Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления

Настоящее изобретение относится к устройству для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления. Для того чтобы обеспечить по меньшей мере одно из улучшенного технического обслуживания, увеличенного срока службы и пониженного потребления энергии, устройство для сепарации кислорода содержит впуск для газа на первичной стороне для направления тока кислородосодержащего газа в устройство для сепарации кислорода и выпуск для газа на вторичной стороне для направления тока обогащенного кислородом газа из устройства для сепарации кислорода, мембрану для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный отделять кислород от кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода, и опорную структуру для удержания мембраны для сепарации кислорода, при этом опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода. Дополнительно изобретение относится к сепаратору кислорода и к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления. Изобретение позволяет продлить срок службы устройства и снизить потребление энергии. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области сепарации кислорода. Более конкретно, настоящее изобретение относится к области сепарации кислорода посредством адсорбции с реверсированием давления. Более подробно, изобретение относится к устройству для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, к генератору кислорода, содержащему такое устройство для сепарации кислорода, и к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Генерация кислорода или, соответственно, сепарация кислорода играет важную роль в различных практических областях, охватывая, например, генерацию кислорода высокой чистоты и реакции частичного окисления углеводородов в реакторах. Кроме того, производство кислорода высокой чистоты представляет также особый интерес для небольших бесшумных генераторов кислорода для медицинских приложений, таких как лечение в домашних условиях.

Например, кислородная терапия представляет собой назначение кислорода как средства лечения. Кислородная терапия приносит пациенту пользу посредством увеличения доставки кислорода к легким и тем самым увеличивает наличие кислорода в тканях тела. В основном, использование кислородной терапии для лечения в домашних условиях показано для пациентов с тяжелым хроническим обструктивным легочным заболеванием (COPD), заболеванием, которым, например, в США страдают более чем 13 миллионов пациентов.

Известны коммерческие решения для повседневного производства кислорода, так называемые "кислородные концентраторы". Например, компания "Philips Respironics" предлагает семейство продуктов - кислородных концентраторов для пациентов, которым необходима кислородная терапия на дому ("EverFlo") и во время движения ("EverGo"). Такие системы могут быть основаны на процессе адсорбции с реверсированием давления.

Кроме того, такой процесс адсорбции с реверсированием давления известен, например, из публикации US 6551384 В1. Этот документ раскрывает способ адсорбции с реверсированием давления, использующий двухситечное устройство. Такой способ включает в себя следующие этапы: одновременную подачу и повышение давления продукта; адсорбцию; выравнивание; вывод и очистку; одновременное выравнивание и подачу.

Тем не менее, все еще остается потребность в улучшениях, особенно в том, что касается повседневного производства кислорода.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечить устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, которое обеспечивает по меньшей мере одно из улучшения технического обслуживания, более длительного срока службы и пониженного потребления энергии.

Эта цель достигнута устройством для сепарации кислорода в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения и сепаратором кислорода в соответствии с пунктом 11. Далее, эта цель достигнута посредством способа создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления в соответствии с пунктом 13. Предпочтительные варианты исполнения могут быть получены из зависимых пунктов формулы изобретения.

Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления содержит впуск для газа на первичной стороне для направления тока кислородосодержащего газа в устройство для сепарации кислорода и выпуск для газа на вторичной стороне для направления тока обогащенного кислородом газа из устройства для сепарации кислорода, мембрану для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный производить сепарацию кислорода из кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода, и опорную структуру для удержания мембраны для сепарации кислорода, при этом опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода.

Термин "устройство для сепарации кислорода" может относиться, в частности, к активной части сепаратора кислорода. Оно может содержать, например, сорбент для сепарации кислорода, который может взаимодействовать с кислородосодержащим газом или с определенными составляющими последнего и, таким образом, может отделять кислород от кислородосодержащего газа посредством взаимодействия с по меньшей мере одним из составляющих кислородосодержащего газа, кроме кислорода. Следовательно, как таковое устройство для сепарации кислорода или, соответственно, его сорбент для сепарации кислорода в состоянии отделять кислород от кислородосодержащего газа, в частности, посредством процессов сорбции, таких как процессы адсорбции. В качестве примера, оно может быть выполнено в виде компактного устройства, установленного или содержащегося в корпусе.

Выражение "адсорбционная система с реверсированием давления" может, в частности, относиться к системе сепарации кислорода, которая производит чистый или по существу чистый кислород посредством, соответственно, процессов сорбции или процессов адсорбции. При использовании такой системы по меньшей мере один компонент кислородосодержащего газа сорбируется в сорбент, в то время как кислород не связывается или в меньшей степени связывается с сорбирующим материалом и таким образом может быть отделен от сорбированных компонентов. Для того чтобы удалить сорбированное вещество или вещества, сорбирующий материал обеспечивается током газа в обратном направлении, в частности, реверсированием режима давления с одной и с другой стороны относительно сорбента и, таким образом, посредством реверсирования давления.

Термин "сепаратор кислорода" в том смысле, как он здесь используется, может относиться, в частности, к устройству, которое способно сепарировать кислород из кислородосодержащего газа. Следовательно, посредством сепаратора кислорода, начиная от кислородосодержащего газа, может быть получен чистый или почти чистый кислород или по меньшей мере обогащенный кислородом газ.

Далее, в том смысле, как он здесь используется, термин "первичная сторона" устройства для сепарации кислорода может относиться к стороне или к части устройства для сепарации кислорода, направленной в том направлении, с которого кислородосодержащий газ направляется в устройство для сепарации кислорода, в то время как термин "вторичная сторона" устройства для сепарации кислорода в том смысле, как он здесь используется, может относиться к стороне или к части устройства для сепарации кислорода, направленной в направлении противоположной стороны, то есть в ту сторону, в которой находится полученный чистый кислород или обогащенный кислородом газ.

Дополнительно, термин "кислородосодержащий газ" в том смысле, как он здесь используется, может относиться к любому газу, который по меньшей мере частично содержит газообразный кислород или который состоит из кислорода. Тем самым термин "обогащенный кислородом газ" будет конкретно означать газ, который имеет более высокую концентрацию в отношении кислорода по сравнению с кислородосодержащим газом и который в крайнем случае может быть чистым кислородом.

Кроме того, "мембрана для сепарации кислорода" в контексте настоящего изобретения может пониматься как слой, в частности как плоский слой, например, в виде тонкой пленочной структуры, содержащий сорбент для сепарации кислорода, и, таким образом, являющийся основным ответственным за достижение эффекта сепарации кислорода посредством, соответственно, процессов сорбции или адсорбции.

Далее, термин "опорная стойка" относится к структуре, удерживающей мембрану для сепарации кислорода, но являющейся пространственно ограниченной и, таким образом, имеющей меньший размер по сравнению с мембраной для сепарации кислорода. Вследствие того факта, что имеется множество, то есть две или более чем две, опорные стойки, соответственно, между этими опорными стойками обеспечен путь тока для кислородосодержащего газа или для обогащенного кислородом газа. Дополнительно, может быть предпочтительно, чтобы опорные стойки не имели касания одна с другой.

Устройство для сепарации кислорода, подобное описанному выше, может, в частности, обеспечивать повышенные характеристики по техническому обслуживанию, меньшее потребление энергии, повышенный срок службы, а также повышенные характеристики по переносу массы и передаче тепла в процессе сепарации кислорода посредством адсорбционной системы с реверсированием давления.

Более подробно, вследствие того факта, что активная часть, являющаяся ответственной за сепарацию кислорода, образована мембраной и, таким образом, выполнена в форме чрезвычайно тонкого слоя, потенциальные недостатки известных в уровне техники конфигураций, в частности, такие как недостатки ситечных слоев, содержащих адсорбирующие гранулы, подобные известным недостаткам адсорбционных систем с реверсированием давления, могут быть исключены.

