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集成式制备方法及其制取和供给装置。
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用气体，如氮气，干燥压缩空气，液氧，液氮等。
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，针对大型医院对医疗气体的需求和用气情况(用氧量在15Nm3/h和200Nm3/h之间，白天和夜晚用气量差别大，用氧压力为4BarA，还需要干燥压缩空气，氮气，液氧，液氮)，提供了一种医疗保健气体集成式制备方法及其制取和供给装置。
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：
医用气体的集成式制取方法，制取步骤如下：
a.将空气过滤压缩冷却后再进行干燥；
b.将干燥后的气体经过纯化去除空气中的有害组分如水蒸气、CO2、N2O和其他潜在的有害碳氢化合物；
c.将步骤b中干燥净化后的空气分成四股，第一股空气进入经冷却后送到高压塔作为上升气，第二股空气经冷却膨胀降压进入低压塔精馏，第三股空气经加压冷却后进入高压塔精馏；第四股空气作为干燥空气进入收集；
d.步骤c中进入高压塔中的空气经过精馏在高压塔的顶部得到氮气，在底部得到富含氧气的液态空气，富含氧气的液态空气通过过冷后进入低压塔参与精馏，低压塔在顶部得到氮气，在底部得到来自高压塔的富含氧气的液态空气经过再精馏得到的液氧；
e.低压塔底部的液氧一部分以液态形式储存，另一部分液氧经过复热，复热的同时冷凝增压步骤c中的第一股、第二股、第三股空气，复热后氧气以气态形式储存；低压塔得到的污氮气作为分子筛系统的污氮气；高压塔中的氮气一部分经复热以氮气的形式收集，剩下的部分经冷凝以液态的形式收集；收集的液氮分成三部分，一部分作为低压塔的回流液氮，一部分作为高压塔的回流液氮，剩下的部分作为液氮产品储存。
作为优选，第一股空气的压力为5～9BarA，第二股空气经经膨胀降压后的压力为1.4～1.6BarA，第三股空气加压后的压力为15～25BarA，高压塔的操作压力为5～6BarA，低压塔的操作压力为1.3～1.6BarA。
作为优选，第一股空气经换热后的温度-165～-175℃，第二股空气经换热后的温度为-95～-105℃，第三股空气经换热后的温度为-160～-170℃。
一种用于前述医用气体的集成式制取方法的制取供气装置，包括热端系统、冷端系统和后备系统，热端系统包括空气过滤器、空气压缩机、冷冻机、水汽分离罐、分子筛系统和控制器，空气依次经空气过滤器、空气压缩机、冷冻机、水汽分离罐过滤、加压、冷却、干燥后进入分子筛系统去除空气中的有害气体，如水蒸气、CO2、N2O和其他潜在的有害碳氢化合物，经分子筛系统处理后的空气进入冷端系统和后备系统，分子筛系统的动作由控制器进行控制。
作为优选，热端系统还包括空气增压机，冷端系统包括主换热器、过冷器、高压塔、主冷凝蒸发器、低压塔、液氧内压缩泵和气体膨胀机，经过分子筛系统处理后的气体分成四股，第一股剩余的部分经换热器冷却后连接到高压塔，第二股空气经过主换热器换热、气体膨胀机降压冷却后连接到低压塔，第三股空气经空气增压机加压后通过管道经主换热器连接到高压塔，第四股作为干燥压缩空气进入后备系统，主冷凝蒸发器设置在高压塔和低压塔之间，高压塔底部的富含氧气的液态空气通过过冷器连接到低压塔进行再精馏，高压塔顶部的氮气的一部分通过管道连接到主冷凝蒸发器冷凝成液氮，另一部分氮气经主换热器8复热进入后备系统，液氧内压缩泵与低压塔底部的液氧出口和主换热器相连，液氧经过液氧泵升压进入后备系统。
作为优选，经主冷凝蒸发器收集的液氮的一部分经过过冷器连接到低压冷却塔作为回流液氮，液氮另一部分进入高压塔作为回流液氮，剩下的部分作为作为液氮产品进入后备系统。
