SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究

D0:10.13374i.issn1001-053x.2004.01.029 第26卷第1期 北京科技大学学报 VoL26 No.1 2004年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2004 SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 刘应书崔红社乐恺张德鑫赵治 北京科技大学机械工程学院热能工程系，北京100083 摘要为了开发用于SARS病人的微型变压吸附制氧机，实验研究了吸附时间、反吹比、产 品气量、吸附塔高径比以及吸附剂种类等工艺参数对微型变压吸附分离空气制氧装置的产 品纯度和回收率的影响.实验结果表明：在变压吸附微型化条件下，最佳的吸附时间为12$和 反吹比为0.5：随着产品气流量的增加，产品气纯度下降，而回收率升高，在所要求的纯度下， 回收率能达到19%：吸附剂的种类对变压吸附制氧过程有重要的影响：在徽型化条件下，合 适吸附塔的高径比为3.7~4.0之间. 关键词SARS:变压吸附：制氧：产品气纯度：产品回收率 分类号TQ116.14 在2003年4月至6月间，非典型性肺炎 1 实验 (SARS)爆发流行给我国的国民经济和人民的日 常生活产生了非常严重的影响.大量的临床治疗 1.1变压吸附过程 经验和研究表明，连续呼吸高浓度医用氧气可以 典型的两床Skarstrom变压吸附循环包括升 有效提高SARS感染者的机体免疫力，大大降低 压阶段、高压吸附阶段、逆流卸压阶段和反吹阶 重病患者的病死率.但是，传统的供氧方法容易 段四个步骤，吸附床内装有沸石分子筛，然而， 导致交叉传染和增加医护人员的体力负担.在一 对于微型变压吸附制氧装置，一个变压吸附循环 些农村地区，氧源十分缺乏，难以满足SARS患者 仅包括两个明显的步骤，即吸附阶段和反吹解吸 大量吸氧治疗的要求.因此，采用变压吸附技术， 阶段，属于简单的两步循环.参见图1，在第一个 开发一种能够就地制氧满足SARS病人治疗用氧 半循环周期时，原料气进入吸附塔2吸附，从吸 需要的微型制氧机非常必要.由于其特定的使用 附塔2产生的氧气一部分作为产品气，另一部分 环境，这种变压吸附制氧装置除了应满足要求的 作为反吹气对正在卸压阶段的吸附塔1反吹.在 氧气流量和浓度外，还需具有体积小、重量轻、噪 第二个半循环周期时，两个吸附塔的角色对调. 声小、能耗低、可靠性高和移动灵活的特点.由于 两个吸附塔的出口端通过一个控制反吹流量的 变压吸附系统的复杂性和过程的瞬态特点，关于 解吸气 原料气 变压吸附制氧机微型化的工艺技术尚未得到很 好解决". 吸附床1 吸附床1 笔者在前期研究小型变压吸附制氧机工作 的基础上，以变压吸附机微型化为目标，进一 步研究了吸附时间、反吹比、吸附塔高径比以及 氧气 氧气 吸附剂的种类等工艺参数对微型变压吸附制氧 装置产品气浓度和回收率的影响，以期为研制开 吸附床2 吸附床2 发SARS病人专用傲型变压吸附制氧机提供理论 基础 原料气 ,解吸气 收稿日期20030908刘应书男，42岁，教授 图1简单的两步变压吸附循环 *国家自然科学基金资助项目No.50344005) Fig.1 Simple two-step PSA cycle

第 2 6 卷 第 1 期 2 0 0 4 年 z 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u rn a l o f U n 加 e . 姆 of s咖 n ce a n d 毛eC b n o 】哪万 B ieJ 祖g Vb LZ` N 0 . 1 F e权 2 0 04 S A R S 患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 刘 应 书 崔红社 乐 恺 张德 鑫 赵 治 北 京科 技大学机械工程学 院热 能工程 系 , 北京 10 08 摘 要 为 了开发用 于 SA R S 病 人的微 型变 压吸 附制氧 机 , 实验 研究 了吸 附时 间 、 反 吹 比 、 产 品气 量 、 吸 附塔 高径 比 以及吸 附剂种 类 等工 艺参数 对微 型变 压吸 附分 离空 气制氧 装置 的产 品纯 度和 回收率 的影 响 . 实验 结果表 明 : 在变 压吸 附微 型化条件 下 , 最 佳 的吸 附 时间为 12 5 和 反 吹比 为 .0 5 ; 随着产 品气流 量 的增加 , 产 品气纯 度下降 , 而 回收 率升 高 , 在所 要求 的纯 度 下 , 回收率 能达到 19 % ; 吸 附剂 的种类 对变 压 吸附制 氧过程 有重 要 的影 响 ; 在 微 型化条件下 , 合 适 吸附塔 的 高径 比 为 .3 7 一.4 0 之 间 . 关键 词 s A R s ; 变压 吸 附 ; 制氧 ; 产 品气纯 度 ; 产 品 回收率 分类 号 T Q 116 . 14 在 2 0 03 年 4 月 至 6 月间 , 非 典型 性 肺 炎 ( S A R s) 爆 发流 行给 我 国 的国 民经 济和 人 民 的 日 常 生活产 生 了非常严 重 的影 响 . 大量 的 临床 治疗 经验 和研 究表 明 , 连 续 呼吸 高浓度医 用氧气 可 以 有效 提 高 S AR S 感 染者 的机 体 免疫 力 , 大大 降低 重病 患者 的病死 率 . 但 是 , 传 统 的供 氧方 法 容 易 导致 交叉传 染和 增加 医护 人员 的体 力 负担 . 在一 些农村 地 区 , 氧源 十 分缺乏 , 难 以满 足 S A R S 患者 大量吸 氧治疗 的要 求 . 因此 , 采 用变 压吸 附技 术 , 开发一 种 能够就地 制 氧满足 S A R S病 人 治疗 用氧 需要 的微型 制氧机 非 常必要 . 由于其 特 定 的使用 环 境 , 这种变压 吸附制 氧装 置 除 了应 满足 要求 的 氧气 流量 和浓度 外 , 还 需具有 体积 小 、 重量 轻 、 噪 声 小 、 能耗低 、 可靠 性 高和移 动灵 活 的特 点 . 由于 变压 吸 附系统 的复 杂性 和过程 的瞬态特 点 , 关 于 变 压 吸 附制 氧机 微 型 化 的 工艺 技 术 尚未 得 到 很 好解 决〔1] . 笔者 在 前 期研 究 小 型变 压 吸 附制 氧机 工 作 的基 础 上 `叨 , 以变压 吸 附机 微 型化 为 目标 , 进 一 步研 究 了吸 附时间 、 反 吹 比 、 吸 附塔 高径 比 以及 吸 附剂 的种 类等 工 艺 参数 对 微 型变 压 吸 附 制氧 装置产 品气 浓度 和 回收率的影 响 , 以期 为研 制开 发 S A R S 病 人专 用微 型变 压吸 附制 氧机提供理论 基 础 . 