Например, при использовании мембранной конструкции для сепарации кислорода, подобной описанной выше, могут быть получены значительные преимущества в том, что касается характеристик по теплопередаче и переносу массы. Это обусловлено тем фактом, что для адсорбционных систем с реверсированием давления традиционно применяемые сорбенты используются в форме гранул или экструдатов, упорядоченных в большие адсорбирующие слои. Скорость переноса массы в кристаллах определяется диффузионным пробегом. Однако в адсорбционных процессах с реверсированием давления может иметь место взаимный обмен между ограничениями по передаче тепла и переносу массы. В случае, когда используемые гранулы имеют увеличивающийся диаметр, перепад давления может быть уменьшен, но при этом могут иметь место нарушенные ограничения по передаче тепла и переносу массы. Следовательно, размер гранул в ситечных слоях традиционно использовался в зависимости от использованных процессов и условий. Гранулы меньшего размера демонстрируют увеличенный перенос массы, но имеют тот недостаток, что эти гранулы характеризуются истиранием на стенках, соответственно, контейнера или корпуса, что может приводить к выходу из гранул пылевых частиц. Это истирание может привести к уменьшенному сроку службы соответствующих сит. Получающиеся в результате истирания небольшие частицы, кроме того, могут заблокировать фильтры, установленные, соответственно, во впуске для газа и в выпуске для газа, что может значительно уменьшить характеристики системы или даже ограничить работу системы. Кроме того, получающиеся в результате истирания небольшие частицы могут сильно влиять на распределение давления в обычном ситечном слое.

В результате, посредством использования мембранной структуры, например, в виде тонкой пленки могут быть исключены недостатки ситечных слоев, содержащих адсорбенты в виде гранул, то есть увеличенные ограничения по переносу массы и передаче тепла при больших гранулах и повышенное истирание о стенки контейнера при малых гранулах.

Использованием мембраны, такой как тонкая пленка, в качестве активной части сепарации кислорода обеспечивается возможность получать небольшие частицы с большой площадью поверхности, что приводит к повышенному переносу массы общим количеством гранул. Поэтому может быть обусловлена высокая сепарационная способность кислорода. Тем самым частицы или, соответственно, сорбент фиксируются или слипаются в определенном слое, самом по себе чрезвычайно стабильном, на опорной структуре и, таким образом, не перемещаются по меньшей мере в нормальных рабочих условиях, следовательно, в мембране никакого истирания не происходит, так что истирание может быть предотвращено или по меньшей мере значительно уменьшено. Следовательно, вслед за улучшенными ограничениями по переносу массы может быть предотвращено образование пыли или чрезвычайно мелких частиц, приводя к значительному повышению характеристик сепарации кислорода и, соответственно, к значительному сокращению повреждающего режима устройства для сепарации кислорода. Следовательно, срок службы, а также характеристики по техническому обслуживанию такого устройства для сепарации кислорода, как описанное выше, могут быть значительно повышены.

Помимо этого, а также вследствие того факта, что опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода либо непосредственно, либо опосредованно, через дополнительный слой, может быть сокращен контакт мембраны с последующими компонентами устройства для сепарации кислорода. Следовательно, при этом улучшены ограничения по передаче тепла, приводя к более экономичному режиму работы по потреблению энергии. При этом очевидно, что та особенность, что опорные стойки являются прикрепленными к мембране, может быть зависимой от способа изготовления этой конфигурации, и ее можно понимать как то, что мембрана прикреплена к опорным стойкам. Вследствие того факта, что при этом не обеспечено никакого непрерывного опорного слоя, а удержание достигнуто множеством опорных стоек, то есть по меньшей мере двумя или, предпочтительно, более чем двумя опорными стойками, перепад давления - вследствие того факта, что обеспечена правильно определенная открытая конструкция опорной структуры, позволяющая выполнять обладающий преимуществами хорошо определенный газовый обмен и осуществлять контакт кислородосодержащего газа с мембраной, - может удерживаться в минимальных диапазонах.

Тем самым внешние опорные стойки могут действовать как тип корпуса, при этом впускное отверстие между опорными стойками может действовать как впуск для газа, а противоположная сторона мембраны может действовать как выпуск или, например, наоборот, так что создание корпуса в данных условиях может быть опущено.

В соответствии с одним вариантом исполнения сорбент для сепарации кислорода может содержать цеолитный материал. Цеолитные материалы являются особенно эффективными материалами для сепарации кислорода от азота, например, посредством сорбирования азота, так что кислородосодержащим газом может быть воздух. Таким образом, устройство для сепарации кислорода может работать в безопасном экономичном режиме. Помимо этого, оно может не содержать никаких газовых цилиндров, включая кислородосодержащий газ, так что при этом механические характеристики повышаются еще больше. Далее, особенностью цеолитных материалов является то, что небольшие частицы могут быть закреплены на опорной структуре, содержащей множество опорных стоек, и, таким образом, являются особенно пригодными для устройства для сепарации кислорода в соответствии с настоящим изобретением. Тем самым могут быть опущены глинистые связывающие вещества и еще больше улучшены характеристики по переносу массы. В неограничивающем примере слой кристаллического цеолитного материала имеет состав Mn+x/n [(AlO2)-x (SiO2)y], где М - ион щелочного металла или ион щелочно-земельного металла и где n+ - заряд катиона М, и он может быть 1 или 2. Отношение y/х равно 1 или больше чем 1. В качестве примера цеолитного материала можно взять Li-замещенный цеолит X с низким содержанием двуокиси кремния с отношением y/х между 1 и 1,5.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки выполнены из кремния (Si), стекла, керамики, такой как окись алюминия, стеклянной керамики, металла или одной или более комбинации одного или более из вышеупомянутых материалов. Например, опорные стойки могут быть выполнены из одного или более из вышеупомянутых материалов, в частности, таких как кремний. Этот вариант исполнения дает возможность получать вполне определенный и высокочистый поток кислорода вследствие того факта, что эти материалы не имеют или почти не имеют никаких взаимодействий с кислородосодержащим газом, так что нет никаких нежелательных побочных продуктов, которые могли бы оказывать разрушительное воздействие на мембрану или созданный поток чистого или почти чистого кислорода. Помимо этого, вышеупомянутые материалы, особенно такие как кремний, можно обрабатывать посредством микропроцессов нанесения рисунка, например, известных из области полупроводниковых материалов, позволяющих создавать вполне определенную опорную структуру и, таким образом, вполне определенный режим работы даже при очень малых размерах. Материалы такого типа, кроме того, демонстрируют достаточно высокую стабильность в удержании мембраны, особенно если мембрана выполнена очень тонкой.

В соответствии со следующим вариантом исполнения на одном конце опорных стоек образован слой, при этом слой содержит двуокись кремния, нитрид кремния, комбинацию вышеупомянутых материалов или является стеклянным слоем, нанесенным центрифугированием. Такой слой, например, может быть образован между опорными стойками и мембраной, или на противоположной стороне опорных стоек, или на обоих вышеупомянутых положениях. В том случае, когда образован между токовыми путями, он может быть локально ограниченным. Локально ограниченный слой может в данном случае, в частности, означать слой, который присутствует смежно с опорными стойками или, соответственно, на них, но который по существу отсутствует в области путей потока, которые образованы между соответствующими опорными стойками. Такой слой, содержащий двуокись кремния, или нитрид кремния, или их смесь или являющийся стеклянным слоем, может, в частности, функционировать как слой, который может способствовать фиксации мембраны к подложке и, таким образом, может действовать в качестве активатора сцепления. Таким образом, такой слой может повысить стабильность устройства для сепарации кислорода, еще более повышая срок службы и характеристики по техническому обслуживанию. Дополнительно, если он образован с той стороны опорных стоек, которая расположена напротив мембраны, слой в соответствии с этим вариантом исполнения может, соответственно, способствовать образованию или формированию стоек и соответствующих токовых путей требуемым образом, тем самым действуя, например, в качестве маски. В частности, эти слои могут быть сплошными или пористыми и могут быть нанесены посредством любой техники осаждения, например термоокислением или химическим осаждением из пара. Слой нитрида кремния, предпочтительно, может быть нанесен посредством химического осаждения из пара. Стеклянный центрифужный слой, например, может быть известен из полупроводниковых устройств. Толщина нитрида кремния, окиси кремния или центрифужного стеклянного слоя, предпочтительно, имеет величину в диапазоне между ≥100 нм и ≤100 мкм, предпочтительно, между ≥100 нм и ≤10 мкм.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки содержат пористый материал. Например, опорные стойки могут состоять из пористого материала. Обеспечение пористых материалов для опорных стоек позволяет еще более увеличить поток газа от впуска устройства для сепарации кислорода к мембране для сепарации кислорода вследствие того факта, что кислородосодержащий газ может протекать к мембране для сепарации кислорода через токовые пути, образованные между опорными стойками, но, кроме того, может протекать через опорные стойки или, соответственно, через ее пористую структуру. Следовательно, кислородосодержащий газ может также протекать через мембрану для сепарации кислорода в области, смежной с опорными стойками.

