Дипломная (вкр): Конструкции кислородных концентраторов

Таблица 1 - Параметры дыхания в зависимости от состояния здоровья

₂- углекислый газ, ЧСС - частота пульса, АП - самопроизвольная (автоматическая) пауза после выдоха

Дыхание по своей сути это череда циклов состоящих из выдохов и вдохов между которыми могут иметься паузы. На рисунке 1 изображен дыхательный цикл человека в состоянии покоя, этот цикл состоящий из фаз вдох, выдох, пауза, и его продолжительность 4 с (соответствует частоте дыхания 15 ц./ мин). Величина паузы примерно 1 с.

Минутный объем дыхания около 6 л/мин. Содержание углекислого газа в крови снижено, сосуды сжаты и сердце бьётся немного чаще нормы. Однако циклы различных людей могут очень сильно отличаться.

Рисунок 4 - Цикл дыхания в покое

.7 Показания к применению кислородных концентраторов

Лечение кислородом наиболее актуально при таких заболеваниях как: болезни легких, бронхиты, эмфизема легких, артериальная гипоксемия, пневмония, гипоксия, хроническая дыхательная недостаточность.

Основные показатели гипоксемии - снижение парциального напряжения кислорода в артериальной крови (РаО2) и снижение насыщения кислородом артериальной крови (SаО2) - являются важными маркерами неблагоприятного прогноза больных с хронической дыхательной недостаточностью (ХДН). Среди больных хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) с РаО2 < 40 мм рт.ст. 2-х летняя выживаемость практически равна нулю.

Использование кислорода у больных с хронической гипоксемией должно быть постоянным, длительным и, как правило, проводиться в домашних условиях, поэтому такая форма терапии называется длительной кислородотерапией (ДКТ).

Главным физиологическим эффектом ДКТ является улучшение транспорта кислорода, который является продуктом сердечного выброса и содержания ксилорода в аретриальной крови.

Перед назначением больным ДКТ необходимо также убедиться, что возможности медикаментозной терапии исчерпаны и максимально возможная терапия не приводит к повышению О2 выше пограничных значений. Показания к длительной кислородотерапии представлены в таблице 2.

Таблица 1 - Показания к длительной кислородотерапии

Большинству больных хронической дыхательной недостаточностью достаточно потока О2 порядка 1-2 литров в минуту, хотя, конечно у наиболее тяжелых больных поток может быть увеличен и до 4-5 л/мин. Рекомендуется проведение длительной кислородотерапии не менее 15 часов сутки. Максимальные перерывы между сеансами О2-терапии не должны превышать 2-х часов подряд. Для больных с хронической дыхательной недостаточностью в ночное время рекомендовано повышение потока О2на 1 л/мин, по сравнению с потоком в дневное время.

Для проведения ДКТ в домашних условиях необходимы автономные и портативные источники кислорода: концентраторы кислорода, баллоны с сжатым газом и резервуары с жидким кислородом. Положительные и отрицательные стороны использование методов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Источники кислорода и их положительные и отрицательные стороны

Существует несколько систем для доставки кислорода в дыхательные пути пациента. В домашних условиях чаще всего используются носовые канюли. Они довольно удобные, недорогие и хорошо воспринимаются большинством больных. Канюли позволяют создавать кислородно-воздушную смесь с содержанием кислорода (FiO2) до 24- 40 % при потоке О2 до 5 литров в минуту (FiO2, % = 20 + 4 x (поток О2, л/мин)). Однако, реальная фракция вдыхаемого кислорода зависит кроме потока О2 от многих факторов: геометрии носоглотки, ротового дыхания, минутной вентиляции, дыхательного паттерна.

Уменьшение дыхательного объема и минутной вентиляции приводит к повышению FiO2. Однако доставка кислорода в альвеолы происходит только во время ранней фазы вдоха (примерно 1/6 часть дыхательного цикла), в то время как остальной О2расходуется «вхолостую». Для осуществления более эффективной доставки О2предложено несколько типов кислородосберегающих устройств: резервуарные канюли, пульсирующие устройства доставки кислорода и транстрахеальные катетеры; при их использовании достигается экономия О2 в 2-4 раза, т.е. возможно снижение потока О2 на такую величину, и, следовательно, увеличить время использования источников О2, что особенно важно для портативных систем.

