从灭菌工艺中回收环氧乙烷的制作方法

从灭菌工艺中回收环氧乙烷
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2020年1月17日提交的第16/746,133号美国专利申请的优先权。关于联邦政府赞助的研究或发展的声明
3.不适用
4.联合研究协议的各方名称
5.不适用
6.光盘提交材料的援引并入
7.不适用
技术领域
8.本发明涉及从灭菌/熏蒸室的排放气流中回收和循环利用环氧乙烷(eo)。具体来说，本发明规定了从水分和其他杂质中分离环氧乙烷，然后从不凝性气体中液化大部分环氧乙烷，并将液态环氧乙烷循环利用到储存系统中。


背景技术：

9.灭菌和熏蒸对控制和预防传染病和微生物引起的食品腐败至关重要。如果不能对药品、药物、医院设备、一次性和可重复使用的医疗物品、包装材料、食品、医疗器械、书籍、博物馆文物、科学设备、服装、毛皮、轨道车、飞机和蜂箱(仅举几例)进行灭菌，预防微生物和疾病的传播将十分困难，在某些情况下甚至无法预防微生物和疾病的传播。
10.用于对各种塑料、织物、纸张、玻璃和金属制品进行灭菌的医院、工业灭菌和熏蒸设施中最常用的化学灭菌剂形式为100％环氧乙烷或环氧乙烷与惰性气体的混合物。一般来说，环氧乙烷用作热敏性和湿敏性产品的通用灭菌剂，以及控制微生物或昆虫的熏蒸剂。据估计，百分之五十六(56％)的医疗器械使用环氧乙烷灭菌。本专利申请中使用的术语“灭菌剂”是指能够完全灭活或破坏物体上或物体中所含的所有类型的微生物和昆虫及其卵、幼虫和孢子的生存能力的灭菌剂。
11.环氧乙烷作为灭菌剂具有许多理想特性。与其他技术(例如热灭菌、辐射或过氧化氢)不同，环氧乙烷是一种通用灭菌剂，它对所有生物体形式(包括抗生素耐药性生物体)均具有破坏性；而且它的作用相对较快。此外，环氧乙烷不具有腐蚀性，在灭菌工艺中不会损坏物质或设备。环氧乙烷可在低温(80-150
°
f范围内)下使用，并且可渗透许多包装材料以及大多数的生物体膜。
12.但是环氧乙烷存在一些问题；环氧乙烷具有毒性，使其成为一种通用的灭菌剂；也使其对人体暴露有害。环氧乙烷的毒性较高，因此，许多法规对环氧乙烷的处置进行了规定。这些法规禁止将环氧乙烷大量释放到环境中。这些法规允许采用一种可持续工艺来回收和循环利用环氧乙烷，以供后续使用。
13.多年来，由于环境问题和员工暴露，医院已不再使用环氧乙烷。这给医院在对可重复使用器械进行消毒时带来了一些挑战。仅在美国，每年就有23000人死于耐药性感染，200
万人患病。当2015年洛杉矶爆发此类疫情时，环氧乙烷是唯一经证明可有效控制疫情的灭菌剂。
14.2014年，美国环境保护署将环氧乙烷列为人类致癌物。这种分类使一些州通过法律，防止释放或降低允许释放到大气中的环氧乙烷量。2019年3月26日，美国食品和药物监督管理局食品和药物专员发表声明，说明在伊利诺伊州一家签约环氧乙烷灭菌设施关闭的情况下，机构正在采取措施防止潜在的医疗器械短缺并确保灭菌安全、有效。由于环氧乙烷对周围人群的暴露超过安全限度，因此关闭了签约的灭菌设施。关闭了少量环氧乙烷灭菌能力，对医疗器械的安全供应产生了很大影响。
15.灭菌工艺只消耗所用环氧乙烷的一小部分，这意味着在灭菌工艺后仍有相当数量的环氧乙烷。大多数环氧乙烷须转化为乙二醇或分解为co2和水，减少了向环境的释放量。使用当前的减排技术将环氧乙烷转化为另一种污染物并不是解决方案。因此，需要一种有效且高效的方法从灭菌工艺中回收未使用的环氧乙烷。
16.为了成功将环氧乙烷用作灭菌剂，典型的工艺包括在密封室(称为灭菌器)中将产品(例如医疗器械)暴露于环氧乙烷中。典型灭菌工艺包括几个步骤，形成灭菌所需的气氛。第一步是通过几次真空抽空和用惰性气体重新加压循环来形成非爆炸性气氛，将灭菌器大气中的氧气吹扫到预定浓度。然后，通过添加水分、环氧乙烷、惰性气体并将灭菌器加热至设定温度，在灭菌器中产生灭菌剂混合物。产品在预定义的时间内暴露在灭菌剂混合物中，对产品进行灭菌。
17.工艺的最后一步是抽空灭菌室，从气氛和产品中去除灭菌剂。为完成这一工艺，用惰性气体或空气进行多次抽空和再加压循环来洗涤产品。将灭菌器气氛中的环氧乙烷浓度降低至可接收水平，并去除残留的环氧乙烷，足以安全处理灭菌的产品。
18.为了满足当今医疗器械制造生产的需求，通常有许多灭菌室并列或接近并列运行，每个运行的灭菌器可能使用不同的灭菌配方，从而产生(但不是必须)不同的运行温度、压力、运行时间和灭菌气体组成。此外，需要在每台灭菌器上确认这些配方，以验证配方可重复使用并符合fda规范，并且不会损害产品。
19.每台灭菌器运行的最后一步是通过多次气体洗涤去除环氧乙烷(eo)，以去除灭菌器和灭菌的医疗器械中残留的eo。由于多台灭菌器并联或接近并联运行，并且每台灭菌器采用不同的灭菌配方，因此，在不改变灭菌器运行方式的情况下，要确定或控制多个灭菌室的eo在共同通风流中的浓度具有挑战性，这需要重新确认工艺，而且成本很高。
