本发明属于深冷法制取氧气技术领域，尤其涉及了医疗保健气体液氧反注式制取和供气装置及其制取方法。
背景技术：
深冷法是先将空气压缩、冷却、净化吸附空气中的水和二氧化及碳氢物质等，在换热器中与冷流股换热并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同，在精馏塔中实现氧、氮分离，这就是空气精馏法。
目前工业上大规模制氧普遍采用深冷法，由大型深冷装置生产的液氧，通过槽车运送至安装在医院内的低温压力储槽内，经空浴式汽化器汽化后供医院使用，其缺点是液体供应主动权掌握在供应商手中，存在质量风险，液氧来源路途遥远，运输不方便，成本较高，加之生产液氧单位耗能较高，氧气折合价格约为3元/nm3。
小型深冷装置目前在医用领域仅限于充装氧气瓶和直接生产液氧，并没有一个针对大型医院用气需求和特点专门设计的用于医院现场连续供气的小型深冷装置。而且装置占地较大，且单位制氧能耗较高，约1.3～1.5kwh/nm3。
另一种折衷的办法是在医院安装采用变压吸附法制氧(即psa制氧)装置直接生产氧气供应医院使用，其基本原理是基于分子筛对空气中的氧、氮组分具有选择性吸附而使空气中氧氮气分离从而获得氧气。当空气经过压缩，经吸附塔的分子筛吸附层时，氮分子优先被吸附，氧分子留在气相中穿过吸附床层而成为产品氧气。当吸附剂层中的氮气吸附达到相对饱和时，利用减压或抽真空的方法将吸附剂分子表面吸附的氮分子解吸出来并送出界区排空，使吸附剂得到解吸重新恢复原有的吸附能力，为下一周期的吸附产氧准备，两个以上(含两个)吸附塔不停地循环，就实现了连续产氧的目的。该方法所生产的氧气纯度通常只有93％左右。即使采取极端办法，其氧气纯度最高只能达到95％，无法达到医用氧99.5％的纯度要求，所以只适合对氧气纯度要求不高的场合，而且制氧单耗较高，约1.5～1.8kwh/nm3。且无法同时供应其他医疗保健气体。
传统的中小型医院由于用气量有限，但是直接购买灌装气在长期使用过程中成本较高，而且搬运麻烦，同时气体的质量存在风险。而且传统的现场制氧设备成本较高，需要的动力设备较多，给维护和保养带来了更多的成本。
技术实现要素：
本发明为深冷技术在医疗健康领域的技术应用拓展，针对中小型医院对医疗气体的需求和用气情况，提供了一种无需液氧泵和膨胀机的设备成本较低的医疗保健气体液氧反注式制取和供气装置及其制取方法。
为了解决上述的技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
医疗保健气体液氧反注式制取和供气装置，包括包括冷端系统和后备系统，冷端系统包括精馏塔和液氧反注管线，后备系统包括液氧贮槽，液氧贮槽设置有出液口，精馏塔设置有液氧进液口，出液口和进液口通过液氧反注管线相连。液氧贮槽的液氧通过液氧管道能够对装置精馏提供冷量，使装置无需配置膨胀机制冷。
作为优选，还包括热端系统，热端系统设置有空气出气口，冷端系统还包括主冷凝蒸发器，主冷凝蒸发器设置有空气进气口和空气出气口，后备系统还包括第一空气管道，热端系统空气出气口与主冷凝蒸发器的空气进气口通过第一空气管道相连，精馏塔设置有液氧出液口，主冷凝蒸发器设置有液氧出液口和液氧进液口，精馏塔的液氧出液口通过液氧管道连接到主冷凝蒸发器的液氧进液口，主冷凝蒸发器的液氧出液口通过液氧管道连接到精馏塔的液氧进液口，而且精馏塔内的液氧通过液氧管道能够为主冷凝蒸发器内空气的换热提供足够的冷量。
作为优选，后备系统还包括第二空气管道，冷端系统还包括主换热器，主换热器设置有空气进气口和空气出气口，主换热器的空气出气口通过第一空气管道与主冷凝蒸发器的空气进气口相连，主换热器的空气进气口通过空气管道与热端的空气出气口相连，热端系统的空气出气口通过第一空气管道与主换热器的空气进气口相连，热端系统的空气出气口通过第二空气管道与后备系统相连。换热后的气氧得到复热，空气得到冷却降温，换热的过程节约了能源，同时省去了膨胀机的使用，节约了成本。
