制氧机的工作原理

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1、分子筛简介

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔

穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和

饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及

沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。由于分子筛具有吸

附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，使得分子筛获得广泛的应用。

分

子

筛

结构图

2、制氧分子筛

5A小型制氧分子筛是一种特制的5A分子筛，是专为医疗保健制氧机而生产的，该

分子筛具有制氧纯度高、速度快、使用寿命长的特点，是5A分子筛在医疗保健行业的

一个重要应用。

化学式：4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·2SiO2

硅铝比：SiO2/Al2O3≈2

有效孔径：约5A

应用：除具有一般5A分子筛的特性外，主要用于变压吸附制氧。

3、小型分子筛制氧机的发展历程

1962年美国联合碳化物公司（UCC）发现了分子筛对气体的选择性特性，并在实验设备

上实现了对少数不同气体的分离；随即研制成功了世界上第一台制氢工业装置；随着分子筛

材料与工艺的不断提升，70年代中期美国和德国首先将PSA技术应用于空气分离并在化工领

域得到应用，到80年代中期化学工业的发展为分子筛的性能提高起到了关键作用，这使设备

小型化成为可能，1985年美国的Praxair公司研制的第一台小型制氧机的问世标志着PSA技

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术小型化的开始，90年代初产品意义上的医用小型制氧机开始出现，美国材料实验学会

（ASTM）于1993年颁布了医用小型制氧机标准规范（F1464-1993），国际标准组织于1996

年发布了医用小型制氧机的安全性标准（ISO8359：1996）。

目前我国只有国家药品管理局颁布的《YY/T0298—1998医用分子筛制氧设备通用技术规

范》，还没有相应的与国际接轨的医用小型制氧机行业或产品标准。

美国《F1464—1993》标准及国际标准《ISO8359：1996》两个标准的一个共同特点是对制

氧机做了以下几点强制性规范，而我国《YY/T0298—1998》则没有强制性要求：

A.产品必须设计有不可更改的累计计时功能。

B.产品必须设计有氧浓度监控系统。

C.产品在整个使用过程中氧浓度不得低于某一安全值，美国《F1464-1993》标准为85，国

际标准《ISO8359：1996》为82，我国只对新机出厂作了要求，并未对使用过程中的氧浓度

安全值作要求。

4、分子筛制氧机的工作原理：

小型变压吸附制氧系统采用5A沸石分子筛为吸附剂，5A沸石分子筛的晶体是笼型结构，

有非常发达的晶穴，在晶穴中具有非常强的阳离子和氧负离子，构成了极性极强的极性分子

筛，而氧和氮是非极性分子，当氧氮通过5A极性分子筛时，在极性分子作用下，氧氮产生了

诱导偶极，而氧氮的诱导偶极和5A沸石分子筛的极性作用产生一种诱导力，而容易极化的氮

产生的诱导力远远大于氧产生的诱导力，因此5A沸石分子筛对氮的吸附容量大于对氧的吸附

容量，所以氮被5A沸石分子筛优先吸附而富集于分子筛的固相中，氧富集于非固相中，这就

是氧的产品气。5A沸石分子筛具有加压时

对氮的吸附容量增加，减压时吸附容量减少

的特点，因此可采用对5A沸石分子筛加压

时吸附氮，减压时氮从分子筛中解吸出来的

方法来实现变压吸附的方法制氧。

在极性分子和非极性分子之间，由于

极性分子偶极所产生的电场对非极性分子

发生影响，使非极性分子电子云变形(即电子

云被吸向极性分子偶极的正电的一极)，结果

使非极性分子的电子云与原子核发生相对

位移，本来非极性分子中的正、负电荷重心是重合的，相对位移后就不再重合，使非极性分

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子产生了偶极。这种电荷重心的相对位移叫做“变形”，因变形而产生的偶极，叫做诱导偶极，

以区别于极性分子中原有的固有偶极。诱导偶极和固有偶极就相互吸引，这种由于诱导偶极

而产生的作用力，叫做诱导力。

同样，在极性分子和极性分子之间，除了取向力外，由于极性分子的相互影响，每个分子

也会发生变形，产生诱导偶极。其结果使分子的偶极矩增大，既具有取向力又具有诱导力。

在阳离子和阴离子之间也会出现诱导力。

诱导力的大小与非极性分子极化率和极性分子偶极距的乘积成正比。

PSA变压吸附制氧技术原理--常压解吸（Oxygengeneratorbypressureswingadsorption）

压缩空气经空气预处理系统除去油、尘埃等固体杂质及大部分的气态水,分别进入装有沸

石分子筛的氧氮分离单元，空气中的氮气、二氧化碳、水蒸气被分子筛选择吸附，氧气则穿

过氧氮分离单元富集作为产品气体。当氧氮分离单元内分子筛接近吸附饱和时，压缩空气进

入另一只已再生后的分子筛塔继续吸附产氧，吸附饱和的分子筛塔则通过向大气压排气泄压

并引入部分产品氧气对分子筛床层清洗，使吸附饱和的分子筛解吸再生，以期为下次吸附做

准备。由并联或者串联组成多个氧氮分离单元在PLC或DCS系统的控制下循环切换完成连续

产氧，即所谓常压解吸变压吸附制氧。

5、PSA变压吸附空分制氧工艺：

常用的PSA制氧工艺一般都包括以下几步,吸附、放空、冲洗、均压与充压。目前有采

用两床PSA、三床PSA、四床PSA以及真空变压吸附(VacuumSwingAdsorption,简称VSA)