20.1987年最后确定的《蒙特利尔议定书》是一项全球协定，旨在通过逐步淘汰消耗臭氧层物质(ods)的生产和消费来保护平流层臭氧层。在2010年之前，大多数已知的eo灭菌气体混合物都是在12％eo和88％二氯二氟甲烷(氟利昂)的钢瓶中预混。在灭菌室加入水以调节相对湿度。2010年后，灭菌气体的组成改为大气、氮气或二氧化碳(作为惰性覆盖气体)以及水和各种浓度的eo。第5,472,667号、第5,283,035号、第5,261,250号、第5，149,500号、第5,069,686号、第4,954,315号、第4,822,563号、第4,249,917号、第3,989,461号和第3,549,312号专利均使用含有12％eo和88％二氯二氟甲烷、氯氟烃(cfc)和氢氯氟烃(hcfc)混合物的灭菌气体作为灭菌气体混合物的一部分。不幸的是，二氯二氟甲烷、氯氟烃(cfc)和氢氯氟烃(hcfc)是消耗臭氧层物质(ods)，由于《蒙特利尔议定书》禁止ods，这些专利中公开的发明在美国或世界任何地方均无法使用。
21.只有第5,472,667号和第5,283,035号专利公开了在没有ods的情况下使用eo。第5,472,667号、第5,283,035号、第5,261,250号、第5，149,500号、第5,069,686号、第4,954,315号、第4,822,563号、第3,989,461号和第3,549,312号专利对eo和ods进行冷凝，形成eo/ods液体混合物，而这种液体混合物如前所述被禁用。在冷凝多种灭菌气体(包括水和ods)中包含的eo时，所产生的冷凝液体是一种无法循环利用的有害物质，必须妥善处理。对这种现在有害物质的处置要求导致减少或无法重复使用这部分灭菌气体，从而降低了eo的可持续性。
22.水的冷凝温度与eo有一定重叠。根据气流中eo的浓度，eo将在标准大气压(14.7psia)和0℃下开始冷凝。如果气流处于高于标准大气压(14.7psia)的压力下，并且在除去水之前冷却，则水冷凝物中将存在一部分eo。水和eo的液体混合物是一种有害物质。为了处理灭菌气体，以某种方式向系统添加压力梯度，移动灭菌室的气体通过系统进行回收。压力和气流冷却去除水的这种组合使一部分eo与水一起冷凝。这种水和eo的冷凝物是一种有害物质，必须妥善处理。此外，此工艺的回收效率降低，导致成本增加，对环境减排设备的需求增加，并对环境产生重大影响。
23.冷却前从气流中去除水分，使水的露点降低至气流中eo的露点以下，从而防止气流冷却时水分冷凝，进而防止水的污染和渗透。第5,149,500号和第5,261,250号专利在冷凝灭菌气流之前不使用预冷器或任何其他方式去除气流中的水。此外，灭菌气体含有ods，还与eo和水一起冷凝，污染了eo冷凝物。第4,954,315号专利指出，预冷器可以是冷凝器并且可选。当使用这种可选运行时，冷凝器对水、eo和ods进行冷凝。此外，第4,954,315号专利采取了额外的工艺步骤，即使用填充柱将eo和ods分离以便重复使用。
24.第5,472,667号和第5,283,035号专利使用干燥剂去除气流中的水蒸气或使用分子筛去除水蒸气，从而产生水蒸气露点在-80℃和-100℃之间的气流。然后，两者均在-80℃和-130℃之间运行低温冷凝器。在这些温度下运行使气流中剩余的水蒸气冷凝，污染了eo冷凝物。然而，第5,472,667号专利通过在系统末端使用真空泵来避免提高系统中的压力。真空泵将系统的工作压力降低至标准大气压(14.7psia)以下，从而导致eo回收率更低，或使冷凝温度更低来冷凝eo以保持回收率。
25.第3,989,461号专利使用干燥剂从气流中去除水蒸气。目前尚不清楚这种干燥气流的露点是多少。气流离开干燥剂，然后使用乙烯或丙二醇作为密封液进入液环泵。这种密封液与气流发生物理接触，导致以微量的乙二醇和水(如存在)污染气流。这种乙二醇将在冷凝器中冷凝，产生eo、ods以及微量乙烯、丙二醇和水的混合物。
26.此外，第4,822,563号专利在工艺中注入蒸气，将灭菌气体从灭菌器移入回收系统。蒸气水化并提高灭菌气体的相对湿度，而无需任何去除方式。对工艺来说这是一个问题，因为用于提高系统运行压力的压缩机，可能会根据系统温度的不同，使水从气体流中冷凝出来。任何冷凝水都会对泵造成侵蚀，导致泵故障。此外，这种添加的蒸气使冷凝器中的水量增加，污染eo冷凝物。第5,149,500号和第5,261,250号专利不能分离气流中的水，使水和eo混合物冷凝。第4,249,917号专利通过使用有机溶剂吸收eo和二氯二氟甲烷来避免这一问题。
27.为了分离多种灭菌气体中包含的eo，第5,472,667号、第5,283,035号、第5,261,250号、第5,149,500号、第5,069,686号、第4,954,315号、第4,822,563号、第4,249,917号、
