ما هو مبدأ العمل لمولد الأكسجين؟

بالنسبة لأي شخص يحتاج إلى إمدادات موثوقة من الأكسجين المركّز ، سواء للاحتياجات الطبية في المنزل ، أو في بيئة سريرية ، أو للتطبيقات الصناعية ، فإن فهم الجهاز الذي يجعله ممكنًا أمرًا بالغ الأهمية. ال مولدات الأكسجين ، غالبًا ما يطلق عليه مركّز الأكسجين في السياقات الطبية ، هو قطعة هندسية رائعة تؤدي إنجازًا سحريًا على ما يبدو: إنه يتطلب الهواء أن نتنفسه ونحوله إلى غاز حيوي وعالي النقاء. ولكن كيف ينجز هذا دون عمليات كيميائية معقدة أو خزانات تخزين ضخمة؟

سوف هذه المقالة إزالة الغموض عن الأعمال الداخلية لمولد الأكسجين. سوف نستكشف المبادئ العلمية الأساسية ، والتقنيتان الأساسيتان المستخدمتان ، والمكونات الرئيسية التي تجعل هذه الأجهزة فعالة وموثوقة. هدفنا هو توفير شرح واضح ومتعمق لعملية توليد الأكسجين.

المؤسسة: ما في الهواء الذي نتنفسه؟

قبل أن نتمكن من فهم كيفية عمل مولد الأكسجين ، يجب أن ننظر أولاً إلى المواد الخام: الهواء المحيط. الهواء الطبيعي هو مزيج من الغازات ، يتكون في المقام الأول من:

النيتروجين (N₂): حوالي 78 ٪

الأكسجين (O₂): حوالي 21 ٪

الأرجون وغيرها من الغازات النزرة: ~ 1 ٪

و وحدة تركيز الأكسجين لا يخلق الأكسجين. إنه يفصله عن النيتروجين والغازات الأخرى ، وهو "تركيز" الأكسجين إلى مستويات النقاء بشكل فعال بين 90 ٪ و 95 ٪. هذه العملية إنتاج الأكسجين في الموقع هو أكثر أمانًا وأكثر كفاءة من الاعتماد على خزانات الأكسجين عالية الضغط أو الأكسجين السائل المبرد.

التقنيات الأولية: PSA وفصل الغشاء

هناك نوعان من التقنيات المهيمنة المستخدمة في أنظمة توليد الأكسجين : امتزاز الضغوط المتأرجحة (PSA) وتكنولوجيا الغشاء. يعد PSA إلى حد بعيد هو الأكثر شيوعًا ، خاصة بالنسبة للأوكسجين الطبي ، في حين أن فصل الغشاء يستخدم غالبًا لتطبيقات صناعية محددة.

امتصاص التأرجح (PSA): معيار الصناعة

ال مولد الأوكسجين PSA هو العمود الفقري للصناعة ، الموجود في كل شيء من الأجهزة الطبية المنزلية إلى واسعة النطاق أنظمة توليد الأكسجين الصناعي . تشغيلها هي دورة مستمرة من الضغط والاكتئاب ، وتستفيد من خاصية مادية لبعض المواد.

المفهوم الأساسي: المناخل الجزيئي

قلب نظام PSA عبارة غربال الجزيئي زيوليت . هذه المادة لها خاصية حاسمة: بنيةها البلورية مليئة بالمسامات الصغيرة التي لها تقارب قوي لجزيئات النيتروجين.

عندما يتم إجبار الهواء المضغوط من خلال هذه المادة ، يتم احتجاز جزيئات النيتروجين (الممتصة) داخل المسام. جزيئات الأكسجين وجزيئات الأرجون وغازات النزرة الأخرى كبيرة جدًا أو لديها قطبية خاطئة بحيث لا يمكن امتصاصها بسهولة ، بحيث تمر عبر السرير الغربال. والنتيجة هي تيار من الأكسجين المركّز الذي يخرج من النظام.

ومع ذلك ، فإن مادة الزيوليت يمكن أن تحمل الكثير من النيتروجين فقط. بمجرد أن تصبح مشبعة ، يجب تنظيفها أو تجديدها. هذا هو المكان الذي يأتي فيه جزء "تأرجح الضغط" من الاسم.

