医用中空纤维富氧机的研制.doc

医用中空纤维富氧机的研制1研究的目的、意义和国内外发展概况 中空纤维富氧机是80年代最新的分离技术.医用制氧机该机分离空气制富氧的原理是利用高分子膜对氧和氮具有不同的渗透速率，以达到浓缩氧的目的.在一定压力的推动下，空气在高分子膜上溶解、扩散和解吸而得到30%左右的富氧.由于渗透分离得到的富氧最适合于医疗呼吸用，所以我们开展这一研究项目，以社会效益为出发点，为医院、边防、高原地区以及煤矿、深涵洞施工等方面提供呼吸用富氧.所以本项研究，具有深远的科学意义和广阔的应用前景.中空纤维膜富氧机在美国和日本均有产品投入市场，而在国内尚无同类产品.现将我组试制:的富氧机与国外产品相比较，列表1如上二 2技术原理简述 2.1膜分离的原理 气体渗透的原理，按照Greham的溶解扩散理论如图1所示.气体分子首先在膜的界面上溶解，然后溶解的气体分子在膜内扩散，最后从膜的表面解吸，气体的渗透系数P是聚合膜材料的扩散系数D和溶解度系数S所决定:P一D05(1)上式当膜两侧界面处于稳定态时，不考虑气体分子之间和聚合物之间的相互作用时，界面的气体浓度与气体压力符合亨利定律，而气体分子在膜中的扩散符合费克定律，因之导出渗透气体量q如下：户人二_g一下乙、P.几JJ(2)式中A:膜面积(。m“)L:膜厚度(。m)P:压力差P，一P:(cmHg)p:气体渗透系数cm艺(51户)cm/cm艺scmHgt:时间(s)以P/L表示纯气体的渗透量，是测定的定数，在相同条件下.例如同样的膜.对纯氮和纯氧两种气体分别进行测定其渗透量:八、/Lha一自。/Pw:一断:一N。，嘶厂*。称之为分离因子.富氧应该选择八:/L大(即脚:大L小)，断:一、:大的膜材料么2富氧分离膜富氧分离膜应具备:尽可能高的气体渗透性即脚。大;高选择性即嘶:一、:大:制膜性能良好，易于成膜;物理性能和化学性能好，即强度和耐老化性能好.工作寿命长;成本低. 目前，各种高渗透、高分离因子的膜材料正在研究和开发中研究证明往往二者不能兼得.所以近来都在膜结构上下功夫.我们选择复合中空纤维膜原因是聚矾易于抽制成强度较好的非对称中空纤维膜，同时果用硅橡胶涂层以减小表层的厚度从而提高其渗透率这样以得到Pr，:和、:一N:的适当调合，并得到劝肠左右的富氧. 2.3渗透组件及操作流程 目前国外生产的富养渗透组件，主要有两种: 2.3.1卷式膜渗透器如图2所示，在两张聚合膜之间，夹入导气格层，膜的边缘粘结密封成袋子，袋子的开口与中心导气管连接，将数层膜套卷起装入筒内，气流进入膜袋，渗透气沿膜袋进中心导气管送出. 2.3.2中空纤维膜组件一般中空纤维外径300一500产.内径为100一200产.将上千根中空纤维粘结成束，束的一端封起.另一端切开.让每根中空纤维开口露出，最后将纤维束装入筒内.其组件目前医疗用富氧机，分为减压法和加压法两种流程.由于加压法流程较为简单，因此我们研制的富氧装置系采用加压流程. 3中空纤维膜组件的研制 4.1中空纤维膜组件的工艺流程配料一抽丝成小束检漏干燥粘成小束固化涂层硫化小束测定离心粘接成大束膜组件的组装性能指标测定. 我们选用耐老化，性能优良的聚矾为抽制中空纤维的高分子材料，并加入添加剂，搅拌至完全溶解均匀后进行抽丝.图4为中空纤维抽丝装置.抽出外径为500一600产和内径为30。400产的中空纤维.将粘结成小束的中空纤维硫化后，放入测定器中，加压空气渗透得到富氧，并测定渗透气的流量和含氧量，富氧空气中含氧量的分析采用奥氏气体分析仪和CY一7型测氧仪，所测定的小束含氧量一般为30%，平均渗透率为67I/m兮h. 4.2膜组件的组装 4.3膜组件的性能测定 4.3.1膜组件的面积中空纤维面积:Al一2二L二2义3.14义0.025丫50一7.85cm乙小束:八5、，一7.85丫50=393em3渗透器:八一393义100一393mZ 4.3.2膜组件测定数据如下表2：4医用中空纤维富氧机的研制 4.1中空纤维富氧机的总体结构设计与要求作为医疗用富氧机不同于工业用富氧机，它具有很多特殊的要求，如要求无细菌、无尘;富氧空气的含氧量适度，并具有一定的温度和湿度;整机的体积小，重量轻，噪音低等.根据上述特殊要求，拟定其设计要点如下: 对空气压缩机的选型及改装，以达到轻型化，小型化; 渗透器的最佳设计，既要体积小，又要满足医疗上所需的富氧量; 整机的外形设计美观; 设法解决噪音问题. 4.2具体实施办法 为了达到上述要求，我们对中空纤维制取富氧所必不可少的压缩机的生产厂家，作了详尽的调研，最后确定选用北京小型压缩机厂生产的JGZI/3型全无油膜压缩机，该机的排气量是lm3/h，排气压力。.3Mpa.因为渗透器所需的空气既要求清洁，卫生，又要求有一定压力才能满足医疗上所需富氧空气量.所以必须将压缩机的管路作一些变动，才能用于富氧机上.渗透器是中空纤维富氧机的心脏，因此对渗透器的设计是至关重要的.也正因为如此，我们在设计渗透器时是按照压力容器来考虑其强度，以及各连接处的密封可靠性.又考虑到医疗用富氧机的特殊性，故在渗透器的选材上考虑了防蚀性这一问题，选用了防锈铝LF一21.中空纤维膜富氧机，它由压缩机、渗透器、骨架、外壳、面板、消声器、加热器、连接管路以及脚轮和仪表所组成.图6为医用中空纤维富氧机组装流程图.将这么多部件有机地组合成一个整体，是要经过周密考虑的.如在整机设计中，其骨架的尺寸(长、宽、高)，我们是按照黄金分割法来确定的，使之既紧骤又达到美观的目的.该机的噪声由两方面所产生，一是渗透器排放的尾气声;二是空气压缩机在压缩，排放过程中所产生的震动声.后者是最主要的噪声源.为了消除排放尾气所产生的噪声，我们在渗透器尾气排放管路上安装一个消声筒，收到了较好的效果.然而，我们对压缩机本身所产生的噪声，也作了打算，准备在富氧机机壳内表面贴合一层吸音板，以吸收压缩机所产生的噪声(我们有这方面的专业技术人员，这一问题是不难解决的，有待于下一步解决). 5试验及临床使用 中空纤维膜富氧机于1989年2月组装完毕，经过反复多次调试，确定了最佳压力为0.ZMpa.在此压力下可产生5l/mi，:的富氧，其含氧量在30%