環(huán)境溫度對分子篩制氧機(jī)制氧性能的影響研究

趙智軍，朱 浩，張 紅

（1.合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司，安徽合肥 230088；2.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐合肥地區(qū)軍事代表室，安徽合肥 230088）

高原環(huán)境惡劣有損身心健康已成為國內(nèi)外科學(xué)界的普遍共識。例如海拔4 000m以上高原地區(qū)，由于氣壓低、空氣稀薄，導(dǎo)致肺結(jié)核、肺水腫、肝炎等發(fā)病率更高。在醫(yī)療實踐中，吸氧是患者急救、維持生命的重要手段[1]。

隨著分子篩變壓吸附制氧技術(shù)在大型化、微型化和高濃度3個方向的發(fā)展，越來越多的分子篩制氧機(jī)得到開發(fā)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療救治、車載供氧、機(jī)載供氧、民用氧療、高原補(bǔ)氧等領(lǐng)域[2]。不同的制氧方法中，變壓吸附法制氧是十分經(jīng)濟(jì)、可靠和靈活的制氧方式。對于分子篩制氧機(jī)，其應(yīng)用的地域廣泛要求產(chǎn)品的使用環(huán)境溫度從-40~60℃，在此范圍內(nèi)分子篩制氧機(jī)的制氧性能變化直接影響產(chǎn)品的使用。為此，探究不同環(huán)境溫度下分子篩制氧機(jī)的制氧性能變化，對于分子篩變壓吸附制氧技術(shù)的提升和分子篩制氧機(jī)產(chǎn)品的改進(jìn)及使用具有現(xiàn)實的意義。

1 制氧方法分析

1.1 制氧方法

目前，常用的制氧方法主要分為物理法和化學(xué)法。其中，化學(xué)法因安全性低、能耗高，在制氧工程領(lǐng)域應(yīng)用較少；物理分離法主要有3種：深冷法、膜分離法、變壓吸附法。物理分離法均是利用空氣中各組分氣體物理性質(zhì)不同，采用吸附、膜分離等方法從空氣中分離出氧氣、氮氣。

化學(xué)法制氧主要原理是采用固體化學(xué)產(chǎn)氧劑，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氧。深冷法制氧主要原理是利用空氣中氮氣、氧氣的沸點不同，利用沸點低的氮相對于氧容易氣化的特性，實現(xiàn)氮、氧的分離。膜分離法制氧主要原理是利用膜對氮氣和氧氣的滲透性不同，氧氣較氮氣容易透過，從而實現(xiàn)氧、氮的分離。變壓吸附法是在一定壓力下，分子篩對氣體組分的吸附性不同分離氮氣和氧氣。

1.2 變壓吸附法分析

變壓吸附法氣體分離技術(shù)最早在20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用于分離空氣制取氧氣、氮氣，其機(jī)理是在一定的溫度下，根據(jù)不同氣體在同一分子篩上的吸附壓力下的吸附量不同，通過改變壓力參數(shù)，將不同氣體進(jìn)行分離的循環(huán)過程。

變壓吸附法中有兩個關(guān)鍵技術(shù)：一是高效吸附劑的開發(fā)；二是頻繁開關(guān)的閥門可靠性和靈活性的提高。隨著分子篩吸附性能的提高及吸附塔工藝的不斷完善，變壓吸附法在中小型和微型空分裝置中的應(yīng)用越來越廣泛。目前市場上醫(yī)用分子篩制氧機(jī)、車載制氧機(jī)、民用氧療機(jī)等制氧產(chǎn)品均采用該方法。

變壓吸附法由于吸附循環(huán)周期短，吸附解析產(chǎn)生的熱量相當(dāng)，分子篩塔溫度變化較小。因此，變壓吸附又稱為常溫吸附，即變壓吸附是在等溫條件下，利用氣體組分的分壓變化來改變分子篩的吸附容量。分子篩制氧機(jī)的最佳工作溫度為5~40℃，當(dāng)制氧機(jī)工作所處的環(huán)境溫度偏離分子篩的最佳吸附溫度范圍時，制氧性能會受到影響。其中，主要影響因素為分子篩吸附解析受環(huán)境溫度影響。研究表明[2]：溫度對分子篩的影響包括不同溫度下分子篩對氮氣的吸附量的影響和不同溫度下分子篩解析水分的能力。從分子篩的吸附特性可知，不同溫度下，分子篩對氧氣的吸附容量也有差異。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 實試驗方案

