СЕПАРАТОР КИСЛОРОДА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ КИСЛОРОДА
OXYGEN SEPARATOR AND METHOD OF OXYGEN GENERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к области отделения кислорода. Более конкретно, данное изобретение относится к отделению кислорода для терапевтических применений, особенно в области домашнего ухода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Кислородная терапия представляет собой применение кислорода в качестве терапевтического средства. Она широко применяется для различных целей в уходе за хроническими и острыми пациентами, так как это важно для клеточного метаболизма, и, в свою очередь, насыщение ткани кислородом важно для всех физиологических функций. Кислородную терапию следует применять, чтобы помочь пациенту путем увеличения поступления кислорода к легким и, тем самым, увеличения доступности кислорода для тканей тела, особенно когда пациент страдает от гипоксии и/или гипоксемии. Кислородная терапия может использоваться и в больнице, и в домашнем уходе. Основное применение в домашнем уходе кислородная терапия находит для пациента с трудным хроническим обструктивным легочным заболеванием (СОРD).
Кислород может применяться многими способами. Предпочтительный путь применения кислорода состоит в использовании, так называемой генерации кислорода по потребности. Соответственно, широко известны коммерческие решения, так называемые концентраторы или сепараторы кислорода. Эти концентраторы кислорода, главным образом, отделяют кислород от кислородсодержащего газа, так что кислород обеспечивается по запросу, т.е. прямо перед использованием.
Задача таких концентраторов кислорода или сепараторов кислорода, соответственно, известных в данной области техники, связана с температурной зависимостью способности отделения кислорода соответствующего сорбента для отделения кислорода.
Из US 2006/0048644 А1 известна адсорбционная система с колебанием давления. Такая адсорбционная система с колебанием давления содержит подачу воздуха; компрессор для приема и сжатия подаваемого воздуха с обеспечением подачи сжатого воздуха; и менее шести камер с молекулярными ситами, имеющих внутри молекулярно-ситовой материал, для отделения подаваемого сжатого воздуха в концентрированный газовый компонент; где данная система имеет величину отбора концентрированного газового компонента больше чем приблизительно 30%. Чтобы работать со сжатым воздухом, имеющим более высокую температуру, чем окружающий воздух, сжатый воздух согласно этому документу проходит вдоль длины многокамерного контейнера, который действует в качестве средства теплообмена для охлаждения сжатого воздуха перед подачей в соответствующее молекулярное сито.
2
2
Документ US 4915711 описывает способ адсорбции с колебанием давления, использующий множество параллельных адсорбционных слоев для отделения легче адсорбируемого газового компонента от труднее адсорбируемого газового компонента в газовой смеси. Согласно этому документу поток исходного газа вводят в адсорбционный слой, после чего поток продувочного газа, содержащий более сильно адсорбируемый компонент, направляют через упомянутый слой. Затем слой подвергают увеличению давления с помощью потока, содержащего менее сильно адсорбируемый компонент, где упомянутый менее сильно адсорбируемый компонент и упомянутый более сильно адсорбируемый компонент соответственно выбирают из группы, содержащей N/О.
Документ US 4810265 описывает систему и способ адсорбции с колебанием давления, и их применение для извлечения азота из воздуха. Согласно этому документу, чтобы получить азот высокой чистоты, два или больше адсорбционных слоев работают на циклической основе с рабочим циклом, содержащим наполнение обогащенным кислородом газом, сжатие исходным воздухом, параллельную продувку, вакуумирование и противоточную продувку. Согласно этому способу обеспечивают введение обогащенного кислородом газа в выпускной конец слоя, пропускание воздуха в питающий конец слоя, пропускание азота в питающий конец слоя и пропускание кислорода в выпускной конец слоя.
Документ D3 US 5032150 описывает способ адсорбции с колебанием давления (РSА), который включает в себя множество этапов и который обеспечивает извлечение из воздуха, по существу, свободного от влаги и диоксида углерода, существенно чистого, газообразного первого продукта (азота), существенно чистого, газообразного второго продукта (кислорода) и остаточных исходных газов. Чтобы достичь этого, данный способ содержит повторяющиеся циклы, содержащие в индивидуальном цикле следующую последовательность этапов: этап подачи, этап выравнивания давления, этап промывки, этап сброса, этап продувки и этап сжатия. Подробнее, после выполнения этапа направления подаваемого воздуха через колонну адсорбента данный способ содержит, среди прочего, подачу чистого азота в колонну и, затем, подачу кислорода в колонну.
Однако все еще существует потребность в улучшении выполнения отделения кислорода устройств отделения кислорода, особенно в отношении влияния температуры и особенно в отношении хранения или использования сепаратора кислорода при сильно повышенных температурах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечить сепаратор кислорода и способ отделения кислорода из кислородсодержащего газа, который является экономичным для воплощения, легким для выполнения и/или который является выгодным в отношении эффективности отделения.
Эта цель достигается с помощью способа отделения кислорода от кислородсодержащего газа согласно пункту 1 формулы изобретения. Эта цель, кроме того, достигается с помощью сепаратора кислорода согласно пункту 6 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
1
2
2
1
Способ отделения кислорода из кислородсодержащего газа содержит этапы: выполнения, по меньшей мере, первого и второго периодов отделения кислорода, где первый и второй периоды отделения кислорода содержат каждый этапы направления кислородсодержащего газа на первичную сторону устройства отделения кислорода, где данное устройство отделения кислорода содержит сорбент для отделения кислорода, и генерации потока обогащенного кислородом газа из устройства отделения кислорода путем создания разности давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства отделения кислорода, и выполнения периода охлаждения между первым и вторым периодами отделения кислорода, где данный период охлаждения содержит этапы направления добавляемого сорбата через устройство отделения кислорода, где данный добавляемый сорбат имеет энергию адсорбции е в отношении данного сорбента для отделения кислорода, и направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода, где охлаждающий сорбат имеет энергию адсорбции е в отношении данного сорбента для отделения кислорода, где энергия адсорбции е меньше относительно энергии адсорбции е, и где этап направления добавляемого сорбата через устройство отделения кислорода и/или этап направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода выполняют в зависимости от температуры сорбента для отделения кислорода.