第3,989,461号和第3,549,312号专利均以不同方式实现eo分离。然而，第5069686号专利通过许多众所周知的方式实现eo分离。例如，此专利可使用洗涤器、催化氧化剂或其他化学反应床。所有上述技术都将eo转化为不同的物质。此系统首先用于去除eo，然后使用薄膜回收ods以进行重复使用。
28.第5,472,667号、第5,283,035号、第5,261,250号、第5，149,500号、第4,954,315号、第4,822,563号、第3,989,461号和第3,549,312号专利使用在-40℃和-130℃之间运行的冷凝器来分离eo，并以各种方式实现eo分离。然而，各系统的运行压力为静压。此外，根据这些专利申请或所述技术中描述的限制，这些系统的压力范围从0psia到至少22psia的未知高压。系统无法根据多种进气气流中eo的浓度改变冷凝器的工作压力或温度，从而无法使其在eo分离的最佳条件下运行，限制了可回收的eo量。第5,283,035号和第3,989,461号专利试图通过将未冷凝的气体再循环回灭菌室以重复该工艺来解决这一问题。此工艺限制了在气体洗涤到最终确定并联或接近并联运行的灭菌工艺期间从许多灭菌室中回收eo的能力。第5,472,667号、第5,261,250号、第5，149,500号、第4,954,315号、第4,822,563号和第3,549,312号专利只收集在其运行条件下会冷凝的部分，从而导致总收集效率较低。
29.值得注意的是，并非所有的环氧乙烷灭菌工艺都使用惰性气体来稀释初始气氛。当灭菌工艺不包括惰性气体时，所需的初始抽空次数为1。根据产品要求，真空或压力水平、环氧乙烷浓度、惰性气体稀释和洗涤次数各不相同。使用小型灭菌器确定环氧乙烷的灭菌工艺，目的是在大规模生产需要灭菌的产品前确认灭菌工艺。气体洗涤降低了环氧乙烷的浓度，使初始真空抽空后难以高效回收并且耗能。
30.使用环氧乙烷作为灭菌剂有几个缺点。例如，环氧乙烷与空气按正确比例混合时非常易燃易爆。为了一定程度地缓解环氧乙烷的爆炸性和可燃性特性，用二氧化碳、氮气、氩气、氟利昂和其他化学惰性化合物稀释环氧乙烷，从而使混合物无爆炸性。june和dye在出版物《工厂/运营进展》(第9卷第2期，1990年4月，第73页)中描述了环氧乙烷-氮混合物的爆炸极限。
31.fox(第4，130,393号美国专利)和boynton(第5，128,101号美国专利)均显示了使用环氧乙烷和惰性气体(主要是二氧化碳或氮气)混合物进行再压缩、储存和循环利用。他们指出，必须对循环利用的气体混合物进行监测，以确保这种气体混合物保持在不易燃的范围内。将氧气浓度保持在所需限值以下；储存系统必须定期排出相当一部分混合物。为了在气相中保持气体混合物中的成分，根据要求添加惰性气体和环氧乙烷。
32.在向灭菌气体混合物中添加水分时，由于环氧乙烷在水中的高溶解度性，必须注意保持循环利用系统的温度高于水分的饱和温度。boynton通过使用惰性气体对灭菌/熏蒸室进行初始吹扫以减少氧气的污染负荷，从而扩大了分次排放前允许的循环利用次数。这样可以提高环氧乙烷的相对回收率。
33.在使用环氧乙烷进行灭菌和熏蒸的工业工艺中，使用的99％以上的环氧乙烷未反应并从灭菌/熏蒸室排出。因此，需要一个系统来回收和重复使用以及循环利用这种未利用的环氧乙烷。


技术实现要素：

34.本发明的工艺允许通过利用温度和压力使环氧乙烷液化，然后从不凝性气体中分
离并循环利用液化的环氧乙烷，从而实现对环氧乙烷的捕获。本发明允许用户回收并循环利用大部分排出的环氧乙烷，这大大提高了其利用率，从而减少了现场所需的环氧乙烷量。作为次要效益，原料的减少和减排成本的降低十分明显。
35.熏蒸或灭菌工艺经常采用环氧乙烷(“eo”)，在溶液中与其他气体(通常是氮气、氧气和氩气的组合)一起使用，通常在溶液中与二氧化碳一起使用。在许多情况下，水蒸气水分也是灭菌/熏蒸溶液的一部分。除水蒸气外，环氧乙烷的冷凝温度远高于溶液的其他组分。在标准大气压(14.7psia)下，氮气的冷凝温度为-196℃，氩气的冷凝温度为-186℃，氧气的冷凝温度为-183℃，二氧化碳的冷凝温度为-78.5℃。相比之下，环氧乙烷在0℃时开始冷凝。因此，可以对气态溶液进行冷却和加压，冷凝出环氧乙烷，从溶液中分离环氧乙烷，从而循环利用环氧乙烷。
36.本发明使用一系列压缩机和冷却器或冷凝器从气流中冷凝并去除eo。本发明包括温度、压力和eo传感器，用于确定气流的温度、压力和eo浓度。这些传感器与计算机控制系统通信，控制系统评价气流的参数并调节压力和温度以实现eo的最大程度冷凝。液化eo排回eo储罐中，供后续灭菌使用。此系统可回收并循环利用气流中99.5％以上的eo。
37.此系统的优点在于其能够从并联或接近并联运行的单个或多个灭菌器的通风气流中回收eo进行重复使用。此系统采用动态压力和温度控制来改变冷凝器的工作条件，根据进入冷凝器的进气流中的eo浓度来优化eo的分离。此系统不会污染冷凝的eo，eo可重复使用，从而实现eo的可持续供应。这种eo的可持续供应将降低进行环氧乙烷灭菌工艺的周围环境对环境的影响。