В соответствии со следующим вариантом исполнения обеспечено множество, таким образом, две или более мембраны для сепарации кислорода, при этом одна мембрана для сепарации кислорода расположена ниже по току относительно дополнительной мембраны для сепарации кислорода. Этот вариант исполнения позволяет обеспечить особенно улучшенную возможность сепарации газа, допуская протекание больших токов газа и, например, особо продолжительный срок службы. Помимо этого, в соответствии с данным вариантом исполнения особенно улучшаются характеристики по техническому обслуживанию вследствие того факта, что даже если одна мембрана, полностью загруженная сорбированным материалом, повреждена или не работает должным образом, требуемую процедуру сепарации кислорода обеспечит одна или более следующая мембрана для сепарации кислорода. Помимо этого, мембраны для сепарации кислорода могут быть сформированы очень тонкими вследствие того факта, что выполнение сепарации кислорода может быть распределено по множеству мембран для сепарации кислорода, тем самым позволяя обеспечить достаточно материала сорбента для требуемого процесса сепарации кислорода. В целом, в соответствии с этим вариантом исполнения могут быть обеспечены две мембраны или даже более чем две, например может быть обеспечено от 5 до 10 мембран или даже больше. Множество мембран для сепарации кислорода может быть соединено посредством множества опорных стоек или же они могли бы быть также свободно установлены одна на другую, будучи, например, прикрепленными по боковым сторонам, например, к корпусу.

В соответствии со следующим вариантом исполнения опорные стойки имеют длину ≥50 мкм. Например, опорные стойки имеют длину от ≥50 мкм до ≤1000 мкм. В связи с этим эта длина может быть определена как расстояние, которое заключено между началом опорных стоек до достижения смежного компонента, а именно мембраны для сепарации кислорода или дополнительного слоя, например, такого как слой двуокиси кремния, и в направлении тока кислородосодержащего газа. В соответствии с этим вариантом исполнения вполне возможно образовать устройство для сепарации кислорода с очень малыми размерами, являющееся особенно пригодным для портативных устройств для лечения в домашних условиях. В этом случае при обеспечении одной мембраны для сепарации кислорода или каскада множества мембран, идущих одна за другой, в направлении тока кислородосодержащего газа с распределенными между ними опорными стойками, так или иначе достигаются очень компактные размеры. Следовательно, этот вариант исполнения при определенных обстоятельствах может быть особенно предпочтителен в отношении устройств для лечения в домашних условиях. Помимо этого, такие опорные стойки характеризуются достаточной устойчивостью при удержании мембраны, для того чтобы обеспечить минимизацию вероятности образования трещин или повреждений.

В соответствии со следующим вариантом исполнения мембрана для сепарации кислорода имеет толщину от ≥1 мкм до ≤500 мкм. Это позволяет увеличить поток кислорода, проходящий через мембрану, поскольку толщина мембраны при определенных обстоятельствах имеет основное влияние на проницаемость последней. Поскольку мембранные системы в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены на оборудовании, обычно используемом для производства полупроводниковых устройств, возможно производство с низкой себестоимостью. Дополнительно, мембранная система в соответствии с изобретением может быть использована в небольших плоских устройствах, которые важны для применений, таких как медицинские применения, особенно в области лечения на дому. Следовательно, образованием мембраны с толщиной в диапазоне от ≥1 мкм до ≤500 мкм, в частности от ≥1 мкм до ≤30 мкм, может быть увеличена проницаемость и, таким образом, газовый поток мембранной системы, позволяя, например, обеспечить более эффективные и небольшие устройства для сепарации кислорода.

В соответствии со следующим вариантом исполнения именно в качестве сорбентного материала мембрана для сепарации кислорода содержит цеолитные кристаллиты, или цеолитные частицы, или цеолитные гранулы. Может иметь место использование процессов в тонких пленках цеолитных кристаллитов, выращенных рядом друг с другом. Они могут образовывать имеющую тонкую структуру цеолитную мембрану. Имеющие тонкую структуру цеолитные мембраны получаются, главным образом, когда используются способы осаждения, такие как центрифужная обработка или напыление, в которых получают тонкие плотные цеолитные пленки, при этом могла бы быть также применена высокотемпературная обработка. Альтернативно, цеолитные мембраны могут состоять из цеолитных частиц, которые в соответствии с настоящим изобретением могут, в частности, содержать небольшие цеолитные кристаллиты или состоят из них. Цеолитные мембраны с частицами могут быть получены, например, в способах осаждения, при которых наносятся пленки с меньшей плотностью, таких как центрифужная обработка и низкотемпературная обработка или печать. В зависимости от техники осаждения и приложенной при обработке температуры из цеолитных кристаллов или зерен или частиц могут быть образованы цеолитные пленки с плотным или пористым слоем. Таким образом, в этом варианте исполнения цеолитный слой может содержать цеолитные кристаллы или зерна или частицы, которые имеют размеры от более или равных 10 нм до нескольких десятков микрометров, как, например, 30 мкм. Они могут быть получены нанесением цеолитных слоев посредством технологий нанесения пленок, таких как центрифужная обработка, гидротермическая обработка или любая другая пленочная технология. Альтернативно, возможно также, чтобы мембрана для сепарации кислорода была выполнена, соответственно, из агломератов цеолитных кристаллов или цеолитных частиц. Агломераты цеолитных кристаллов или цеолитных частиц называются также гранулами. Эти агломераты цеолитных кристаллов, называемых также гранулами, могут быть получены в любом - плотном или пористом - упорядочении, так чтобы образовать мембрану. Для получения цеолитных мембран могут быть использованы, например, печатные технологии. Соответственно, гранулы или агломераты могут иметь диаметры от нескольких микрометров, как, например, от 3 мкм вплоть до нескольких десятков микрометров, как, например, 30 мкм или даже больше. В данном конкретном случае толщина мембраны может превышать неограничивающую величину в 500 мкм. Этот вариант исполнения позволяет обеспечивать цеолитный материал, подобный известному по обычным устройствам сепарации кислорода, таким как адсорбционные системы с реверсированием давления. Получение фиксированного в мембране цеолитного материала делает возможным отсутствие какого бы то ни было истирания цеолита и, таким образом, предотвращение загрязнения цеолитного слоя частицами. Следовательно, в соответствии с этими вариантами исполнения преимущества тонкозернистого цеолитного материала по отношению к характеристикам по переносу массы, а также передаче тепла могут быть реализованы без порождения соответствующих недостатков, связанных с истиранием очень малых частиц, подобным вышеописанным.

В соответствии со следующим вариантом исполнения мембрана для сепарации кислорода вместе с опорной структурой установлена в корпусе. Это чрезвычайно легкий и экономичный способ построения устройства для сепарации кислорода. Более подробно, в том случае, когда мембрана вместе с опорой заключена в корпус, в то время как в упомянутом корпусе выполнены впуск для газа, а также выпуск для газа, кислородосодержащий газ может быть легко направлен в корпус и к передней стороне мембраны для сепарации кислорода, и затем от вторичной стороны мембраны для сепарации кислорода из корпуса. Тем самым легко может быть предотвращено нежелательное взаимодействие между мембраной для сепарации кислорода и внешней атмосферой, что приводит к специально определенным условиям внутри корпуса и, таким образом, у мембраны для сепарации кислорода. Важно, что при этом могут быть заранее определены характеристики сепарации кислорода. Помимо этого, может быть предотвращено ухудшение характеристик сепарации кислорода, обусловленное влиянием кислорода из атмосферы, окружающей устройство для сепарации кислорода, так что могут быть еще более улучшены характеристики технического обслуживания, а также срок службы такого устройства для сепарации кислорода.

Что касается дополнительных технических признаков, а также преимуществ устройства для сепарации кислорода по настоящему изобретению, следует обратиться к описанию сепаратора кислорода, способа создания устройства для сепарации кислорода и к чертежам.

Изобретение, далее, относится к сепаратору кислорода, содержащему по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода, подобное вышеописанному, и, таким образом, с одним или более из вышеупомянутых признаков, и к устройству для регулировки давления для создания разности давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства для сепарации кислорода.