1 实验 L l 变 压 吸附 过程 典型 的两 床 S k aj sr tr o m 变 压 吸 附循环 包 括升 压 阶 段 、 高压 吸 附阶段 、 逆流 卸压阶 段和 反 吹阶 段 四个 步骤 。 , , 吸 附床 内装 有 沸石 分子 筛 . 然而 , 对 于微 型变 压吸 附制 氧装 置 , 一个 变压 吸 附循环 仅 包括 两个 明显 的步骤 , 即吸 附阶 段和 反吹解 吸 阶 段 , 属 于 简单 的两 步 循环 , 参见 图 1 , 在 第一 个 半 循环 周 期 时 , 原料气 进 入 吸 附塔 2 吸 附 , 从 吸 附塔 2 产 生 的氧气 一部 分 作为 产 品气 , 另 一部 分 作 为反 吹气 对 正在 卸压 阶段 的吸附 塔 1 反 吹 . 在 第二个 半循环 周期 时 , 两 个吸 附塔 的角色对 调 . 两 个吸 附塔 的 出 口 端通 过一 个 控制 反 吹 流 量 的 解吸气 原料气 吸附床 吸附床 氧气 氧气 吸附床 2 吸附床 2 原料气 解吸气 收稿 日期 2 0 03 一9刁8 刘 应书 男 , 42 岁 , 教授 国家 自然科 学基金 资助 项 目 困 。 万03 4 0 0 5) 图 1 简单 的 两步变压 吸 附循环 F 电 · 1 5加 p le tw o￾st6 P P S A e y c le DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 01. 029

VoL.26 No.1 刘应书等：SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 111 节流阀连接，每一个吸附塔均通过单向阀与稳压 持吸附塔内一定的吸附压力，减小产品气流量的 罐相连.吸附塔2的升压和吸附塔1的反吹同时 波动.PLC控制器控制两位五通电磁阀的切换时 进行，即使是升压过程中也有氧气流进稳压罐. 间，该控制器通过RS-232适配器与上位计算机 采用简单的两步循环代替传统的Skarstrom循环 连接，可以通过上位计算机改变吸附塔的切换时 可以显著减小系统的复杂性和体积，并提高设备 间m.原料气和产品气的流量由转子流量计测量 可靠性.影响变压吸附过程因素包括吸附剂的性 显示.产品气中氧气的浓度由YHL型智能测氧 质、吸附阶段和解吸阶段的时间、吸附塔的尺寸、 仪测量.由于反吹流量在一个循环周期内波动非 吸附和解吸压力、反吹量、原料气量和产品气量 常大，采用质量流量计对其进行测量，对于每一 以及原料气温度和湿度等.由于这些影响因素相 个实验，在变压吸附过程达到稳定状态后记录10 互之间强烈耦合，仅仅通过数值模拟的手段得到 个循环的实验数据求其平均值，以减少实验过程 合理最优的参数配置是非常困难的，因此，对 的随机误差 于微型变压吸附制氧过程，采用实验方法确定和 优化一些系统配置参数是非常必要的 2实验结果和讨论 1.2实验装置 实验中的因素和水平列于表1.在下面的讨 如图2所示，在实验室条件下建立了一个两 论中，产品回收率定义为产品气中氧气量与原 床的微型变压吸附制氧装置.为了实验需要，所 料气中氧气量之比，反吹比为一个循环周期内 建立的实验装置可以实现以下系统参数的变化： 平均反吹量与产品气量之比.在所有的实验中， 产品气流量、吸附时间（或循环周期）、反吹比.另 进入吸附塔原料气的进气量为70Lmin,温度为 外为了考察吸附塔尺寸以及分子筛性质对变压 25℃. 吸附过程的影响，笔者还设计了三种不同高径比 的吸附塔以及准备了三种小粒径5A沸石分子 表1实验因素水平表 Table 1 Experimental factors and levels of PSA process 筛.为了便于分析研究，三种分子筛的颗粒直径 范围均为0.5~1.0mm.图2中，采用针型流量调节 因素 水 产品气量 阀（标号为3）和四个单向阀（标号为8）代替节流 平高径比分子筛吸附时间s 反吹比 L'min 反吹孔，这样实验过程中可以通过调节阀门3的 13 VP800 1 0.1 开度调节反吹流量，并且可以通过质量流量计14 23.7 02-5 9 2 0.2 对其进行准确测量，图中，稳压阀9的作用是保 6 ZMS-2 10 3 0.3 2 4 0.4 86 5 0.5 6 ◇ 0.6 产品气 7 g 14 MFM 43 10 RS-232 2.1吸附时间的影响 11 图3为产品回收率和纯度与吸附时间的关 系，其中原料气量和产品气流量保持定值，吸附 CPMIA 13 剂采用VP800型5A沸石分子筛.由图3可知，随 着吸附时间的延长，产品气纯度和回收率先增 解吸气·一 ·解吸气 3© 空气 12 加，达到一个最大值后开始下降.对于徽型变压 吸附实验装置，最佳的吸附时间为12s,此时产品 1一空气压缩机，2一压力表，3一流量调节阀，4一冷却器， 回收率达到最大值19%，产品气纯度也达到最大 5一流量计，6一电磁阀，7一吸附床，8一单向阀，9一减压 值94%，实验结果表明，吸附时间的长短对变压 阀，10一储气罐，11一测氧仪，12一上位计算机，13一LC 吸附过程具有很大的影响.当吸附时间小于一定 控制器，14一质量流量计 值时，吸附床的吸附过程和解吸过程没有完成， 图2两床变压吸附实验装置 这将导致低的产品气纯度和回收率.这时，延长 Fig.2 Schematic diagram of the two-bed PSA experimental 吸附时间可以提高产品气纯度和回收率；随着吸 unit

Vb L2 6 N o . l 刘应 书 等 : S A R S 患 者专 用徽 型 制氧机工 艺参 数 实验 研 究 111 - 节流 阀连 接 , 每 一个 吸 附塔均 通 过单 向阀与稳 压 罐相 连 . 吸 附塔 2 的升 压和 吸 附塔 1 的反 吹 同时 进行 , 即使是升 压 过程 中也有氧 气 流进 稳 压罐 . 采 用 简单 的两 步循 环代 替传 统 的 S 加盯s tr o m 循 环 可 以显著 减小系统 的复杂 性和 体积 , 并提 高 设备 可靠 性 . 影 响变 压吸 附过 程 因素包 括 吸 附剂 的性 质 、 吸 附阶段 和解 吸阶 段 的时 间 、 吸 附塔 的尺寸 、 吸 附和解 吸 压 力 、 反吹 量 、 原料气 量 和 产 品气 量 以及 原料 气温 度和 湿度 等 . 由于这 些影 响因素 相 互之 间强 烈祸 合 , 仅仅 通 过数 值模拟 的手 段得 到 合理 最优 的参 数配 置 是 非常 困难 的问 . 因此 , 对 于微 型变 压吸 附制 氧过 程 , 采 用 实验方法 确定 和 优 化 一些 系 统 配置 参 数 是非 常 必要 的 . L Z 实 验 装置 如 图 2 所 示 , 在 实 验室 条 件下 建 立 了一 个 两 床 的微型 变 压 吸 附制氧装 置 . 为 了实验 需要 , 所 建立 的实验装 置可 以实现 以下 系统 参 数的变化 : 产 品气 流量 、 吸 附 时间 ( 或循环 周期 ) 、 反 吹 比 . 