انهيار خطوة بخطوة لعملية أكسجين PSA

يستخدم نظام PSA النموذجي برجين أو أعمدة مملوءة بالزيوليت. في حين أن عمودًا ينتج الأكسجين بنشاط ، يتم تجديد الآخر. يضمن هذا التناوب تدفقًا مستمرًا دون انقطاع من الأكسجين.

الخطوة 1: المدخول والضغط

يتم رسم الهواء المحيط إلى الجهاز من خلال مرشح السحب ، والذي يزيل الغبار والجسيمات. ثم يضغط ضاغط الهواء الداخلي على هذا الهواء المصفى إلى الضغط المطلوب ، وهو أمر ضروري لعملية الامتزاز للعمل بكفاءة.

الخطوة 2: إدارة ما قبل التبريد والتكثيف

ضغط الهواء يولد الحرارة. يتم تمرير الهواء الساخن المضغوط من خلال مبادل حراري لتبريده إلى درجة حرارة مثالية حتى يعمل الزيوليت. كما أنه يسافر عبر غرفة فصل أو فخ ماء لإزالة أي رطوبة (بخار الماء) الذي كان في الهواء ، حيث يمكن أن يضر الماء بمواد الغربال. هذه خطوة حاسمة في تقنية مركبة الأكسجين .

الخطوة 3: عملية الامتزاز (البرج الأول)

يتم توجيه الهواء البارد والجاف والمضغوط إلى برج السرير أول غربال. عندما يمر الهواء عبر الزيوليت ، يتم امتصاص جزيئات النيتروجين بسرعة على سطح المادة. يتدفق تيار من الغاز الذي يبلغ الآن 90-95 ٪ من الأكسجين ، مع الباقي في الغالب الأرجون وجزء صغير من النيتروجين غير الممتاز ، من أعلى البرج. ثم يتم تسليم غاز المنتج إلى المريض أو التطبيق.

الخطوة 4: التجديد (البرج الثاني)

في نفس الوقت ، يوجد برج السرير الثاني في مرحلة التجديد. يتم تنفيس الضغط في هذا البرج بسرعة (أو "تأرجح") إلى الجو. يؤدي هذا الانخفاض المفاجئ في الضغط (الامتصاص) إلى إطلاق جزيئات النيتروجين المحاصرة ، والتي يتم تطهيرها خارج النظام من خلال صمام العادم.

الخطوة 5: الأرجوحة

قبل أن يصبح البرج الأول مشبعًا بالكامل بالنيتروجين ، يقوم نظام الصمامات تلقائيًا بتبديل تدفق الهواء. يتم الآن توجيه الهواء المضغوط إلى البرج الثاني الذي تم تجديده حديثًا ، والذي يبدأ في إنتاج الأكسجين. يتم الآن تنفيس البرج الأول إلى الضغط الجوي لتطهير النيتروجين الذي تم جمعه.

تتكرر هذه الدورة - الضغط والإنتاج في برج واحد ، والاكتئاب والتطهير في الآخر - كل بضع ثوان. المستمر تدفق الأكسجين يتم الحفاظ عليه بواسطة خزان منتج يعمل كمخزن مؤقت ، مما يؤدي إلى تنعيم نبضات الضغط بين المفاتيح.

تكنولوجيا الغشاء: نهج مختلف

على الرغم من أنه أقل شيوعًا للاحتياجات العالية ، فإن فصل الغشاء هو تقنية مهمة ، خاصة بالنسبة متطلبات الأكسجين الصناعي عندما يكون نقاء أقل (عادة 25-50 ٪) مقبولًا ، كما هو الحال في عمليات الاحتراق أو معالجة مياه الصرف الصحي.

المفهوم الأساسي: تخلل انتقائي

يتكون مولد الأكسجين الغشائي من مئات الألياف البوليمر الصغيرة المجوفة. هذه الألياف لها خاصية خاصة: تتخلل الغازات المختلفة من خلال جدرانها بمعدلات مختلفة. يتخلل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء بشكل أسرع بكثير من النيتروجين.

