制氧设备新技术研究

制氧设备新技术研究

陈华平

杭州市萧山区第一人民医院 311200

摘要：时代的发展促进了我国医疗行业的进步，人们对于身体健康的重视程度也在大环境的影响下不断提高。基于此，本文以医用制氧设备为主要研究对象，从五个不同方面对现有医用制氧设备及相关技术进行原理介绍，并在此基础之上从不同维度对其进行创新优化设计。目的是为设备制造行业与医疗领域的从业者提供借鉴与参考，以此推动国民身体素质的提高，助推社会的可持续发展与进步。

关键词：制氧设备；制氧工艺；技术创新；研究分析

引言：作为人类生存所不可或缺的一个物质成分，氧气的制备和使用一直是医用领域所关注的重点之一。对于部分患者来说，氧疗不仅能够对患者的疾病进行缓解，还能提升患者的治疗舒适度，减少对抗生素等药物的使用。因此如何在现有基础上对医用制氧设备进行结构优化和性能更新，以创新技术手段加强制氧效果，保证人民群众的身体健康，就成为相关行业人员所共同关心的一个主要问题。

1物理制氧与化学制氧技术

1.1物理制氧技术

常见的吸附分离制备技术通常情况下指的是变压吸附法，这是一种较为先进的物理制氧技术，除了变压吸附以外，常见的物理制氧方法还包括深冷分离法、膜分离法。变压吸附制氧技术的原理是：使用分子筛吸附剂对气体中的氧气进行吸附处理，并通过解吸来实现氧气与氢气等其他气体的完全分离。

深冷分离法的工作原理为：根据所收集气体的沸点来对气体使用蒸发或冷凝的操作，以此来完成对氧气的制备。深冷分离法的优点是所制备氧气的浓度较高，质量较好，但缺点也较为明显，这种制氧方式势必会消耗掉大量能量，制备成本也会增加；膜分离法的工作原理为：按照所采集气体内各个成分在膜表面上的吸附能力与渗透能力差值来对氧气进行采集，这种制备方式的一个明显优势就是技术性强度较低且操作方便，但缺点就是所制备氧气的浓度较低，比起工业制氧和医用制氧来说，膜分离法更适合于富养养殖领域的氧气制备中[1]。

与深冷分离法和膜分离法不同，变压吸附制氧技术的工艺流程较为简洁且制氧过程中不会消耗大量能量和成本，再加上整个吸附制氧的自动化程度较高，因此不仅适用于钢铁工业等大规模制氧，同时也适用于部分中等规模和小规模的医用氧气制备中，也可以说变压吸附制氧技术在适用范围上兼具了深冷分离法和膜分离法。

1.2化学制氧技术

常见的化学制氧技术主要有化学制氧法和电解法两种。

其中化学制氧法就是通过对气体进行一系列操作使其发生化学反应，从而来实现对含氧气体的分解和提取，这种制氧技术的操作流程较为简单，但需要消耗的气体量较大，因此目前更适用于各种复杂环境，尚未在医疗领域得到广泛应用；电解法的工作原理是对不同pH值的溶液或者水进行电解，使其溶液内部发生氧化还原反应，从而完成氧气制备。利用电解法制备出的氧气浓度和纯净度较高，且不会对环境造成严重污染，更适合在环保领域中使用。但由于目前电解制氧法在与氢气制备法相结合的情况下已经开始在医疗领域展开使用。

2电解水制氢制氧技术

2.1技术原理分析

电解水制氢制氧技术最开始是应用在工业领域的一种制氧工艺，与其相对应的设备的电解水制氢制氧设备。电解水制氢制氧设备主要由一定数量的连接管、碱液分离装置、氢气除湿装置、分离网、氧气罐构成。

电解水制氢制氧设备内置了第一连接管，距离自动排气装置较远一端的连接管与碱液分离装置相连，与碱液分离装置顶部、右端相连接的装置分别是第三连接管和氧气收集系统。其中，第三连接管与第一连接管在装置连接方式上存在相似之处，距离碱液分离装置较远的第三连接管的一端固定着氢气纯化设备。

电解水制氢制氧设备的制氧工作原理主要为：相较于氢气等其他气体来说，氧气在气体中的密度较大，因此进入分离罐中的气体成分会在密度因素的影响下出现分离，具体来说就是氢气会出现上升运动，并在经过分离网和第三连接管的作用下进入到氢气除湿装置之中，在最终过滤结束之后输出到纯化箱中存储。不同于氢气，剩余在分离罐中的氧气由于密度较大无法顺利通过装置顶部的分离网，因此会直接从分离罐转移到第四连接管中，并沿着连接管通入压缩气泵装置中进行压缩处理，经过压缩和最终处理的氧气会输出到氧气罐中进行存储，从而实现氧气与氢气的分离制备[2]。