附图说明
38.图1是典型环氧乙烷回收系统的流程图。
39.图2是显示环氧乙烷回收与原料a冷凝温度和工作压力的关系图。
40.图3是显示环氧乙烷回收与原料b冷凝温度和工作压力的关系图。
41.图4是显示开始冷凝所需的进气流中作为温度和压力函数的最小摩尔分数(eo浓度/100)的图表。
具体实施方式
42.本发明公开了具体实施例。应理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，可能存在各种其他替代实施例。这些图不一定按比例绘制，并且某些特征可能放大或缩小来显示特定组件的细节。因此，本发明所公开的特定结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为指导本领域技术人员采用本发明不同实施例的基础。
43.本发明通过将未使用的环氧乙烷从气态溶液中冷凝出来，回收灭菌工艺中未使用的环氧乙烷。本发明依赖的条件为环氧乙烷的冷凝温度远高于溶液(除水以外)中其他气体的冷凝温度。在eo冷凝之前，在工艺开始时去除进气流中的水。在标准大气压(14.7psia)下，氮气的冷凝温度为-196℃，氩气的冷凝温度为-186℃，氧气的冷凝温度为-183℃，二氧化碳的冷凝温度为-78.5℃。相比之下，环氧乙烷在0℃时开始冷凝。因此，可对气态溶液进行冷却和加压，冷凝出环氧乙烷，从溶液中分离环氧乙烷，从而循环利用环氧乙烷。此系统使用一系列冷却器和冷凝器来操纵气流，实现气流中环氧乙烷的最大程度冷凝，从而最大
限度地去除和循环利用eo量。
44.图1是用于从气体灭菌或熏蒸工艺中回收环氧乙烷气体的装置的构造示意图。进气流101来自灭菌/熏蒸室真空泵或多个灭菌/熏蒸室真空泵的排气口。如本发明所述，系统的气流(例如进气流101)通过适当尺寸和配置的管道、管道系统或管路输送，因此提及“进气流101”是指进气流101的气流，如通过适当尺寸的管道保持所需的压力和温度。此时，进气流101中，含有未反应环氧乙烷的气流在60-150
°
f之间并且略高于大气压。进气流101具有表1所示的分子种类组成范围。
[0045][0046][0047]
表1
[0048]
进气流101中嵌入温度传感器201和压力传感器202，用于测量进气流101中气体的压力和温度。通常，可采用任何可准确测定气流温度、压力或环氧乙烷浓度的任何标准温度、压力或环氧乙烷传感器或测量装置。进气流101排入增压泵301，将气流压力提高到14.7psia和30psia之间。因为压力的增加，气体温度升高约50
°
f。增压泵301将加压气流排入进气流102，将所述进气流引入三通换向阀401。进气流102中嵌入温度传感器203、压力传感器204和环氧乙烷传感器205。
[0049]
这些传感器用于测量气流的压力、温度和环氧乙烷浓度。控制系统(未显示)使用温度传感器201和203以及压力传感器202和204的测量值来调节和控制增压泵301的输出，以实现所需的eo冷凝结果。控制系统是一个典型、众所周知的计算机控制系统，该系统(通过硬线或wi-fi连接)与系统中的硬件通信并控制系统中的硬件，即本发明所述的各种传感器、泵、压缩机、冷却器、冷凝器和阀门。控制系统从传感器获取相关数据，即从温度传感器获取温度、从压力传感器获取压力以及从eo传感器获取eo浓度。控制系统可以在系统中任何一点直接获取温度、压力和eo读数，并对公开的压缩机和换热器进行即时和动态调节，以达到所需的温度和压力，实现eo的最大程度冷凝。控制系统允许操作人员控制系统的其他组件、冷却器、冷凝器、泵、阀门等，以控制系统的运行，将进气流操纵到所需的压力和温度，在整个系统中达到所需的eo冷凝水平，实现eo的最大程度回收。下文详细说明了根据进气流中eo浓度实现冷凝所需的压力和温度。三通换向阀401由控制系统控制，通过两个进气流104或103中的一个将进气流102引向两个并联分子筛干燥器303或302中的一个，分别通过三通换向阀402或403将进气流103或104送入进气流105或106，这些进气流排入分子筛干燥器302或303。
[0050]
分子筛干燥器302和303的操作相同，去除进气流105或106中的水蒸气(水分)。分子筛干燥器在行业内众所周知，用于去除进气流105或106中的水分，提供露点小于或等于-80
°
f的干燥气流。控制系统根据使用情况轮换使用分子筛干燥器302或303。每个干燥器使用指定时间。当一台干燥器正在使用时，另一台干燥器正进行再生，如下所述。干燥器302和303嵌有温度传感器206和207，用于测量分子筛干燥器302和303的温度，确定再生的完成，如下所述。
[0051]