2. Анализ процессов происходящих при воздухоразделении

.1 Физико-химические свойства воздуха и входящих в него компонентов

Воздух, которым насыщена наша атмосфера представляет из себя смесь азота, кислорода, углекислого газа, аргона и других газов. А так же, в воздухе содержится некоторое количество водяных паров.

Молекулярная масса сухого воздуха составляет 28,96 г/л плотность равна 1,2928 г/л, растворимость в воде - 29,18 см3/л при О °С и 18,68 см3/л при +20 °С, температура кипения -193 °С.

Воздух имеет физические свойства, характерные для других газов. Газ состоит из молекул, имеющих ничтожные размеры по сравнению с объемом, занимаемым газом, поэтому расстояние между молекулами значительно превышает собственные размеры молекул. Воздух и такие газы, как азот, кислород и гелий, приближаются к поведению идеальных газов, особенно при малых давлениях и высоких температурах.

Газы обладают малым удельным весом. Они имеют большую сжимаемость, поскольку при сжатии газа уменьшается лишь расстояние между молекулами, а сами молекулы при этом не сдавливают друг друга, что характерно для жидкостей. Давление газа (его упругость) является следствием совокупности ударов частиц газа о стенку сосуда. Среднее давление на единицу площади сосуда во времени практически не изменяется, поскольку, несмотря на хаотичность ударов молекул о стенки сосудов, число ударов исключительно велико, а сила единичных ударов очень мал.

Таблица 4 - Содержание веществ в воздухе

Азот - химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 7, атомная масса 14,0067. Азот широко распространен в природе. В космосе он занимает 4-е место после водорода, гелия и кислорода. Живые организмы содержат около 0,3 % азота в соединениях. Азот состоит из двухатомных молекул (N2) с молекулярной массой 28,016. Представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотность равна 1,2506 г/л, плотность по отношению к воздуху 0,9673. Температура плавления -210,02 °С, температура кипения -195,81 °С. Коэффициент растворимости атмосферного азота (вместе с аргоном и другими инертными газами) в воде при 20 °С составляет 0,016665, а при 38 °С он равен 0,0139. Растворимость азота в крови при 38 °С составляет 0,01253. Азот растворяется в воде вдвое хуже кислорода (при 20 °С в 1 л воды растворяется 15,4 мл азота и 31 мл кислорода), что определяет отношение кислорода к азоту в воде 1 : 2, а не 1: 4, как в воздухе. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов: 14N (99,635 %) и 15N (0,365 %).

Кислород - химический элемент IV группы, атомный номер 8, атомная масса 15,9994. Самый распространенный на Земле элемент (49 % массы всех элементов в природе), который в виде соединений входит в массу земной коры, состав воды (88,81 % по массе) и многих тканей живых организмов (около 70 % по массе). Повсеместно распространен в природе. В свободном виде встречается в двух модификациях: О2 («обычный» кислород) и О3 (озон). О2 - бесцветный газ не имеющий вкуса и запаха с молекулярной массой 32,000. Плотность равна 1,42895 г/л, плотность по отношению к воздуху 1,033. Температура кипения составляет -182,97 °С. Коэффициент растворимости в воде при 20 °С равен 0,03329, а в плазме крови при 37 °С - 0,022. Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов: 16О (99,76 %), 17О (0,048 %) и 18О (0,20 %).

Химически самый активный (после фтора) неметалл. В условиях обычной или высокой температуры кислород поддерживает горение горючих веществ, непосредственно взаимодействует при окислении, горении, тлении и т.д. с большинством элементов (почти со всеми веществами, кроме инертных газов, хлора, брома, йода, некоторых благородных металлов), как правило, с выделением энергии. При повышении температуры скорость окисления возрастает и может начаться горение. Животные и растения получают необходимую для жизни энергию за счет биологического окисления различных веществ кислородом, поступающим в организм при дыхании. Свободный кислород атмосферы сохраняется благодаря фотосинтезу растений.