Термин "устройство для регулировки давления" может относиться к любому устройству, которое способно создавать разность давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства для сепарации кислорода. Это может быть, например, газокомпрессорное устройство, соединенное с первичной стороной устройства для сепарации кислорода, или вакуумный насос, подсоединенный к вторичной стороне устройства для сепарации кислорода.

Таким образом, сепаратор кислорода, подобный определенному выше, содержит по меньшей мере одно устройство для сепарации кислорода. Соответственно, он может содержать только одно устройство для сепарации кислорода или множество из двух или более чем двух устройств сепарации кислорода и, в целом, может образовывать адсорбционную систему с реверсированием давления (PSA-система). Например, сепаратор кислорода может содержать два устройства сепарации кислорода, расположенные параллельно между собой. Однако, в зависимости от требуемого приложения, параллельно могут быть установлены более чем два устройства для сепарации кислорода. В качестве примера, все присутствующие устройства для сепарации кислорода могут быть расположены параллельно между собой.

Такой сепаратор кислорода обеспечивает значительные улучшения, например, в отношении характеристик технического обслуживания и срока службы. В частности, могут быть улучшены характеристики по загрязнению, обусловленному небольшими частицами, создаваемыми истиранием. Помимо этого, могут быть значительно улучшены характеристики по переносу массы, а также характеристики по передаче тепла.

Что касается дополнительных технических признаков, а также преимуществ сепаратора кислорода по настоящему изобретению, следует обратиться к описанию устройства для сепарации кислорода, способа создания устройства для сепарации кислорода и к чертежам.

Изобретение далее относится к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, подобной описанной выше, при этом упомянутый способ включает в себя этапы обеспечения подложки, в частности, в виде слоя подложки; обеспечения мембраны на подложке; и обработки подложки формированием из подложки множества опорных стоек.

Такой способ является очень экономичным и легким в производстве для создания устройства для сепарации кислорода, которое способно улучшить по меньшей мере одни из характеристик по передаче тепла, характеристик по переносу массы, увеличения срока службы и характеристик по техническому обслуживанию. Кроме того, в соответствии с этим способом может быть обеспечена конфигурация, содержащая мембрану, которая скреплена с опорными стойками, имеющими специально определенные размеры и геометрию. Этот способ, например, является подходящим для обеспечения тонкопленочной молекулярной ситочной системы, в которой небольшие частицы адсорбента, такие как цеолитные кристаллиты, посажены на носитель, такой как кремниевый носитель.

Более подробно, на первом этапе обеспечивают подложку. Подложка может быть сформирована в виде слоя и может, например, состоять или быть образована из кремния с соответствующей толщиной. Выбранная толщина может определять длину опорных стоек, создаваемых на более позднем этапе, и может находиться в диапазоне от ≥50 мкм до ≤1000 мкм. Кроме того, подходящий материал может быть пористым или нет.

В соответствии со следующим этапом на подложке обеспечивают мембрану. Мембрана содержит главным образом сорбентный материал для выделения кислорода из кислородосодержащего газа. Например, в качестве сорбентного материала, подобного описанному выше, на слой подложки может быть осажден цеолитный материал, такой как материал, содержащий кристаллическую решетку фауджазита. Более подробно, это может быть сделано, например, посредством золь-гель процесса с использованием центрифужного нанесения и (или) напыления, предпочтительно, получая толщину в диапазоне от ≥1 мкм до ≤500 мкм. Например, может быть использован нагрев в печи или гидротермальный процесс. Но могут быть использованы и другие способы осаждения, такие как печать, или способы напыления, такие как химическое осаждение из пара. Сорбентный материал, такой как цеолитный материал, может присутствовать в мембранном слое в форме небольших кристаллов или частиц или, соответственно, в форме агломератов или гранул. Способы нанесения тонких пленок, такие как центрифужная обработка, позволяют создавать тонкокристаллические цеолитные слои с размерами кристаллов в от 10 нм вплоть до нескольких микрометров. Но используя, например, печатные технологии, могут быть реализованы также сорбентные материалы в форме слоев толщиной до нескольких десятков микрометров.

На следующем этапе подложку обрабатывают, формируя из подложки множество опорных стоек. Этот этап может быть выполнен, например, посредством процессов, обычно известных из области обработки полупроводников, особенно в том случае, когда подложка содержит кремний.

На следующем "опциональном" этапе сформированная таким образом конфигурация может быть закреплена в корпусе, при этом корпус, предпочтительно, содержит впуск для газа и выпуск для газа. Поэтому может быть предпочтительно, чтобы стойки были расположены в направлении тока кислородосодержащего газа и, таким образом, чтобы мембрана была установлена перпендикулярно этому направлению тока, для того чтобы создать наилучший поток газа. Кроме того, опорные стойки могут быть расположены в направлении первичной стороны устройства для сепарации кислорода. Это могло бы способствовать направлению тока к мембранам вполне определенным образом. Но возможно также расположение и в противоположном направлении. Тем самым внутри корпуса может быть обеспечена только одна конфигурация, содержащая множество опорных стоек и мембрану, или же может быть обеспечено более одной конфигурации, одна за другой.

В соответствии с одним вариантом исполнения на по меньшей мере часть подложки нанесен слой, содержащий окись кремния, или нитрид кремния, или комбинацию окиси и нитрида кремния, или нанесенный центрифугированием стеклянный слой. Этот вариант исполнения обуславливает возможность создания слоя, расположенного между опорной стойкой и мембраной, или на ее противоположном конце, или в обоих вышеупомянутых положениях. Такой слой, содержащий, например, окись кремния, может, в частности, функционировать как слой, который может способствовать фиксации мембраны к подложке и, таким образом, может действовать в качестве активатора сцепления. Альтернативно, такой слой мог бы также оставаться под мембраной, а также в области токовых путей. Таким образом, такой слой повышает устойчивость устройства для сепарации кислорода, еще более увеличивая срок службы и характеристики технического обслуживания. Дополнительно, если он обеспечен со стороны стойки, расположенной с противоположной стороны мембраны, слой в соответствии с этим вариантом исполнения может, соответственно, способствовать образованию или формированию стоек и соответствующих токовых путей требуемым образом, тем самым действуя, например, в качестве маски. В частности, эти слои могут быть сплошными или пористыми и могут быть нанесены посредством любой техники осаждения, например, термическим окислением или химическим осаждением из пара. Слой нитрида кремния может быть нанесен посредством любого способа осаждения, например химическим осаждением из пара. Слой окиси кремния может быть нанесен термическим окислением. Стеклянный центрифужный слой как таковой известен из обычных процессов обработки полупроводников. Толщина, соответственно, нитрида кремния, или окиси кремния, или центрифужного стеклянного слоя, предпочтительно, имеет величину в диапазоне между ≥100 нм и ≤100 мкм, предпочтительно, между ≥100 нм и ≤10 мкм.

В соответствии со следующим вариантом исполнения подложка обработана посредством микрообработки, такой как микрообработка кремния, или пескоструйной обработки. В соответствии с этим вариантом исполнения опорные стойки сформированы совершенно определенным образом, даже если они выполнены в очень малых размерах. Соответственно, между упомянутыми опорными стойками совершенно определенно сформированы токовые пути, приводящие к совершенно определенным рабочему режиму или, соответственно, режиму сепарации кислорода устройства для сепарации кислорода. Этот вариант исполнения может быть особенно предпочтителен в том случае, когда опорные стойки содержат кремний.

Что касается дополнительных технических признаков, а также преимуществ способа создания устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением, следует обратиться к описанию устройства для сепарации кислорода, сепаратора кислорода и к чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие объекты изобретения станут понятными и будут разъяснены со ссылками на описанные далее варианты исполнения.

На чертежах:

Фиг. 1 показывает адсорбционную систему с реверсированием давления.

Фиг. 2 показывает вариант исполнения устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 показывает еще один вариант исполнения устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением.

Фиг. 4 показывает еще один вариант исполнения устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением.

