Как производят кислород для больниц

Установка для производства кислорода по методу КЦА — это аппарат для производства кислорода с использованием технологии короткоцикловой адсорбции, позволяющей выделять кислород из воздуха.

GÉNÉRATEURS D’OXYGÈNE PSA R-OXY RIFAIR

Суть технологии КЦА заключается в том, что под высоким давлением с помощью молекулярного сита из цеолита молекулы кислорода отделяются от азота и других газов, содержащихся в воздухе. Особенностью цеолита является способность притягивать и удерживать молекулы азота, пропуская кислород. При снижении давления цеолит «отпускает» удержанные молекулы. В результате на выходе из генератора получается кислород высокой чистоты.

Воздух состоит из 78 % азота, 21 % кислорода, 0,9 % аргона и 0,1 % редких газов. В технологии КЦА используется 2 резервуара, заполненных молекулярным ситом из цеолита, удерживающего азот из воздуха и пропускающего кислород.

Сжатый воздух запускается в первый резервуар генератора, молекулярное сито задерживает азот и пропускает кислород. Кислород выходит из верхней части генератора, питая трубопроводную сеть медицинского учреждения.

Colonnes de zéolite du générateur PSA

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 августа 2018 года; проверки требует 1 правка.

Кислородная установка — устройство для производства кислорода посредством его отделения от других компонентов воздуха. В основу её работы положены разные принципы — физическая адсорбция (короткоцикловая (КЦА) и вакуумная короткоцикловая (ВКЦА)), мембранное и криогенное разделение.

Экономическая целесообразность применения мембранной технологии для производства кислорода

Кислородные установки находят широкое применение в различных технологических процессах практически во всех отраслях промышленности, в медицине и сельском хозяйстве. Это обусловлено сильными окислительными свойствами кислорода, например, способностью поддерживать процесс горения.

Кислородные установки получили очень широкое распространение в процессах металлообработки, сварки, резки и пайки. В химической, нефтехимической промышленности и нефтегазовом комплексе кислород в больших объёмах используется как окислитель в химических реакциях.

В кислородных установках используется явление селективной гетерогенной адсорбции кислорода из воздуха твердым адсорбентом.
Установки отличаются высокой надежностью, простотой и высокими технико-экономическими характеристиками.

Схема работы адсорбционной кислородной установки

Влияние температуры и давления

Методы получения из воздуха газообразного кислорода с помощью технологии адсорбции на сегодняшний день доведены почти до совершенства. Работа современной адсорбционной кислородной установки основана на том, что поглощение газа адсорбентом сильно зависит от температуры и парциального давления компонента газа.

Таким образом, благодаря изменению давления и температуры можно регулировать процессы поглощения газа и регенерации адсорбента.

Технологии короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Процесс работы кислородной установки устроен таким образом, что легко адсорбируемые компоненты смеси газа поглощаются адсорбентом, тогда как слабо адсорбируемые и неадсорбируемые компоненты проходят через установку. На сегодняшний день получили распространение три метода организации циклического безнагревного процесса адсорбционного разделения воздуха: напорные (PSA), вакуумные (VSA) и смешанные (VPSA). Для напорных схем кислород извлекают при давлении выше атмосферного, а стадия регенерации адсорбента протекает при атмосферном давлении. В вакуумных схемах кислород получают при атмосферном давлении, регенерация проводится при отрицательном давлении. Работа смешанных схем сочетает изменение давления от положительного до отрицательного.

Принцип работы мембран

В основе разделения газовых сред с помощью мембранных кислородных установок лежит разница в скоростях проникновения компонентов в газовой смеси через вещество мембраны. Процесс разделения обусловлен разницей в парциальных давлениях на различных сторонах мембраны.

Принцип работы мембранного картриджа

Современная газоразделительная мембрана представляет собой отнюдь не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно. Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Конструктивно половолоконная мембрана компонуется в виде цилиндрического картриджа, который представляет собой катушку с намотанным на неё особым образом полимерным волокном. Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна. Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях (до 6,5 MПа).

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану. Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов. Современный мембранный модуль, используемый в кислородных установках, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 500—700 квадратных метров волокна на один кубический метр картриджа, что позволяет минимизировать размеры кислородных установок.

Компрессорная и вакуумная технологии

Из-за высокой проницаемости вещества мембраны по кислороду, в отличие от азота, требуется специальный подход к проектированию мембранных кислородных комплексов. Принципиально существует две технологии получения кислорода с помощью мембран: компрессорная и вакуумная. В случае компрессорной технологии воздух под избыточным давлением подается в волоконное пространство, кислород выходит из мембраны под небольшим избыточным давлением, и, в случае необходимости, дожимается компрессором до нужного давления. При использовании вакуумной технологии в кислородной установке для создания разности парциальных давлений применяется вакуумный насос.