分子筛干燥器302和303排入进气流107或108，为三通换向阀404或405提供进气。换向阀404或405用于筛网干燥器再生，详情如下405排入进气流109和110，这些干燥进气流109和110排入过滤器305或304，去除进气流中的微粒物质。在去除微粒物质时，可采用任何适当、常见和已知的过滤技术，前提是该技术具有两个关键功能：一、防止分子筛介质离开分子筛干燥器302和303并进入系统所述。三通换向阀404或；二、去除气流中的微粒物质，显著减小颗粒尺寸，从而减轻微粒物质对下游设备的任何污染，而污染会对设备的性能造成负面影响。
[0052]
过滤器305或304将过滤的气流排入进气流111和112，然后排入三通换向阀405。三通换向阀405排入进气流113以重组气流。进气流113中嵌入温度传感器208和压力传感器209，用于测量脱水、过滤气体的压力和温度。进气流113排入第一换热器306，通过控制来自标准冷却或制冷系统的工艺冷却剂(由冷却剂供应流115供应，然后通过冷却剂排放流116(温度在5-80
°
f之间)返回)，从而将产生的进气流113的温度降低至10-85
°
f之间，具体取决于控制系统设定的冷却要求。此时，控制系统控制从第一换热器306排出的进气流温度，排放到进气流114。此外，进气流114中嵌入温度传感器210和压力传感器211，用于测量进气流114的温度和压力。位于第一换热器306两侧的温度和压力传感器可使控制系统确定第一换热器306中冷却的有效性，并可使控制系统根据需要调节冷却以实现eo的最大程度冷凝。
[0053]
由控制系统选择并由第一换热器306控制进气流114的温度，以便将气相环氧乙烷浓度保持在约40％，如环氧乙烷传感器205和214的测量结果。此时及以后，需要通过系统控制进气流的温度和压力，确保环氧乙烷不会爆炸。当进气流中的环氧乙烷浓度超过40％时，工艺参数降低到约10
°
f，从而通过冷凝出部分环氧乙烷将环氧乙烷浓度降低到其爆炸极限以下。控制系统和传感器可使系统实时调节，保持所需压力和温度参数。
[0054]
如本发明所述，液流(例如液流117)通过适当的管道、管道系统或管路输送，因此提及“液流117”是指液流117的液流，如通过适当尺寸的管道保持所需的压力和温度。将进气流114送入第一液气分离器307，以分离任何液态环氧乙烷。液气分离器在行业中很常见且广为人知。第一液气分离器307中嵌入两个限位传感器212和213，用于控制储存在第一液气分离器307中的液态环氧乙烷量。使用此类限位传感器众所周知，通常，可以采用任何可部署准确测定液气分离器中液态环氧乙烷的标准限位传感器或测量装置，并可以将正常运行所需的传感器数量减少到一个传感器。当液气分离器307达到液态环氧乙烷的高液位时，控制系统打开阀门407，将第一液气分离器307中的第一冷凝液态环氧乙烷通过阀门407排入液流117和液流118。液流118根据两个系统的工作压力，通过直接压力或液体泵将液态环氧乙烷送入储存。这种储存的液态eo可输送用于储存或重复使用。当液态环氧乙烷的液位达到预定低液位时，控制系统关闭阀门407，终止液态环氧乙烷的排放。低液位设定为始终允许收集第一液气分离器307中的液态环氧乙烷，从而防止任何气体逸出系统。
[0055]
第一液气分离器307中未冷凝的气体排入进气流119，该进气流为第一排放气流。进气流119中嵌入环氧乙烷传感器214。进气流119排入压缩机308入口，其中，根据环氧乙烷传感器214测量的当前环氧乙烷浓度所需的冷凝温度，将气流压力提高到所需的工作压力，以实现所需的回收效率，如下图2、3和4的讨论中所述。系统整体和压缩机308的最大分级压缩比(出口压力/入口压力)优选小于4，因为如果高于6，环氧乙烷混合物就具有爆炸的可能性。有许多种方法控制压缩机308的出口压力。只要允许控制系统控制动态压力，就可以采用任何方法。压缩机308两侧的压力传感器211和216允许控制系统控制压缩比并将其保持在可接收范围内。压缩进气流120从压缩机308排出。
[0056]
将排放进气流120引向逆流换热器309，其中，进气流117的进入热气之间的大部分显热与排出冷流133交换(详述见下文)，从而冷却进气流120，降低第一冷凝器310的热负荷。进气流120中嵌入温度传感器215和压力传感器216，用于测量进气流120中气体的压力和温度。逆流换热器309通过进气流121排入冷凝器310。
[0057]
第一冷凝器310降低进气流121的气体处理温度，从而通过冷凝出一部分环氧乙烷来降低环氧乙烷额浓度。冷凝器310可使用工艺冷却水或使用初级制冷剂或二次制冷剂的低温(低于-35
°
f)标准制冷系统进行冷却。冷凝器310将液气混合物排入进气流123，进气流123嵌有温度传感器219。温度传感器219测量冷凝器310排出的气体温度。控制系统利用温度传感器219的温度测量值，控制冷凝器310排出的气体温度。控制系统通过控制流量和温度，或独立于制冷系统的冷却供应流122s的流量或温度来实现这一点。冷却供应流122s或冷却返回流122r分别嵌有温度传感器217和218，用于测量各气流的温度。为了分离任何液态环氧乙烷，将进气流123排入液气分离器313。
[0058]