Фиг. 5 показывает еще один вариант исполнения устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 показывает способ создания устройства для сепарации кислорода в соответствии с изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 схематично показан сепаратор 10 кислорода для производства кислорода. Этот сепаратор 10 кислорода образован как адсорбционная система с реверсированием давления и может быть использован для производства кислорода в целях его терапевтического применения, например, в рамках лечения COPD-заболеваний. Сепаратор 10 кислорода может быть выполнен в виде стационарной установки, например, для использования его в больницах или же это может быть портативное устройство, например, для использования его для домашнего лечения. Однако сепаратор 10 кислорода, кроме того, может быть использован для любого применения, для которого должен быть обеспечен чистый или по существу чистый кислород, например в самолетах или в целях выполнения сварки. Такой сепаратор 10 кислорода или, соответственно, концентратор кислорода может быть основан на таком концентраторе кислорода, как тот, который называется "EverGo" и который продается компанией "Philips Respironics".

Сепаратор 10 кислорода содержит по меньшей мере одно устройство 12 для сепарации кислорода, которое способно сепарировать кислород из кислородосодержащего газа. Однако предпочтительно, чтобы сепаратор 10 кислорода содержал по меньшей мере два устройства 12, 14 для сепарации кислорода и чтобы при этом два или более устройства 12, 14 для сепарации кислорода были бы расположены параллельно. Далее изобретение описано применительно к двум устройствам 12, 14 для сепарации кислорода. Однако специалисту в данной области должно быть ясно, что каждый признак может быть обеспечен соответствующим образом при использовании лишь одного устройства 12 для сепарации кислорода или более чем двух устройств 12, 14 для сепарации кислорода. Каждое устройство 12, 14 для сепарации кислорода может быть оснащено сорбентом для сепарации кислорода, подобным тому, который будет показан далее. Этот сорбент для сепарации кислорода специально сконфигурирован для того, чтобы позволять кислороду проходить через него по меньшей мере в большом количестве, без значительного препятствования его току, но с взаимодействием, соответственно, с другими компонентами, которые присутствуют в кислородосодержащем газе, или сорбированием их. Таким образом, в том случае, когда в качестве кислородосодержащего газа используется воздух, предпочтительно, чтобы сорбент для сепарации кислорода был бы сконфигурирован, соответственно, для сорбирования азота или для адсорбирования азота. Подходящие сорбенты для сепарации кислорода могут содержать цеолитные материалы, такие как материал цеолит лития. Однако возможно использовать любой известный в уровне техники сорбент для сепарации кислорода, например, подходящий для использования в процессах адсорбции с реверсированием давления.

Для направления тока кислородосодержащего газа к впуску 18 для газа устройства 12 для сепарации кислорода на его первичной стороне обеспечен входной трубопровод 16. Соответственно, для направления тока кислородосодержащего газа к впуску 22 устройства 14 сепарации кислорода на его первичной стороне обеспечен, соответственно, входной трубопровод 20. Более того, к выпускным отверстиям 28, 30 для газа соответствующего устройства 12, 14 для сепарации кислорода подсоединены выпускные трубопроводы 24, 26 для направления обогащенного кислородом газа или чистого кислорода, соответственно, из устройств 12, 14 для сепарации кислорода.

Входные трубопроводы 16, 20 устройств 12, 14 для сепарации кислорода подсоединены к впуску 32 сепаратора 10 кислорода. К впуску 32 может быть подсоединен источник кислородосодержащего газа, такой как устройство хранения газа, или же воздух, окружающий сепаратор 10 кислорода. Дополнительно может быть обеспечено устройство для регулирования давления, предназначенное для создания разности давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства 12, 14 для сепарации кислорода. В соответствии с фиг. 1, имеется компрессор 34 для сжатия кислородосодержащего газа и нагнетания его через входные трубопроводы 36, 38, которые могут быть частью входных трубопроводов 16, 20 или могут быть подсоединены к ним, в устройства 12, 14 для сепарации кислорода. После компрессора 34 или до него может быть установлен впускной фильтр 40, для того чтобы обеспечить первый этап очистки кислородосодержащего газа. Более конкретно, при этом из кислородосодержащего газа могут быть отфильтрованы особенно твердые частицы.

Для того чтобы дать возможность кислородосодержащему газу направляться через устройства 12, 14 для сепарации кислорода с перерывами, во входных трубопроводах 36, 38 могут быть установлены впускные клапаны 42, 44. Клапаном в соответствии с настоящим изобретением может быть любое устройство, которое может разрешать ток газа, перекрытие тока газа и/или регулировку величины тока газа. Следовательно, закрыванием клапана 44 и открыванием клапана 42 кислородосодержащий газ может быть направлен через первое устройство 12 для сепарации кислорода, в то время как открыванием клапана 44 и закрыванием клапана 42 кислородосодержащий газ может быть направлен через второе устройство 14 для сепарации кислорода. Соответственно, в выпускном трубопроводе 24 может быть установлен клапан 46, такой как запорный клапан, а в выпускном трубопроводе 26 может быть установлен клапан 48, такой как запорный клапан. Направлением кислородосодержащего газа через первое устройство 12 для сепарации кислорода клапан 46 может быть открыт, в то время как клапан 48 может быть закрыт. Соответственно направлением кислородосодержащего газа через второе устройство 14 для сепарации кислорода клапан 48 должен быть открыт, в то время как клапан 46 должен быть закрыт.

За клапанами 46, 48 выпускные трубопроводы 24, 26 подсоединены, соответственно, к накопителю 50 кислорода или резервуару газа, для того чтобы хранить наработанный кислород. Накопитель 50 кислорода может быть подсоединен к выпускной линии 52, в которой может быть установлен контроллер 54 тока, для того чтобы управлять потоком чистого кислорода. Помимо этого, в выпускной линии 52 может быть установлен датчик 56 "чистоты", для того чтобы контролировать чистоту наработанного кислорода. Кроме того, в выпускной линии 52 может быть обеспечен дополнительный фильтр 58, прежде чем наработанный кислород направляется на выпуск 60. От выпуска 60 наработанный обогащенный кислородом газ может быть направлен для требуемого применения, например, к пациенту.

Выпускной трубопровод 24 первого устройства 12 для сепарации кислорода и выпускной трубопровод 26 второго устройства 14 сепарации кислорода выше по ходу от вентилей 46, 48 могут быть соединены поперечным трубопроводом 62, в котором может быть предусмотрен регулятор 64 тока, такой как отверстие или контроллер тока. Это позволяет определенную часть наработанного кислорода, например, произведенного в устройстве 12, 14 для сепарации кислорода, направлять назад через следующее устройство 14, 12 для сепарации кислорода, или наоборот, с целью очистки и, таким образом, регенерации устройств 12, 14 для сепарации кислорода. Имея это в виду, по первичным сторонам устройств 12, 14 для сепарации кислорода обеспечены очистительные линии 66, 68, каждая из которых содержит клапан 70, 72. Если кислород с целью регенерации направлен через устройства 12, 14 для сепарации кислорода от их вторичной стороны к их первичной стороне, тогда выходной поток может быть выборочно направлен через очистительные линии 66, 68 и через выход 74.

Кроме того, для нагрева устройства 12, 14 для сепарации кислорода может быть предусмотрено нагревательное устройство 76. Это нагревательное устройство 76 может работать на все устройство 12, 14 для сепарации кислорода или же оно может нагревать только его конкретные области. В целом, может быть использовано любое известное в своей области нагревательное устройство 76. Например, могут быть обеспечены нагревательные катушки.

На фиг. 2-6 показаны подробные виды вариантов исполнения устройства 12, 14 для сепарации кислорода. При этом, для того чтобы упростить соответствующее описание, одни и те же или сопоставимые компоненты могут быть определены одними и те же ссылочными позициями.

В соответствии с фиг. 2 показан вариант исполнения конфигурации 76, которая может быть предназначена для устройства 12, 14 для сепарации кислорода или может быть его частью. Такая конфигурация 76 содержит мембрану 78 для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный сепарировать кислород из кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода. Сорбент для сепарации кислорода может содержать цеолитный материал, такой как цеолитные кристаллиты, или цеолитные частицы, или цеолитные гранулы, подобные тем, которые будут показаны ниже. Мембрана 78 может содержать, например, тонкий цеолитный слой, имеющий состав Mn+x/n [(AlO2)-x (SiO2)y], где М - ион щелочного металла или ион щелочно-земельного металла, а n+ - заряд катиона М, и он может быть 1 или 2. Отношение y/х равно 1 или больше чем 1. В качестве примера цеолитного материала может быть Li-замещенный цеолит X с низким содержанием двуокиси кремния с отношением y/х между 1 и 1,5. Далее, мембрана 78 может иметь толщину от ≥1 мкм до ≤500 мкм, и/или примерная ширина мембраны 78 между опорными стойками 82 и, таким образом, примерная и неограничивающая ширина токовых путей, может составлять от ≥500 мкм до ≤5 мм. В соответствии с этими примерными и неограничивающим величинами может быть реализован тонкий цеолитный кристаллический слой с особенно большой площадью поверхности для газового обмена.