2.2氢氧呼吸机

医疗领域是电解水制氢制氧技术在工业领域中的一个有效延伸，与电解水制氢制氧技术相匹配的医疗设备是氢氧雾化呼吸机，这是一种创新性的呼吸性医疗设备，能够产生足够的氢氧混合气体供患者吸入。患者在吸入氢氧混合气体后，疾病情况会在短时间内得到一定程度上的缓解，这是因为氢气本身就具有一定的抗炎特性，患有肺部疾病的患者在长期氢氧雾化治疗后，肺纤维化症状会有所改善，在减少病毒细胞在患者体内蔓延再生的同时，还能对抗生素药物所产生的副作用起到缓解和削弱作用。

3中心制氧远程监控系统

中心制氧设备层与智能远程控制模块是通过串口连接的，用户可以利用这个串口进行通信，并实时获取PLC的数据；同时该系统还可以实现在上位机显示和存储历史数据等功能。这里提到前端远程控制端实际上指的是值班室中的监控计算机。为了实现上述功能，在设计中采用了先进的嵌入式系统和以太网技术以及组态软件等，这种方式极大地确保了PLC数据的实用性。

同时，智能远程控制系统可以将中心制氧设备层的实时数据信息上传到云端服务器。用户可以在末端远程监控端通过以太网或公网访问云端服务器，从而有效地获取中心制氧设备层的实时数据、存储数据和报警信息。当发生危险时，中心制氧设备层能及时采取紧急应对措施以降低事故危害程度。移动客户端用户可以通过移动网络访问云端服务器，从而获得中心制氧设备层的实时数据信息；最终，基于以上两种方式构建一个以总部为核心，终端节点为基础，中间依托无线网络传输机制的远程控制系统。

在局域网的支持下，前端远程监控端能够实时捕获网络摄像头的监控画面和相关的视频信息。同样地，具有普通权限的末端远程监控端、移动用户端和最高权限的总公司也能够通过以太网和公网访问网络摄像头，这样不仅可以实时查看监控区域的情况，还能确保相关数据信息的准确收集。

最终，作为中心制氧远程监控系统的核心站点，公司的总部服务器能够利用云端服务器的强大能力，对各大医院的中心制氧系统及其相关设备进行持续的实时监测，并在这一过程中实时收集相关的实时数据、警报信息和存储信息。

4基于PSA的医用制氧设备改造与创新

4.1变压吸附分离制备技术

变压吸附分离制备技术在医疗领域的氧气制备下又可以分为基于PSA的常压解吸与基于VPSA的真空解吸两种。

4.1.1基于PSA的常压解吸制氧设备

对于PSA常压解吸制氧设备来说，其内部结构组成较为复杂，主要有气泵、储气罐、氧气调节阀门、传感器装置等，下图所示为医用分子筛制氧系统工艺流程图。

图1 医用分子筛制氧系统工艺流程图

医用分子筛制氧系统的运行流程为：先对压缩空气进行预处理使其压力提升，然后进行分子筛吸附，氮气和氧气会分别被分子筛和塔顶收集，然后进行床层再生和纯氧分离，最后实现对氧气的输出。具体制氧方式如下：

经过过滤器简要处理后的空气会按照顺序依次经过气泵、流量计和压力计，由于每次所制备氧气的总量不同，因此在气泵路径的选择上也会存在一定差异，由于四通阀门有四个出口，因此氮气、二氧化碳等其他气体可以在此处得以排出，并在与减压器的共同作用下完成对进入气体的吸附与解吸。气体被压缩后要进入吸附塔中，这是整个PSA常压解吸制氧设备的总体结构中最重要的组成部分，对于整个设备的运转稳定性和最终制氧结果都存在着相应的影响。该装置内部配备了制氧设备专用分子筛，受压缩作用下的空气在进入到吸附塔内部后，其中的氮气会因为与其他气体分子结构方面存在差异而最先开始被分子筛吸附，氧气也会在氮气吸附的过程中被分离出来。经过分子筛分离出的氧气会立刻输入到储气罐内进行保存，氧气在不同装置之间的快速运转既能够保证所制备氧气的纯净度。又能在一定程度上对整个PSA常压解吸制氧设备的压力进行削弱和稳定。