Применяемый здесь термин кислородсодержащий газ может относиться к любому газу, который, по меньшей мере, частично содержит газообразный кислород или который состоит из кислорода. Термин обогащенный кислородом газ будет означать газ, который имеет более высокую концентрацию в отношении кислорода по сравнению с данным кислородсодержащим газом, и который в предельном случае может быть чистым кислородом.
Термин устройство отделения кислорода может, в особенности, относиться к активной части сепаратора кислорода. Оно может содержать, например, сорбент для отделения кислорода, который может взаимодействовать с кислородсодержащим газом или с определенными компонентами последнего за исключением кислорода, и может, таким образом, отделять кислород от кислородсодержащего газа путем взаимодействия с, по меньшей мере, одним компонентом кислородсодержащего газа кроме кислорода. Следовательно, устройство отделения кислорода как таковое или его сорбент для отделения кислорода соответственно способны отделять кислород из кислородсодержащего газа, в особенности, с помощью процессов сорбции, таких как процессы адсорбции. Оно может быть организовано в виде слоя адсорбента или слоя сита соответственно или содержать его.
Сорбент для отделения кислорода, кроме того, можно понимать как материал, который сорбирует и, таким образом, адсорбирует или абсорбирует, по меньшей мере, одно вещество из кислородсодержащего газа кроме кислорода или лучше чем кислород соответственно.
Кроме того, применяемый здесь термин первичная сторона устройства отделения кислорода может относиться к стороне или части устройства отделения кислорода, направленной в направлении, в котором кислородсодержащий газ направляется в устройство отделения кислорода, тогда как применяемый здесь термин вторичная сторона устройства отделения кислорода может относиться к стороне или части устройства отделения кислорода, направленной к противоположной стороне, т.е. стороне, у которой присутствует полученный чистый кислород или обогащенный кислородом газ.
Период отделения кислорода можно, кроме того, понимать как период, имеющий задачей генерировать обогащенный кислородом газ и, таким образом, период между началом процесса отделения кислорода в ответ на включение сепаратора кислорода и окончанием процесса отделения кислорода в ответ на выключение сепаратора кислорода. Включение и выключение сепаратора кислорода можно, таким образом, понимать как указание пользователя, например, путем нажатия кнопки, что сепаратор кислорода необходимо установить в режим включения или режим выключения. Следовательно, такой период может содержать генерацию потока обогащенного кислородом газа, но в обстоятельствах так же регенерации сорбента для отделения кислорода путем направления газа регенерации через устройство отделения кислорода от его вторичной стороны к его первичной стороне, чтобы десорбировать вещества, адсорбированные во время отделения кислорода. Период отделения кислорода можно также понимать как полный цикл генерации кислорода, начиная от фазы сдавливания и подачи как этапа отделения кислорода и кончая фазой снижения давления и очистки в качестве этапа регенерации. Специалисту в данной области техники ясно, что в случае применения двух устройств отделения кислорода второе устройство отстает на половину цикла относительно первого устройства.
1
2
2
1
Добавляемый сорбат можно, кроме того, понимать как вещество, такое как газ, которое связывается с сорбентом для отделения кислорода с заданной энергией адсорбции е. Соответственно, охлаждающий сорбат может, в особенности, означать сорбат, который связывается с сорбентом для отделения кислорода с энергией адсорбции е. Что касается энергий адсорбции, е должна быть меньше по сравнению с е, вызывая эффект охлаждения, когда охлаждающий сорбат связывается с сорбентом для отделения кислорода и замещает добавляемый сорбат.
Способ отделения кислорода из кислородсодержащего газа, таким образом, обеспечивает улучшенную эффективность отделения, особенно в случае, когда сепаратор кислорода, используемый для осуществления этого способа, хранится, по меньшей мере, частично при высоких температурах или применяется при высоких температурах. В особенности, способ согласно данному изобретению адресован к воздействию высоких рабочих температур, а также температур хранения сорбента для отделения кислорода на рабочие параметры, такие как чистота кислорода устройства отделения кислорода.
Подробнее, способ согласно данному изобретению основан на открытии того, что с помощью, по меньшей мере, частичного связывания или сорбции некоторого вещества на сорбенте для отделения кислорода и, таким образом, путем полного или только частичного наполнения сорбента для отделения кислорода веществом, имеющим заданную энергию адсорбции (добавляемый сорбат), сорбент для отделения кислорода может охлаждаться путем замещения добавляемого сорбата охлаждающим сорбатом, имеющим относительно меньшую энергию связывания или энергию адсорбции соответственно. Это, в данном случае, приводит к непрерывному охлаждению сорбента для отделения кислорода благодаря тому факту, что удаление сильно связанного, добавляемого сорбата требует больше энергии, чем образование более слабых связей с охлаждающим сорбатом. Таким образом, разница в энергии вызывает эффект охлаждения.
Благодаря эффекту охлаждения эффективность отделения кислорода может значительно улучшаться вследствие того факта, что сорбирующие свойства сорбента для отделения кислорода очень сильно зависят от его температуры. Подробнее, температурные параметры могут быть получены из соответствующих изотерм. Только в качестве примерных величин, путем использования температурно зависимых изотерм для азота и кислорода для цеолитного материала Li-LSХ в качестве сорбента для отделения кислорода, увеличение М% (ΔТ) минимального количества требуемого сорбента для отделения кислорода может быть вычислено относительно количества, которое необходимо, чтобы достичь потока кислорода 1 л/мин с чистотой больше чем 85%, концентрированного из воздуха при температуре сита. Относительно работы при комнатной температуре (То~23°С) увеличение температуры сорбента для отделения кислорода на ΔТ=+20°С приводит к увеличению (минимум) необходимого материала М% (ΔТ=20°С) приблизительно на 40%; увеличение температуры сорбента для отделения кислорода на ΔТ=+30°С приводит к М% (ΔТ=30°С) приблизительно на 65%. Приблизительно двойное количество сорбента требуется для ΔТ=40°С.
В результате, когда внутри устройства отделения кислорода имеется заданное количество сорбента, особые свойства часто могут быть обеспечены только в заданном температурном интервале. В случае, когда температура выходит за рамки этого интервала, например, превышает его, заданные свойства могут меняться, что в определенных обстоятельствах может приводить к нежелательному ухудшению способности отделения кислорода и, таким образом, к ухудшенному качеству обогащенного кислородом газа.