Конфигурация 76, кроме того, содержит опорную структуру 80 для удержания мембраны 78 для сепарации кислорода, при этом опорная структура 80 содержит множество опорных стоек 82, являющихся прикрепленными к мембране 78 для сепарации кислорода, и образованных, например, из стандартной опоры, такой как кремниевая пластина, имеющей толщину в <1000 мкм, либо эта пластина может иметь уменьшенную толщину, например, будучи "сполированной", давая результирующую толщину подложки, а значит, длину опорных стоек 82, составляющую ≥50 мкм. Таким образом, тонкий сорбент для сепарации кислорода является фиксированным на опоре, обеспечивающей отсутствие образования вследствие истирания каких бы то ни было небольших частиц. Дополнительно, опорные стойки 82 в неограничивающем варианте исполнения могут быть выполнены прямыми.

Конфигурация 76, содержащая опорную структуру 80, а также опорные стойки 82 сами могут образовать устройство 12, 14 для сепарации кислорода. В этом случае впуск 18, 22 для газа с целью направления потока кислородосодержащего газа в устройствах 12, 14 для сепарации кислорода может быть сформирован на конце опорных стоек 82 по их сторонам, противоположным мембране 78 для сепарации кислорода, а выпуск 28, 30 для газа может быть сформирован на вторичной стороне мембраны 78. Однако может быть предпочтительно, чтобы мембрана 78 вместе с опорной структурой 80 была установлена в корпусе, таком как цилиндр, как таковом не показанном и выполненном, например, из алюминия. В последнем случае этот корпус может быть обеспечен относительно отверстий, действующих, соответственно, как дополнительный впуск 18, 22 для газа и выпуск 28, 30 для газа.

Посредством стрелок 84 указано, что кислородосодержащий газ направляется к мембране 78 для сепарации кислорода. Затем кислородосодержащий газ будет взаимодействовать с мембраной 78 для сепарации кислорода или же с ее сорбентом для сепарации кислорода, соответственно. В результате создается ток чистого или по существу чистого кислорода, который показан стрелками 86 и который может вытекать из выпуска 28, 30 в выпускной трубопровод 24, 26 к месту использования.

Фиг. 3 показывает следующий вариант исполнения конфигурации 76. По сравнению с фиг. 2, данная конфигурация 76 содержит мембрану 78 для сепарации кислорода и опорную конструкцию 80, содержащую множество опорных стоек 82. Однако в соответствии с фиг. 3 опорные стойки 82 образованы из пористого материала, который мог бы быть, например, пористым керамическим материалом или пористой металлической подложкой.

Фиг. 4 показывает следующий вариант исполнения конфигурации 76. По сравнению с фиг. 2 и 3, данная конфигурация 76 содержит мембрану 78 для сепарации кислорода и опорную конструкцию 80, содержащую множество опорных стоек 82. Однако в соответствии с фиг. 4 мембрана 78 для сепарации кислорода содержит, соответственно, гранулы 88 или агломераты из адсорбционного материала. Эти гранулы 88 могут иметь диаметр в диапазоне нескольких десятых микрометра.

Фиг. 5 показывает следующий вариант исполнения конфигурации 76. По сравнению с фиг. 2, 3 и 4, обеспечены мембрана 78 для сепарации кислорода и опорная конструкция 80, содержащая множество опорных стоек 82. Однако в соответствии с фиг. 5 обеспечена стопка мембран 78, соответственно, с опорными стойками 82. В соответствии с фиг. 5 обеспечены две мембраны 78 для сепарации, при этом одна мембрана 78 для сепарации кислорода расположена ниже по ходу относительно дополнительной мембраны 78 для сепарации кислорода и при этом мембраны 78 для сепарации кислорода соединены множеством опорных стоек 82. Стопка мембран 78 и опорных стоек 82 могут быть фиксированы одна сверху другой или же, в качестве альтернативы, свободно установлены одна поверх другой.

На фиг. 6 показан способ создания конфигурации 76 и, таким образом, соответственно, устройства 12, 14 для сепарации кислорода. Способ может начинаться обеспечением подложки 90, такой как кремниевая подложка. Подложка может иметь, например, толщину от ≥300 мкм до ≤1000 мкм. На одной или более поверхностях подложки может быть обеспечен дополнительный слой 92, содержащий двуокись кремния или нитрид кремния, имеющий, например, толщину в диапазоне от ≥50 нм до ≤200 нм. Слой 92 может быть образован, например, по меньшей мере частичным окислением подложки, но может быть также осажден, например, химическим осаждением из пара, центрифугированием или посредством любой другой технологии. На фиг. 6 это показано в виде этапа А.

В соответствии с этапом В по фиг. 6 на подложку или, соответственно, на слой 92 нанесена мембрана 78 для сепарации кислорода. Мембрана 78 может быть нанесена на подложку, например, общеизвестными способами осаждения, такими как золь-гель процесс, центрифужная обработка и (или) осаждение посредством напыления. Кроме того, могут быть использованы процессы лазерной абляции, набрызгивания или гидротермальные процессы. Кроме того, могли бы быть применимы печатные технологии, такие как трафаретная печать.

В соответствии с этапом С по фиг. 6 на слой 92, также как и на подложку 90 наносят рисунок с обратной стороны, то есть со стороны, противоположной относительно мембраны 78. На этапе нанесения рисунка подложку 90 обрабатывают, формируя множество опорных стоек 82, выступающих из подложки 90, имеющих между собой токовые проходы 94. На следующем этапе, показанном на фиг. 6 как этап D, таким же или похожим способом наносят рисунок на смежный с мембраной 78 слой 92. Эта обработка или нанесение рисунка соответственно на подложку 90 и слой 92 может быть выполнена, например, посредством микрообработки или пескоструйной обработки. Полученная в результате структура может содержать опорные стойки с длиной ≥50 мкм.

В несколько модифицированной последовательности выполнения способа подложку 90, такую как кремниевую подложку 90 с возможной толщиной в от ≥300 мкм до ≤1000 мкм, утончают, например, полированием до примерной толщины в диапазоне от ≥50 мкм до ≤300 мкм, прежде чем на этапе С на подложку 90 с обратной стороны наносят рисунок, чтобы выполнить множество стоек подложки в зависимости от требуемых размеров опорных стоек 82.

Хотя настоящее изобретение было подробно проиллюстрировано и на чертежах, и описано в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие: изобретение не сводится к раскрытым вариантам исполнения. Специалистами в данной области, при практическом использовании заявленного изобретения, в результате изучения чертежей, описания и приложенных пунктов формулы изобретения могут быть придуманы и реализованы другие изменения в раскрытых вариантах исполнения. В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает присутствия других элементов или этапов, а признаки единственного числа не исключают множественности. Тот простой факт, что некоторые критерии упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что для получения положительного эффекта не может быть использована комбинация этих критериев. Любые ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не должны истолковываться как ограничивающие его объем.

1. Устройство для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления, содержащее:

впуск (18, 22) для газа на первичной стороне для направления тока кислородосодержащего газа в устройство (12, 14) сепарации кислорода и выпуск (28, 30) для газа на вторичной стороне для направления тока обогащенного кислородом газа из устройства (12, 14) для сепарации кислорода;

мембрану (78) для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный отделять кислород от кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода; и

опорную структуру (80) для удержания мембраны (78) для сепарации кислорода, при этом опорная структура (80) содержит множество опорных стоек (82), являющихся прикрепленными к мембране (78) для сепарации кислорода, причем впуск (18, 22) для газа на первичной стороне сконфигурирован для направления кислородсодержащего газа к мембране (78) через опорную структуру (80).

2. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором сорбент для сепарации кислорода содержит цеолитный материал.

3. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором опорные стойки (82) содержат кремний, стекло, керамику, стеклянную керамику, металл или одну или более комбинацию одного или более из вышеупомянутых материалов.

4. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором по меньшей мере на одном конце опорных стоек (82) образован слой (92), при этом слой (92) содержит двуокись кремния, нитрид кремния, комбинацию вышеупомянутых материалов или является стеклянным слоем, нанесенным центрифугированием.

5. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором опорные стойки (82) содержат пористый материал.

6. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором обеспечено множество мембран (78) для сепарации кислорода, при этом одна мембрана (78) для сепарации кислорода расположена ниже по ходу относительно идущей далее мембраны (78) для сепарации кислорода.

7. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором опорные стойки (82) имеют длину ≥50 мкм.

8. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором мембрана (78) для сепарации кислорода имеет толщину от ≥1 до ≤500 мкм.

9. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором мембрана (78) для сепарации кислорода содержит цеолитные кристаллиты, или цеолитные частицы, или цеолитные гранулы.

10. Устройство для сепарации кислорода по п. 1, в котором мембрана (78) для сепарации кислорода вместе с опорной структурой (80) установлена в корпусе.

11. Сепаратор кислорода, содержащий по меньшей мере одно устройство (12, 14) для сепарации кислорода по п. 1 и устройство регулировки давления для создания разности давления между первичной стороной и вторичной стороной устройства (12, 14) для сепарации кислорода.

12. Сепаратор кислорода по п. 11, в котором обеспечено по меньшей мере два устройства (12, 14) для сепарации кислорода и в котором по меньшей мере два устройства (12, 14) для сепарации кислорода установлены параллельно между собой.

13. Способ создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления по п. 1, включающий в себя этапы: обеспечения подложки (90); нанесения на подложку (90) мембраны (78) для сепарации кислорода, при этом мембрана для сепарации кислорода содержит сорбент для сепарации кислорода, являющийся способным отделять кислород из кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода; и обработки подложки (90) формированием из подложки множества опорных стоек (82).

14. Способ по п. 13, в котором на по меньшей мере часть подложки (90) наносят слой (92), содержащий окись кремния и нитрид кремния или комбинацию вышеупомянутых материалов, или нанесенный центрифугированием стеклянный слой.

15. Способ по п. 13, в котором подложку (90) обрабатывают посредством микрообработки или пескоструйной обработки.



 

Похожие патенты:

Изобретение раскрывает способ удаления тяжелых углеводородов из потока природного газа, включающий: направление исходного потока природного газа, содержащего воду и углеводороды С5+, в слой адсорбента блока нагревательной короткоцикловой адсорбции (НКА) таким образом, чтобы адсорбировать по меньшей мере часть воды и углеводородов C5+ из указанного исходного потока природного газа для создания первого итогового газового потока, имеющего уменьшенный уровень воды и углеводородов С5+ по сравнению с указанным исходным потоком, регенерацию названного слоя адсорбента при помощи нагрева для удаления адсорбированной воды и углеводородов С5+ и создания второго газового потока, имеющего повышенное содержание воды и углеводородов C5+ по сравнению с указанным исходным потоком; охлаждение указанного второго газового потока для создания жидкой воды и жидких С5+ углеводородов и разделения указанных жидкостей из указанного второго газового потока для создания третьего газового потока; направление указанного третьего потока природного газа в слой адсорбента блока безнагревной короткоцикловой адсорбции (БНКА) таким образом, чтобы адсорбировать углеводороды C5+ из указанного третьего газового потока, и выход второго итогового газового потока высокого давления, имеющего содержание углеводородов C5+ меньшее, чем в указанном третьем газовым потоке; причем указанный блок НКА адсорбирует при температуре по меньшей мере 65°С и давлении по меньшей мере 500 psia; и регенерацию указанного слоя адсорбента в указанном блоке БНКА с помощью уменьшения давления и создания загрязненного газового потока низкого давления, содержащего углеводороды C5+.

Изобретение относится к области отделения кислорода. Устройство отделения кислорода содержит входное отверстие газа на первичной стороне для направления потока кислородсодержащего газа в устройство отделения кислорода и имеет выходное отверстие газа на вторичной стороне для направления потока обогащенного кислородом газа из устройства отделения кислорода.

Изобретение относится к кислородному сепаратору, включающему в себя по меньшей мере одно отделяющее кислород устройство, содержащее кислородоотделяющий сорбент для отделения кислорода от кислородсодержащего газа, причем отделяющее кислород устройство имеет газовый впуск на первичной стороне, присоединенный к впускному трубопроводу для направления потока кислородсодержащего газа в отделяющее кислород устройство, и имеет газовый выпуск на вторичной стороне, присоединенный к выпускному трубопроводу для направления потока обогащенного кислородом газа из отделяющего кислород устройства, причем вторичная сторона отделяющего кислород устройства дополнительно соединена с источником продувочного газа для направления продувочного газа через отделяющее кислород устройство, и при этом первичная сторона отделяющего кислород устройства соединена с отводным трубопроводом для направления отходящего газа из кислородного сепаратора, причем кислородный сепаратор дополнительно включает в себя регулирующее давление устройство (40) для создания перепада давления между первичной стороной и вторичной стороной отделяющего кислород устройства, и при этом в отводном трубопроводе предусмотрен газовый датчик для определения концентрации по меньшей мере одного компонента отходящего газа.

Группа изобретений относится к области строительства рельсовых транспортных средств и может быть использована в пневматической тормозной системе. Для регенерации абсорбционного влагоотделителя используют два включенных параллельно друг другу и заполненных сушильным агентом резервуара (3а, 3b).

Изобретение относится к воздухоосушительному патрону для системы подготовки воздуха и способу его изготовления. Воздухоосушительный патрон для системы подготовки воздуха, в частности системы подготовки сжатого воздуха коммерческого автомобиля, содержит сушильный агент, расположенный в виде покрытия структуры внутри патрона.

Изобретение относится к области отделения кислорода. Способ отделения кислорода из кислородсодержащего газа содержит этапы, по меньшей мере, первого и второго периодов отделения кислорода, где каждый первый и второй периоды отделения кислорода содержат этапы направления кислородсодержащего газа на первичную сторону устройства (12, 14) отделения кислорода, содержащего сорбент (16, 18) для отделения кислорода, и генерирования потока обогащенного кислородом газа из устройства (12, 14) отделения кислорода путем создания разности давлений между первичной стороной и вторичной стороной устройства (12, 14) отделения кислорода.

Изобретение относится к устройствам для разделения смеси газов адсорбцией при переменном давлении и может быть использовано при разделении воздуха путем короткоцикловой безнагревной адсорбции с получением газовой смеси с повышенным содержанием кислорода.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к осушителям воздуха для пневматических установок. Осушитель воздуха для пневматической установки, наддуваемой компрессором, содержит резервуар для тормозной системы с пневматическим приводом для транспортных средств, с корпусом и с интегрированным в корпусе регулятором давления.

Изобретение относится к мембранно-адсорбционным устройствам с использованием газового эжектора для разделения газовых смесей. Эжекторное мембранно-сорбционное устройство для разделения газовых смесей содержит компрессор, к выходу которого подключен вход эжекционного смесителя, через регулятор давления газа по меньшей мере два адсорбера, заполненных твердым адсорбентом и через регулятор давления газа вход десорбционного эжектора.

Описан способ обработки содержащей ртуть и кислые газы газовой смеси с высоким содержанием углеводородов, в частности природного газа, согласно которому смесь подвергают адсорбционному отделению ртути и последующей мокрой очистке от кислых газов.