第二液气分离器313包括一个上限传感器220和一个下线传感器221。当液气分离器313达到液态环氧乙烷的高液位时，控制系统打开阀门408，将第二液气分离器313中的液态环氧乙烷通过阀门408排入第二冷凝液流125和液流128。为了分离液态环氧乙烷，液流128排入第三液气分离器315。但液气分离器313处于液态环氧乙烷的高液位时，液气分离器313排入液流121，送入阀门408，排入液流123。
[0059]
液流123嵌有温度传感器219，用于测量送入第三液气分离器315的液态环氧乙烷。第二液气分离器313仅在第三液气分离器315达到储存液态环氧乙烷的高液位时才进气。嵌入液气分离器313的是两个限位传感器220和221，用于控制液气分离器313中的液态环氧乙烷量。通常，可以采用任何可准确测定液气分离器中液态环氧乙烷的标准限位传感器或测量装置，并可以将正常运行所需的传感器数量减少到一个传感器。当液态环氧乙烷的液位达到低液位时，控制系统关闭阀门408，终止液态环氧乙烷的排放。此低液位设定为使用允许收集液气分离器313中的液态环氧乙烷，从而防止任何气体逸出系统。
[0060]
第二液气分离器313通过进气流124将第二未冷凝的气相气体排入第二冷凝器312。冷凝器312将液气混合物排入进气流129。进气流129嵌有温度传感器225，用于测量第二冷凝器312排放的液气流的温度。第二冷凝器312在较低温度下运行(-35至-110
°
f或更低，具体取决于不凝性气体)，冷凝出额外的环氧乙烷，并由控制系统通过工艺冷却剂供应流126s和工艺冷却剂返回流126r进行控制。
[0061]
控制系统控制流量和温度或独立于冷却供应流126s的流量和温度。冷却供应流126s由标准、已知、外部制冷或冷却系统供应。冷却供应流126s或冷却返回流126r分别嵌有
温度传感器222和223，用于测量气流的温度。控制系统根据温度传感器225的测量值设定冷却供应流126s的流量和温度。
[0062]
为了分离任何液态环氧乙烷，将液气流128排入第三液气分离器315。第三液气分离器315排入进气流131。嵌入第三液气分离器315的是两个限位传感器228和229，用于控制储存在第三液气分离器315中的液态环氧乙烷量。通常，可以采用任何可准确测定液气分离器中液态环氧乙烷的标准限位传感器或测量装置，并可以将正常运行所需的传感器数量减少到一个传感器。当液态环氧乙烷的液位达到低液位时，控制系统关闭阀门409，终止液态环氧乙烷的排放。低液位设定为始终允许收集第三液气分离器315中的液态环氧乙烷，从而防止任何气体逸出系统。当第三液气分离器315达到高液位的液态环氧乙烷时，控制系统打开阀门409，将第三液气分离器315中的液态环氧乙烷通过阀门409排入第二冷凝液流129和组合eo液流130。液流130根据两个系统的工作压力，通过直接压力或液体泵将液态环氧乙烷送入储存。液流130中嵌有温度传感器226和压力传感器227，用于测量排入储存的液流的压力和温度。第二液气分离器313先前将冷凝液态eo排入第三液气分离器315，因此所有剩余的液态eo都在单一流中。
[0063]
液气分离器315将气流中剩余的任何未冷凝的环氧乙烷以及气流中的所有不凝性气体排入第二排放进气流131。此时，气流中剩余的eo应该很少。串联使用三个冷却器/冷凝器可以降低气流的冷却温度，通常可以去除进气流中95.5％以上的原始eo。将剩余的不凝性气体送入闪蒸阀410。嵌入进气流131中的压力传感器230用于测量气流中的压力。众所周知，闪蒸阀将加压气体排放到较低压力，从而实现快速冷却。闪蒸阀410排入过冷进气流132，产生低压和过冷气流，并排入并流换热器309。使用进气流132的过冷气体可使系统在并流换热器309中冷却进气流120，如上所述。这种使用过冷进气流132来冷却进气流120的方法消除了额外冷却的需求，从而降低了系统的整体能量需要，也降低了系统的运行成本。嵌入进气流132中的温度传感器231用于测量气流温度。并流换热器309将再加热气体排入进气流133。嵌入进气流133中的环氧乙烷传感器232用于测量进气流133中的环氧乙烷浓度。此时，eo浓度应低于0.05％。
[0064]
此时，进气流133通过三通换向阀411引向筛网干燥器并用于筛网干燥器的再生。如果目前不需要再生，则三通换向阀411将进气流133引向排放进气流145，后者将气流送入eo减排系统319。根据再生分子筛干燥器302或303的需求，将阀门411的气体送入进气流134与进气流139混合产生干燥器吹扫气体139，干燥器吹扫气体以进气流105或106流动的相反方向流经分子筛干燥器，以便吹扫分子筛干燥器中多余的水分实现再生。系统向干燥器吹扫气体139添加额外的大气，并由进气流135送入。进气流135将大气送入过滤器316去除任何微粒物质，过滤气流136排入压缩机317，压缩机将大气压缩到与干燥器吹扫气体139相同的压力，然后将进气流137排放到进气阀412。阀门412将流量调节到适当的速率，并引向气流138。将进气流138中过滤和压缩的空气排入导向流量阀413，然后送入混合气体进气流139。使用导向流量阀413控制流动方法，从而防止进气流134和进气流139混合气体产生的任何回流。压力传感器233和温度传感器234嵌入进气流139。