3
Это особенно может быть в случае портативных сепараторов кислорода вследствие того факта, что этот тип устройств может быть очень чувствителен к работе при повышенных температурах из-за ограниченного количества сорбента для отделения кислорода. Например, соответствующее устройство отделения кислорода может содержать 300 см Li-ситового материала, что соответствует массе только 200 г. Такое ограниченное количество сорбента для отделения кислорода обычно может обеспечивать преимущества в отношении стоимости, а также размера и массы и, таким образом, комфортности соответствующей системы. Особенно для портативных устройств, способ согласно данному изобретению может предотвращать применение большей массы сорбента для отделения кислорода, чтобы надежно обеспечивать выполнение параметров по чистоте кислорода.
Вышесказанное может быть даже в случае, если концентратор кислорода только хранится при температурах, существенно более высоких, чем нормальные комнатные температуры, и затем включается при приблизительно комнатных температурах (Т~25°С). Причиной этого является высокая теплоемкость сорбента для отделения кислорода, такого как соответствующий цеолит, относительно теплоемкости окружающего газа и низкая теплопроводность внутри устройства отделения кислорода, особенно в случае, когда сорбент для отделения кислорода организован в виде слоя сита. Даже работа данной системы при нормальных рабочих условиях (нормальный поток подаваемого воздуха) не будет приводить к быстрому охлаждению, а может обманывать в интервале минут газового потока через материал для отделения кислорода.
В противоположность этому, путем адекватного выбора соответствующего добавляемого сорбата, а также охлаждающего сорбата согласно данному изобретению, особенно с помощью их энергий адсорбции или отношения их соответствующих энергий адсорбции, сорбент для отделения кислорода может эффективно и непрерывно охлаждаться. Это приводит к быстрому снижению температуры сорбента для отделения кислорода, а также к быстрому увеличению параметров отделения кислорода. Другими словами, согласно данному изобретению становится возможным быстро охлаждать сорбент для отделения кислорода даже после хранения при высоких температурах и быстро обеспечивать желаемые параметры отделения кислорода или чистоту кислорода соответственно. Соответственно, становится возможным использовать способ согласно данному изобретению во время нормальной рабочей процедуры между двумя рабочими периодами, особенно в случае, когда сепаратор кислорода применяется при высоких температурах.
Кроме того, вышесказанное может быть реализовано в очень ограниченном временном масштабе вследствие того факта, что материал сорбента охлаждается непрерывно и, таким образом, очень быстро. Этот этап охлаждения, кроме того, не основан на взаимодействии с охлаждающим устройством, расположенным вне сорбента для отделения кислорода, но напротив охлаждающий эффект реализуется от поверхности, а также изнутри слоя материала сорбента, например, вследствие того факта, что охлаждающий сорбат взаимодействует со всеми частицами сорбента, содержащимися в устройстве отделения кислорода очень равномерным образом. Кроме того, этап направления добавляемого сорбата, а также охлаждающего сорбата через сорбент для отделения кислорода может быть реализован в секундном масштабе времени, еще более демонстрируя процедуру быстрого охлаждения и, таким образом, быстрое увеличение качества генерируемого кислорода. Только в качестве примерных величин, для каждых 100 г сорбента для отделения кислорода может быть присущ временной масштаб от 5 до 10 секунд для направления через него охлаждающего сорбата, чтобы достигать желаемого снижения температуры.
Кроме того этап направления добавляемого сорбата через устройство отделения кислорода и/или этап направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода выполняют в зависимости от температуры сорбента для отделения кислорода. Это позволяет охлаждать сорбент для отделения кислорода только в случае, когда это требуется. Например, в случае, когда температура, которая может определяться датчиком температуры, находится в пределах параметров отделения кислорода соответствующего используемого сепаратора кислорода или сорбента для отделения кислорода, охлаждение не выполняют, позволяя особенно эффективную генерацию кислорода. Если, однако, температура, например, слишком высокая и может превышать заданные значения, сорбент для отделения кислорода может избирательно охлаждаться, чтобы быстро достигать требуемой температуры. Этот вариант осуществления может, в частности, выполняться, например, в комбинации с только частичной загрузкой сорбента для отделения кислорода добавляемым сорбатом, так как это особенно позволяет начинать с этапа генерации кислорода или с этапа охлаждения, смотря что требуется. Кроме того, этот вариант осуществления может применяться в комбинации с возможным выполнением этапа охлаждения сразу после начала периода отделения кислорода и, таким образом, особенно после включения сепаратора кислорода, так как в этом случае температура сорбента для отделения кислорода может определяться в реальном времени, делая этот способ особенно эффективным. Примерные температуры, которые могут активировать этап охлаждения согласно способу согласно данному изобретению могут лежать в интервале от 40°С или даже выше. Заданные температуры могут, тем самым, выбираться в зависимости от используемого сорбента для отделения кислорода и сорбируемого вещества.
Согласно одному варианту осуществления добавляемый сорбат содержит азот и/или охлаждающий сорбат содержит кислород, или инертные газы, такие как аргон или гелий. Эти сорбаты особенно легко и недорого получать, и, кроме того, с ними легко обращаться. Кроме того, все сорбаты могут соединяться с теми же сорбентами, что приводит к очень легкой и экономичной организации устройства отделения кислорода или его сорбента для отделения кислорода соответственно. Дополнительно, эти сорбаты имеют соответствующие энергии адсорбции для множества сорбентов, которые варьируют в широком диапазоне, так что даже путем замены только небольшого количества азота кислородом, например, может быть получен очень эффективный и быстрый охлаждающий эффект, приводя к особенно преимущественным параметрам отделения кислорода.