Изобретение относится к оборудованию для очистки технологических газовоздушных сред от газовых примесей. Фильтр-сорбер насыпного типа включает цилиндрический корпус (11), съемную крышку (14), днище (9) и по меньшей мере одну цилиндрическую обечайку (15), входную (2) и выходную (6) пористые плиты, сорбент (13), входной (4) и выходной (8) патрубки, входную (1) и выходную (5) ограничительные сетки, входную (3) и выходную (7) разделительные сетки, пористый негорючий термостойкий материал (12). Цилиндрическая обечайка (15) установлена внутри цилиндрического корпуса (11), ограничена входной (2) и выходной (6) пористыми плитами. Сорбент (13) помещен внутри цилиндрической обечайки (15). Входной (4) и выходной (8) патрубки расположены по ходу потока соответственно над входной (2) и под выходной (6) пористыми плитами. В качестве пористого негорючего термостойкого материала используют SiО2-Cu, силикагель марки КСКГ или их смесь. Термическое сопротивление пористого негорючего термостойкого материала, расположенного между выходными сетками, обеспечивают по величине не меньше термического сопротивления пористого негорючего термостойкого материала, расположенного между входными сетками. В качестве сорбента используют СКТ-ЗИК, СКТ-ЗИ, ВСК-5ИК или ВСК-5И. Толщину слоя пористого негорючего термостойкого материала определяют с учетом коэффициента его теплопроводности, максимально возможной температуры источника нагрева, температуры возгорания сорбента и теплового потока со стороны источника нагрева, воздействующего на пористый негорючий термостойкий материал. Технический результат: повышение пожароустойчивости фильтра-сорбера насыпного типа. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к синтезу цеолитов. Предложен способ прямого синтеза цеолита Cu-SSZ-13 из смеси, содержащей воду, источник кремния, источник алюминия, источник меди (Cu), по меньшей мере, один полиамин для комплексообразования с медью и один органический структурообразующий агент, представляющий собой N,N,N-триметил-1-адамантаммония. Смесь подвергают гидротермальной обработке и выделяют кристаллический продукт, имеющий каркасную структуру SSZ-13 с внекаркасными атомами меди. Предложено применение Cu-содержащего молекулярного сита, полученного заявленным способом, в каталитических реакциях. Изобретение обеспечивает упрощение способа получения и улучшение физико-химических свойств целевого продукта. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл., 10 пр.

Изобретение относится к неорганическим сорбентам. Предложен сорбент, содержащий стабилизированный оксид и/или гидроксид железа (II). Оксид и/или гидроксид железа стабилизирован щелочным соединением, предпочтительно выбранным из гидроксидов калия, натрия и аммония. Сорбент свободен от хлоридных и сульфатных анионов. Предпочтительно частицы сорбента могут быть сформированы из сидерита. Изобретение расширяет ассортимент сорбентов на основе соединений железа, пригодных для удаления соединений серы, таких как H2S, из жидких и/или газообразных потоков, в частности из углеводородных потоков. 4 н. и 47 з.п. ф-лы, 6 ил., 12 пр.

Изобретение относится к адсорбционной технике, а именно к установкам для очистки и осушки газов в стационарном слое адсорбента с периодической регенерацией последнего, и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности. Установка адсорбционной осушки газов содержит первый и второй установленные параллельно адсорберы, клапаны управления, установленные в линии подачи влажного газа перед адсорберами и в магистрали подачи осушенного газа после адсорберов. Установка содержит фильтр, рекуперативный теплообменник, нагреватель и охладитель, причем первые выходы первого и второго адсорберов через клапан управления и фильтр соединены соответственно с входом рекуперативного теплообменника, прибора контроля качества газа и выходом для осушенного газа установки. Выход рекуперативного теплообменника через нагреватель и клапан управления соединен с вторыми входами первого и второго адсорберов. Вторые выходы первого и второго адсорберов через клапан управления соединены со вторым входом рекуперативного теплообменника, второй выход которого через охладитель соединен с входом сепаратора, выходы которого для газа регенерации и воды являются выходами установки. Вход установки для сырьевого газа через клапан управления соединен с входами первого и второго адсорберов. Технический результат изобретения заключается в упрощении устройства и контроле качества осушки газа. 1 ил.

Изобретение относится к адсорбционной технике, а именно к установкам для очистки и осушки газов в стационарном слое адсорбента с периодической регенерацией последнего, и может быть использовано в химической и других отраслях промышленности. Установка адсорбционной осушки газов содержит первый и второй установленные параллельно адсорберы, клапаны управления, установленные в линии подачи влажного газа перед адсорберами и в магистрали подачи осушенного газа после адсорберов. Установка содержит фильтр, рекуперативный теплообменник, нагреватель и охладитель, причем первые выходы первого и второго адсорберов через клапан управления и фильтр соединены соответственно с входом рекуперативного теплообменника, прибора контроля качества газа и выходом для осушенного газа установки. Выход рекуперативного теплообменника через нагреватель и клапан управления соединен с вторыми входами первого и второго адсорберов. Вторые выходы первого и второго адсорберов через клапан управления соединены со вторым входом рекуперативного теплообменника, второй выход которого через охладитель соединен с входом сепаратора, выходы которого для газа регенерации и воды являются выходами установки. Вход установки для сырьевого газа через клапан управления соединен с входами первого и второго адсорберов. Технический результат изобретения заключается в упрощении устройства и контроле качества осушки газа. 1 ил.

Изобретение относится к области селективации адсорбентов для разделения газов, в частности к способу разделения газов. Способ включает приведение адсорбента или мембраны, содержащих цеолит с 8-членными кольцами или микропористый материал с 8-членными кольцами, в контакт с барьерным соединением, при условиях, эффективных для селективации адсорбента или мембраны, включающие температуру от 50 до 350°C и полное давление от 690 до 13,8 МПа изб., где селективация адсорбента или мембраны включает диффузию молекулы барьерного соединения через пористую структуру микропористого материала с 8-членными кольцами, приведение селективированного адсорбента или мембраны в контакт с входящим потоком газа, содержащим первый компонент и второй компонент, с образованием первого потока газа, обогащенного первым компонентом по отношению к входящему потоку газа, и сбор второго потока газа, обогащенного вторым компонентом по отношению к входящему потоку газа. При этом барьерное соединение имеет минимальный размер молекулы, который на 0,4 Å превышает размер наибольшей твердой сферы, которая может диффундировать вдоль любого направления в адсорбенте, и максимальный размер, составляющий 25 Å или менее. Причем барьерное соединение присутствует либо в виде жидкости, либо в виде газа с парциальным давлением барьерного соединения 10% от давления насыщенного пара. Изобретение обеспечивает повышение селективности адсорбирующего материала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил., 3 табл., 7 пр.

Изобретение относится к области селективации адсорбентов для разделения газов, в частности к способу разделения газов. Способ включает приведение адсорбента или мембраны, содержащих цеолит с 8-членными кольцами или микропористый материал с 8-членными кольцами, в контакт с барьерным соединением, при условиях, эффективных для селективации адсорбента или мембраны, включающие температуру от 50 до 350°C и полное давление от 690 до 13,8 МПа изб., где селективация адсорбента или мембраны включает диффузию молекулы барьерного соединения через пористую структуру микропористого материала с 8-членными кольцами, приведение селективированного адсорбента или мембраны в контакт с входящим потоком газа, содержащим первый компонент и второй компонент, с образованием первого потока газа, обогащенного первым компонентом по отношению к входящему потоку газа, и сбор второго потока газа, обогащенного вторым компонентом по отношению к входящему потоку газа. При этом барьерное соединение имеет минимальный размер молекулы, который на 0,4 Å превышает размер наибольшей твердой сферы, которая может диффундировать вдоль любого направления в адсорбенте, и максимальный размер, составляющий 25 Å или менее. Причем барьерное соединение присутствует либо в виде жидкости, либо в виде газа с парциальным давлением барьерного соединения 10% от давления насыщенного пара. Изобретение обеспечивает повышение селективности адсорбирующего материала. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил., 3 табл., 7 пр.

Настоящее изобретение относится к устройству для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления. Для того чтобы обеспечить по меньшей мере одно из улучшенного технического обслуживания, увеличенного срока службы и пониженного потребления энергии, устройство для сепарации кислорода содержит впуск для газа на первичной стороне для направления тока кислородосодержащего газа в устройство для сепарации кислорода и выпуск для газа на вторичной стороне для направления тока обогащенного кислородом газа из устройства для сепарации кислорода, мембрану для сепарации кислорода, содержащую сорбент для сепарации кислорода, способный отделять кислород от кислородосодержащего газа посредством сорбирования по меньшей мере одного компонента кислородосодержащего газа, кроме кислорода, и опорную структуру для удержания мембраны для сепарации кислорода, при этом опорная структура содержит множество опорных стоек, являющихся прикрепленными к мембране для сепарации кислорода. Дополнительно изобретение относится к сепаратору кислорода и к способу создания устройства для сепарации кислорода для адсорбционной системы с реверсированием давления. Изобретение позволяет продлить срок службы устройства и снизить потребление энергии. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх