Концентратор кислорода

 

Изобретение относится к устройствам получения кислородообогащенного газа из атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией, используемым в медицинской, микробиологической промышленности, лечебной терапии и т.д. Устройство содержит два параллельных адсорбера, заполненных синтетическим гранулятом цеолита и связанных с подающим компрессором и ресивером на выходе. В устройстве адсорберы оснащены подпружиненными диафрагмами, фиксирующими положение гранулята и формирующими ресивер на входе. Соединительные штуцера адсорберов установлены на термостойких прокладках, что упрощает регенерацию рабочего материала адсорберов. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам получения кислородообогащенного газа из атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией, используемым в медицинской и микробиологической промышленности, во всех отраслях, где применяется баллонный кислород: газосварка, экология, авиационные и морские устройства.

Из патентной литературы известны устройства для безнагревного разделения атмосферного воздуха методом адсорбции на две фракции, азотообогащенную и кислороднообогащенную, на синтетических цеолитах, помещенных в адсорберах, связанных с безмасляными компрессорами, ресиверами и управляемых блоком переключения клапанов [1] Недостатком указанных устройств является большое вспомогательное время, сложность конструкции и управления, повышенная занимаемая площадь дополнительным оборудованием для активного снижения давления посредством специальных устройств осушивания, компрессоров, ресиверов, которые используются в последовательной схеме подключения продувного и продуцирующего адсорберов, обеспечивающих высокую производительность работы.

Указанный недостаток устранен в изобретении с параллельной схемой подсоединения адсорберов к нагнетающему компрессору и общему выходному ресиверу, работающих в циклической схеме переключения режимов сорбции - десорбции, при котором вспомогательное время продувки перекрывается временем продуцирования обогащенного кислородом газа, описанном в [2] Известный концентратор кислорода содержит два параллельных адсорбера, внутри которых выполнены прослойки насыпного гранулята: осушителя (силикагель) и молекулярного сита (цеолит), нагнетающий компрессор с входным фильтром, вакуумный насос репродуцирования, блок управления, общий ресивер с расходной аппаратурой на выходе.

Недостатками известного устройства, выбранного авторами за прототип по технической сущности и большинству совпадающих признаков, являются следующие. Невысокая функциональная надежность по сохранению основных технических характеристик сорбционного гранулированного материала адсорберов от механических повреждений в динамике работы и транспортировки. Сложность регенерации цеолита и силикагеля, требующая разборки адсорберов с последующей подготовкой к работе. Ограниченная область использования промышленной установки в лечебных целях из-за высокого уровня шума при компрессии воздуха.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков и, как следствие, создание мобильной установки со стабильными основными техническими характеристиками, которая имеет более широкие технологические возможности использования.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном концентраторе кислорода посредством разделения атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией на синтетических цеолитах, содержащем соединенные трубопроводами компрессор с входным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер, блок управления электро-пневмоавтоматикой, помещенные в корпус, согласно изобретению, соединительные штуцера адсорберов, оснащенных подпружиненной диафрагмой, смонтированы на термостойких, преимущественно тефлоновых, прокладках, а входной фильтр компрессора, помещенного в отсеке корпуса со звукопоглощающим покрытием, выполнен в виде прокладок, например из синтепона, разделенных шайбами с эксцентрическими отверстиями, последовательно смещенными относительно оси и опирающимися на ограничительные кольца.

Отличительные признаки обеспечивают повышение функциональной надежности устройства, т.е. гарантированный уровень основных технических характеристик и расширение технологических возможностей использования.

Подсоединение параллельных адсорберов через тефлоновые прокладки штуцерами с циклической сменой операций, позволяет повысить производительность за счет взаимного совмещения во времени сорбции десорбции, т.к. подготовка и регенерация цеолита (рабочего материала) термообработкой осуществляется внутри сменного адсорбера без остановки технологического процесса. При этом исключается разборка адсорбера и контакт гранулята с атмосферой за счет сохранения эластичности прокладки штуцеров из синтетического полимера при нагреве до температуры 300 350^oС, что снижает себестоимость работ, позволяет исключить прослойку силикагеля, упрощает конструкцию и схему управления.

Подвижная в осевом направлении подпружиненная диафрагма в адсорберах, во-первых, является упругим фиксатором адсорбционного слоя, что повышает срок его службы и обеспечивает заданное качество продуцирования кислородообогащенного газа, а во-вторых, формирует свободный объем адсорбера под диафрагмой, который служит ресивером для скапливания нагнетаемого воздуха и сглаживания колебаний неравномерной его подачи компрессором. Таким образом, получен технический результат, не присущий элементам новой совокупности признаков в их разобщенности.

Конструктивное выполнение входного фильтра компрессора обеспечивает новое качество за счет выполнения дополнительных функций по гашению сопутствующих звуковых колебаний и, следовательно, позволяет снизить уровень шума показатель комфортности, необходимое социальное условие лечебной терапии, где используется генерируемый кислород. Этому же служит размещение компрессора в отсеке корпуса, выполненного из композитного шумопоглощающего материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены: на фиг. 1 - схематично концентратор, на фиг. 2 адсорбер в разрезе, на фиг. 3 входной фильтр.