Преимущества адсорбционных и мембранных кислородных установок

В основе работы криогенных кислородных установок разделения воздуха лежит метод низкотемпературной ректификации, базирующийся на разности температур кипения компонентов воздуха и различии составов, находящихся в равновесии жидких и паровых смесей.
В процессе разделения воздуха при криогенных температурах между находящимися в контакте жидкой и паровой фазами, состоящими из компонентов воздуха, осуществляется массо- и теплообмен. В результате паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (компонентом, имеющим более низкую температуру кипения), а жидкая высококипящим компонентом.
Таким образом, поднимаясь по ректификационной колонне вверх, пар обогащается низкокипящим компонентом — азотом, а стекающая вниз жидкость насыщается высококипящим компонентом — кислородом.

Криогенный метод — единственный метод, который обеспечивает высокую чистоту продуктов разделения, что немаловажно при высоком коэффициенте извлечения и любом количестве продукта, что обуславливает высокую экономичность. При этом метод позволяет одновременно получать несколько продуктов разделения и получать продукты как в виде газа, так и в виде жидких продуктов. В данном случае, чем больше продуктов получается на выходе, тем эффективнее работает установка. Таким образом, криогенная технология обеспечивает более высокую гибкость технологии.

К недостаткам криогенных кислородных установок можно отнести более длительный, по-сравнению с адсорбционными и мембранными установками, пусковой период. В силу чего данный метод целесообразно применять для крупных стационарных комплексов большой производительности с длительным периодом непрерывной работы.

В Ставропольском крае в городе Невинномысск наладили производство кислорода для медучреждений. Ежедневно предприятие способно производить до восьми тонн, но долго хранить кислород нельзя.

Административное здание химического завода, на котором лицензировали производство медицинского кислорода

Работник химической и газовой промышленности

Сотрудник химического завода идёт по территории предприятия

Надпись на стекле автобуса

Медицинский кислород применяют в «красной зоне», для ингаляционной анестезии, при оказании первой медицинской помощи. Раз в три-четыре дня приезжает машина с бочкой, в которую закачивается медицинский газ.

Инженеры предприятия проводят визуальный осмотр цельности труб и оборудования

Работник завода проверяет давление в трубах, по которым подается кислород. Все работники должны иметь при себе противогаз, очки и обязательно носить каску

Инженер химической и газовой промышленности

Специальная одежда, обувь, очки и каски с противогазами выдаются каждому работнику предприятия. Все проходят технику безопасности и понимают, чем грозит беспечность на производстве

На территории химзавода курение категорически запрещено

Ёмкость для хранения кислорода рядом с производственным зданием. Из этой ёмкости заправляют автомобили, которые доставляют кислород в медучреждения

На производстве технический кислород производили всегда. Для того, чтобы запустить линию производства, персонал завода был обучен технологии, также была разработана документация, которая позволила внедрить фармацевтическую систему качества. Медицинский кислород должен быть с концентрацией от 99,5% до 99,9%. Все, что ниже, — это технический, дышать им категорически нельзя.

Лабораторное исследование на наличие примесей и количества кислорода в процентном соотношении

Лаборатория, в которой работники завода дают заключение: годен ли кислород для медицинских нужд или это технический кислород

Кислород хранится в специальной ёмкости, у него очень низкая температура. Каждая партия проверяется на наличие примесей и количество кислорода. Допускается не менее 99,5% кислорода

Чтобы получить кислород, нужно разделить атмосферный воздух при низких температурах. Путем низкотемпературной ректификации отделяют азот и аргон. Все происходит в одном из производственных корпусов завода.

В комнате с датчиками наблюдения и регистрации процесса производства кислорода операторы контролируют температурный процесс, следят за давлением, управляют производством кислорода

Пульт оператора, на котором отражены все данные в цифрах

Оператор управляет процессом производства медицинского кислорода на химическом заводе в г. Невинномысск, Ставропольский край

Комната, где находится оборудование для наблюдения за процессом производства кислорода. Оператор заправляет бумагу для записи показаний с датчика

В операторской следят за датчиками температур, давления, фиксируют показания, контролируют процесс разделения.