為了進(jìn)一步探究環(huán)境溫度對分子篩制氧機(jī)制氧性能的影響，選用某型額定制氧量為3L的分子篩制氧機(jī)，對其在高溫、低溫和常溫環(huán)境溫度下進(jìn)行性能指標(biāo)測試，通過測試產(chǎn)品氣氧濃度，探究分子篩制氧機(jī)受環(huán)境溫度的影響。選取的3L分子篩制氧性能參數(shù)見表1。

表1 制氧機(jī)性能參數(shù)

2.2 試驗方法

將分子篩制氧機(jī)置于高低溫試驗箱，試驗箱型號為GDJS-010，溫度控制為-70~150℃，控溫精度為±2℃，通過高低溫試驗箱模擬產(chǎn)品工作溫度，將產(chǎn)品的進(jìn)氣和排氣均置于試驗箱內(nèi)，通過流量計控制產(chǎn)品氣輸出為額定制氧量3L/min，從而便于氧濃度的對比分析，從產(chǎn)品的出氧口取一路產(chǎn)品氣至試驗箱外測氧儀，通過流量控制閥控制此路輸出流量為0.5L/min，以最大限度減少內(nèi)外氣體流動對試驗箱內(nèi)環(huán)境溫度的影響。采用氧濃度儀測試產(chǎn)品氣氧濃度，氧濃度儀型號為OX-100，精度為1%。采用以下方案對分子篩制氧機(jī)的制氧性能進(jìn)行測試。

方案1。探究不同溫度下，分子篩制氧機(jī)的性能變化：分別設(shè)置試驗箱內(nèi)的溫度為-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，在不同溫度下保存4h，產(chǎn)品開機(jī)，在額定制氧量下，工作3min和60min時，測試產(chǎn)品氣氧濃度，對比不同溫度下制氧性能的變化。

方案2。研究不同溫度下，分子篩制氧機(jī)連續(xù)工作的性能變化：分別設(shè)置試驗箱內(nèi)的溫度為-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃，在不同溫度下保存4h，產(chǎn)品開機(jī)連續(xù)工作，在3min、10min、20min、30min、40min、50min、60min測試產(chǎn)品氣氧濃度，對比同一溫度下制氧性能的變化。

2.3 實驗結(jié)果及分析

2.3.1 不同溫度下，分子篩制氧機(jī)制氧性能的變化

按照方案1，得到-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃溫度下，產(chǎn)品工作3min和60min時的氧濃度值，其測試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 不同溫度下分子篩制氧機(jī)產(chǎn)品氣氧濃度的變化

圖2 不同溫度下分子篩制氧機(jī)連續(xù)工作產(chǎn)品氣氧濃度的變化

由圖1可知，在實驗探究的溫度范圍內(nèi)，隨著環(huán)境溫度的提高，產(chǎn)品氣氧濃度的變化趨勢是先逐漸增加，而后基本平緩，最后逐漸下降。低溫階段（-40~0℃），分子篩制氧機(jī)的產(chǎn)品氣氧濃度隨工作環(huán)境溫度的升高而增加；常溫階段（0~30℃），產(chǎn)品氣氧濃度無明顯變化；高溫階段（30~60℃），產(chǎn)品氣氧濃度隨工作環(huán)境溫度的升高而降低。由此可以看出，高溫和低溫下，分子篩制氧機(jī)的產(chǎn)品氣氧濃度均下降。分析認(rèn)為：隨著環(huán)境溫度的提高，分子篩吸附劑對氮氣和氧氣的飽和吸附量降低，其結(jié)果是在制氧量不變的情況下，氧濃度有降低的趨勢；而環(huán)境溫度的提高會導(dǎo)致進(jìn)入分子篩塔內(nèi)部的氣體溫度升高，氮氣和氧氣分子的熱運(yùn)動速度加快，從而使分子擴(kuò)散速率提高，其結(jié)果是吸附和解吸的速度加快，進(jìn)而影響所制取的產(chǎn)品氣氧濃度，有提高產(chǎn)品氣濃度的趨勢。這兩種因素的綜合影響結(jié)果是分子篩制氧機(jī)工作溫度有一個最佳范圍，處于該溫度范圍，產(chǎn)品氣氧濃度達(dá)到最高值，偏離最佳吸附溫度范圍，產(chǎn)氧能力下降。

