基于变压吸附技术的连续不间断制供氧装备研究

发布时间：2017-07-04 09:15

  本文关键词：基于变压吸附技术的连续不间断制供氧装备研究

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【摘要】：氧气是参与人体生命活动的关键物质。人体通过呼吸从外界获取需要的氧气,并参与体内生物的氧化作用,为人体提供能量。缺氧可导致人体新陈代谢功能障碍,严重时甚至会威胁生命。及时补充氧气能有效提高危重病人救治率、降低伤死率,加速体弱病人身体康复速度,同时氧疗也是对一些呼吸系统疾病、心脑血管系统疾病、高原反应与高原病等疾病的一种有效治疗方法,此外日常生活的氧保健也可快速消除机体疲劳,提高识别能力。在灾害救援及战时伤病员的救治都需要大量的呼吸用氧气。氧气可通过制氧装备现场制备,并通过供氧装备输送供给。制供氧技术包括氧气制备技术和氧气增压技术。目前,常用的制氧技术为变压吸附法,它是一种以空气为原料,以电力为动力,通过分子筛的吸附分离作用可连续不间断制备氧气的技术,广泛应用于中小型制氧系统。氧气增压技术主要为活塞式气体增压技术,是一种压力范围广,增压效率高,适应能力强的连续不间断氧气增压技术。现有的制供氧装备主要有模块化制供氧装备、组合化制供氧装备和一体化制供氧装备,能满足一般的用氧需求,但是大多数功能单一,不能满足灾害救援及战时既可制得直供呼吸的常压氧气又可增压供呼吸机、麻醉机用氧的需求。本研究基于变压吸附制氧技术和活塞式氧气增压技术,建立了制供氧集成技术工艺流程,采用机电一体化设计和可编程逻辑控制器控制技术,进行了制供氧装备的结构布局设计和优化分析以及自动控制系统设计,研制出连续不间断制供氧装备。建立的连续不间断制供氧集成工艺流程包括制氧单元、供氧单元和控制单元三个功能单元。制氧单元由空压机、吸附塔、缓冲罐和其他组件组成,实现了空气中氧氮的分离,生产制备出常压氧气,可直接输出供人呼吸使用,也可输送给供氧单元进行增压输送用。供氧单元由增压泵、缓冲罐和其他组件组成,把制氧单元制备的氧气增压,供呼吸机、麻醉机使用。控制单元由可编程逻辑控制器、AD模块、人机界面和其他组件组成,实现了监控和管理整机运行的功能。采用可编程逻辑控制器自动控制技术和人机界面技术,设计了制供氧装备的控制系统。可编程逻辑控制器接收AD模块接受的传感器信号,通过人机界面实现人机交互,并输出控制信号。依据控制原理建立制供氧控制流程,选型可相互兼容的可编程逻辑控制器、AD模块、人机界面和各种传感器。通过对可编程逻辑控制器和人机界面进行软件编写设计,实现了可编程逻辑控制器的I/O地址规划,接线端子定义和安全报警设置,以及人机界面的用户界面设计和参数的正确显示。制供氧装备的控制系统实时监控制供氧装备的运行状况和氧气的流量、浓度、压力等参数,可独立处理安全事件,实现人机交互,确保整机安全稳定地连续不间断运行。通过对吸附塔、空压机、增压泵和缓冲罐等制供氧装备主要元器件的选型,采用SolidWorks软件对制供氧装备进行布局设计和整机结构设计,选用304不锈钢作为框架、托架和面板材料,生产制造出制供氧装备。装备的外部尺寸为537×709×880mm,整机质量为91kg,电源为AC220V/50Hz,功率为650W(制氧)/900W(制供氧)。为保证制供氧装备的稳定性及安全性,应用ANSYS软件分别对整机框架和空压机、吸附塔、增压泵、缓冲罐托架进行了静力学分析,分析结果显示,框架最大应力为30.595MPa,远小于304不锈钢材料的屈服强度,最大变形为0.12211mm,变形程度很小。空压机、吸附塔、缓冲罐托架的最大应力分别为25.2MPa、28.02MPa、0.15MPa,均小于304不锈钢材料的屈服强度,最大变形分别为0.043mm、0.33mm、0.0001mm,均不影响正常使用。另外,为避免共振对重要元器件印制电路板造成损害,对印制电路板进行了模态分析,将固定方式由四角固定改为三边固定,提高了前六阶固有频率,特别是一阶频率由50.584Hz上升至203.65Hz,抗震性能显著提高,完全满足工作需求。为进一步研究制供氧装备的性能,对制供氧装备的制氧性能和供氧性能进行了分析检测。制氧性能分析结果显示,开机时间为3min时,产氧浓度即可上升到90%,说明开机性能良好;随着运行时间的增加,产氧流量维持在8.6L/min,产氧浓度维持在90.8%,并保持稳定。