العملية:

يتم تغذية الهواء المضغوط في نهاية واحدة من حزمة هذه الألياف المجوفة. تتخلل "الغازات السريعة" مثل الأكسجين من خلال جدران الألياف ويتم جمعها على السطح الخارجي للألياف كغاز منتج. يستمر الهواء الغني بالنيتروجين ("غير permeate") حتى نهاية الألياف ويتم تنفيسه بعيدًا. لا تتطلب هذه الطريقة أي أجزاء متحركة (إلى جانب الضاغط) وهي عملية مستمرة ، وليست عملية دورية مثل PSA.

المكونات الرئيسية لنظام توليد الأكسجين

بغض النظر عن التكنولوجيا ، فإن العديد من المكونات الرئيسية عالمية:

ضاغط الهواء: محرك الجهاز ، وتوفير الهواء المضغوط اللازم للفصل.

نظام الترشيح: نظام متعدد المراحل لإزالة الجسيمات والزيوت والرطوبة من الهواء الوارد ، يحمي المكونات الداخلية.

أسرّة غربال (PSA) أو وحدة الغشاء: وحدة الفصل الأساسية حيث الفعلية عملية فصل الأكسجين يحدث.

عداد التدفق والمنظم: يسمح للمستخدم بالتحكم في معدل توصيل الأكسجين (على سبيل المثال ، لتر في الدقيقة لمريض طبي).

خزان المنتج: خزان تخزين صغير يحمل الأكسجين المركّز ، مما يضمن تدفقًا ناعمًا ومستمرًا على الرغم من ركوب أبراج PSA.

نظام التحكم والصمامات: تعمل المستشعرات الإلكترونية والصمامات الهوائية على أتمتة العملية بأكملها ، مما يدير التوقيت الدقيق لتأرجح الضغط وضمان السلامة.

نقاء الأكسجين والتدفق: فهم الإخراج

من المهم أن نلاحظ ذلك نقاء الأكسجين وغالبا ما ترتبط معدل التدفق عكسيا في العديد من نماذج المكثف. في إعداد تدفق أقل (على سبيل المثال ، 1 لتر في الدقيقة) ، قد تكون النقاء في أعلى مستوياتها (على سبيل المثال ، 95 ٪). مع زيادة معدل التدفق (على سبيل المثال ، 5 لترات في الدقيقة) ، قد ينخفض ​​النقاء قليلاً حيث يعمل النظام بجهد أكبر لمواكبة الطلب. هذا اعتبار رئيسي ل علاج الأكسجين الطبي واختيار المعدات.

التطبيقات: من الطبية إلى الصناعية

مبدأ توليد الأكسجين متعدد الاستخدامات ، ويتوسع لتلبية الاحتياجات المختلفة إلى حد كبير:

علاج الأكسجين الطبي المنزلي: تسمح وحدات PSA الصغيرة والمحمولة للمرضى الذين يعانون من ظروف الجهاز التنفسي للحفاظ على التنقل والاستقلال.

المستشفيات والعيادات: أكبر ، ثابتة أنظمة مولد الأكسجين توفير مصدر مركزي للأكسجين من الدرجة الطبية ، مما يلغي التحديات اللوجستية ومخاطر أسطوانات الأكسجين.

التطبيقات الصناعية: يتم استخدام أنظمة PSA والغشاء عالية السعة في اللحام وقطع المعادن وتصنيع الزجاج وتربية الأحياء المائية (زراعة الأسماك) وتوليد الأوزون ومحطات معالجة المياه لدعم عمليات المعالجة الهوائية .

الخلاصة: الكفاءة والسلامة من خلال العلم

مبدأ العمل لمولد الأكسجين هو تطبيق رائع للكيمياء الفيزيائية والهندسة الميكانيكية. من خلال تسخير خصائص الامتزاز الانتقائية للزيوليت أو خصائص التخلل للأغشية المتقدمة ، تؤدي هذه الأجهزة عملية فصل حرجة بكفاءة وموثوقة.

أحدثت هذه التكنولوجيا ثورة في علاج الأكسجين واستخدام الأكسجين الصناعي ، مما يوفر طريقة أكثر أمانًا وأكثر ملاءمة وفعالة من حيث التكلفة إنتاج الأكسجين في الموقع . فهم العلم وراء آلية إنتاج الأكسجين لا يلهم التقدير للهندسة فحسب ، بل يساعد المستخدمين والمهنيين الطبيين أيضًا على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن المعدات التي تدعم الصحة والصناعة.