Согласно другому варианту осуществления добавляемый сорбат и/или охлаждающий сорбат генерируются во время периода отделения кислорода и/или во время периода охлаждения. Этот вариант осуществления позволяет организовать сепаратор кислорода для выполнения способа согласно данному изобретению без необходимости пополняемых извне, потенциально присутствующих контейнеров или баков с соответствующим добавляемым сорбатом и/или охлаждающим сорбатом. Это позволяет особенно экономичное выполнение способа согласно данному изобретению согласно этому варианту осуществления. Кроме того, может быть осуществлен очень безопасный способ вследствие того факта, что никакие добавляемые сорбаты и/или охлаждающие сорбаты не нужно хранить или они не могут опустеть. Этот вариант осуществления может быть особенно подходящим в случае, когда добавляемый сорбат содержит азот и/или охлаждающий сорбат содержит кислород. Подробнее, кислород генерируется с помощью способа согласно данному изобретению в любом случае. Генерированный кислород может, следовательно, направляться в контейнер и может использоваться из него, чтобы подавать добавляемый сорбат. Соответствующий контейнер может представлять собой тот же контейнер, который может быть использован для подачи генерированного кислорода в случае применения, или может представлять собой отдельный контейнер. Кроме того, на сорбент для отделения кислорода во время стандартной рабочей процедуры, главным образом, сорбируется азот, чтобы генерировать кислород. Следовательно, путем захвата этого азота, например, путем направления газа, используемого для этапа регенерации сорбента для отделения кислорода, из устройства отделения кислорода в газовый контейнер, азот может генерироваться и использоваться для охлаждения сорбента для отделения кислорода. Например, добавляемый сорбат и/или охлаждающий сорбат могут генерироваться после выключения сепаратора кислорода. Это может быть реализовано путем выполнения дополнительного этапа отделения кислорода, например, после выключения сепаратора кислорода.
Согласно другому варианту осуществления этап направления добавляемого сорбата через устройство отделения кислорода выполняют сразу после выключения сепаратора кислорода, использованного для способа согласно данному изобретению. Согласно этому варианту осуществления сорбент для отделения кислорода может продуваться, например, азотом, например, воздухом, в качестве последней меры после того, как пользователь показал, что сепаратор кислорода необходимо выключить, и, таким образом, после периода отделения кислорода и до того, как сепаратор кислорода переключится в режим выключения, например, для хранения сепаратора кислорода в выключенном режиме. Это может быть реализовано, например, в дополнительном этапе после того, как пользователь показал, что сепаратор кислорода необходимо выключить, и, таким образом, заканчивается нормальный период отделения кислорода. Следовательно, эта мера, например, строго препятствует обычно известной процедуре для систем адсорбции с колебанием давления. Согласно этим известным процедурам следует строго избегать наполнения или даже насыщения сорбента для отделения кислорода азотом, например, в конце периода отделения кислорода, так как это снижает способность отделения кислорода в следующем цикле. Вследствие этого, известные мероприятия часто содержат этап направления кислорода через устройство отделения кислорода в целях регенерации. Согласно данному изобретению, однако, сепаратор кислорода легко охлаждает сорбент для отделения кислорода перед началом следующего периода отделения кислорода.
Согласно другому варианту осуществления сорбент для отделения кислорода наполняют добавляемым сорбатом в количестве больше чем 3‰ масс. Этот вариант осуществления гарантирует выполнение достаточного охлаждающего эффекта вследствие того факта, что значительное количество добавляемого сорбата присутствует и может замещаться охлаждающим сорбатом. Тем самым, может быть выгодно не полностью нагружать сорбент для отделения кислорода добавляемым сорбатом. Это позволяет прямо начинать новый период отделения кислорода, или замещать добавляемый сорбат охлаждающим сорбатом и, таким образом, охлаждать сорбент для отделения кислорода. Какая процедура последует, может зависеть от соответствующих требований. Согласно этому варианту осуществления может быть обеспечено особенно широкое множество приложений, и обслуживание и комфорт особенно улучшаются.
Согласно другому варианту осуществления этап направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода выполняют сразу после включения сепаратора кислорода для способа согласно данному изобретению. В частности, этап направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода можно выполнять в виде быстрого этапа в ответ на индикацию того, что пользователь включил устройство отделения кислорода после периода выключения и, таким образом, между периодом выключения сепаратора кислорода и началом периода отделения кислорода. Этот вариант осуществления позволяет охлаждение сорбента для отделения кислорода непосредственно перед началом периода отделения кислорода и, таким образом, когда это очень необходимо. Способность отделения кислорода и, таким образом, качество генерированного кислорода могут, таким образом, особенно эффективно улучшаться согласно этому варианту осуществления. Пуск периода охлаждения с последующим периодом отделения кислорода может, тем самым, начинаться после длительного времени выключения соответствующего сепаратора кислорода и после хранения при повышенных температурах, или до определенного цикла во время процедуры отделения сепаратора, когда выполняется способ отделения кислорода при повышенных температурах.
Таким образом, очевидно, что период охлаждения или его соответствующие этапы могут разделяться периодом выключенного состояния сепаратора кислорода и, таким образом, не должны выполняться непосредственно один за другим.
Другие преимущества и технические признаки способа генерации кислорода можно найти в описании сепаратора кислорода, фигурах и описании фигур.
1
2
2
1
Настоящее изобретение дополнительно касается сепаратора кислорода, содержащего, по меньшей мере, одно устройство отделения кислорода с сорбентом для отделения кислорода, имеющее вход для газа на первичной стороне для направления потока кислородсодержащего газа в данное устройство отделения кислорода и имеющее выход для газа на вторичной стороне для направления потока обогащенного кислородом газа из устройства отделения кислорода, и устройство регулировки давления для создания разницы давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства отделения кислорода, где данный сепаратор кислорода содержит контрольный блок, приспособленный для направления добавляемого сорбата через устройство отделения кислорода между двумя периодами генерации кислорода и в зависимости от температуры сорбента для отделения кислорода, где добавляемый сорбат имеет энергию адсорбции е относительно сорбента для отделения кислорода, и приспособленный для направления охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода между двумя циклами генерации кислорода и в зависимости от температуры сорбента для отделения кислорода, где охлаждающий сорбат имеет энергию адсорбции е относительно сорбента для отделения кислорода, где энергия адсорбции е меньше чем энергия адсорбции е.