另 外 为了考 察吸 附塔 尺 寸 以及 分 子 筛性质对 变压 吸附过 程 的影 响 , 笔者 还 设计 了三 种 不 同高径 比 的吸 附塔 以及 准 备 了三 种 小 粒径 S A 沸 石 分 子 筛 . 为 了便于 分 析研究 , 三 种 分子 筛的 颗粒 直 径 范 围均 为 .0 5一 1 . 0 ~ . 图 2 中 , 采 用 针型 流 量调 节 阀 ( 标号 为 3) 和 四个 单 向阀 ( 标号 为 8) 代 替节 流 反吹 孔 , 这 样 实验 过程 中可 以通 过调 节 阀 门 3 的 开度调 节 反吹流 量 , 并 且可 以通 过质 量流 量计 14 对 其 进行 准 确测 量 , 图 中 , 稳压 阀 9 的 作用 是 保 持吸 附塔 内一 定 的吸 附压 力 , 减小产 品气 流量 的 波动 . P L C 控 制 器控 制 两 位 五通 电磁 阀 的切 换 时 间 , 该控 制 器 通 过 R S一2 3 2 适配 器 与 上位 计 算 机 连 接 , 可 以通 过 上位 计算 机改变 吸 附塔 的切 换 时 间 闭 . 原 料气 和 产 品气 的流量 由转 子流 量 计 测量 显示 . 产 品气 中氧 气 的浓度 由 Y H L 型 智 能测氧 仪 测量 . 由于反 吹流 量在 一 个循环周 期 内波 动 非 常大 , 采用 质 量 流量 计 对 其进 行 测量 . 对 于 每一 个 实验 , 在变 压 吸附过 程达 到 稳定 状态 后 记录 10 个循环 的实验 数据 求 其平 均值 , 以减 少 实验 过程 的随 机误 差 . 2 实 验 结果 和 讨 论 实 验 中 的 因素 和水 平 列 于表 1 . 在 下 面 的讨 论 中 , 产 品 回 收 率 定义 为 产 品气 中 氧 气量 与原 料 气 中氧气 量 之 比 . 反 吹 比为 一 个 循 环 周 期 内 平 均 反 吹量 与产 品气 量之 比 . 在 所有 的实 验中 , 进 入 吸 附塔 原 料气 的进气量 为 70 L加in , 温度 为 2 5 ℃ . 表 1 实验 因素水 平表 aT b l e I E邓e r im e n at l fa e ot sr a n d vle e肠 o f P S A P er e韶8 因素 平 高径 比 分子 筛 吸 附 时间 s/ 产 品气量 , ~ 二一 一 l 反吹 比 L . n l l n ’ ~ ~ , , 交子仁… 灭 二一 M f 厂 , 斗卜丈一 7 7 l 0 1 l C PM LA { 12 甲甲 … 1 3 V P 8 0 0 8 1 0 . 1 2 3 . 7 0 2一 5 9 2 0 . 2 3 6 Z M S 一 2 1 0 3 0 . 3 4 一 一 1 1 4 0 . 4 5 一 一 1 2 5 0 . 5 6 一 一 1 3 一 0 . 6 7 一 一 1 4 一 一 8 一 一 1 5 一 一 1一空气 压缩 机 , 2一压力 表 , 3一流量 调节 阀 , 4一冷却 器 , 5一流量 计 , 6一 电磁 阀 , 7一吸 附床 , 8一单 向阀 , 9一减压 阀 , 10 . 一 储气 罐 , 1 一测氧 仪 , 12 一上 位 计算机 , 13一P L C 控 制器 , 14一质 量流 量计 图 2 两床 变压 吸 附实验 装置 F咭 . 2 S e h e m a ict dis g ar . of t h e 俪。 一 b de P SA ex eP ir ln e n 加l U n it .2 1 吸 附 时 间的 影 响 图 3 为产 品 回 收率 和 纯 度 与 吸 附 时 间 的关 系 , 其 中原 料 气量和 产 品气 流 量 保持 定 值 , 吸 附 剂 采用 V P 8 0 型 SA 沸 石分 子 筛 . 由图 3 可 知 , 随 着吸 附 时 间 的 延 长 , 产 品气 纯 度和 回 收率 先 增 加 , 达 到一 个 最 大值 后 开始 下 降 . 对 于 微 型 变压 吸附 实验 装置 , 最 佳 的吸 附 时间为 12 5 , 此 时产 品 回收率 达 到最 大值 19 % , 产 品气 纯度 也 达到 最大 值 9 4 % . 实验 结 果表 明 , 吸 附时 间 的长 短 对 变压 吸附过 程 具有 很大 的影 响 . 当吸 附 时间 小于 一定 值时 , 吸 附床 的 吸 附过 程和 解 吸 过程没 有 完成 , 这 将 导致低 的 产 品气 纯度和 回 收率 . 这 时 , 延长 吸附时间 可 以提 高产品气纯度和 回收率 ; 随着吸

112 北京科技大学学报 2004年第1期 附时间的延长到某一定值，吸附床在吸附过程中 反吹量的增加也意味着产品气量损失，两个方面 接近或达到饱和，进一步增加吸附时间将导致强 的共同作用就是随着反吹比的增加，产品气纯度 吸附组分氨气穿透吸附床，从而造成产品气纯度 先增加，达到一个最大值后开始下降， 和回收率的下降.因此，在一定的实验条件下，存 般来说，由于反吹量的增加意味着产品流 在一个最佳的吸附时间.Adelio等人在他们的 量减少，所以随着反吹比的增加，变压吸附过程 实验中也观察到了类似的产品回收率和纯度随 的产品回收率应该下降，正如Adeio等人在其实 吸附时间的变化关系，但对于他们的实验装置而 验中观察到的那样.但从图4可知，随着反吹比 言，其最佳的吸附时间为50s.这种现象是由于吸 的增加，产品回收率先增加，然后开始下降，这种 附塔高径比以及分子筛颗粒直径大小产生的. 现象可以由微型变压吸附过程的特性来解释.微 20 型变压吸附制氧过程的循环周期一般远远小于 g 19 工业制氧过程的循环周期，所以解吸的程度对分 纯度 88号 子筛床层的工作容量影响很大，工作容量是指吸 18 84 回收率 附压力和解吸压力条件下分子筛吸附氨气量的 17 80 差值.因此对于微型变压吸附过程，一定程度上 16 76 增加反吹量有利于提高吸附床的解吸程度，从而 72 可以增加产品回收率，但反吹比增加的最直接作 15 7 8 9 10111213141516 用是减少了产品气流量，这将导致产品回收率下 吸附时间/s 降，两个方面的共同作用就是随着反吹比的增 图3产品纯度、回收率与吸附时间的关系 加，产品气回收率先增加，达到一个最大值后开 Fig.3 Effect of production duration on product purity and 始下降.微型化条件下，反吹比的优化还是一个 recovery 值得进一步研究的问题. 22反吹比的影响 2.3产品气量的影响 在一个循环周期内，随着两个吸附塔之间压 图5所示为产品气流量对产品气纯度以及回 力差的变化，反吹流量也发生变化.笔者用质量 收率的影响.由此可知，随着产品气流量的增加， 流量计测量记录反吹量的瞬时值，并采用积分方 产品气纯度下降而回收率升高.Adeio等人在其 法求其一个循环周期内的平均反吹量，以计算反 实验中也观察到了相似的变化关系.