除此之外，为了保证制氧设备内氧气的顺畅流通，还可以使用氧气调节阀门对相应的开通孔径进行规格调整和控制，以便于确保所制备氧气能够以稳定的速度和质量输出出去。另外，传感器在PSA常压解吸制氧设备中的设置作用主要是为了对氧气制备的各个环节以及相关装置进行严格控制，确保在参数和流程准确无误的情况下完成以此氧气制备，以此来提高氧气制备效率，避免因设备问题或流程错误等问题而导致的氧气纯度不高或制备失败。

4.1.2基于VPSA的真空解吸制氧设备

在气路设置上，两种常见的解析制氧设备之间并未存在明显差异，但相对于PSA制氧设备来说，基于VPSA的真空解析制氧设备主要是依靠分子筛搭配真空泵的方式来完成制氧。这种制氧方式的优点在于分子筛在对进入气体进行吸附的过程中不会长时间承受较大压力，压力最大值通常情况下最大不会超过50kPa。不仅如此，在真空泵的作用下，吸附塔会进入到真空状态，此时其内部杂质会被吸附剂彻底吸附干净，使得最终所制备氧气纯度和浓度较高[3]。另外，VPSA真空解吸制氧设备的主要能源消耗和成本消耗集中在前期设备的安装阶段，真正氧气制备过程中并不会在能源和成本上有过多损耗。

4.2脉冲式供氧调节

脉冲式供氧调节装置是基于人体正常呼吸频率而装置在PSA制氧设备中的创新性机制。该装置能将PLC中心智能控制系统所监测到的患者实时呼吸信号进行处理，并模拟出患者当前的呼吸情况，由此计算出每分钟呼吸时间、呼吸频率等，从而对供氧频率进行合理调节，为患者提供舒适和安全的治疗服务。不仅如此，脉冲式供氧调节装置还能对出氧量与出氧浓度进行合理控制，在确保供氧频率与患者吸氧频率相符合的同时，进一步减少氧气的不合理利用和不必要的损耗，对该装置和整个设备的续航也有着一定的保护作用。

5制氧设备的压力稳定性控制

变压吸附分离技术在医用制氧过程中的作用发挥是按照吸附等温线来进行的，影响吸附等温线形状的主要数值有三个，分别是制氧设备在实际制氧过程中的吸附压力、原料气进入制氧设备时的压力状态以及经过解吸减压之后的气体压力，可以将制氧设备在实际制氧过程中的吸附压力与经过解吸减压之后的气体压力进行相加计算，所获得的差值就是此次制氧工艺中的有效吸附总量。为进一步明确影响有效吸附总量以及吸附等温线的具体数值，通常情况下都会以静态吸附的角度进行分析

[4]。就相关研究数据所展示的信息表明，在当前制氧技术和设备的原有运行条件不变的情况下，吸附等温线的绘制斜率与制氧设备的运转质量方面存在着一定的关联，且该关联呈现出明显的正相关性。也就是说，制氧过程中的有效吸附总量越大，制氧设备的制氧速度也就越快，所制备氧气的浓度和纯净度也就越高。因此，要想在保证氧气制备质量的同时尽可能提升制备效率，进一步简化流程，就要对原料气进入制氧设备时的压力状态以及相关指数进行适当的上调调整。

就目前制氧设备的实际制氧情况来看，可以将原料气进入制氧设备时的压力状态和具体数值调到0.6Mpa，这样一来就能够实现对制氧设备稳定性的把控，使其所制备的氧气纯度更高，但需要注意的是，由于不同制氧设备的规格、性能不同，因此在对原料气进入制氧设备时的压力状态以及相关指数进行调整时，还要根据设备的实际情况对该数值进行适当增减，以确保当前压力指数能够与制氧设备呈现出最为适配的模式。

结束语：综上所述，目前各类制氧设备和技术已经在我国工业领域和医疗领域得到了较为广泛地应用，但在氧气的具体制备过程中还存在着一系列问题。因此相关人员应在现有设备和技术手段的基础上不断对整个氧气制备工艺进行优化和创新，并通过各种方式来提升自身知识水平以及职业专业素养，以确保各种现代化信息技术手段在制氧设备与工艺中的应用，从而为社会带来更多经济效益。

参考文献：

[1]刘健民.基于PCA-SVM的PSA制氧系统关键部件故障诊断[J].医疗装备,2024,37(05):109-112+115.

[2]曹雄.医用制氧机工作原理及其空压机系统故障维保策略[J].产品可靠性报告,2024,(02):58-60.

[3]刘健民,黄鑫,贾申,等.基于支持向量机的PSA制氧机气控阀故障诊断[J].中国医疗设备,2024,39(02):63-69.

[4]钱文都.电解水制氢制氧技术的研究与应用[J].中国高新科技,2024,(02):108-110.