作为优选，冷端系统还包括过冷器，过冷器设置有空气进气口和空气出气口，主冷凝蒸发器的空气出气口通过第一空气管道与过冷器的空气进气口相连，过冷器的空气出气口通过管道连接到精馏塔。液态空气进行过冷有利于节约冷量，降低汽化率，从而节约能源。
作为优选，热端系统包括用管道连接的空气过滤器、空气压缩机、空气缓冲罐、冷干机和分子筛系统，后备系统还包括送气管网、氧气缓冲罐、汽化器和气氧管道，气氧管道依次连接精馏塔、换热器和氧气缓冲罐，送气管网与分子筛系统、氧和气缓冲罐通过管道连接；分子筛系统为热端系统的末端，分子筛系统设置有空气出气口，分子筛系统的空气出气口一路通过第二空气管道连接到送气管网，另一路通过第一空气管道送入主换热器，汽化器与主冷凝蒸发器和液氧贮槽通过管道连接。
作为优选，后备系统还包括污氮气管道，分子筛系统设置有污氮气进气口，精馏塔设置有污氮气出气口，污氮气出气口与精馏塔的污氮气出气口通过污氮气管道相连，过冷器和换热器均与污氮气管道相连；分子筛系统包括加热器、控制器和至少两个分子筛吸附器，分子筛吸附器至少一个在吸附，一个在再生，加热器为电加热器，控制器控制分子筛系统的循环；单个分子筛吸附器吸附周期为4～8小时。采用多个分子筛吸附器能够进行不间断对空气进行处理，而且充分利用精馏塔产生的污氮气，这表现在两个方面，一方面为充分利用污氮气的冷量对空气进行过冷，另一方面污氮气作为再生气节约了空气，节约了能量；采用电加热器相比蒸汽加热器具有占地面积小，易于控制，运行可靠等优点。
作为优选，主冷凝蒸发器通过管路连接与精馏塔底端连接且设置在精馏塔的一侧，通过相应管线连接采用侧置主冷凝蒸发器代替原有的底部放置方案，能进一步降低冷箱高度，有利于室内安装。
作为优选，冷端系统的设备和热端系统的设备分别以集装箱的方式进行设置，有利于集成化装配合生产，同时具有占地面积小等优点。
一种上述设备的的医疗保健气体液氧反注式制取方法，制取步骤如下：
步骤a，将空气过滤压缩冷却后再进行干燥；
步骤b，将干燥后的气体经过纯化进一步去除水蒸气、co2、n2o；
步骤c，将步骤b中干燥净化后的空气分成两股，一股空气进入主换热器7经冷却后送到主冷凝蒸发器与进入主冷凝蒸发器的液氧换热液化，进入主冷凝蒸发器的液氧来自精馏塔的底部；另一股空气作为医用干燥空气进入送气管网进行收集；
步骤d，步骤c中进入主冷凝蒸发器后的液化空气经过过冷器过冷后进入精馏塔参与精馏，经精馏在精馏塔的塔顶得到污氮气，在塔底部得到液氧；
步骤e，精馏塔底部的液氧一部分作为液氧进行收集，精馏塔塔底的液氧一部分汽化成气氧，汽化的气氧一部分作为精馏的上升气参与精馏，另一部分气氧进入主换热器进行复热，复热的同时冷却步骤c中的进入主换热器7的空气，复热后氧气进行收集；塔顶得到的污氮气作为分子筛系统的污氮气，污氮气和与液氧换热后的空气在过冷器内进行换热，换热后的污氮气再经主换热器复热后进入分子筛系统；
步骤f，氧气高峰用量时，通过加大液氧贮槽的液氧反注量向塔底提供更多的液氧，同时通过在主冷凝蒸发器底部抽取液氧送入空浴式汽化器汽化得到常温氧气，补充用氧高峰期增加的流量。
作为优选进入主换热器的空气压力为6～12bara，经主换热器换热后的温度-150～-170℃；精馏塔的操作压力为1.5～5bara。提高精馏塔的操作压力使从精馏塔内出的气氧能够达到医用压力的标准，而且免去了液氧泵的使用，降低了成本，提高了安全性能。
采用以上技术手段，本发明具有以下有益效果：
