制氧机工作原理

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分子筛制氧机设计

原理

赵鑫

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1.概述

分子筛式制氧机是指以变压吸附(PSA)技术为基础，从空气

中提取氧气的新型设备。其利用分子筛物理吸附和解吸技术

在制氧机内装填分子筛，在加压时可将空气中氮气吸附，剩

余的未被吸收的氧气被收集起来，经过净化处理后即成为高

纯度的氧气。具体工作过程为压缩空气经空气纯化干燥机净

化后，通过切换阀进入吸附塔。在吸附塔内，氮气被分子筛

吸附，氧气在吸附塔顶部被聚积后进入氧气储罐，再经除异

味、除尘过滤器和除菌过滤器过滤即获得合格的医用氧气。

2.制氧原理

2.1.吸附剂氧分子筛

分子筛是一种晶状铝硅酸盐，其原子按

一定的形状排列，基本结构单元是四个

氧阴离子围绕一个较小的硅或铝离子而

形成的四面体。钠离子或其它阳离子的

作用是补充铝氧四面体正电荷的不足。

四个氧阴离子的每一个，又都分被另一

个铝氧或硅氧四面体共用，使晶格作三

维延伸。晶格中暴露的阳离子使分子筛

具有更强的吸附能力，这些阳离子起着局部强正电荷格点的作用，对极性分子的阴端

进行静电吸引，分子的偶极矩越大，被吸引和吸附得越牢。在阳离子上的局部强正电

荷的影响下，分子会受到电磁感应而产生偶矩。氧和氮都具有四极矩,但氮的四极矩

（0.3ã）比氧（0.1ã）比大得多。因此，氮原子与阳离子之间的作用力较强，而被优

先吸附。当有压力时，分子筛会吸附较多的氮原子；当减压时，分子筛会将吸附的氮

原子释放出来（称为解吸）。

家庭制氧用分子筛一般用13X（NaX）型和5A（CaA）型。13X的氧气吸收率为47%，

5A的氧气吸收率为54%。还有更高吸收率的CaX型（71%）、LiX型（82%），但成本太

高。

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2.2.微型PSA吸附工艺

是一种加压吸附常压解吸制氧工艺，因耗电量高，适用于小型制氧装置。又分为产品

气压低于0.2MPa及高于0.2MPal两种工艺流程。

家庭制氧采用气压低于0.2MPa的吸附工艺，其工作原理框图如下：

工作原理

如上图所示，采用Skarstrom循环两床（即两个分子筛塔）制氧机形式，工作过程如

下:

空气经过滤器进入压缩机,压缩空气通过旋转分离阀进人吸附器A、B进行吸附分离，

控制系统控制分离阀改变吸附周期，以及分配进气和排气流动方向。以过程中一个循

环为例（见图2），压缩空气进人吸附器A，此时旋转阀门FA1、FA2打开，FB1、FB2

关闭，空气中的氮气被吸附到吸附器内的分子筛中，氧气通过吸附器顶端三通流出，

一部分用于反吹处于解吸状态的吸附器B，另一部分经过精筛塔和流量计输出。当吸

附器A中分子筛达到吸附饱和临界状态前，控制器将阀门FA1、FA2关闭，FB1、FB2

打开，见图3，进气被切换到吸附器B，同时对吸附器A减压解吸，解吸气（废气富

氮）经分离阀排出。吸附器B工作过程同吸附器A完全相同，二者交替工作完成连续

生产氧气。

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2.3.微型静音无油空气压缩机

静音无油空压机属于微型往复式活塞式压缩机。电机单轴驱动压缩机曲轴旋转时，通

过连杆的传动，具有自润滑而不添加任何润滑剂的活塞便做往复运动，由气缸内壁、

气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气

缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进

气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机的活塞

反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气

压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。

当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。即：活塞式压缩机的曲

轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个

工作循环。单轴双缸的结构设计使压缩机气体流量在额定转速一定时为单缸的两倍，

而且在振动噪音控制上得到了很好的控制。

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2.4.制氧流程图

3.主要物料

3.1.制氧模块

沸石分子筛、无油压缩机、旋转分离电磁阀、散热器。

3.2.控制模块

PCB板、单片机、LCD、流量计。

3.3.外壳

ABS塑料、脚轮。