另外，对于 吹比.由图4可以看出，在本文实验范围内，随着 简单的两步变压吸附循环，要想保持合理的产品 反吹比的增加，产品气的纯度首先升高，达到一 气纯度，必须以较低的产品回收率为代价.增加 个最大值后开始缓慢下降，最佳的反吹比为0.5. 均压阶段可以一定程度上提高变压吸附装置的 反吹气对正处于解吸状态吸附床的逆流吹扫可 产品回收率，但这同时也会增加装置的系统复杂 以减小气相组分中氮气的分压，增加分子筛床层 性，对于微型制氧装置一般不采用增加均压的方 的再生，进而提高该吸附床在吸附阶段的吸附 法来提高产品回收率.从图5中可以看出，当产 量.这将导致产品气纯度的升高，但另外一方面， 品气纯度大于90%时，产品回收率为19%左右. 100 26 28 96 90 24 824 纯度 803 22 纯度 ￥20 20 70 18 84 咀 16 回收率 n 60 回收率 80 12 50 14 16 40 12 0.1 0.2 0.30.4 0.5 0.6 3 反吹比 产品气量/亿min) 图4产品气纯度、回收率与反吹比的关系 图5产品气纯度、回收率与产品气流量的关系 Fig.4 Effect of purge-to-product ratio on product purity Fig.5 Effect of production flowrate on product purity and and recovery recovery

北 京 科 技 大 学 学 报 2 004 年 第 1 期 附时 间的延长 到某 一 定值 , 吸 附床在 吸 附过 程 中 接 近或 达到饱 和 , 进 一步增 加 吸 附时 间将 导 致强 吸 附组 分氮气 穿透 吸 附床 , 从而 造成 产 品气 纯度 和 回收率 的下 降 . 因此 , 在 一定 的实验 条件 下 , 存 在 一个 最佳 的吸 附时 间 . A ds il 。 等人 , , 在他 们 的 实验 中也 观 察 到 了类 似 的 产 品 回收 率和 纯 度 随 吸 附时 间 的变化关 系 . 但对 于他 们 的实验 装 置而 言 , 其最 佳 的吸 附时 间为 50 5 . 这 种现 象是 由于吸 附塔 高 径 比 以及 分 子筛颗粒 直 径大小 产 生 的 , 2 0 re we 一 . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 反 吹量 的增 加也 意味着 产 品气 量损 失 . 两个方 面 的共 同作用就 是 随着 反吹 比 的增加 , 产 品气 纯度 先 增加 , 达到 一个 最 大值 后 开始 下 降 . 一般 来说 , 由于 反 吹量 的增 加意 味着产 品流 量 减少 , 所 以随着反 吹 比 的增加 , 变压 吸 附过 程 的产 品回 收率 应该 下 降 , 正 如 Ad ie o 等 人 在其 实 验 中观 察到 的那 样 , , . 但从 图 4 可知 , 随着反 吹 比 的增 加 , 产 品回收 率先 增加 , 然 后开始下 降 . 这 种 现象 可 以 由微 型变 压吸 附过 程 的特 性 来解 释 . 微 型 变压 吸 附制氧 过 程 的 循环 周 期 一般 远 远 小 于 工业 制氧 过程 的循 环周 期 , 所 以解吸 的程 度对 分 子筛床层 的工 作容 量影 响很 大 . 工作 容量 是指 吸 附 压力 和 解 吸压 力 条 件下分 子 筛吸 附氮 气 量 的 差值 . 因此 对 于微型 变压 吸 附过程 , 一 定程 度 上 增 加 反吹量 有 利于提 高 吸 附床 的解 吸程 度 , 从 而 可 以增加产 品回收率 . 但 反 吹 比增加 的最直 接作 用 是减 少 了产品气流 量 , 这将 导致产 品回 收率下 降 . 两 个 方面 的共 同作 用 就 是 随着反 吹 比 的增 加 , 产 品气 回收 率 先增 加 , 达 到 一个 最大 值 后开 始 下 降 . 微 型化 条件 下 , 反 吹 比的优化 还 是 一个 值 得进 一 步研究 的 问题 . .2 3 产 品气 量 的影 响 图 5所 示 为产 品气流 量对 产 品气纯度 以及 回 收 率 的影响 . 由此可知 , 随着产 品气 流量 的增加 , 产 品气 纯度 下 降而 回收率 升 高 . A de fo 等 人在 其 实验 中也 观察 到 了相似 的变化 关 系 `,l . 另外 , 对 于 简单 的两 步变 压 吸附循 环 , 要想 保持 合理 的产 品 气 纯度 , 必须 以较 低 的产 品回收 率 为代价 . 增 加 均 压 阶段 可 以一 定程 度 上提 高 变 压 吸 附装 置 的 产 品回收 率 , 但这 同 时也会 增加 装置 的系 统复 杂 性 , 对于 微型 制氧 装置 一般 不采 用增 加均 压 的方 法 来 提 高产 品 回收 率 . 从 图 5 中可 以看 出 , 当产 品气 纯度 大 于 90 % 时 , 产 品 回收率 为 19 % 左右 . 板芝侧峨犷咀 `一挑ù, 40 `,U J 勺ō0八吕一洲0户了l 9 八0 à 7 . 芝哥邻回唱礼 1 5 1 — J 一一一二 一一 ~ 一二 一一J ~ 一一一 一一 ~」 7 8 9 1 0 1 1 1 2 13 1 4 15 1 6 吸 附 时间 s/ 图 3 产 品纯度 、 回 收率 与吸 附时 间的关 系 F啥 · 3 E 幻er e t o f P or d u 比o n d u r a iOt . o o Por d u c t P u ir yt a n d 邝 CO V e r y 侧嗽礼芝犷哈 6 ,`一城ù 4 产凡n,O0 à .2 2 反 吹 比的影 响 在一 个循 环 周期 内 , 随着 两个 吸 附塔 之 间压 力 差 的变化 , 反 吹流 量也 发 生变 化 . 笔 者用 质 量 流量 计测 量记 录 反吹量 的瞬 时值 , 并采用 积分 方 法求 其一 个循 环周 期 内的平 均反 吹量 , 以计算 反 吹 比 . 由图 4 可 以看 出 , 在本 文 实验 范 围 内 , 随着 反 吹 比的增 加 , 产 品 气 的纯度 首 先升 高 , 达 到 一 个最 大值 后 开始 缓慢 下 降 , 最 佳 的反吹 比为 .0 5 . 反 吹气 对 正 处于 解 吸 状态 吸 附床 的逆 流 吹 扫可 以减 小气相 组分 中氮 气 的分压 , 增 加分 子筛床层 的再 生 , 进 而 提 高 该 吸 附床 在 吸 附阶 段 的 吸 附 量 . 这将 导致产 品气 纯度 的升 高 . 但 另外 一方 面 , 厂- - 一~ 一一一一~ 一 一 一~ 一 - - - - - - 门 1 0 0 0 à月R了`U 2 6 2 4 2 2 2 0 l 8 l 6 l 4 进侧坛犷唱化 哥邻回哈礼芝 on ù 0 一 n八,O U à 7 . 6 八Où月, 0 ù ù, 6 2 ,`,1 僻孚回哈礼芝 0 , 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 反吹 比 图 4 产 品气纯 度 、 回 收率与反 吹 比的关 系 F堪 . 4 E 到re e t o f P u r g e- to 一 P re d u e t r a 住0 o n Pro d u c t P u r ity a n d r e c o v e 叮 12 L 一一一一 ~ 一 一 月一 一 一 口 1 2 3 4 5 6 产 品气量 / 伍 · m i n 一 1 ) 图 5 产 品气纯 度 、 回 收 率与产 品气流t 的关 系 F ig . 5 E fe e t o f P ro d u e ito n 月o w ra te o . P r od u d P u r lty a o d r e C O V e r y 0 ù“ 、ōJ 4