作为本发明的进一步优选，后备系统包括液氧贮槽、液氮贮槽、氧气缓冲罐、汽化器、氧气瓶充装装置和送气管网，低压塔收集的液氧一部分通过液氧管道连接到液氧内压缩泵，通过液氧内压缩泵升压后被液氧贮槽收集，另一部分液氧被送到主换热器，经主换热器复热后，被氧气缓冲罐收集送入送气管网，氧气瓶充装装置连接到液氧贮槽，液氧贮槽经换热器连接到氧气缓冲罐，液氮经过冷器被液氮贮槽收集，进入后备系统的氮气的路径为从高压塔顶部的氮气出口进入主换热器复热，复热后的氮气送入送气管网。
作为优选，分子筛系统包括加热器和至少两个分子筛吸附器，加热器用于加热分子筛吸附器再生气，分子筛吸附器至少一个在吸附，一个在再生。
作为优选，加热器为电加热器，单个分子筛吸附器吸附周期为4～8小时。
作为优选，空气压缩机为无油式空气压缩机，冷却方式为风冷，空气增压机为无油式空气增压机。热端系统设置在热端集装箱中，冷端系统设置在冷端集装箱中。
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，氮气，液氧，液氮和干燥压缩空气，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。工艺流程中通过设置氧气缓冲罐，并提高其操作压力，使装置稳定连续运行在额定流量时，就能满足医院白天和夜晚不同用气量的需求，操作简单，有利于装置的稳定。工艺流程中通过设置空气增压机复热液氧，实现了全部液氧内压缩，在此等制氧规模的小型深冷装置中(氧产量200Nm3/h以内)属于创新。同时减少了空气进气量，降低了能耗，制氧单耗约0.8～0.9kWh/Nm3，而且避免了氧压机的使用，提高了安全性，可同时满足医院医院普通病房终端，麻醉剂，呼吸机，高压氧舱的用氧要求。在装置停车的情况下，液氧贮槽内的液氧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，安装简单。
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、3一冷冻机、4一水汽分离罐、5一分子筛吸附器、6—电加热器、7—空气增压机、8一主换热器、9—气体膨胀机、10一高压塔、11—低压塔、12—主冷凝蒸发器、13—液氧内压缩泵、14—第一过冷器、15—第二过冷器、16一液氧贮槽、17一第一空浴式汽化器、18一液氧高压活塞泵、19一第二空浴式汽化器、20一氧气瓶充装装置、21一液氮贮槽、22一氧气缓冲罐、23一控制器。
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。
医用气体的集成式制取方法，制取步骤如下：
a.将空气过滤压缩冷却后再进行干燥；
b.将干燥后的气体经过纯化去除空气中的有害组分如水蒸气、CO2、N2O和其他潜在的有害碳氢化合物；
c.将步骤b中干燥净化后的空气分成四股，第一股空气进入经冷却后送到高压塔10作为上升气，第二股空气经冷却降压进入低压塔11精馏，第三股空气经加压冷却后进入高压塔10精馏；第四股空气作为干燥空气进入收集；
d.步骤c中进入高压塔10中的空气经过精馏在高压塔10的顶部得到氮气，在底部得到富含氧气的液态空气，富含氧气的液态空气通过过冷后进入低压塔11参与精馏，低压塔11在顶部得到氮气，在底部得到来自高压塔10的富含氧气的液态空气经过再精馏得到的液氧；
e.低压塔11底部的液氧一部分以液态形式储存，另一部分液氧经过复热，复热的同时冷凝增压步骤c中的第一股、第二股、第三股空气，复热后氧气以气态形式储存；低压塔11得到的污氮气作为分子筛系统的污氮气；高压塔10中的氮气一部分经复热以氮气的形式收集，剩下的部分经冷凝以液态的形式收集；收集的液氮分成三部分，一部分作为低压塔11的回流液氮，一部分作为高压塔10的回流液氮，剩下的部分作为液氮产品储存。