Применяемый здесь термин сепаратор кислорода может, в частности, относиться к устройству, которое способно отделять кислород от кислородсодержащего газа. Следовательно, с помощью сепаратора кислорода, исходя из кислородсодержащего газа, может быть получен чистый или, по существу, чистый кислород и, таким образом, обогащенный кислородом газ.
Термин устройство регулировки давления может относиться к любому устройству, которое способно генерировать разницу давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства отделения кислорода. Оно может быть, например, устройством для сжатия газа, соединенным с первичной стороной устройства отделения кислорода, или вакуумным насосом, соединенным с вторичной стороной устройства отделения кислорода.
Этот сепаратор кислорода позволяет быстро снижать температуру сорбента для отделения кислорода, особенно в начале периода отделения кислорода или после включения сепаратора кислорода соответственно. Подробнее, контрольный блок может быть оборудован контрольной системой, такой как микропроцессор, которая служит для направления добавляемого сорбата или охлаждающего сорбата через устройство отделения кислорода. Это может быть реализовано, например, с помощью соответствующих регулирующих клапанов соответственно заполненных газовых контейнеров и трубопроводов.
Кроме того, может быть обеспечено единственное устройство отделения кислорода или может быть обеспечено два или еще больше устройств отделения кислорода. Подробнее, может быть разработан сепаратор кислорода, содержащий два или больше устройств отделения кислорода, как система адсорбции с колебанием давления (РSА система), обычно известная в технике.
Следовательно, сепаратор кислорода согласно данному изобретению служит для улучшений в отношении поведения отделения кислорода, особенно после хранения при высоких температурах и/или с процедурами отделения кислорода при высоких температурах.
Согласно одному варианту осуществления сепаратор кислорода содержит датчик для определения температуры сорбента для отделения кислорода. Этот вариант осуществления позволяет охлаждение сорбента для отделения кислорода только в случае, если это требуется. Например, в случае, если температура находится в пределах параметров отделения кислорода соответствующего используемого сепаратора кислорода или сорбента для отделения сепаратора, охлаждение не требуется, позволяя особенно эффективную генерацию кислорода. Если, однако, температура, например, слишком высока и, таким образом, превышает заданные величины, сорбент для отделения кислорода может избирательно охлаждаться, чтобы быстро достичь требуемой температуры.
Согласно другому варианту осуществления сепаратор кислорода содержит контейнер для накопления добавляемого сорбата и/или контейнер для накопления охлаждающего сорбата. Этот вариант осуществления позволяет сепаратору кислорода быть самодостаточным и, таким образом, не нуждается в любых соединениях с неподвижными устройствами. Очевидно, что этот вариант осуществления может быть особенно выгодным в случае, если обеспечены аккумуляторы или генераторы, и, кроме того, воздух используется в качестве кислородсодержащего газа. Кроме того, этот вариант осуществления является особенно выгодным для портативных устройств. Дополнительно, этот вариант осуществления может быть особенно выгодным в случае, если добавляемый сорбат и/или охлаждающий сорбат генерируются во время этапа использования данного сепаратора кислорода.
Согласно другому варианту осуществления сорбент для отделения кислорода содержит цеолит Li-LSХ, такой как цеолит, доступный под маркой SХSDМ от СЕСА или ОхуSiv МDХ от UОР. Согласно этому варианту осуществления может быть использован сорбент для отделения кислорода, который имеет особенно высокую энергию адсорбции. Следовательно, согласно этому варианту осуществления может быть использован особенно эффективный охлаждающий эффект, делая поведение сепаратора кислорода согласно этому варианту осуществления особенно эффективным. Цеолит Li-LSХ может, в частности, представлять собой Li-замещенный низкокремнистый цеолит Х (LSХ, Si/Аl=1). Они могут быть приготовлены, например, из Nа-LSХ цеолитов с помощью ионообменных способов. Цеолит Х, таким образом, относится к цеолитам с отношениями Si/Аl от 1 до 1,5.
Другие преимущества и технические признаки сепаратора кислорода можно найти в описании способа генерации кислорода, фигурах и описании фигур.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из описанных далее вариантов осуществления и будут объяснены со ссылкой на них.
На чертежах:
Фиг. 1 показывает схематичное изображение одного варианта осуществления сепаратора кислорода согласно данному изобретению для выполнения способа согласно данному изобретению;
Фиг. 2 показывает схематичный график, визуализирующий действие способа согласно данному изобретению; и
Фиг. 3 показывает схематичное изображение другого варианта осуществления сепаратора кислорода согласно данному изобретению для выполнения способа согласно данному изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фигуре 1 схематично показан сепаратор 10 кислорода для генерации кислорода. Сепаратор 10 кислорода может быть использован для генерации кислорода для терапевтических приложений, например, в области лечения СОРD. Сепаратор 10 кислорода может быть организован в виде стационарной установки, например, для применения в больнице, или он может быть портативным устройством, например, для использования в области домашнего ухода. Однако, кроме того, сепаратор 10 кислорода может быть использован для любого приложения, в котором необходимо обеспечивать чистый или, по существу, чистый кислород, например, в самолетах или для задач сварки. Такой концентратор кислорода или сепаратор 10 кислорода соответственно может быть основан на концентраторе кислорода, таком как концентратор, называемый Ever Go, который выпускается Philips Respironics.
Сепаратор 10 кислорода содержит, по меньшей мере, одно устройство 12 отделения кислорода, которое способно отделять кислород от кислородсодержащего газа. Однако предпочтительно, когда сепаратор 10 кислорода содержит, по меньшей мере, два устройства отделения кислорода 12, 14, расположенные параллельно. В последующем данное изобретение описывается для двух устройств отделения кислорода 12, 14. Однако специалисту в данной области техники будет ясно, что каждый признак может быть обеспечен соответственно путем использования только одного устройства 12 отделения кислорода или более чем двух устройств отделения кислорода 12, 14. Каждое устройство отделения кислорода 12, 14 может быть образовано в виде слоя сита и может быть оборудовано сорбентом 16, 18 для отделения кислорода. Сорбент 16, 18 для отделения кислорода организован, в частности, так, чтобы позволять проход кислорода в большом количестве, особенно в случае, когда кислород контактирует с сорбентом для отделения кислорода в ограниченных концентрациях, но взаимодействовать с другими компонентами или адсорбировать их соответственно, или, по меньшей мере, с одним другим компонентом, присутствующим в кислородсодержащем газе. В случае использования воздуха в качестве кислородсодержащего газа предпочтительно, когда материал 16, 18 отделения кислорода приспособлен для адсорбции азота, но меньше взаимодействует с кислородом. Подходящие материалы 16, 18 для отделения кислорода могут содержать цеолитный материал, такой как материал фожазит лития. Однако можно использовать другой подходящий материал 16, 18 для отделения кислорода, известный в технике, например, в колебательных способах, таких как способы адсорбции с колебаниями давления или колебаниями вакуума.
