关键词：空分制氧；产品；质量
氧气的制取一般是经过空气分离的手段而获得，也有少量的来源于电解水和其他方法。氧气产品可分为工业氧(浓度≥99．2%，含有一氧化碳、二氧化碳、乙炔等对人体有害的杂质，GB/T 3863—2008)、高纯氧(浓度≥99．995%，GB/T 14599—93)、医用及航空呼吸用氧(浓度≥99．5%，对杂质气体要求高，GB 8982—2009)等品种。
一、空分制氧技术
1.深冷空分技术。深冷法空分技术的原理是以环境空气为原料，经过压缩、散热、冷却、净化等预处理过程，用热交换的方法使空气液化，然后利用液氧和液氮的沸点不同，通过精馏使各组分分离来获得氮气和氧气。从德国人卡尔·林德发明低温精馏工艺以来，深冷法已经进入工业将近百年了，尤其是在大规模空气分离领域应用广泛。深冷空分在可以制取氧气的同时，也可以制取氮气甚至氩气等特种惰性气体，并且具有较低的运行成本以及较高的产品气纯度。国外深冷空分技术的发展很快，国内引进深冷空分技术并经过消化吸收，目前已发展到了第六代技术，精馏塔一般采用新材料填装和全精馏无氢、无氩工艺。
2.变压吸附空分技术。变压吸附空分技术始创于上世纪60年代初，具有灵活、方便、投资少、能耗低、自动化程度高等优点，在非深冷空分技术领域占重要地位。变压吸附空分技术的进展主要体现在工艺流程的改进及新型高效分子筛(吸附剂)的开发上。典型的碳分子筛(CMS)基于动力学分离机理从空气中连续提取纯度90%～99．9995%的氮气，以及采用沸石(比如CaA、CaX、NaX、LiX型等氮吸附剂，称为ZMS)。这种氮吸附剂基于平衡吸附机理从空气中连续提取纯度80%～95．7%的氧气。
3.膜分离技术。气体膜分离技术主要是基于渗透的原理，即分子通过膜总向化学势降低的方向运动，首先运动至膜的外表面层，然后溶解于膜中，并在膜的内部扩散，最后到达膜的内表面层解吸，其推动力为膜两侧的气体分压差。由于混合气体中不同组分的气体通过膜时的速度不同，基于此来达到气体分离与提纯的目的。气体膜分离技术在上世纪80年代后期取得了突破性的进展，研发出了结构紧凑且运行经济可靠的膜制氧设备，在冶金、石油化工和医疗保健等许多领域得到了推广和应用，成为国际上的热点研究领域。随着膜分离技术的逐步发展，
膜法富氧技术广泛应用于军事、工业和航空航海等领域。
4.变压吸附与膜分离耦合空分技术。变压吸附技术与膜分离技术都具有各自的优缺点，膜分离过程可将一个混合气流分成两个甚至多个物料流，从而实现多组分气体之间的多种产物气体流的回收，但膜分离材料由于氧氮分离系数一般不高，只能获取纯度较低的氮气或氧气。为了获得一种替代深冷空分工艺的高纯度、多产品现场供气工艺或方法，国内外学者提出了不少方法，如美国开发了一种提纯双产物的变压吸附与膜分离技术耦合的分离系统，前级首先以氮吸附剂的变压吸附制氧系统提取95．7%以下纯度的富氧气体，后级同时耦合了一个膜分离系统在适当步骤捕集较高纯度的氮气以及废气排放的动能，以获得95%～99．9%氮气产品的富集，实现双产物流的制备;日本也开发了一种双产物回收系统，简单采用了两个并联的变压吸附系统，以氮吸附剂制取纯度88%～95．7%的氧气，以碳分子筛制取纯度约95%～99．9%的氮气。
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二、空分制氧中的产品质量分析