[0065]
进气流139排入加热器318，将干燥器吹扫气体温度提高到250-400
°
f之间，改善分子筛干燥器的吹扫，然后排入气流140并送入三通阀414。控制系统根据冲洗含水分子筛干燥器(302或303)的水分需求，确定送入的气流141或142。除了通过系统的路径之外，冲洗并
由此再生含水分子筛干燥器的操作是相同的。如上所述，当使用分子筛干燥器干燥进气流105或106时，其他气流由回流干燥器吹扫气体再生。
[0066]
根据目前采用的分子筛干燥器302或303对上述灭菌/熏蒸室真空泵排放的进气流105或106进行脱水，进气流141或142送入三通阀404或405。三通阀404或405排入进气流107或108，其流向与进气流105或106的方向相反，并送入分子筛干燥器302或303。分子筛干燥器302或303对其进行吹扫和再生，然后排入进气流105或106的管道或管道系统，进入三通阀402或403。三通阀402或403排入进气流142或143，并送入环氧乙烷减排系统319。分子筛干燥器302或303通过吹扫气体的逆流冲洗多余的水分并通过加热吹扫气体达到所需的床温来再生，其中，由控制系统通过嵌入的温度传感器207或208的测量值来确定所需的床温。一旦达到所需的分子筛床温，用干燥器吹扫气体热空气的冲洗终止，分子筛床用进气流139送入的环境空气冷却，然后用进气流133送入的冷却不凝性气体进行冷却吹扫，该进气流不用加热器318加热，将不加热的气流送入系统，以冷却分子筛床(302或303)。在吹扫气体通过相应的分子筛干燥器302或303之后，气体在143或144处排放并进入环氧乙烷减排系统319。环氧乙烷减排系统319位于本发明的外部。此时，最终进气流143或144具有0-0.5％的环氧乙烷。剩余的少量eo可以通过多种不同方法减排。两种最常见的方法是使用氧化或洗涤器，这两种方法是业内众所周知的方法。此时，减排气流从减排系统319排入排放气流146并进入大气中。也可以使用其他减排技术。
[0067]
在进气流101处送入的不同浓度的初始原料需要不同温度和压力，最大程度提高环氧乙烷的回收率。控制系统动态运行，使用系统中的eo传感器不断测量指定位置的eo浓度，通过增压泵301和压缩机308不断调节压力，通过第一换热器306、逆流换热器309、第一冷凝器310和第二冷凝器312调节温度，以实现eo最大程度冷凝。图2显示了原料a的潜在环氧乙烷回收率与系统压力和温度的关系，如表2所示。
[0068][0069]
表2
[0070]
通过图2可以理解，环氧乙烷的冷凝温度根据压力而变化，这会影响环氧乙烷的回收率。因此，例如，在14.7psia(标准大气压)下，在-100
°
f下环氧乙烷的回收量最大，而在-40
°
f下，只回收约60％的eo。图3是原料b的潜在环氧乙烷回收率与系统压力和温度的关系，如表3所示。
[0071][0072]
表3
[0073]
从图3和图4中可以看出，eo回收率随着压力的增加或温度的降低而增加。通过在一个循环中降低温度和增加压力，可以实现eo的最大回收率，但这需要专门且昂贵的压缩和制冷设备。当前的系统通过使用标准压缩机和冷凝器或冷却器逐步实现这些结果。在优选实施例中，使用本发明所述的两台压缩机和四台换热器。此外，使用冷却的进气流132来冷却进气流120可以减少对额外冷却设备的需求，从而降低系统成本以及运行成本。控制系统将确定灭菌工艺排放的初始进气流101的浓度，并可以控制整个系统的加压和冷却。在每步中，控制系统会在工艺的早期阶段获取气流的eo浓度并调节压力，然后在工艺的后期阶段调节冷却，以实现eo的最大程度冷凝并去除气流中的eo。
[0074]
图4显示了气流中引发环氧乙烷冷凝所需的环氧乙烷的最小摩尔分数。人们可以很容易在相关技术文献中找到环氧乙烷的蒸气压作为温度函数。摩尔分数允许计算气流中环氧乙烷的分压。控制系统将获得此信息，并将其用于调节系统的压力和温度。如果在该温度下分压大于蒸气压，则冷凝出成分。原料a和b的环氧乙烷露点分别为7.85
°
f和41.9
°
f。高于此最小摩尔分数值的任何值都将使环氧乙烷凝结到该水平，从而允许从不凝性气态环氧乙烷和液态环氧乙烷的混合物中分离出液态环氧乙烷。表4中列出了在规定系统压力下实现气流a和b的99.5％环氧乙烷回收率所需的估计冷凝器温度。
[0075][0076][0077]
表4
[0078]
将此数据集成到控制系统，以便控制系统可以评价进气流的eo浓度，并实时动态
调节压力和/或温度，以实现eo的最大程度冷凝。
[0079]
