СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АТМОСФЕР
METHOD OF CREATING BREATHING ATMOSPHERE

Изобретение относится к способам создания специальных дыхательных атмосфер в различных рабочих пространствах, включая тренажерные помещения, медицинские камеры и дыхательные устройства, больничные палаты и другие локализованные дыхательные зоны. Изобретение может быть использовано в медицинской, спортивно-оздоровительной и других отраслях промышленности, где существует необходимость создания комфортных или специально подготовленных дыхательных атмосфер.
На практике широко используются дыхательные атмосферы с модифицированным газовым составом. Так патент на изобретение РФ №2326701 заявляет интервал гипоксической смеси 5-21 об.% и гипероксической до 100 об.%. Патент на изобретение РФ №2232013 заявляет интервал содержания кислорода в смеси 12-85 об.%. Эти смеси используют при лечении ряда заболеваний, для стимуляции и тренировки дыхательной деятельности и других функций организма. Сегодня во всем мире люди начинают понимать, какой чудодейственной силой обладает кислород - именно поэтому кислородная терапия стала настолько популярной, что появились кислородные бары, кремы, коктейли - ведь увеличение содержания кислорода в воздухе помогает справиться со многими проблемами - лишним весом, недостатком энергии и плохим самочувствием. Кислородотерапия - это широко используемая в медицинской практике методика лечения, основанная на дыхании чистым кислородом или газовой смесью с повышенной (по отношению к содержанию кислорода в воздухе) концентрацией кислорода. Кислород поступает из баллона, кислородного концентратора или централизованной системы газоснабжения в редуктор - расходомер для регулировки давления и терапевтического газового потока. При проведении кислородотерапии обычно обогащает атмосферный воздух кислородом до 93-98%, при этом чем выше поток газовой смеси, тем ниже процент кислорода (до 90-92%).
Кислород и азот в настоящее время может производятся с помощью способа криогенного отделения, при котором воздух охлаждается ниже 180°C и дистиллируется. По причине сложного выполнения и больших энергетических и финансовых затрат этот способ служит для производства очищенных газов в больших объемах и считается не целесообразным для использования в таких рабочих пространствах, как тренажерные помещения, медицинские камеры, больничные палаты и другие локализованные дыхательные зоны.
Получение кислорода и обогащенного кислородом воздуха предлагают способы адсорбционного разделения воздуха на азот и кислород с использованием молекулярных сит, цеолитов и активированного угля. Недостатками этих способов являются большой расход энергии и дорогостоящие аппаратные элементы, что обуславливает большие расходы по техническому обслуживанию, капитальные затраты, затраты на ремонт.
По сравнению с описанными выше классическими способами разделения разделение газа при помощи мембраны отличается низкими технологическими затратами. Установки, использующие этот способ, могут быть построены модулями, что делает возможным точную настройку и регулировку необходимых объемных потоков. Другими преимуществами является экономичность оборудования и долговечность отдельных компонентов.
Известен способ мембранного разделения для обогащения воздуха кислородом, для этого воздух подводится к мембранному сепаратору, и обогащение происходит при наличии, по меньшей мере, одной единицы мембранного разделения, содержащей, по меньшей мере, одну мембрану, за чем следует разделение воздуха путем пермеации газов на мембране на выведенный на ретентатной стороне мембраны ретентат и на выведенный на пермеатной стороне мембраны пермеат, при этом обогащаемый газовый компонент при помощи механизма растворения-диффузии проникает через мембрану, при этом перед входом в мембранный сепаратор воздух сжимается до входного давления выше, чем давление окружающей среды, а на пермеатной стороне уровень давления понижается по отношению к входному давлению, при этом пермеат обогащается кислородом до концентрации 22-45 об.%, газовый поток подводится в мембранный сепаратор под абсолютным давлением между 1,35 и 1,5 бар, а пермеат выводится под абсолютным давлением между 0,4 и меньше 1,0 бар [патент на изобретение РФ №2330807].
