环境温度对分子筛制氧机制氧性能的影响研究

赵智军，朱 浩，张 红

（1.合肥同智机电控制技术有限公司，安徽合肥 230088；2.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻合肥地区军事代表室，安徽合肥 230088）

高原环境恶劣有损身心健康已成为国内外科学界的普遍共识。例如海拔4 000m以上高原地区，由于气压低、空气稀薄，导致肺结核、肺水肿、肝炎等发病率更高。在医疗实践中，吸氧是患者急救、维持生命的重要手段[1]。

随着分子筛变压吸附制氧技术在大型化、微型化和高浓度3个方向的发展，越来越多的分子筛制氧机得到开发，广泛应用于医疗救治、车载供氧、机载供氧、民用氧疗、高原补氧等领域[2]。不同的制氧方法中，变压吸附法制氧是十分经济、可靠和灵活的制氧方式。对于分子筛制氧机，其应用的地域广泛要求产品的使用环境温度从-40~60℃，在此范围内分子筛制氧机的制氧性能变化直接影响产品的使用。为此，探究不同环境温度下分子筛制氧机的制氧性能变化，对于分子筛变压吸附制氧技术的提升和分子筛制氧机产品的改进及使用具有现实的意义。

1 制氧方法分析

1.1 制氧方法

目前，常用的制氧方法主要分为物理法和化学法。其中，化学法因安全性低、能耗高，在制氧工程领域应用较少；物理分离法主要有3种：深冷法、膜分离法、变压吸附法。物理分离法均是利用空气中各组分气体物理性质不同，采用吸附、膜分离等方法从空气中分离出氧气、氮气。

化学法制氧主要原理是采用固体化学产氧剂，通过化学反应产氧。深冷法制氧主要原理是利用空气中氮气、氧气的沸点不同，利用沸点低的氮相对于氧容易气化的特性，实现氮、氧的分离。膜分离法制氧主要原理是利用膜对氮气和氧气的渗透性不同，氧气较氮气容易透过，从而实现氧、氮的分离。变压吸附法是在一定压力下，分子筛对气体组分的吸附性不同分离氮气和氧气。

1.2 变压吸附法分析

变压吸附法气体分离技术最早在20世纪60年代开始应用于分离空气制取氧气、氮气，其机理是在一定的温度下，根据不同气体在同一分子筛上的吸附压力下的吸附量不同，通过改变压力参数，将不同气体进行分离的循环过程。

变压吸附法中有两个关键技术：一是高效吸附剂的开发；二是频繁开关的阀门可靠性和灵活性的提高。随着分子筛吸附性能的提高及吸附塔工艺的不断完善，变压吸附法在中小型和微型空分装置中的应用越来越广泛。目前市场上医用分子筛制氧机、车载制氧机、民用氧疗机等制氧产品均采用该方法。

变压吸附法由于吸附循环周期短，吸附解析产生的热量相当，分子筛塔温度变化较小。因此，变压吸附又称为常温吸附，即变压吸附是在等温条件下，利用气体组分的分压变化来改变分子筛的吸附容量。分子筛制氧机的最佳工作温度为5~40℃，当制氧机工作所处的环境温度偏离分子筛的最佳吸附温度范围时，制氧性能会受到影响。其中，主要影响因素为分子筛吸附解析受环境温度影响。研究表明[2]：温度对分子筛的影响包括不同温度下分子筛对氮气的吸附量的影响和不同温度下分子筛解析水分的能力。从分子筛的吸附特性可知，不同温度下，分子筛对氧气的吸附容量也有差异。

2 实验及结果分析

2.1 实试验方案

为了进一步探究环境温度对分子筛制氧机制氧性能的影响，选用某型额定制氧量为3L的分子筛制氧机，对其在高温、低温和常温环境温度下进行性能指标测试，通过测试产品气氧浓度，探究分子筛制氧机受环境温度的影响。选取的3L分子筛制氧性能参数见表1。

表1 制氧机性能参数

2.2 试验方法

将分子筛制氧机置于高低温试验箱，试验箱型号为GDJS-010，温度控制为-70~150℃，控温精度为±2℃，通过高低温试验箱模拟产品工作温度，将产品的进气和排气均置于试验箱内，通过流量计控制产品气输出为额定制氧量3L/min，从而便于氧浓度的对比分析，从产品的出氧口取一路产品气至试验箱外测氧仪，通过流量控制阀控制此路输出流量为0.5L/min，以最大限度减少内外气体流动对试验箱内环境温度的影响。采用氧浓度仪测试产品气氧浓度，氧浓度仪型号为OX-100，精度为1%。采用以下方案对分子筛制氧机的制氧性能进行测试。

方案1。探究不同温度下，分子筛制氧机的性能变化：分别设置试验箱内的温度为-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，在不同温度下保存4h，产品开机，在额定制氧量下，工作3min和60min时，测试产品气氧浓度，对比不同温度下制氧性能的变化。