.2 Основные виды адсорбентов

Активные угли - это пористые адсорбенты углеродного типа. Получают их в основном из различных видов органического сырья - торфа, бурого и каменного угля, антрацита, древесного материала, промышленных отходов, веществ животного происхождения, скорлупы орехов, в том числе кокосовых.

Следующий тип адсорбентов - силикагели. Этот вид сорбентов очень распространен в промышленности, благодаря хорошей пористости. По виду силикагель представляет из себя твердые зерна: матовые или прозрачные, бесцветные или светло-коричневые. Выпускают их в виде шариков, таблеток или кусочков неправильной формы, с зернами размером от 0,1 до 7 мм.

Рекомендации по применению силикагеля:

,1 - 0,25 мм для процессов с кипящим слоем адсорбента;

,5 - 2,0 мм для жидкофазных процессов и процессов с движущимся слоем адсорбента;

,0 - 7,0 мм - для процессов в газовой фазе со стационарны слоем адсорбента.

Получают силикагели на основе двуокиси кремния. Силикагель - один из самых первых минеральных синтетических адсорбентов, нашедших широкое применение в промышленной практике.

Основные преимущества силикагелей:

Низкая температура, требуемая для регенерации (110 - 200°С) и, как следствие более низкие энергозатраты, чем при регенерации других промышленных минеральных сорбентов (окись алюминия, цеолиты);

Возможность синтеза силикагелей в широком интервале заданных структурных характеристик при использовании достаточно простых технологических приемов;

Низкая себестоимость при крупно монтажном промышленном производстве;

Высокая механическая прочность.

Другой тип адсорбентов - это активная окись алюминия и алюмогели. Рост потребности в активной окиси алюминия обусловлены развитием таких процессов, как риформинг, гидроочистка, гидрокрекинг (в которых используются катализаторы, содержащие 80-99% окиси алюминия), а также широким применением ее в процессе адсорбции. Достоинства окиси алюминия (термодинамическая стабильность, легкость получения, доступность сырья и др.) обеспечивают возможность широкого применения ее. Окись алюминия получается путем прокаливания гидроокиси алюминия. Структура окиси алюминия зависит от типа гидроокиси, остаточного содержания воды, наличия окислов щелочных и щелочноземельных металлов, а также от условий термической обработки.

2.3 Цеолиты. Их виды и свойства

Цеолиты - алюмосиликаты, содержащие в своем составе окислы щелочных и щелочноземельных металлов, отличающиеся строго регулярной структурой пор, которые в обычных температурных условиях заполнены молекулами воды. Эта вода, названная цеолитной, при нагреве выделяется. В природе в качестве катионов обычно в состав цеолитов входят натрий, калий, кальций, реже барий, стронций и магний. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами SiO₄ и АlO₄.

Если из цеолита удалить воду, поры могут быть заполнены снова водой или другим веществом, что и предопределяет их использование в процессах осушки, и разделения веществ. Поглощение вещества происходит в основном в адсорбционных полостях цеолита. Однако не все вещества могут проникать в адсорбционные полости цеолитов и поглощаться в них. Это объясняется тем, что адсорбционные полости соединяются друг с другом входами - окнами строго определенного размера. Проникнуть через окно могут только те молекулы, критический диаметр которых меньше диаметра входного окна. Под критическим диаметром понимают диаметр по наименьшей оси молекулы.

Цеолиты по своему происхождению могут быть как природные так и синтетические. Первые попытки получить цеолиты синтетическим путем были сделаны более 100 лет назад. В 1862 г. Сент-Клер Девиль в результате нагревания в запаянной стеклянной трубке смеси силиката и алюмината калия при 200 °С получил синтетический калиевый филлипсит. В близких условиях, при нагреве силиката калия и алюмината натрия до 170 °С был получен синтетический шабазит. Проведенные затем многочисленные опыты, преследовавшие целью синтез аналогов природных цеолитов, проводились в условиях высоких температур (250-450 °С) и давлении до 3• 10⁸ Па (3000 кгс/см²).