附制氧技術(shù)和活塞式氧氣增壓技術(shù)，建立了制供氧集成技術(shù)工藝流程，采用機電一體化設(shè)計和可編程邏輯控制器控制技術(shù)，進行了制供氧裝備的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計和優(yōu)化分析以及自動控制系統(tǒng)設(shè)計，研制出連續(xù)不間斷制供氧裝備。
　　建立的連續(xù)不間斷制供氧集成工藝流程包括制氧單元、供氧單元和控制單元三個功能單元。制

4、氧單元由空壓機、吸附塔、緩沖罐和其他組件組成，實現(xiàn)了空氣中氧氮的分離，生產(chǎn)制備出常壓氧氣，可直接輸出供人呼吸使用，也可輸送給供氧單元進行增壓輸送用。供氧單元由增壓泵、緩沖罐和其他組件組成，把制氧單元制備的氧氣增壓，供呼吸機、麻醉機使用。控制單元由可編程邏輯控制器、AD模塊、人機界面和其他組件組成，實現(xiàn)了監(jiān)控和管理整機運行的功能。
　　采用可編程邏輯控制器自動控制技術(shù)和人機界面技術(shù)，設(shè)計了制供氧裝備的控制系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鹘邮誂

5、D模塊接受的傳感器信號，通過人機界面實現(xiàn)人機交互，并輸出控制信號。依據(jù)控制原理建立制供氧控制流程，選型可相互兼容的可編程邏輯控制器、AD模塊、人機界面和各種傳感器。通過對可編程邏輯控制器和人機界面進行軟件編寫設(shè)計，實現(xiàn)了可編程邏輯控制器的I/O地址規(guī)劃，接線端子定義和安全報警設(shè)置，以及人機界面的用戶界面設(shè)計和參數(shù)的正確顯示。制供氧裝備的控制系統(tǒng)實時監(jiān)控制供氧裝備的運行狀況和氧氣的流量、濃度、壓力等參數(shù)，可獨立處理安全事件，實現(xiàn)人機交互，

6、確保整機安全穩(wěn)定地連續(xù)不間斷運行。
　　通過對吸附塔、空壓機、增壓泵和緩沖罐等制供氧裝備主要元器件的選型，采用SolidWorks軟件對制供氧裝備進行布局設(shè)計和整機結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用304不銹鋼作為框架、托架和面板材料，生產(chǎn)制造出制供氧裝備。裝備的外部尺寸為537×709×880mm，整機質(zhì)量為91kg，電源為AC220V/50Hz，功率為650W（制氧）/900W（制供氧）。為保證制供氧裝備的穩(wěn)定性及安全性，應(yīng)用ANSYS軟件分別對

7、整機框架和空壓機、吸附塔、增壓泵、緩沖罐托架進行了靜力學(xué)分析，分析結(jié)果顯示，框架最大應(yīng)力為30.595MPa，遠小于304不銹鋼材料的屈服強度，最大變形為0.12211mm，變形程度很小。空壓機、吸附塔、緩沖罐托架的最大應(yīng)力分別為25.2MPa、28.02MPa、0.15MPa，均小于304不銹鋼材料的屈服強度，最大變形分別為0.043mm、0.33mm、0.0001mm，均不影響正常使用。另外，為避免共振對重要元器件印制電路板造成損害

8、，對印制電路板進行了模態(tài)分析，將固定方式由四角固定改為三邊固定，提高了前六階固有頻率，特別是一階頻率由50.584Hz上升至203.65Hz，抗震性能顯著提高，完全滿足工作需求。
　　為進一步研究制供氧裝備的性能，對制供氧裝備的制氧性能和供氧性能進行了分析檢測。制氧性能分析結(jié)果顯示，開機時間為3min時，產(chǎn)氧濃度即可上升到90％，說明開機性能良好；隨著運行時間的增加，產(chǎn)氧流量維持在8.6L/min，產(chǎn)氧濃度維持在90.8%，并保持

9、穩(wěn)定。事實上，產(chǎn)氧濃度與產(chǎn)氧流量和收率有關(guān)，產(chǎn)氧濃度隨產(chǎn)氧流量的增加而減小，隨收率的增加而減小，且當(dāng)收率超過35%以后，產(chǎn)氧濃度減小的趨勢明顯增大。供氧性能分析結(jié)果顯示，供氧壓力、供氧流量和供氧濃度隨運行時間的增加基本保持不變，供氧壓力為0.38MPa，供氧流量為8.9L/min，供氧濃度為93.8%，供氧性能穩(wěn)定。
　　采用變壓吸附制氧技術(shù)和活塞式氧氣增壓技術(shù)研制的制供氧裝備能夠連續(xù)不間斷生產(chǎn)制備常壓氧氣，直供人直接呼吸使用，也