本发明采用深冷法可在医院现场同时制取氧气和干燥压缩空气，氧气纯度满足医用氧99.5％的要求。医院无需再单独配置干燥压缩气体供应装置。工艺流程中通过提高精馏塔操作压力，使装置无需配置液氧泵便能提供符合医院用气压力的氧气，并且通过液氧反注工艺提供装置所需的冷量，使装置无需配置膨胀机制冷。本发明降低了装置设备成本，利用了液氧的冷能，使医院相同液氧量的使用时间延长约3～10倍，并可以有效加快装置启动速度，增加了运行可靠性，降低了后期维护费用。使深冷制氧装置此等小规模用氧的应用中(用氧量4～50nm3/h以内)具有了经济性和可行性。同时减少了空气进气量，降低了能耗，制氧单耗约1.0～1.4kwh/nm3。而且换热过程充分利用热量，不需要附加其他能量供应，节约了能源。在装置停车的情况下，液氧贮槽内的液氧可以作为紧急用气供应到送气管路。而且本发明使用的装置结构紧凑，占地面积小，通过相应管线连接采用侧置主冷凝蒸发器代替原有的底部放置方案，能进一步降低冷箱高度，有利于室内安装。同时无需液氧泵和膨胀机，减少了成本支出，而且提高了装置运行的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例的设备工作流程图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—空气过滤器、2一空气压缩机、3一空气缓冲罐、4一冷干机、5一分子筛吸附器、6—加热器、7一主换热器、8一精馏塔、9—主冷凝蒸发器、10—过冷器、11一液氧贮槽、12一汽化器、13一氧气缓冲罐、14一控制器、15一热端系统、16一冷端系统、17一液氧反注管线、18一第二空气管道、19一第一空气管道、20一气氧管道、21一污氮气管道、22一液氧管道。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，包括冷端系统16和后备系统，冷端系统16包括精馏塔8和液氧反注管线17，后备系统包括液氧贮槽11，液氧贮槽11设置有出液口，精馏塔8设置有液氧进液口，出液口和进液口通过液氧反注管线17相连；所述的装置系统还包括热端系统15，热端系统15设置有空气出气口，冷端系统16还包括主冷凝蒸发器9，主冷凝蒸发器9设置有空气进气口和空气出气口，后备系统还包括第一空气管道19，热端系统15空气出气口与主冷凝蒸发器9的空气进气口通过第一空气管道19相连，精馏塔8设置有液氧出液口，主冷凝蒸发器9设置有液氧出液口和液氧进液口，精馏塔8的液氧出液口通过液氧管道22连接到主冷凝蒸发器9的液氧进液口，主冷凝蒸发器9的液氧出液口通过液氧管道22连接到精馏塔8的液氧进液口。热端系统15处理后的一股空气与主冷凝蒸发器9内的液氧进行换热。
后备系统还包括第二空气管道18，冷端系统16还包括主换热器7，主换热器7设置有空气进气口和空气出气口，主换热器7的空气出气口通过第一空气管道19与主冷凝蒸发器9的空气进气口相连，主换热器7的空气进气口通过空气管道19与热端的空气出气口相连，热端系统的空气出气口通过第一空气管道19与主换热器7的空气进气口相连，热端系统15的空气出气口通过第二空气管道18与后备系统相连，冷端系统16还包括过冷器10，过冷器10设置有空气进气口和空气出气口，主冷凝蒸发器9的空气出气口通过第一空气管道19与过冷器10的空气进气口相连，过冷器10的空气出气口通过管道连接到精馏塔8，热端系统15包括用管道连接的空气过滤器1、空气压缩机2、空气缓冲罐3、冷干机4和分子筛系统，后备系统还包括送气管网、氧气缓冲罐13、汽化器12和气氧管道20，气氧管道20依次连接精馏塔8、换热器7和氧气缓冲罐13，送气管网与分子筛系统、氧和气缓冲罐13通过管道连接；分子筛系统为热端系统15的末端，分子筛系统设置有空气出气口，分子筛系统的空气出气口一路通过第二空气管道18连接到送气管网，另一路通过第一空气管道19送入主换热器7，汽化器12与主冷凝蒸发器9和液氧贮槽11通过管道连接，汽化器12将液氧汽化为常温气氧输送至送气管网。