采用此工艺有几个显著的优点。将环氧乙烷的利用率从低百分比提高到高百分比，大大减少了将环氧乙烷转化为危险产品进行妥善处理的需要。此系统回收99.5％以上的eo，可回收、循环利用和重复使用，满足后续灭菌需求。这意味着只剩下一小部分必须通过其他不太环保的工艺来回收或减排。使用此系统减少了环氧乙烷的采购，从而降低了运行费用、减少了钢瓶更换(降低了环氧乙烷意外释放的风险)、降低了环氧乙烷现场库存的需求、减少了乙二醇现场储存量和水废物储存量、原料输送的运输和接收以及废物处理。
[0080]
零件表：
[0081]
101-初始通风排放进气流；102-加压排放进气流；103-排向干燥器1的气流；104-排向干燥器2的气流；105-排向干燥器1的阀门后气流；106-排向干燥器2的阀门后气流；107-干燥气流1；108-干燥气流2；109-排向干燥器2的干燥气流；110-排向干燥器1的干燥气流；111-过滤气流1；112-过滤气流2；113-重新加入的过滤气流；114-第一冷冻气流；115-第一冷却器进气流；116-第一冷却器出气流；117-第一液态环氧乙烷(eo)液体排放流；118-循环利用的第一液态eo流；119-第一液气分离器排放气流；120-第二压缩气流；121-并流换热器后的气流；122s和122r-第一冷却器的制冷气流；123-第一冷凝器后的气流；124-第二液气分离器后的气流；125-第二液气分离器后的第二液态eo；126s和126r-第二冷凝器的制冷气流；127-控制阀后的第二液态eo流；128-第二冷凝器气流后；129-第三液气分离器后的第三液态eo流；130-控制阀后的第三液态eo流；131-第三液气分离器后的气体排放流；132-闪蒸阀后的排放气流；133-并流换热器后的排放气流；134-筛网干燥器再生的三通换向阀后的排放气流；135-外部空气进气流；136-过滤器后的外部气流；137-压缩机后的外部气流；138-控制阀后的外部空气；139-导向阀后的再生空气和气体混合流；140-加热器后的再生空气和气体混合流；141-排向第二干燥器的再生混合流；142-排向第一干燥器的再生混合流；143-第二干燥器后的再生混合流；144-第一干燥器后的再生混合流；145-再生三通阀后的排放进气流；146-循环利用后的排放混合流；201-排放气体温度传感器；202-排放气体压力传感器；203-加压排放气体温度传感器；204-加压排放气体压力传感器；205-加压排放气体eo传感器；206-干燥器2中的温度传感器；207-干燥器1中的温度传感器；208-过滤气流温度传感器；209-过滤气流压力传感器；210-制冷气流温度传感器；211-冷冻气流压力传感器；212-第一液气分离器上限传感器；213-第一液气分离器下限传感器；214-液气分离器后eo传感器；215-第二压缩气流温度传感器；216-第二压缩气流压力传感器；217-第二冷凝气流输入温度传感器；218-第二冷凝气流输出温度传感器；219-第二冷凝器后冷凝气流温度传感器；220-第二液气分离器上限传感器；221-第二液气分离器下限传感器；222-第三冷凝器输入气流温度传感器；223-第三冷凝器输出气流温度传感器；224-后第二液气温度传感器；225-后第三冷凝器气流温度传感器；226-后第三液气液体温度传感器；227-后第三液气液体压力传感器；228-第三液气分离器下限传感器；229-第三液气分离器上限传感器；230-闪蒸阀前气流压力传感器；231-闪蒸阀后气流温度传感器；232-并流换热器后气流eo传感器；233-后混合气体和气流压力传感器；234-后混合气体和气流温度传感器；235-吹扫气体温度传感器；236-最终排放气体eo传感器；301-增压泵；302-分子筛干燥器1；303-分子筛干燥器2；304-过滤器2；305-过滤器1；306-第一冷却器；307-第一液气分离器；308-压缩机；309-并流换热器；310-第一冷凝器(冷却器)；311-第一冷凝器的第一制冷系统；312-第二冷
凝器(冷却器)；313-第二液气分离器；314-第二冷凝器的第二制冷系统；315-第三液气分离器；316-外部空气过滤器；317-外部空气压缩器；318-再生式空气加热器；319-通风气体eo循环利用系统；401-干燥器前三通换向阀；402-通向干燥器1的三通阀；403-通向干燥器2的三通阀；404-再生1三通阀；405-再生2三通阀；406-过滤器后重合三通阀；407-第一液气排放阀；408-第二液气排放阀；409-第三液气排放阀；410-闪蒸阀；411-再生逆流三通阀；412-外部空气方向；413-外部空气控制阀；414-再生逆流三通阀。
[0082]
本发明很好地实现上述目标，达到上述目的和优点以及固有的其它益处。虽然本发明已经通过参考本发明的特定实施例进行了描述、说明和定义，但此类参考并不意味着对本发明进行限制，并且不应推断出此类限制。描述和说明的本发明实施例仅为示例性实施例，并非详尽无遗地说明本发明的范围。因此，本发明仅受权利要求的精神和范围限制，充分认识到各方面的等同内容。