工艺。根据吸附床层再生条件不同又可以分为常压再生和真空再生,后者即通常所说的真空变

压吸附(VSA)。下面介绍吸附工艺的特点。

两床PSA:最早使用两床PSA的是1960年Skarstrom[6]在他的一篇专利中提到的,称

为Skarstrom循环,主要用于干燥空气。两床PSA的流程图见图1,当第一个吸附器进行吸附

时生产出氧气,第二个吸附器放压,使吸附器得到再生,然后用一部分产品气进行吹扫床层,

再进行充压至吸附压力,这样完成一个循环。

优点是工艺流程简单,容易操作。缺点是不能

连续得到产品氧气,要获得稳定的氧气产品

气流,必须使用缓冲器。

PSA制氧机的工艺流程比较简单,空气经

由鼓风机1由塔底进入吸附塔2,这时空气中

的氮、水份、二氧化碳、碳氢化合物等被塔内

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的吸附剂(分子筛)吸附,氧气则由塔顶的管道输入氧气缓冲罐11备用,当塔2中的吸附质达到

一定的饱合度时,切换阀4、6、8自动关闭,切换阀5、7、9自动开启,吸附塔3开始工

作,吸附塔2则通过真空泵减压将吸附质脱附排出,吸附剂恢复吸附能力。如此两塔(或多塔)

进行周期切换,即可连续不断的获得所需氧气。若需提高氧气使用压力或进行储备,则需在氧

气缓冲罐后加装氧压机12和储氧罐13。以上过程均通过程控系统指令自动运作,稳定而又可

靠。

6、分子筛制氧机的特性：

分子筛制氧是一种成熟的新技术，医用专业型制氧机的氧疗效果与医用钢瓶氧、中心供氧

的氧疗效果完全一样，九十年代初早已通过欧美等发达国家的临床试验，（有兴趣的可以简

单地做一个血氧饱和度对照试验。）它具有以下几个鲜明的特点：

1.使用简便、安全：只需按下电源开关，插上吸氧管就可以吸氧，无高压爆炸危险（最高

压力小1kg/cm2），特别适合中老年人使用。

2.可以长时间连续不停地供氧。

3.是迄今为止，长期家庭氧疗最经济的一种供氧方式，综合成本最低。假如氧流量设定为

2升/分钟，24小时连续不停地供氧2年，使用钢瓶供氧的费用约为2元/小时；使用分子筛制

氧机供氧的费用约为元/小时（购机费用+使用费）。

4.直接从空气中提取氧气，即制即用、新鲜自然。

7、选购分子筛制氧机的注意事项：

1.产品性能：分子筛制氧机不是普通的家电，而是医疗器械，评判其产品的标准首要一条

是性能的优劣。氧浓度是否稳定可靠是评判产品性能最根本最主要的标准。不同档次的产品

功能基本相同，但性能区别很大，价格悬殊较大。（性能不稳定、不可靠的产品，不管其售

价有多低，都是最昂贵的，甚至是有害的。）

2.售后服务：分子筛制氧机是一种机器设备，售后服务非常重要。选购时不要轻信销售人

员的承诺，建议考虑以下几点：

a.考察制造商：主要考察制造商的综合实力、技术研发能力及品牌含金量，一般情况下，

综合实力雄厚、技术研发能力强、产品质量上乘、人性化设计程度高的公司才能在激烈的市

场竞争中越来越强大，只有制造商强大，其售后服务才能有最根本的保证；

b.考察其产品设计：正规的产品在设计时就考虑了售后服务。

c.考察其具体服务措施：如是否有专门的服务中心、是否上门服务、服务措施是否周到到

位、是否考虑到产品特性及使用者状况、是否提供主动的机器性能检测与保养等。

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3.不仅要关注新机的性能，更要关注整个使用过程中机器的性能是否稳定可靠，这一点至

关重要，但往往被很多人忽视：

一般情况下，不同品牌的产品新机出厂时都能达到或接近国家标准，但使用一段时间后，

氧浓度是否稳定可靠，区别很大。因此选购时更要关注产品设计及服务措施等方面是如何保

证整个使用过程中的性能稳定可靠，一般来说，技术实力雄厚的公司会充分运用各项领先技

术，对机器性能全方位监控，以让顾客放心吸氧；

4.考察产品的人性化设计：一般来说，技术实力雄厚，对消费者真正负责任的公司会在尽

量保证机器性能稳定的基础上，充分运用领先的设计理念及各种技术手段让使用者操作简便，

并能直观了解机器运行状态，以放心、舒适吸氧。

8、使用分子筛制氧机注意事项：

由于分子筛制氧机是以空气为原料，空气温度、湿度及灰尘含量等对机器性能有一定的影

响，建议放置在室内或阳台上使用，不要直接放在室外使用。直接放在室外使用，空气中灰

尘多，温、湿度变化大，会影响到机器的性能及使用寿命；

PSA空分制氧使用的吸附剂一般为分子筛,特别是5A沸石分子筛。由于N2、O2分子

的偶极矩不同,N2分子的偶极矩大于O2的偶极矩,吸附剂中的阳离子与N2的作用力大于

O2,使得N2的平衡吸附容量高于O2,在中、低压(如016MPa)下分子筛优先吸附氮气,而达

到分离氮、氧的目的。然后通过降压将吸附的氮气从吸附剂中解吸出来,达到吸附床层的再生。