Входной трубопровод 20 обеспечивается для направления потока кислородсодержащего газа во вход 22 для газа устройства 12 отделения кислорода на его первичную сторону. Соответственно, входной трубопровод 24 обеспечивается для направления потока кислородсодержащего газа во вход 26 для газа устройства 14 отделения кислорода на его первичную сторону. Кроме того, выходные трубопроводы 28, 30 для направления обогащенного кислородом газа или чистого кислорода соответственно из устройств 12, 14 отделения кислорода присоединяются к выходам 32, 34 для газа соответствующих устройств 12, 14 отделения кислорода.
Входные трубопроводы 20, 24 устройств 12, 14 отделения кислорода присоединяются к входу 36 сепаратора 10 кислорода. К входу 36 может быть присоединен источник кислородсодержащего газа, такой как устройство хранения газа или воздух, окружающий сепаратор 10 кислорода. Кроме того, может быть обеспечено устройство регулировки давления для создания разности давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства 12, 14 отделения кислорода. Согласно фигуре 1, компрессор 38 обеспечен для сжатия кислородсодержащего газа и его принудительной подачи через входные трубопроводы 42, 44, которые могут быть частью входных трубопроводов 20, 24 или могут присоединяться к ним, в устройства 12, 14 отделения кислорода. Выше или ниже по ходу от компрессора 38 может быть обеспечен входной фильтр 40, чтобы обеспечивать этап первой очистки кислородсодержащего газа. Подробнее, особенно твердые частицы могут отфильтровываться из кислородсодержащего газа.
Чтобы позволить кислородсодержащему газу направляться через устройства 12, 14 отделения кислорода периодически, могут быть обеспечены входные клапаны 46, 48 во входных трубопроводах 42, 44. Клапан согласно данному изобретению будет представлять собой любое устройство, которое может позволять газовый поток, запрещать газовый поток и/или регулировать количество газового потока. Следовательно, путем закрытия клапана 48 и путем открытия клапана 46 кислородсодержащий газ может направляться через первое устройство 12 отделения кислорода, тогда как кислородсодержащий газ может направляться через второе устройство 14 отделения кислорода путем открытия клапана 48 и путем закрытия клапана 46. Соответственно, клапан 50 может быть обеспечен в выходном трубопроводе 28, а клапан 52 может быть обеспечен в выходном трубопроводе 30. При направлении кислородсодержащего газа через первое устройство 12 отделения кислорода клапан 50 может открываться, тогда как клапан 52 может закрываться. Соответственно, при направлении кислородсодержащего газа через второе устройство 14 отделения кислорода клапан 52 может открываться, тогда как клапан 50 может закрываться.
Ниже по ходу от клапанов 50, 52 выходные трубопроводы присоединяются к накопителю кислорода 54 или газовому баку соответственно, чтобы сохранять генерированный кислород или обогащенный кислородом газ соответственно. Накопитель кислорода 54 может присоединяться к выходной линии 56, в которой может быть обеспечен регулятор потока 58, чтобы регулировать поток обогащенного кислородом газа. Кроме того, датчик чистоты 60 может быть обеспечен в выходной линии 56, чтобы контролировать чистоту генерированного обогащенного кислородом газа. Кроме того, дополнительный фильтр 62 может быть обеспечен в выходной линии 56 перед тем, как генерированный кислород направляется на выход 64. Из выхода 64 генерированный кислородсодержащий газ может направляться для желаемого применения, например к пациенту. Дополнительно, клапан 53 может быть обеспечен в выходной линии 56 ниже по ходу от накопителя 54, чтобы поддерживать давление после выключения сепаратора 10 кислорода.
Выходной трубопровод 28 первого устройства 12 отделения кислорода и выходной трубопровод 30 второго устройства 14 отделения кислорода могут соединяться с помощью поперечного трубопровода 66 выше по ходу от клапанов 50, 52, в котором может быть обеспечен регулятор течения 68, такой как диафрагма или регулятор потока. Это позволяет направлять определенную часть генерированного, обогащенного кислородом газа, например генерированного устройством 12, 14 отделения кислорода, обратно через другое устройство 14, 12 отделения кислорода или наоборот, в целях регенерации устройств 12, 14 отделения кислорода. Альтернативно, обогащенный кислородом газ может направляться через устройства 12, 14 отделения кислорода, поступая из накопителя 54. Для этого линии 70, 72 регенерации обеспечиваются на первичных сторонах устройств 12, 14 отделения кислорода, каждая из которых содержит клапан 74, 76. Если кислород направляется через устройства 12, 14 от их вторичной стороны к их первичной стороне в целях регенерации, например в случае, когда генерированный кислород имеет ограниченную чистоту, выходящий поток может затем избирательно направляться через линии 70, 72 регенерации и через выхлоп 78.
Сепаратор 10 кислорода подобно описанному выше дополнительно содержит контрольный блок 80. Контрольный блок 80 приспособлен для направления добавляемого (связываемого) сорбата и охлаждающего сорбата через устройство 12, 14 отделения кислорода между двумя периодами генерации кислорода, как будет описано ниже. Он может присоединяться, например, к клапанам 46, 48, 50, 52, 53, 74, 76 и компрессору 38, и контролировать последние устройства. В зависимости от применяемого добавляемого сорбата и охлаждающего сорбата соответствующий сорбент может направляться через устройства 12, 14 отделения кислорода от их первичной стороны к их вторичной стороне или от их вторичной стороны к их первичной стороне.
Дополнительно может быть обеспечен датчик 82, 84 для определения температуры сорбента 16, 18 для отделения кислорода, который может в типичном случае быть слоем сита, содержащим, например, Li-LSХ цеолит.