针对大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50～80Nm3/h，氧气压力为4BarA，还需要干燥压缩空气200Nm3/h，氮气0～5Nm3/h，液氧0～2Nm3/h，液氮0～2Nm3/h。
如图1所示，医用气体的集成式制取和供给装置，包括热端系统、冷端系统和后备系统，热端系统包括空气过滤器1、空气压缩机2、冷冻机3、水汽分离罐4、分子筛系统和控制器23，空气依次经空气过滤器1、空气压缩机2、冷冻机3、水汽分离罐4过滤、加压、冷却、干燥后进入分子筛系统去除空气中的水蒸气、CO2、N2O，经分子筛系统处理后的空气，经分子筛系统处理后的空气进入冷端系统和后备系统，分子筛系统的动作由控制器23进行控制。热端系统还包括空气增压机7，冷端系统包括主换热器8、过冷器、高压塔10、主冷凝蒸发器12、低压塔11、液氧内压缩泵13和气体膨胀机9，经过分子筛系统处理后的气体分成四股，第一股剩余的部分经换热器冷却后连接到高压塔10，第二股空气经过主换热器8换热、气体膨胀机9降压冷却后连接到低压塔11，第三股空气经空气增压机7加压后通过管道经主换热器8连接到高压塔10，第四股作为干燥压缩空气进入后备系统，主冷凝蒸发器12设置在高压塔10和低压塔11之间，高压塔10底部的富含氧气的液态空气通过过冷器连接到低压塔11进行再精馏，高压塔10顶部的氮气的一部分通过管道连接到主冷凝蒸发器12冷凝成液氮，另一部分氮气经主换热器8复热进入后备系统，液氧内压缩泵13与低压塔11底部的液氧出口和主换热器8相连，液氧经过液氧泵升压进入后备系统。经主冷凝蒸发器12收集的液氮的一部分经过过冷器连接到低压塔11作为回流液氮，液氮另一部分进入高压塔10作为回流液氮，剩下的部分作为作为液氮产品进入后备系统。后备系统包括液氧贮槽16、液氮贮槽21、氧气缓冲罐22、汽化器、氧气瓶充装装置20和送气管网，低压塔11收集的液氧一部分通过液氧管道连接到液氧内压缩泵13，通过液氧内压缩泵13升压后被液氧贮槽16收集，另一部分液氧被送到主换热器8，经主换热器8复热后，被氧气缓冲罐22收集送入送气管网，氧气瓶充装装置20连接到液氧贮槽16，液氧贮槽16经换热器连接到氧气缓冲罐22，液氮经过冷器被液氮贮槽21收集，进入后备系统的氮气的路径为从高压塔10顶部的氮气出口进入主换热器8复热，复热后的氮气送入送气管网。
分子筛系统包括加热器和至少两个分子筛吸附器5，加热器用于加热分子筛吸附器5的再生气，分子筛吸附器5至少一个在吸附，一个在再生，加热器为电加热器6，单个分子筛吸附器5吸附周期为4～8小时。
装置如需在室内安装则冷箱高度不超过5m，噪音低于70dB。
装置工作流程如下：
吸入的空气500～650Nm3/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5.5～9.5BarA。
压缩空气进入冷冻机3冷却，在水汽分离罐4分离水分，压缩空气出水汽分离罐4的温度约5～10℃。
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通过互相交替再生的两个分子筛吸附器5中的一个吸附。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系统中低压塔11产出的污氮气，来自低压塔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23(DCS或PLC)自动控制完成。