Работник лаборатории наполняет ёмкость жидким медицинским кислородом, взятым для определения количества кислорода

Во время работы с жидким медицинским кислородом необходимо соблюдать меры безопасности

Работники химзавода в лаборатории обсуждают результаты исследований

Работник завода в лаборатории записывает данные исследования

В заводской лаборатории кислород проверяют на отсутствие примесей, соответствие стандартам. Берут несколько литров из общего объема и пропускают через измерительный аппарат для анализа кислорода. Это система колб с медными пружинами, в которой по определенным признакам определяется количество кислорода.

Инженер контролирует закачку углекислого газа в ёмкость грузового автомобиля

Цех по производству углекислого газа

Ёмкость для транспортировки углекислого газа

Кроме медицинского кислорода, на предприятии также производят углекислый газ. Его используют в основном для газирования напитков.

Кислород
получают различными способами. Основными
явля­ются: химический способ, электролиз
воды и разделение воздуха путем глубокого
охлаждения.

Химический
способ получения кислорода основан на
свойствах некоторых веществ (бертолетовой
соли, перекиси бария и др.) вы­делять
в определенных условиях кислород.
Перспективным, но дорогостоящим является,
в частности, способ получения медицин­ского
кислорода, основанный на нагревании
брикетов, содержащих перекиси металлов
(оксилиты).

Получение
кислорода при помощи электролиза
основано на про­пускании постоянного
электрического тока через определенный
объем воды, в которую для повышения
электропроводности добав­ляется
щелочь. При прохождении через данный
раствор тока выде­ляются кислород и
водород в соотношении 1:2. Этот метод
требует большого количества электроэнергии,
поэтому он экономически невыгоден и
тем более неприменим в военной обстановке.

Для
полевых условий наиболее приемлемым
способом получе­ния кислорода является
глубокое охлаждение и последующее
раз­деление воздуха. Как известно,
воздух представляет собой смесь азота,
кислорода, углекислого газа, водяных
паров и других газов, не связанных между
собой химической связью. Фактически же
воз­дух можно рассматривать как смесь
азота (79%) и кислорода (21%), поскольку
остальных газов в нем содержится менее
1%, который не учитывается.

Технологически
процесс разделения воздуха заключается
в сле­дующем. Путем сжатия воздух
предварительно переводят в жидкое
состояние. Затем, используя различную
температуру кипения азота (минус 195,8°С)
и кислорода (минус 182,97°С) при давлении
1 кгс/см2 (0,1 МПа), путем многократного
испарения и конденса­ции жидкий воздух
разделяют на кислород и азот. Этот способ
получения кислорода наиболее экономичный,
вследствие чего он нашел применение не
только в промышленности, но и в полевых
условиях.

Газообразный
медицинский кислород не имеет запаха
и цвета и содержит не менее 99,5% обычного
кислорода. В нем не должно быть водорода
и вредных примесей (оксида углерода,
паров кислот и оснований, озона и других
газов).

Технические средства получения медицинского кислорода в полевых условиях. Автомобильная кислорододобывающая станция акдс-70м

Назначение.
Автомобильная кислорододобывающая
станция АКДС-70М предназначена для
получения медицинского кислорода и
азота в полевых условиях.

Получение
кислорода и азота на станции АКДС-70М
основано рассмотренном выше способе
глубокого охлаждения, сжижения и
разделения воздуха на основные составные
части.

Станция
может перерабатывать до 440 м/ч воздуха
и вырабатывать: жидкий кислород (70 кг/ч);
газообразный кислород (70 м3/ч); жидкий
азот (70 кг/ч); газообразный азот (100 м3/ч).

Кроме
того, предусмотрено одновременное
получение жидкого и газообразного
кислорода или жидкого и газообразного
азота. Станция АКДС-70М состоит из
компрессорной и технологической машин
с цельнометаллическими кузовами на
шасси автомобилей КрАЗ-257, вспомогательной
машины с кузовом под брезентовым тентом
на шасси автомобиля ЗИЛ-131, а также
электростанции ЭСД-200-ЗОТ/400М на шасси
автомобильного при­цепа МАЗ-522-4В.

Компрессорная
машина предназначена для получения
сжатого воздуха, поступающего на
разделение в технологическую машину,
в которой он осушается и очищается от
примесей, а затем произ­водится его
сжижение и разделение на кислород и
азот.

Вспомогательная
машина предназначена для обеспечения
стан­ции АКДС-70М расходными материалами,
а также для перевозки и хранения
различного оборудования при перебазировании.

Жидкий
кислород выдается станцией в резервуары
типа ТРЖК под давлением 0,7 кгс/см2 (0,07
МПа), а газообразный кислород или азот
– в баллоны под давлением 150, 230, 300, 400
кгс/см2.