事实上,产氧浓度与产氧流量和收率有关,产氧浓度随产氧流量的增加而减小,随收率的增加而减小,且当收率超过35%以后,产氧浓度减小的趋势明显增大。供氧性能分析结果显示,供氧压力、供氧流量和供氧浓度随运行时间的增加基本保持不变,供氧压力为0.38MPa,供氧流量为8.9L/min,供氧浓度为93.8%,供氧性能稳定。采用变压吸附制氧技术和活塞式氧气增压技术研制的制供氧装备能够连续不间断生产制备常压氧气,直供人直接呼吸使用,也可将制得的氧气连续不间断增压供呼吸机、麻醉机使用,可替代氧气瓶供氧,性能稳定,安全可靠,可车载,也可独立使用,既可用于灾害救援及战时使用,也可用于平时基层医疗机构使用,具有广阔的应用前景。
【关键词】：氧气 变压吸附 活塞式气体增压 可编程逻辑控制器 人机界面
【学位授予单位】：中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.6
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-25
• 1.1 课题研究的背景和意义10-11
• 1.1.1 课题背景10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-23
• 1.2.1 氧气制备技术11-15
• 1.2.2 氧气增压技术15-16
• 1.2.3 制供氧装备16-23
• 1.3 存在问题23-24
• 1.4 主要研究内容24-25
• 第二章 制供氧技术研究25-35
• 2.1 变压吸附平台建立25-28
• 2.1.1 分析仪器25
• 2.1.2 实验内容25
• 2.1.3 实验装置25-27
• 2.1.4 工艺时序27-28
• 2.2 变压吸附制氧性能的影响因素28-31
• 2.2.1 吸附时间28-29
• 2.2.2 均压时间29-30
• 2.2.3 产氧流量30-31
• 2.3 活塞式气体增压技术31-32
• 2.4 不间断制供氧集成工艺流程的建立32-33
• 2.4.1 设计依据32
• 2.4.2 不间断制供氧集成工艺流程32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 制供氧装备控制系统设计35-47
• 3.1 控制原理及控制流程35-37
• 3.1.1 控制原理35
• 3.1.2 控制流程35-37
• 3.2 主要硬件选型及软件设计37-40
• 3.2.1 可编程逻辑控制器37-38
• 3.2.2 AD模块38-39
• 3.2.3 人机界面39-40
• 3.2.4 传感器40
• 3.3 软件设计40-46
• 3.3.1 可编程逻辑控制器设计40-42
• 3.3.2 人机界面设计42-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 制供氧装备结构设计及模拟分析47-64
• 4.1 主要元器件选型及设计47-51
• 4.1.1 吸附塔47-48
• 4.1.2 空压机48-49
• 4.1.3 增压泵49-50
• 4.1.4 缓冲罐50
• 4.1.5 连接管路50-51
• 4.2 整机结构布局设计51-55
• 4.2.1 整机结构布局51-52
• 4.2.2 外观布局52-53
• 4.2.3 样机的制备53-55
• 4.3 力学分析55-63
• 4.3.1 框架静力分析55-58
• 4.3.2 托架静力分析58-59
• 4.3.3 印制电路板模态分析及优化59-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第五章 制供氧装备性能分析64-70
• 5.1 制氧性能分析64-68
• 5.1.1 产氧浓度64-65
• 5.1.2 产氧流量65-68
• 5.2 供氧性能分析68-69
• 5.3 本章小结69-70
• 第六章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 参考文献72-75
• 论文发表及科研情况说明75-76
• 致谢76

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