對比3個階段的曲線變化可以看出，低溫較高溫對分子篩制氧機(jī)的產(chǎn)氧能力影響更大，這說明，分子篩的吸附等溫線斜率隨溫度不是線性變化關(guān)系，達(dá)到一定溫度時，分子篩的飽和吸附量下降速率加快。低溫下，分子篩對氮氣和氧氣的吸附能力增加，兩種氣體均難以解吸，分子篩有效吸附表面積減少，從而導(dǎo)致分離效率降低，產(chǎn)氧濃度下降更多。

對比不同溫度下，分子篩制氧機(jī)工作3min和60min的氧濃度曲線可以看出，在低溫階段，產(chǎn)品工作時間越長，氧濃度越高，連續(xù)工作60min較工作3min，氧濃度平均提高14.2%；在高溫階段，產(chǎn)品工作時間越長，氧濃度降低，連續(xù)工作60min較工作3min，氧濃度平均平均降低2.3%。這是由于分子篩制氧機(jī)工作過程中，壓縮機(jī)產(chǎn)生熱量，整機(jī)內(nèi)部溫度升高，從而出現(xiàn)低溫下隨著產(chǎn)品工作時間的增加，氧濃度提高，高溫下隨著產(chǎn)品工作時間的增加，氧濃度降低現(xiàn)象，且低溫環(huán)境對分子篩制氧機(jī)的制氧性能影響更大。

2.3.2 不同溫度下，分子篩制氧機(jī)制氧性能隨工作時間的變化

按照方案2，得到-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃溫度下，產(chǎn)品連續(xù)工作3min、10min、20min、30min、40min、50min、60min時的氧濃度，其測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在實驗探究的溫度范圍內(nèi)，分子篩制氧機(jī)連續(xù)工作，制氧性能受環(huán)境溫度影響。低溫下（-40℃、-20℃），分子篩制氧機(jī)的產(chǎn)品氣氧濃度隨工作時間的增加而增加；常溫下（0℃、20℃），產(chǎn)品氣氧濃度隨工作時間無明顯變化；高溫下（40℃、60℃），產(chǎn)品氣氧濃度隨工作時間的增加而略有降低。由此可以看出，高溫和低溫下，產(chǎn)品長時間工作，其制氧性能均受到影響。由此可知：對于分子篩制氧機(jī)，應(yīng)盡量控制在常溫環(huán)境下使用，此時制氧性能能夠得到保證；當(dāng)環(huán)境溫度較低時，可通過減少其外部散熱或延長開機(jī)工作時間來提高制氧濃度；當(dāng)環(huán)境溫度較高時，需要增加其散熱通風(fēng)效果來保證制氧濃度。通過將產(chǎn)品工作環(huán)境溫度控制在合適的范圍內(nèi)來保證制氧性能滿足使用要求。

圖3 不同溫度下分子篩制氧機(jī)連續(xù)工作產(chǎn)品氣氧濃度隨時間的變化

3 結(jié)論

1）通過高低溫試驗箱模擬高低溫環(huán)境，探究了環(huán)境溫度變化對分子篩制氧機(jī)制氧性能的影響及其變化規(guī)律。

2）不同環(huán)境溫度下，分子篩制氧機(jī)的制氧性能發(fā)生變化，氧濃度隨著環(huán)境溫度的增加先增加后減少，有一個最佳溫度范圍。

3）分子篩制氧機(jī)在高溫和低溫環(huán)境下，其制氧性能均下降，且低溫環(huán)境對氧濃度的影響大于高溫環(huán)境。

4）分子篩制氧機(jī)在高低溫環(huán)境下長時間連續(xù)工作時，其制氧性能會發(fā)生變化，低溫環(huán)境下，氧濃度平均提高14.2%，高溫環(huán)境下，氧濃度平均降低2.3%，低溫環(huán)境下長時間工作有助于提高產(chǎn)品氧濃度。