Vol.26 No.1 刘应书等：SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 113 2.4吸附塔高径比的影响 纯度大于90%的氧气.另外，随着产品气流量的 吸附塔高径比对产品气纯度的影响示于图6 增加，采用三种分子筛作为吸附剂的制氧装置的 中，其中曲线1,2,3分别表示产品气的流量为1， 产品气纯度均有下降的趋势，当产品气流量增大 2,3Lmin.由图6可知，当产品气流量保持一定值 到3Lmin以后，产品气纯度呈线性下降趋势. 时，随着吸附塔高径比的增加，产品气纯度增加. 但由于空气中氧氩在沸石分子筛上表现出十分 3结论 接近的吸附性，变压吸附过程能够产生的最高产 (1)对于微型变压吸附制氧装置，随着吸附时 品气纯度为95%左右.另外，产品气流量的不同， 间的延长，产品气纯度和回收率首先升高，达到 吸附塔高径比对产品气纯度的影响也存在差异， 最大值后开始下降，存在一个最佳的吸附时间. 随着产品气流量的增加，高径比的影响越大.对 在本文实验条件下，其最佳吸附时间为12s 于微型变压吸附制氧系统，较为合适的吸附塔高 (2)随着反吹比的增加，产品气纯度和回收率 径比为3.7-4.0 首先升高，达到一个最大值后开始缓慢下降.在 96F 本文实验条件下，其最佳的反吹比为0.5 92 (3)随着产品气流量的增加，产品气纯度下 88 降，而产品回收率升高. (4)随着吸附塔高径比的增加，产品气的纯度 逐渐升高.在微型化条件下，较为合适的吸附塔 80 高径比为3.74.0 6 (5)试用的三种分子筛制氧效果有较大差别， 72L 2.53.0 3.54.04.55.05.56.0 VP800型分子筛用于微型制氧装置效果最好， 吸附床高径比 参考文献 图6产品气纯度、回收率与吸附塔高径比的关系 1刘应书，乐恺，冯俊小，等.微型PSA制氧技术实验 Fig.6 Effect of beds dimension on product purity and re- 研究[)，北京科技大学学报，2001,23(6)：549 covery 2 Liu Y S,Cui HS,Li HL,et al.Experimental study on the 2.5分子筛的影响 influences of feed temperature and humidity for a small- 分子筛种类对微型变压吸附制氧机的影响 scale PSA oxygen unit [A].Zhang XX,Feng Y H.The 关系如图7所示.所采用的三种分子筛分别是 First International Symposium on Thermal Science and Engineering [C].Beijing,2002.G-116 VP-800,0.5,ZMS-2型沸石分子筛.由图7可知， 3 Ruthven D M,Farooq S,Knaebel K S.Pressure Swing Ad- 所选的三种分子筛均可用于微型变压吸附制氧 sorption [M].VCH Publishers,1993.72 系统，但在制氧效果上三种分子筛存在较大的差 4王啸，马正飞，周汉涛，等，两床变压吸附空分制氧 异.VP-800型分子筛效果最好，0-5型分子筛次 过程的模拟).天然气化工，2003,28(1)：50 之，而采用ZMS-2型分子筛作为吸附剂不能获得 5 Kenneth G,Teague Jr,Thomas E.Predictive dynamic mod- 100 el of a small pressure swing adsorption air separation unit -△-VP800 -0-01-5 [J].Ind Eng Chem Res,1999,38(10):3761 90 -ZMS-2 6 Serbezov A,Sotirchos S V.Particle-bed model for multi- component adsorption-based separations:Application to 80 pressure swing adsorption [J].Chem Eng Sci,1999,54: 5647 7乐恺，余谦虚，刘应书，等.基于PLC的变压吸附制 60 高纯氧系统).北京科技大学学报，2003,25(2)：185 8 Adelio MMM,Carlos A V C,Alirio E R.Oxygen separ- 1 2 3 ation from air by PSA:modelling and experiment results 产品气流量/(Lmin) part I:isothermal operation [J].Sep Purif Technol,2001, 图7分子筛种类对产品气纯度和回收率的影响 24:173 Fig.7 Effect of adsorbent on product purity and recovery