Сепаратор 10 кислорода, подобный описанному выше, может использоваться для способа отделения кислорода от кислородсодержащего газа. Данный способ может содержать следующие этапы. Могут выполняться, по меньшей мере, два соответствующих периода отделения кислорода. Каждый из этих периодов содержит этапы направления кислородсодержащего газа, такого как воздух, на первичную сторону устройства 12, 14 отделения кислорода, где устройство 12, 14 отделения кислорода содержит сорбент 16, 18 для отделения кислорода. Таким образом, поток обогащенного кислорода генерируется и направляется из устройства 12, 14 отделения кислорода путем создания разности давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства 12, 14 отделения кислорода, например, компрессором 38. Между соответствующими периодами сепаратор кислорода может оставаться в выключенном режиме, например при высоких температурах, таких как температуры порядка или выше 40°С.
1
Между первым и вторым периодами отделения кислорода, подобными описанным выше, добавляемый сорбат направляется через устройство 12, 14 отделения кислорода, причем добавляемый сорбат имеет энергию адсорбции е относительно сорбента для отделения кислорода. Добавляемый сорбат может содержать азот и обычно может использоваться воздух. Этап направления добавляемого сорбата через устройство 12, 14 отделения кислорода может также выполняться в конце периода отделения кислорода и, таким образом, например, после того, как пользователь выключает сепаратор кислорода или обозначает последнее. Кроме того, этап направления добавляемого сорбата через устройство 12, 14 отделения кислорода может выполняться в зависимости от наполнения сорбента 16, 18 для отделения кислорода. Подробнее, сорбент 16, 18 для отделения кислорода может наполняться добавляемым сорбатом в количестве больше чем 3‰ масс. Следовательно, в случае применения азота в качестве добавляемого сорбата и в случае, когда одно из устройств 12, 14 отделения кислорода содержит сорбент для отделения кислорода, имеющий параметры наполнения и, таким образом, емкость сорбции азота в вышеуказанном интервале, этап направления добавляемого сорбата может выполняться только в отношении второго устройства 14 отделения кислорода. Альтернативно направлению добавляемого сорбата только через одно устройство 12, 14 отделения сепаратора, оба устройства 12, 14 отделения кислорода могут быть обеспечены добавляемым сорбатом.
Этот этап может быть реализован, например, путем направления воздуха в качестве азотсодержащего газа с помощью компрессора 38 через одно или оба устройства 12, 14 отделения кислорода. В качестве примера, клапаны 46, 76 могут быть открыты, тогда как клапаны 74, 50, 52 и 48 могут быть закрыты или клапаны 48, 74 могут быть открыты, тогда как клапаны 46, 76, 50, 52 могут быть закрыты. Это может позволять направление азотсодержащего газа через оба устройства 12, 14 отделения кислорода последовательным образом. В качестве дополнительного мероприятия, во время выключения сепаратора 10 кислорода клапаны 74, 76 на стороне подачи в направлении выхлопа 78 могут быть открыты, чтобы позволять поток воздуха в устройства 12, 14 отделения кислорода, по меньшей мере, в течение нескольких секунд, чтобы адсорбировать азот на сорбентах 16, 18 для отделения кислорода. Азот, содержащийся в воздухе, может быть использован в этом случае в качестве газа с более высокой теплотой адсорбции и, таким образом, в качестве добавляемого сорбата.
Этап направления добавляемого сорбата через устройство 12, 14 отделения кислорода может быть реализован, кроме того, например, путем добавления дополнительной фазы во время или после выключения сепаратора 10 кислорода или после примененного указания выключить сепаратор 10 кислорода, и, таким образом, в качестве последнего мероприятия до перевода сепаратора кислорода в режим выключения. Подробнее, этап направления кислородсодержащего газа через устройства 12, 14 отделения кислорода может быть продолжен, пока чистота генерируемого кислорода не упадет ниже заданного уровня, такого как 70%. До этого клапаны 50, 52 могут быть открыты. Чистота кислорода может определяться с помощью датчика кислорода 60. Кроме того, может быть предпочтительно, когда датчик кислорода обеспечен в каждом выходе 28, 30 вследствие того факта, что соответствующие устройства 12, 14 отделения кислорода обычно находятся в разных стадиях наполнения. Следовательно, один клапан 50, 52 будет закрываться раньше, чем другой клапан 52, 50.
Вышеописанная определенная дополнительная фаза или завершающий цикл соответственно могут, кроме того, регулироваться посредством заданного временного цикла способа РSА. Подробнее, после 25% цикла первого устройства 12 отделения кислорода, находящегося в режиме отделения кислорода, и, таким образом, после 75% цикла второго устройства 14 отделения кислорода, находящегося в режиме регенерации, может быть достигнута сравнимая стадия обоих устройств отделения кислорода в отношении насыщения азотом. Момент выключения устройства отделения кислорода и, таким образом, закрытия всех клапанов может быть, таким образом, реализован посредством времени работы после или в дополнение к концентрации кислорода, подобно описанному выше.
Кроме того, при выключении сепаратора 10 кислорода воздух может направляться через все устройства 12, 14 отделения кислорода, прерывая, тем самым, потенциально выполняемый цикл регенерации, в котором клапаны 46, 48 и 74, 76 могут быть открыты, тогда как клапаны 50, 52 могут быть закрыты.
2
2
1
Что касается дополнительного этапа способа согласно данному изобретению между первым и вторым периодами, охлаждающий сорбат затем направляется через устройство 12, 14 отделения кислорода, причем охлаждающий сорбат имеет энергию адсорбции е добавляемого сорбата относительно сорбента для отделения кислорода. При этом энергия адсорбции е ниже энергии адсорбции е добавляемого сорбата. Это приводит к замене добавляемого сорбата охлаждающим сорбатом и, таким образом, к воздействию охлаждающего эффекта на сорбент 16, 18 для отделения кислорода. Охлаждающий сорбат может обычно содержать кислород или инертные газы, такие как гелий или аргон, в достаточной концентрации, чтобы десорбировать добавляемый сорбат. В качестве примерного значения, концентрация генерируемого кислорода, которая может быть в интервале 90% или больше, может быть достаточной. Кроме того, добавляемый сорбат и/или охлаждающий сорбат может генерироваться во время периода отделения кислорода. Согласно одному варианту осуществления этап направления охлаждающего сорбата через устройство 12, 14 отделения кислорода может выполняться перед началом цикла отделения кислорода и, таким образом, сразу после включения устройства отделения кислорода и, таким образом, в частности, после определенного времени хранения при повышенных температурах, в качестве первого мероприятия после периода выключения сепаратора кислорода.