Известен способ создания дыхательных атмосфер, принятый в качестве прототипа, включающий формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в мембранных модулях за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления модулей, отвод из областей высокого давления модулей, не проникшего через мембрану газового потока, формирование питающего газового потока из газового потока, отводимого из области низкого давления, и его подачу в рабочее пространство. При этом возможно создание искусственных дыхательных атмосфер для медицинских нужд в диапазоне концентраций кислорода от 10 до 40% [патент на изобретение РФ №2431784].
Известные способы [патенты на изобретения РФ №2330807 и №2431784] не позволяют создавать необходимые для кислородотерапии дыхательные атмосферы с содержанием кислорода до 99 об.%.
Задачей изобретения является обеспечение рабочих пространств дыхательными атмосферами различного газового состава с содержанием кислорода от 6 об.% до 99 об.%.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания дыхательных атмосфер с одновременно регулируемыми концентрациями кислорода для ряда рабочих пространств, включая гипоксические и гипероксические газовые смеси и газовую смесь с содержанием кислорода до 90-99 об.%.
Указанные задача и технический результат достигаются тем, что в способе создания дыхательных атмосфер, включающем формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в мембранных модулях за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления модулей, отвод из областей высокого давления модулей, не проникшего через мембрану газового потока, формирование питающего газового потока из газового потока, отводимого из области низкого давления, и его подачу в рабочее пространство, при этом новым является то, что из мембранных модулей образуют многоступенчатую установку, по меньшей мере, двухступенчатую установку, газовый поток из областей высокого давления мембранных модулей объединяют и подают в промежуточную емкость с содержанием азота 92-99 об.%, газовый поток из областей низкого давления мембранных модулей подают в промежуточную емкость с содержанием кислорода 90-99 об.%, при этом перед подачей газового потока на первую ступень установки, затем из областей низкого давления мембранных модулей с первой ступени установки и на каждую следующую ступень установки, а также в промежуточную емкость с содержанием кислорода, газовый поток подвергают предварительному сжатию между 5,0 бар и 15,0 бар, газовый поток выводят из областей низкого давления под абсолютным давлением между 0,3 и меньше 1,0 бар, регулируемой подачей газового потока из промежуточных емкостей с содержанием азота и кислорода формируют дыхательную атмосферу в рабочем пространстве или рабочих пространствах. В рабочем пространстве и/или в рабочих пространствах могут формировать гипоксические и/или гипероксические газовые смеси и/или базовые смеси с содержанием кислорода от 20 до 22 об.%. Гипоксическую газовую смесь формируют с содержанием кислорода 6-20 об.%. Гипероксическую газовую смесь формируют с содержанием кислорода 22-40 об.%. Формируют газовую смесь с содержанием кислорода 90-99 об.%. В качестве рабочих пространств используют лечебные или тренажерные камеры и/или локальные колпаки или шлемы, и/или дыхательные маски, или дыхательные трубки, или канюли.
На чертеже изображена схема реализации способа создания дыхательных атмосфер.