工作过程为热端系统吸入的空气首先通过空气过滤器1以去除灰尘和其他微小机械杂质，然后经一台空气压缩机2压缩至6.5～13bara送入空气缓冲罐3。空气缓冲罐3内的压缩空气进入冷干机4冷却，压缩空气出冷干机4的温度8～12℃。干燥后的压缩空气进入分子筛系统纯化空气中留存的有害组分比如水蒸气、co2、n2o和其他潜在的有害碳氢化合物。处理后的空气进入冷端系统16的和后备系统；分子筛系统为热端处理空气的末端，处理后的一股空气进入送气管网，另一股进入主换热器7；氧气缓冲罐13储存来自精馏塔8的经主换热器7换热后的氧气，氧气缓冲罐13的操作压力维持在1.5～5bara之间，经过减压阀减压至约1.5～4bara将氧气送至医院的氧气管网。
后备系统还包括污氮气管道21，分子筛系统设置有污氮气进气口，精馏塔8设置有污氮气出气口，污氮气出气口与精馏塔8的污氮气出气口通过污氮气管道21相连，过冷器10和换热器7均与污氮气管道21相连；分子筛系统包括加热器6、控制器14和至少两个分子筛吸附器5，分子筛吸附器5至少一个在吸附，一个在再生，加热器6为电加热器，控制器14控制分子筛系统的循环；单个分子筛吸附器5吸附周期为4～8小时。其中分子筛系统的再生气来自精馏塔11顶部产出的污氮气，来自精馏塔11的污氮气在电加热器6中被加热到150～170℃。在冷吹阶段污氮气21旁通电加热器6到分子筛吸附器5中吹除热量。采用多个分子筛吸附器能够进行不间断对空气进行处理，而且充分利用精馏塔产生的污氮气，这表现在两个方面，一方面为充分利用污氮气的冷量对空气进行过冷，另一方面污氮气作为再生气节约了空气，节约了能量；采用电加热器相比蒸汽加热器具有占地面积小，易于控制，运行可靠等优点。
经主冷凝蒸发器9换热后的空气为液态空气；精馏塔8底部的部分液氧换热汽化作为上升气。液氧贮槽的液氧通过液氧管道能够对精馏塔精馏提供冷量，而且精馏塔内的液氧通过液氧管道能够为主冷凝蒸发器内空气的换热提供足够的冷量。其中，过冷器10的换热过程为精馏塔8产生的污氮气和与需要进行过冷的空气换热。主冷凝蒸发器9设置在精馏塔8的一侧。精馏塔8底部与液氧贮槽11通过管路连接，通过相应管线连接采用侧置主冷凝蒸发器代替原有的底部放置方案，能进一步降低冷箱高度，有利于室内安装。通过液氧反注工艺提供装置所需的冷量，使装置无需配置膨胀机制冷。同时液态空气进行过冷有利于节约冷量，降低汽化率，从而节约能源。氧气高峰用量时，通过加大液氧反注量向精馏塔8底提供更多的液氧，通过在主冷凝蒸发器9底部液氧排放管道22抽取液氧送入汽化器12汽化得到常温氧气，补充用氧高峰期增加的流量。
一旦装置停车，液氧贮槽11储存的液氧可用于保证氧气供应。从真空压力贮槽11抽出的液氧，经空浴式汽化器12蒸发，进入氧气管网。
其中，冷端系统16的设备和热端系统15的设备分别以集装箱的方式进行设置，有利于安装和生产，同时有利于节约空间。
主换热器7为板翘式换热器；过冷器10为板式换热器；主冷凝蒸发器9为浴式蒸发器；空气压缩机2为无油式空气压缩机，冷却方式为风冷。
本发明还提供了一种基于上述装置的医疗保健气体液氧反注式制取方法，制取步骤如下：
步骤a，将空气过滤压缩冷却后再进行干燥；
步骤b，将干燥后的气体经过纯化进一步去除水蒸气、co2、n2o；
步骤c，将步骤b中干燥净化后的空气分成两股，一股空气进入主换热器7经冷却后送到主冷凝蒸发器9与进入主冷凝蒸发器9的液氧换热液化，进入主冷凝蒸发器9的液氧来自精馏塔8的底部；另一股空气作为医用干燥空气进入送气管网进行收集；