1.医用分子筛制氧设备的管理。美国FDA对依据变压吸附原理制取氧气（氧含量在90%~96%之间）的便携式制氧机按II类医疗器械管理，该产品的主要适用范围：需要吸氧作辅助治疗用，或在医生的监控下用于氧气治疗，但不能用于生命支持且不具备病人的监测功能；或为部队的医院、手术室以及其他相关临床提供医用级氧气（USP 93％）等。为医用中心供氧系统提供氧源的大型分子筛制氧设备在美国并不按医疗器械管理，而是作为制药机械管理，须符合cGMP（current Good Manufacturing Practice）要求。该设备制取的氧气按药品管理，须符合美国药典（USP）93%要求。欧盟对依据变压吸附原理制取氧气（氧含量在90%~96%之间）的便携式制氧机（氧气浓缩器）按IIa类医疗器械管理。为医用中心供氧系统提供医用氧源用的大型分子筛制氧系统以及为成人和儿童呼吸机和麻醉机提供氧气的设备—制氧空压机，在欧盟亦均按医疗器械管理。
2..医用分子筛制氧设备的应用现状。目前医疗机构供氧基本采取集中供氧，按照氧源的不同可分为3种方式，即：由瓶氧经氧气汇流排减压集中供氧，由液氧贮槽经液氧汽化器汽化、减压、稳压后集中供氧，以及由变压吸附制氧设备（PSA）生产医用氧气后连续供氧。PSA制氧供氧技术在国外已有几十年的使用历史。国内这一技术的应用始于20世纪80年代末，90年代这一技术得到了迅速发展。为防备制氧设备的停机，医疗机构的备用氧为氧气厂生产的瓶装医用氧气，通过供氧自动转换控制台，就可实现供氧系统的转换，组成一套备用氧气供应系统。医用分子筛制氧设备按其预期用途，可分为两大类:一种是由制氧机、空压机、冷干机、稳压罐、控制系统等多部分组成，主要配套用于医疗单位中心供氧系统提供医用氧气源，或是与高压氧舱配套为高压氧舱提供氧气源的大型医用分子筛制氧设备；另一种是由分子筛吸附装置、过滤装置、流量计、湿化瓶等部分组成，主要供医疗单位或家庭作供氧保健或辅助治疗用（不适用于手术、急救、危重病人）的小型便携式医用分子筛制氧机。医疗机构通过分子筛制氧设备制取的氧气作为集中供氧的氧源，其氧气终端（氧气输出口）通向医院的各个科室，如门诊急救室、抢救室、普通病房、病区抢救室、ICU病房、CCU病房、大小无菌手术室等。按照临床使用特点，分子筛制氧设备所制取氧气可分为麻醉机、呼吸机以及ICU病房用氧、高压氧舱用氧和普通病房用氧。麻醉机、呼吸机以及ICU病房用氧对供氧的时间和压力要求相对较为严格，其氧气含量可调整范围在21%~90%之间。另外，医药行业标准YY 0042-2007《高频喷射呼吸机》中规定了呼吸机的最高氧浓度达到85%即满足标准的相关要求。高压氧舱的用氧特点是瞬时用氧量大，氧气压力高。按加压介质来看，可分为（：1）空气加压舱：一般为4人以上、多者可达数十人的多人治疗舱，以及手术舱、过渡舱等。空气加压舱舱内氧浓度限制为25%以下。（2）氧气加压舱：一般为双人或单人的治疗用舱，婴儿氧舱亦属此列。氧气加压舱治疗时舱内氧浓度一般均高于80%[8]。目前各医疗机构高压氧舱用氧的氧源既有液态瓶装氧，也有利用分子筛制氧设备提供氧源的情况，对于不同制氧方式氧气在高压氧舱的使用上，临床并没有明确的限制。普通病房用氧是指病人在常压状态下吸氧。常压氧可以增加血液中的血氧饱和度。当病人因为心脏、肺或中枢神经系统等原因所致呼吸困难，导致血氧饱和度异常时，通常进行常压氧治疗，效果明显。常压吸氧的氧气浓度一般控制在24%~35%。
空分制氧技术及大型制氧设备的设计制造水平综合反映了一个国家的科技及工业实力。近年来，作为医疗机构中心供氧系统集中供氧的氧源设备，因其具备便捷、经济、安全以及有效的特点而被广泛应用于临床。
参考文献：
［1］常苗．深冷空气分离法在制氧系统中的应用［J］．黑龙江科技信息，2018，2:1．
［2］李瑞．变压吸附空分制氧的技术进展［J］．化学工业与工程，2018，21(3):201－205．
论文作者:鲁学兵
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/22
标签：氧气论文; 分子筛论文; 制氧论文; 技术论文; 空分论文; 氮气论文; 设备论文; 《工程管理前沿》2020年第2期论文;