Способ реализуется следующим образом. Сформированный из наружного атмосферного воздуха и предварительно отфильтрованный внешний газовый поток 1 подвергают сжатию между 5,0 бар и 15,0 бар в компрессоре 2. Сжатый газовый поток подвергают предварительному покомпонентному разделению за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны 3 в области высокого давления мембранного модуля первой ступени установки 4, из области высокого давления которого отбирается газовый поток 5 и подается в промежуточную емкость 6 с содержанием азота 92-99 об.%. Газовый поток 7 выводят из области низкого давления мембранного модуля первой ступени установки 4 под абсолютным давлением между 0,3 и меньше 1,0 бар. Затем газовый поток 7 подвергают сжатию между 5,0 бар и 15,0 бар в компрессоре 8 и подвергают покомпонентному разделению за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны 9 в области высокого давления мембранного модуля второй ступени установки 10. Газовый поток 11 выводят из области высокого давления мембранного модуля второй ступени установки 10, соединяют с газовым потоком 5 и подают в промежуточную емкость 6 с содержанием азота 92-99 об.%. Газовый поток 12 выводят из области низкого давления мембранного модуля второй ступени установки 10 под абсолютным давлением между 0,3 и меньше 1,0 бар. Затем газовый поток 12 подвергают сжатию между 5,0 бар и 15,0 бар в компрессоре 13 и подают в промежуточную емкость 14 с содержанием кислорода 90-99 об.%. В качестве селективных мембран в каждом из модулей могут быть использованы полимерные мембраны на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС), полидиметилсилоксана (ПДМС), полиимида, полисульфона и др. В том случае когда из мембранных модулей образуют многоступенчатую установку, связь между каждой предыдущей ступенью установки и каждой последующей ступенью происходит так, как это описано выше для первой и второй ступеней установки. Регулирование концентраций кислорода в рабочих пространствах 15 и 16 осуществляется заданием величины газового потока 17 из промежуточной емкости 14 с содержанием кислорода 90-99 об.% и потока 18 из промежуточной емкости 6 с содержанием азота 92-99 об.%. В каждом рабочем пространстве 15 и 16 регулирование может осуществляться по своему алгоритму, определяемому автоматической системой управления с помощью дросселей 19, 20, 21 и 22. Таким образом, предлагаемый способ позволит обеспечить возможность создания дыхательных атмосфер с одновременно регулируемыми концентрациями кислорода, такими как гипоксические и гипероксические газовые смеси, и газовую смесь с содержанием кислорода до 90-99 об.% для ряда рабочих пространств, включая лечебные или тренажерные камеры и/или локальные колпаки или шлемы, и/или дыхательные маски, или дыхательные трубки, или канюли.
Пример реализации способа.
2
3
3
3
3
3
Использована двухступенчатая установка из мембранных модулей 4 и 10, селективные мембраны каждого из которых выполнены на основе ПВТМС площадью 4,85 м. Компрессор 2 обеспечивает внешний газовый поток 4,5 м/час с давлением 10 бар. Из области высокого давления мембранного модуля первой ступени установки 4 отбирается газовый поток 3,0 м/час и подается в промежуточную емкость 6 с содержанием азота 94 об.%. Из области низкого давления мембранного модуля 4 отводится газовый поток 7 величиной 1,5 м/час под абсолютным давлением 0,4 бар. Затем газовый поток 7 подвергают сжатию с давлением 10 бар в компрессоре 8. Из области высокого давления мембранного модуля второй ступени установки 10 отбирается газовый поток 11 величиной 1,0 м/час и подается в промежуточную емкость 6 с содержанием азота 98 об.%. Из области низкого давления мембранного модуля 10 отводится газовый поток 12 величиной 0,5 м/час под абсолютным давлением 0,4 бар. Затем газовый поток 12 подвергают сжатию с давлением 6 бар в компрессоре 13 и подают в промежуточную емкость 14 с содержанием кислорода 94 об.%. По заданному алгоритму, определяемому автоматической системой управления с помощью дросселей 19, 20, 21 и 22, были проведены испытания специальных дыхательных атмосфер в следующих рабочих пространствах.
Дыхательные трубки и канюли назальные кислородные с содержанием кислорода от 90 до 94 об.%.
Дыхательные маски и локальные колпаки с гипоксической газовой смесью с содержанием кислорода от 8 до 20 об.%.
Дыхательные маски и локальные колпаки с гипероксической газовой смесью с содержанием кислорода от 22 до 40 об.%.
Лечебная камера с гипоксической газовой смесью с содержанием кислорода от 8 до 20 об.%.
Лечебная камера с гипероксической газовой смесью с содержанием кислорода от 22 до 40 об.%.