Например, небольшая часть обогащенного кислородом газа, который генерируется во время предыдущей операции и который сохраняется в накопителе 54, может быть использована в качестве газа с меньшей теплотой адсорбции и, таким образом, в качестве охлаждающего сорбата. Для этой цели клапаны 50, 52, 74, 76 могут открываться соответственно, чтобы направлять кислород через устройство отделения кислорода 12 и/или 14, например, в течение нескольких секунд. Клапаны 50, 52 и 53 могут закрываться во время периода выключения сепаратора 10 кислорода.
Способ, подобный описанному выше, выполненный на сепараторе 10 кислорода, подобном описанному выше, может приводить к существенному снижению температуры шариков цеолита, например, в начале способа отделения кислорода. Это можно заключить из простых экспериментов, выполненных в специально разработанном цилиндре с ситом с адаптированными термопарами для измерения температуры шариков. Это показано на фигуре 2.
Фигура 2 показывает результат типичного эксперимента. Для этого эксперимента термопару помещали внутри материала сита в цилиндре устройства отделения кислорода на расстоянии приблизительно 1 см от стороны подачи. Для использованного материала Li-сита (SХSDМ) и диаметра цилиндра приблизительно 22 мм (длина 155 мм) это измерение температуры характеризует поведение приблизительно 5 г материала сита. Материал сита продували азотом перед каждым экспериментом. Результаты, полученные при использовании азота или кислорода в качестве исходного газа, показаны на фигуре 2.
Подробнее, фигура 2 представляет собой график, показывающий время t в секундах (t[s]) относительно температуры Т в °С (Т[°С]) и потока f в стандартных литрах в минуту (f[Нл/мин]). На этом графике показаны четыре кривые, из которых кривая А демонстрирует температуру материала Li-сита для потока кислорода через данное сито, кривая В демонстрирует температуру для потока азота через сито, кривая С демонстрирует поток кислорода, а кривая D демонстрирует поток азота. Например, можно видеть развитие температуры при приблизительно 1 см внутри материала сита для данных потоков (кривые С и D). Следовательно, показана ситуация продувки кислородом (кривые А и С) и продувки азотом (кривые В и D) для цилиндра с ситом. Существенно, что после начала подаваемого потока на временной шкале в несколько секунд температура значительно снижается (>10°С), если кислород используется в качестве подаваемого потока. Это демонстрирует этап направления охлаждающего сорбата через сорбент 16, 18 для отделения кислорода. При использовании азота в качестве подаваемого потока температура остается постоянной.
Простая оценка возможного снижения температуры следующая. Именно для слоев сита с небольшим количеством материала сита и, таким образом, быстрого транспорта кислорода из входа к выходу данного слоя сита при увеличенных температурах с увеличенной скоростью обмена азота на кислород, температура снижается очень быстро, например, за несколько секунд. Только в качестве примерных величин, при использовании 1,2 бар охлаждающего сорбата и потока приблизительно 4,5 Нл/мин снижение температуры приблизительно 15К может достигаться за менее чем 10 с путем обмена азота на кислород.
На фигуре 3 схематично показан другой вариант осуществления сепаратора 10 кислорода согласно данному изобретению. На фигуре 3 такие же численные обозначения относятся к таким же или сравнимым признакам, как на фигуре 1, тогда как основные различия обсуждаются ниже.
Согласно фигуре 3, сепаратор 10 кислорода содержит дополнительный контейнер 80 для накопления охлаждающего сорбата. Контейнер 86 присоединяется к выходным трубопроводам 28, 30 выше по ходу от клапанов 50, 52 посредством охлаждающей линии 88, где обеспечен клапан 90. Клапаны 50, 52 в этом случае могут быть сконструированы как обратные клапаны.
Соответствующий контейнер может присутствовать для добавляемого сорбата, если это необходимо. Дополнительный контейнер для добавляемого сорбата может быть обеспечен, например, на стороне питания устройств 12, 14 отделения кислорода, в частности, присоединяться к трубопроводам 70, 72 с помощью соответствующего клапана. Соответствующие контейнеры могут заполняться, как описано ниже, или они могут быть съемными и, таким образом, разработанными в качестве заменяемых устройств, позволяя приспосабливать используемые сорбаты для соответствующих приложений.
В частности, во время этапа отделения кислорода часть генерируемого кислорода может наполнять контейнер 86. Например, в случае, если определенное количество охлаждающего сорбата, такого как кислород, присутствует в контейнере 86, который может детектироваться путем давления внутри контейнера 86 посредством датчика давления или альтернативно с помощью регулятора расхода, клапан 90 может закрываться. Способ согласно данному изобретению может выполняться, как упоминается выше для накопителя 54 кислорода, причем контейнер 86 заменяет накопитель 54, а клапан 90 может заменять клапаны 50, 52.
Кроме того, следует отметить, что по причине наполнения контейнера 86, например, расход энергии является незначительным. Может быть предпочтительно, что компрессор 38 работает с более высоким давлением, чтобы заполнять контейнер 86 быстрее. Кроме того, может быть предпочтительно, что заполнение контейнера 80 может выполняться за большее время по сравнению с половиной цикла способа РSА, подобного описанному выше.
Хотя данное изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно описано в вышеприведенном описании, эту иллюстрацию и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники в практическом исполнении заявленного изобретения из изучения чертежей, описания и формулы изобретения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а неопределенный артикль "а" или "аn" не исключает множественного числа. Простой факт, что определенные мероприятия цитируются в разных зависимых пунктах формулы изобретения не указывает, что комбинация этих мероприятий не может быть преимущественно использована. Любые упомянутые обозначения в формуле изобретения не следует понимать как огранивающие объем.