干燥净化的加工空气通过分子筛吸附单元后温度约20℃分成四股，第一股压缩空气进入主换热器8冷却接近到空气液化温度然后送入到高压塔10。在换热器中段抽取第二股压缩空气约为50～100Nm3/h到气体膨胀机9膨胀，压缩空气进口压力约为5.3～9.3BarA，进口温度约-95～-105℃，膨胀后该股空气压力约为1.4～1.6BarA被送入到低压塔11作为上升气。第三股压缩空气约为100～150Nm3/h进入空气增压机7进一步压缩至15～25BarA，然后送入到主换热器8换热，换热器下段的压缩空气已经液化，全部经节流阀减压至约6BarA后进入高压塔10底部。第四股压缩空气压力约为5～9BarA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8换热后的温度-165～-175℃，第二股空气经主换热器8换热后的温度为-95～-105℃，第三股空气经主换热器8换热后的温度为-160～-170℃。
在高压塔10中空气经过精馏在塔的顶部得到纯氮气而在塔底部得到富含氧气的液态空气，得到富含氧气的液态空气经过第二过冷器15进入低压塔11进行再精馏得到产品液氧。高压塔的操作压力为5～6BarA，低压塔的操作压力为1.3～1.6BarA。
高压塔10和低压塔11精馏所需的回流液氮来自主冷凝蒸发器12，来自高压塔10的氮气通过氮气管道进入低压塔11底部的主冷凝蒸发器12被低压塔11底部的液氧液化成液氮。被液化后的液氮分成三股一股液氮被用于作为高压塔10的回流液，一股液氮在第一过冷器14中过冷后节流送到低压塔11顶部作为回流液，剩余的部分作为液氮产品抽取储存在液氮贮槽21，液氮产品的量为0～3Nm3/h。液氮贮槽21通过管路连接在低压塔11的顶端，当气体膨胀机9停止工作时，液氮贮槽21中的液氮会回流至低压塔11从而保持装置冷量平衡，继续连续运行。当没有安装液氮贮槽21时，并且气体膨胀机9停止工作时，液氧贮槽16中的液氧通过管路连接会反注进入主换热器8从而保证第三股空气的冷却降温，保持装置冷量平衡，继续维持装置连续运行。
在高压塔10顶部位置抽取的气氮0～5Nm3/h送到主换热器8复热至接近大气温度后出主换热器8送入送气管路。
来自高压塔10底部的富含氧气的液态空气，经过第二过冷器15参与换热，最终送到低压塔11参与精馏，从而在低压塔11中经过精馏在塔顶部分离得到纯氮气而在底部得到纯氧，由于低压塔11中的氮气压力较低不满足医院的使用需求，所以从低于低压塔11塔顶的一段抽取污氮气经第一过冷器14、第二过冷器15和主换热器8复热后送入分子筛系统，作为分子筛系统的再生气。
在低压塔11底部位置抽取液氧产品。一部分液氧50～80Nm3/h送至液氧泵增压至7～11BarA，经泵增压到所需的压力后，一部分液氧经过冷后送至液氧贮槽16，另一部分送到主换热器8复热，在那里液氧蒸发来冷凝增压空气，汽化后的氧气在主换热器8中继续复热至接近大气温度后出主换热器8，并送至氧气缓冲罐22约30m3，使其操作压力维持在6～10BarA之间，之间经过减压阀减压至约4BarA送至医院的氧气管网，或送至汇流排进行氧气瓶充装。其中液氧贮槽16分三路分别连接着氧气管网、氧气瓶充装装置20、氧气缓冲罐22。液氧贮槽16和氧气管网之间设有第一空浴式汽化器17；液氧贮槽16与氧气瓶充装装置20之间设有液氧高压活塞泵18和第二空浴式汽化器19；一旦装置停车，液氧贮槽16储存的液氧可用于保证氧气供应。从5m3真空压力贮槽抽出的液氧50～80Nm3/h，经第一空浴式汽化器17蒸发，进入氧气管网。
其中空气压缩机2为无油式空气压缩机，冷却方式为风冷；空气增压机7为无油式活塞增压机；主换热器8为板翘式换热器把流程空气冷却到液化温度，同时加温产品气体；第一过冷器14和第二过冷器15均采用板式换热器；其中液氧内压缩泵13和气体膨胀机9均为一用一备，从而提高装置的安全性和运行可靠性；主冷凝蒸发器12采用浴式设计。
医用气体的集成式制取和供给装置应用于医用气体的集成式制取方法。
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。