Концентратор (фиг. 1) кислорода включает два адсорбера 1 и 2, соединенных параллельно через электропневмораспределители 3, 4, 5, 6 на входе и 7, 8, 9, дроссель 10, соответственно на выходе. Конструкция адсорберов 1, 2 идентична и представляет из себя цилиндрическую емкость объемом 6, 5 литров, заполненную цеолитом марки NaX с размером гранул 3.4 мм. Слой цеолита в адсорберах 1 и 2 нагружен пружиной 11 (фиг. 2) через перфорированную диафрагму 12, закрытую сеткой 13. Соединительные штуцера 14 адсорберов 1 и 2 установлены на политетрафторэтиленовых прокладках 15 (фторопласт 4, фторлон 4), торговое название тефлон, которые смонтированы в замкнутом объеме крепежного узла, практически исключающего термические изменения геометрии при эксплуатации. Синтетический полимерный материал прокладок 15 представляет собой твердое вещество (не набухает, не горит, эластичен). Температура разложения тефлона примерно 415^oС. Это позволяет периодически проводить технологическую регенерацию цеолита без разборки адсорберов термообработкой при нагреве до 300.350^oС без потери служебных характеристик материала прокладок 15.

Атмосферный воздух в адсорберы 1, 2 подается безмасляным компрессором 16 (фиг. 1), установленным в отсеке корпуса 17, выполненном из композитного акустического материала: древесноволокнистой плиты 18, покрытой стеклотканевой прокладкой 19, материала с пористой структурой и наличием большого числа открытых сообщающихся между собой пор.

На входном трубопроводе компрессора 16 установлен фильтр 20, в корпусе 21 (фиг. 3) которого смонтирован набор калиброванных прокладок 22 из синтепона, закрепленных в мерных кольцах 23 и разделенных шайбами 24 с эксцентрическими отверстиями 25. Корпус 21 закрыт крышкой 26 с сеткой 27. Шайбы 24 установлены с последовательным смещением вокруг оси отверстий 25 таким образом, что образуется извилистый канал, лабиринт для прохода газа, обеспечивающий снижение уровня шума. Мерные кольца 24 ограничивают степень сжатия синтепоновых прокладок до заданной плотности материала, чтобы не повысить гидравлическое сопротивление фильтра 27.

Выходы адсорберов 1, 2 через распределители 8 и 9 соответственно связаны с ресивером 28 (фиг. 1) и далее последовательно через ротаметр 29, фильтр 30 и вентиль 31 к потребителю.

Выход группы распределителей 3 6 сообщаются с атмосферой. Система оснащена предохранительным клапаном 32.

Гранулят в адсорберы 1, 2 насыпается при отжатой технологическим винтом диафрагме 12, после чего упругостью пружины 11 диафрагма 12 возвращается в исходное положение, уплотняя гранулы и формируя пористый адсорбционный слой, зафиксированное пространственное положение которого сохраняется во время эксплуатации при продувке и транспортировке. Это позволяет сохранить неизменной адсорбционную способность слоя, исключив перетирание и дробление гранул цеолита.

Работает устройство следующим образом. В исходном положении открыты электропневмораспределители 3, 7, 8 и 5, адсорбер 2 сообщается с атмосферой, а электропневмораспределители 4, 6 и 9 закрыты.

При нагнетании компрессором 16 воздуха через распределитель 3 до давления 3 х 10⁵ Па в адсорбере 1 происходит сорбция азота цеолитом и на выходе получается кислородообогащенная до 95% газовая смесь, которая поступает через распределитель 8 в ресивер 28, где накапливается и через ротаметр 29, фильтр 30 и вентиль 31 подается потребителю.

В объеме адсорбера под диафрагмой 12 происходит аккумулирование воздуха и сглаживание колебаний давления от неравномерной пульсирующей его подачи для дальнейшего равномерного распределения расхода через прослойку цеолита, гранулы которого больше перфораций диафрагмы 12.

Часть газа через распределитель 7 и дроссель 10 подается в адсорбер 2 для интенсификации процесса десорбции, которая происходит при атмосферном давлении азотообогащенная смесь выбрасывается в атмосферу.

Через заданное время, необходимое для полной регенерации цеолита в адсорбере 2, структурная схема устройства переключается на противоположную: группа распределителей 3, 5, 8 закрывается, а распределители 4, 6 и 9 открываются. При этом описанные процессы повторяются: в адсорбере 2 продуцируется кислородообогащенный газ (15.20 л/мин), а в адсорбере 1 при атмосферном давлении и кислородной продувке десорбция азота, который через распределитель 4 сбрасывается в атмосферу.

Управление последовательностью переключения электропневмораспределителей и времени их срабатывания осуществляется по заданной программе электронным блоком управления (на чертеже не показан).

Далее цикл повторяется.

Установка компактна, удобна в эксплуатации, мобильна и комфортна для использования при длительной кислородотерапии и в комплексе с наркозо-дыхательной аппаратурой, в том числе в комплекте подразделений МЧС.

Рабочие чертежи опробованной опытной установки предложенной конструкции находятся в подготовке производства для организации серийного выпуска по договорам поставок и контрактам в текущем году.

Формула изобретения

1 Концентратор кислорода посредством разделения атмосферного воздуха короткоцикловой безнагревной адсорбцией на синтетических цеолитах, содержащий соединенные трубопроводами компрессор с входным фильтром, два параллельных адсорбера и ресивер, блок управления электро-пневмоавтоматикой, помещенные в корпус, отличающийся тем, что соединительные штуцера адсорбентов, оснащенных подпружиненной диафрагмой, смонтированы на термостойких, преимущественно тефлоновых, прокладках, а второй фильтр компрессора, помещенного в отсеке корпуса со звукопоглощающим покрытием, выполнен в виде прокладок, например, из синтепона, разделенных шайбами с эксцентрическими отверстиями, последовательно смещенными относительно оси и опирающимися на ограничительные кольца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3