步骤d，步骤c中进入主冷凝蒸发器9后的液化空气经过过冷器10过冷后进入精馏塔8参与精馏，经精馏在精馏塔8的塔顶得到污氮气，在塔底部得到液氧；
步骤e，精馏塔8底部的液氧一部分作为液氧进行收集，精馏塔8塔底的液氧一部分汽化成气氧，汽化的气氧一部分作为精馏的上升气参与精馏，另一部分气氧进入主换热器7进行复热，复热的同时冷却步骤c中的进入主换热器7的空气，复热后氧气进行收集；塔顶得到的污氮气作为分子筛系统的污氮气，污氮气和与液氧换热后的空气在过冷器10内进行换热，换热后的污氮气再经主换热器7复热后进入分子筛系统；
步骤f，氧气高峰用量时，通过加大液氧贮槽11的液氧反注量向塔底提供更多的液氧，同时通过在主冷凝蒸发器9底部抽取液氧送入空浴式汽化器12汽化得到常温氧气，补充用氧高峰期增加的流量。
下文针对具体中小型医院对医疗气体的需求和用气情况，例如医院平均用氧量在4～50nm3/h，氧气压力为1.5～4bara，还需要干燥压缩空气50nm3/h，对本发明作更进一步阐述。
本装置若在室内安装，则冷箱高度不超过4m，噪音低于70db。
吸入的空气30～500nm3/h，首先通过空气过滤器1以去除灰尘和其他微小机械杂质，然后经一台空气压缩机2压缩至6.5～13bara送入空气缓冲罐3。
空气缓冲罐3内的压缩空气进入冷干机4冷却，压缩空气出冷干机4的温度约10℃。
干燥后的压缩空气进入分子筛系统纯化，空气中留存的有害组分比如水蒸气、co2、n2o和其他潜在的有害碳氢化合物，其中分子筛系统包括互相交替再生的两个分子筛吸附器5。一个分子筛吸附器5吸附时，另外一个分子筛吸附器5再生。单筒吸附周期约4～8小时。
其中分子筛系统的再生气来自精馏塔11顶部产出的污氮气，来自精馏塔11的污氮气在电加热器6中被加热到150～170℃。在冷吹阶段污氮气旁通电加热器6到分子筛吸附器5中吹除热量。在再生循环结束后，再生后的分子筛吸附器5开始工作，同时另外一个分子筛吸附器5开始进行新的再生循环。
分子筛系统的循环由控制器14dcs或plc自动控制完成。
干燥净化的加工空气通过分子筛系统后温度约20℃分成二股，一股压缩空气进入主换热器7冷却接近到空气液化温度然后送入到精馏塔8。另一股压缩空气压力约为6～12.5bara抽出后通过减压阀减至一定压力后作为干燥压缩空气送管网。其中第一股空气经主换热器7换热后的温度-150～-170℃。
第一股空气经主换热器7换热后进入主冷凝蒸发器9进一步与液氧换热液化成为液态空气，省去了气体膨胀机，节约了成本同时提高了设备的安全性。液态空气再经过过冷器10与污氮气换热后进入精馏塔顶部8作为回流液进行精馏。塔底液氧被空气加热蒸发一部分作为上升气参与精馏，另一部分氧气流量为4～50nm3/h送到主换热器7复热，至接近大气温度后出主换热器7，并送至氧气缓冲罐13约1～5m3，使其操作压力维持在1.5～5bara之间，再经过减压阀减压至约1.5～4bara送至医院的氧气管网，
液氧贮槽11经液氧反注管线17向精馏塔底部注入液氧约0.5～10nm3/h提供冷量从而保持装置冷量平衡。精馏塔8塔顶的一段抽取污氮气经过冷器10和主换热器7复热后送入分子筛系统，作为分子筛系统的再生气。
氧气高峰用量时，通过加大液氧反注量向精馏塔8底提供更多的液氧，通过在主冷凝蒸发器9底部液氧排放管线抽取液氧送入汽化器12汽化得到常温氧气，补充用氧高峰期增加的流量。
一旦装置停车，液氧贮槽11储存的液氧可用于保证氧气供应。从0.2～5m3真空压力贮槽抽出的液氧4～50nm3/h，经空浴式汽化器12蒸发，进入氧气管网。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。