b N 】 2 V . 6 0 . 刘应 书等 1 : A S S R 患 者专 用微 型制 氧机 工艺 参数 实验 研 究 吸 附塔 高径 比的 影 响 4 2 . 吸附 塔高 径 比 对 产 品气纯 度 的影 响示 于 图 6 中 , 其 中 曲线 1 , 2 , 3 分 别表示 产 品气 的流 量 为 1 , 2 , 3 L I/ n in . 由图 6 可 知 , 当产品气 流量 保持 一 定值 时 , 随着吸 附塔 高径 比 的增加 , 产品气 纯度 增加 . 但 由于 空气 中氧 氢 在沸 石 分 子 筛 上 表现 出十 分 接近 的吸附 性 , 变压 吸 附过程能够 产 生 的最 高产 品气 纯度为 95 % 左 右 . 另 外 , 产 品气流 量 的不 同 , 吸 附塔 高径 比对 产 品气纯 度 的影 响也 存在 差异 , 随着 产 品气 流 量 的增 加 , 高径 比的 影 响越大 . 对 于微 型变压 吸 附制氧 系统 , 较 为合适 的 吸 附塔高 径 比 为 3 . 7码:0 纯度 大 于 90 % 的氧 气 . 另 外 , 随 着产 品气 流 量 的 增 加 , 采 用三 种 分子筛作 为吸 附剂 的制氧 装 置 的 产 品气 纯度 均 有下 降的趋 势 , 当产 品气流 量增 大 到 3 L m/ in 以后 , 产 品气 纯 度呈 线性 下 降 趋势 . `U, z ù八O4 八 `CU, ,Q ù入90O6C à,才 7 . 芝侧氧犷唯礼 吸 附床 高径 比 图 6 产 品 气纯 度 、 回 收率 与吸 附塔 高径 比的关 系 F i g . 6 E fe e t o f b e d s d im e n s fo n o n P er d u e t P u r iyt a n d -er CO V e r y .2 5 分 子 筛 的 影响 分 子 筛种 类 对 微 型 变 压 吸 附 制 氧 机 的 影 响 关 系 如 图 7 所 示 . 所 采用 的三 种 分 子筛分 别 是 V R 80 O , O厂5 , Z M S一 型 沸石 分子 筛 . 由图 7 可 知 , 所 选 的三 种 分 子筛 均可 用 于 微 型变 压 吸 附 制氧 系统 , 但 在制 氧 效果 上三 种分 子筛存在 较 大 的差 异 . V甲- 8 0 型分 子 筛效 果 最好 , 0 -2 5 型分 子 筛 次 之 , 而采用 Z M S 一 2 型 分子 筛作 为 吸附剂 不 能获得 nUn ùǎ Q U ù R t 芝侧坛犷唱化 z 产 品气 流量 / (L · m i n 一 , ) 图 7 分子 筛种 类对 产品 气纯 度和 回 收 率 的影 响 F ig · 7 E fe e t o f a d s o r b e n t o n Por d u e t P u r iyt a n d er e o v e yr 3 结 论 ( l) 对 于 微型 变压 吸 附制氧 装置 , 随着吸 附时 间 的延长 , 产 品气 纯 度和 回收率首 先 升 高 , 达 到 最大 值 后开 始 下 降 , 存 在一 个 最佳 的吸 附 时 间 . 在本 文 实验 条件 下 , 其最 佳 吸 附时 间为 12 5 . (2 )随着 反吹 比 的增加 , 产 品气 纯度 和 回 收率 首先 升 高 , 达 到 一个 最 大值后 开 始缓 慢 下 降 . 在 本文 实验 条 件 下 , 其 最佳 的反 吹 比 为 .0 5 . (3 ) 随着 产 品气 流 量 的增 加 , 产 品气 纯度下 降 , 而 产 品 回收率 升 高 . (4 )随着吸 附塔 高径 比 的增加 , 产 品气 的纯度 逐渐 升 高 . 在 微 型化 条 件下 , 较 为 合适 的吸 附塔 高径 比为 3 . 7~4 . 0 . (5) 试 用 的三 种分 子筛制氧 效 果有较 大 差别 , VP S OO 型分 子筛用 于微 型制氧 装 置 效 果最 好 . 参 考 文 献 1 刘应 书 , 乐恺 , 冯俊 小 ,等 . 微 型 P SA 制 氧技 术实 验 研 究 [J ] . 北京科 技大 学学 报 , 2 0 0 1 , 2 3 ( 6 ) : 5 4 9 2 L i u Y S , C u i H S , L I H L , e t al . E xP e r im e nt a l s ut dy o n ht e i n fl u e n e e s o f fe ed t e m Per al 卫r e an d h u m id i t y for a sm al l - s e a l e P SA o xy g e n un it [A ] . Z h a n g X X , F e ng Y H , hT e F i r s t ntI ern at ion al S y m P o s l u m o n T h e rm al S e i e n e e an d E gn in e e r i n g [ C 」 . B e ij i n g , 2 0 02 . G 一 1 16 3 Ru ht v e n D M , F ar o o q S , 劫 a e b e 1K S . P er s s ur e s w i n g A d - s o prt i o n [M ] . V C H Pub li s h e r s , 1 9 9 3 . 7 2 4 王啸 , 马正 飞 , 周 汉涛 , 等 , 两 床变 压 吸 附空分制 氧 过程 的模拟 [ J] . 天 然气 化工 , 2 0 0 3 , 2 8 ( l ) : 5 0 5 K e ne ht G , eT ag u e rJ, Th o m a s E . rP e di e ti v e dy n am i e m o d - e l o f a s m a l l Per s s ur e s w i n g ad s o pr ti o n iar s e Par at i o n un i t t J ] . nI d E n g C h em eR s , 19 9 9 , 3 8 ( 10 ) : 3 7 6 1 6 S e br e z o v A , S o t icr h o s S V P斌i e l e 一 b e d m o d e l fo r m u l ti - e o mP o n e in ad s o prt i o n 一 bas e d s eP ar at i o n s : A p li e at i o n t o Per s s uer s w i n g a d s o prt i o n [J ] . C h e m E n g S c i , 1 9 9 9 , 5 4 : 5 6 4 7 7 乐恺 , 余 谦 虚 , 刘应 书 , 等 . 基 于 P L C 的变压吸 附制 高 纯氧 系统 [J] . 北京 科技 大学 学报 , 2 0 0 3 , 2 5 ( 2 ) : 18 5 8 A de li o M M M , C ar l o s A V C , A l ir io E R . o xy g e n s eP ar - at i o n for m a i r by P SA : m o d e l li gn an d e xP e r i m e nt er s u it s Part l : i s o th e n n al OP e r at i o n [ J ] . SeP P ur i f eT c hn o l , 20 0 1 , 2 4 : 1 7 3