方案2。研究不同温度下，分子筛制氧机连续工作的性能变化：分别设置试验箱内的温度为-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃，在不同温度下保存4h，产品开机连续工作，在3min、10min、20min、30min、40min、50min、60min测试产品气氧浓度，对比同一温度下制氧性能的变化。

2.3 实验结果及分析

2.3.1 不同温度下，分子筛制氧机制氧性能的变化

按照方案1，得到-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃温度下，产品工作3min和60min时的氧浓度值，其测试结果如图1和图2所示。

图1 不同温度下分子筛制氧机产品气氧浓度的变化

图2 不同温度下分子筛制氧机连续工作产品气氧浓度的变化

由图1可知，在实验探究的温度范围内，随着环境温度的提高，产品气氧浓度的变化趋势是先逐渐增加，而后基本平缓，最后逐渐下降。低温阶段（-40~0℃），分子筛制氧机的产品气氧浓度随工作环境温度的升高而增加；常温阶段（0~30℃），产品气氧浓度无明显变化；高温阶段（30~60℃），产品气氧浓度随工作环境温度的升高而降低。由此可以看出，高温和低温下，分子筛制氧机的产品气氧浓度均下降。分析认为：随着环境温度的提高，分子筛吸附剂对氮气和氧气的饱和吸附量降低，其结果是在制氧量不变的情况下，氧浓度有降低的趋势；而环境温度的提高会导致进入分子筛塔内部的气体温度升高，氮气和氧气分子的热运动速度加快，从而使分子扩散速率提高，其结果是吸附和解吸的速度加快，进而影响所制取的产品气氧浓度，有提高产品气浓度的趋势。这两种因素的综合影响结果是分子筛制氧机工作温度有一个最佳范围，处于该温度范围，产品气氧浓度达到最高值，偏离最佳吸附温度范围，产氧能力下降。

对比3个阶段的曲线变化可以看出，低温较高温对分子筛制氧机的产氧能力影响更大，这说明，分子筛的吸附等温线斜率随温度不是线性变化关系，达到一定温度时，分子筛的饱和吸附量下降速率加快。低温下，分子筛对氮气和氧气的吸附能力增加，两种气体均难以解吸，分子筛有效吸附表面积减少，从而导致分离效率降低，产氧浓度下降更多。

对比不同温度下，分子筛制氧机工作3min和60min的氧浓度曲线可以看出，在低温阶段，产品工作时间越长，氧浓度越高，连续工作60min较工作3min，氧浓度平均提高14.2%；在高温阶段，产品工作时间越长，氧浓度降低，连续工作60min较工作3min，氧浓度平均平均降低2.3%。这是由于分子筛制氧机工作过程中，压缩机产生热量，整机内部温度升高，从而出现低温下随着产品工作时间的增加，氧浓度提高，高温下随着产品工作时间的增加，氧浓度降低现象，且低温环境对分子筛制氧机的制氧性能影响更大。

2.3.2 不同温度下，分子筛制氧机制氧性能随工作时间的变化

按照方案2，得到-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃温度下，产品连续工作3min、10min、20min、30min、40min、50min、60min时的氧浓度，其测试结果如图3所示。由图3可知，在实验探究的温度范围内，分子筛制氧机连续工作，制氧性能受环境温度影响。低温下（-40℃、-20℃），分子筛制氧机的产品气氧浓度随工作时间的增加而增加；常温下（0℃、20℃），产品气氧浓度随工作时间无明显变化；高温下（40℃、60℃），产品气氧浓度随工作时间的增加而略有降低。由此可以看出，高温和低温下，产品长时间工作，其制氧性能均受到影响。由此可知：对于分子筛制氧机，应尽量控制在常温环境下使用，此时制氧性能能够得到保证；当环境温度较低时，可通过减少其外部散热或延长开机工作时间来提高制氧浓度；当环境温度较高时，需要增加其散热通风效果来保证制氧浓度。通过将产品工作环境温度控制在合适的范围内来保证制氧性能满足使用要求。

图3 不同温度下分子筛制氧机连续工作产品气氧浓度随时间的变化

3 结论

1）通过高低温试验箱模拟高低温环境，探究了环境温度变化对分子筛制氧机制氧性能的影响及其变化规律。

2）不同环境温度下，分子筛制氧机的制氧性能发生变化，氧浓度随着环境温度的增加先增加后减少，有一个最佳温度范围。

3）分子筛制氧机在高温和低温环境下，其制氧性能均下降，且低温环境对氧浓度的影响大于高温环境。

4）分子筛制氧机在高低温环境下长时间连续工作时，其制氧性能会发生变化，低温环境下，氧浓度平均提高14.2%，高温环境下，氧浓度平均降低2.3%，低温环境下长时间工作有助于提高产品氧浓度。