·114 刘应书等：SARS患者专用微型制氧机工艺参数实验研究 Vol.26 No.1 Experimental Study on Operating Parameters of a Special Miniature PSA Oxygen Concentrator for SARS Patients LIU Yingshu,CUI Hongshe,YUE Kai,ZHANG Dexin,ZHAO Zhi Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT To develop a special miniature PSA oxygen concentrator for SARS patients,the effects of operating parameters,such as production duration,purge-to-product ratio,product flowrate,length-to-diameter ratio of the columns and properties of adsorbents,on the product purity and recovery of the miniature PSA oxygen system were experimentally investigated.The experimental results show that,under miniaturization conditions for PSA process, the optimal production duration is 12s and the purge-to-product ratio is 0.5.The product purity decreases and the recovery increases when the product flowrate increase.When the product purity is above 90%,the product recovery is about 19%.The properties of adsorbent has significant influences on performances.The product purity increases with the length-to-diameter ratio of column increasing and the proper value of the ratio is between 3.7 and 4.0. KEY WORDS SARS;pressure swing adsorption;oxygen generation;product purity;product recovery (上接第58页) Effect of Strain-Induced Transformation on Grain Refinement of SAF2205 during Superplastic Deformation ZHANG Peixue,REN Xueping,XIE Jianxin,WANG Wei Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A theoretic equation of deformation work,phase transformation temperature,initial grain size and metal structure was analyzed,and a method of controlling the precipitation of o phase was provided.On this basis, the properties and microstructures of SAF2205 duplex stainless steel during isothermal hot tensile tests were inves- tigated by means of stepped isothermal tension.The result shows that,with the method of fast cooling and tempera- ture-changed isothermal hot tension,the precipitation ofo phase can happen during the deformation,and the tiny and dispersed o phase can limit the growth of the grains.In order to realize the strain-induced precipitation ofo phase and the superplastic deformation of duplex stainless steel in lower temperatures,a faster cooling velocity needs to be applied. KEY WORDS grain refinement;strain induced precipitation;deformation work;superplasticity

一 1 14 . 刘 应 书等 : S AR S 患 者专 用微 型制 氧机 工 艺参 数实 验研 究 Vb l . 2 6 N O . l E x P e ri m e nt a l S tu dy o n O P e r ta ni g P ra am e t e r s o f a SP e c i a l M i n i a tu r e P S A O xy g e n C o n e e n t r a t o r fo r S A R S P ta i ent s LI U 儿n gs h u, C UI H d n gs h e, YUE K d i, Z子L咬刃 G D xe in , Z 厅刁O hZ i M e hc an l cal nE g i n e e r i n g S hc o ol , nU i v e rs ity o f s e i en e e a n d eT e hn o 】o g y B e Ui n g , B e ij ign l 0 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T oT d e v e loP a s P e e i a l m in al 池r e P S A o xy g en e on e e n tr at or fo r S A R S Piat ent s , ht e e fe ot s o f oP e r at i n g p ar am et er s , suc h as rP o d u c it on d ur at i o n , p切名e 一 ot ~ p r o d u c t r iat o , p r o d u c t n o 研厅 at e , le n g t h . ot 一 id am e et r art io of het e o l um n s an d P r 0 P e ir i e s o f ad s o r b e in s , on het rP o d u c t P面yt a n d er e o v eyr o f ht e m而川赶 r e P S A o xy g e n sy s t e m w er e x P e it m e nt a lly iVn e st i g aet d . hT e e x P e n r n e n t a l r e s u lt s s h ow th at , un de r m in l a it 叮i z at i o n e on d ition s fo r P S A P or e e s s , ht e oP t而al P r o du e it o n d ur at ion 1 5 12 5 an d ht e P侧gr e 一 t o . p r o d u c t art i o i s 0 . 5 . hT e P or d u c t Pu n yt de er a s e s an d ht e r e e o v eyr icn er a s e s w h en ht e rP o du c t fl o , 厅 a t e in er as e . Wh e n het P r o d u c t P而yt 1 5 ab o v e 9 0% , het P r o d u c t er e o v eyr 1 5 ab o ut 19% . hT e P r o P e rt i e s o f ad s o br ent h as s ign iif e ant i n fl u e n c e s on P e d b mr acn e s . T h e P r o d u c t P如yt mcer as e s w iht ht e l e n g th 一 ot 一 d i am e etr r a t i o o f e o l u rn n icn er a s ign an d ht e Por P e r Val ue o f t h e ar t i o 1 5 b e wt e e n 3 . 7 an d 4 . 0 . K E Y WO R D S S A R S ; p r e s sur e sw i n g ad s o rp t i o n ; 。 x y ge n ge en art i o n : P or d u c t P而yt ; P r o d u c t er e o v e yr (上 接第 5 8 页 ) E fe e t o f S atr i n 一 nI d u c e d rT a n s fo n n a t i o n o n rG a i n R e if n e m e n t o f S A F 2 2 0 5 d丽 n g SuP e rp l a s t i c D e fo mr at i o n 刀翻刀 G eP 众u e, RE N 为碑 eP i n g X ZE iJ a xn in , 不咬刀召 肠i M at ier al s S c ien c e an d E n g ine e inr g S c h o o l , nU i v e rs ity o f S c clen e an d eT c lm o l o gy B e ij in g , B e ij ign 1 0 00 83 , C h in a A B S T R A C T A hte o r e t l c e qu at ion of de of rm iat on w o 氏 p h as e tr an s of n n iat on t e m P e r a 奴叮 e , i n it i a l gr a l n s说e an d m eat l s tr u c奴汀e w a s an ly z e d , an d a m e t h o d o f e o n tr o ll ign ht e P r e e iP it at ion o f , ph as e w as P r o V i d e d , On hit s b as i s , ht e P r o P e irt e s an d m i cor s it u c trU e s o f S A F 2 2 0 5 d uP l e x s t a i n l e s s set e l d而 n g i s o th e n 刀 al h o t t e n s il e t e s t s w er I n v e s - it g aet d by m e an s o f st e p e d i s o t h e mr al etn s ion . Th e er s u it s h 0 w s t h at , iw ht het m e th o d o f faS t e o o lign an d t e m P -ear 奴甘e 一 e h a n g e d i s o th e n 刀 al h o t t esn i o n , het Per c iP i at t i o n o f ` Ph as e c an h a PPe n d ur 位9 het d e fo n n iat o n , 明d ht e t i n y an d id s Per s e d o p h a s e e an 11m 1t ht e gr o wt h o f het gr ian s . ih o r d e r t o er al 泳 ht e str ian 一 in d u c e d Per e iP it iat o n o f a Ph as e a n d ht e s uP e pr las it e d e fo mr at i o n o f d uP lex s at i n l e s s s ot e l in l o wer t e m Pe] 旧 t 叮 e s , a fas ot r e o o lin g v e l o e iyt en d s ot b e ap Pli e d . K E Y WO R D S gr a i n er if n em ent ; s tr a i n i n du c e d P r e c iP it a t lon ; de fo n n iat o n w o r k ; s uP erp la ist c iyt