摘要：氧气是人类和动物界赖以生存分秒不能离开的物质。 将氧气从空气中分离出来的方法有很多种。 在低海拔地区使用的变压吸附制氧装置到了高原之后，会因空气稀薄，进气量不够，吸附压力下降，分子筛吸附能力减弱。 因此，对工作在不同大气压力下的制氧装置，需要找出影响吸附压力的关键参数，通过调整关键参数实现低气压环境下维持氧气的产量和浓度。 文文将对氧的制造提纯及高原使用的符合医用标准的制氧装置设计进行浅显的探讨。
关键词：氧气制备;深冷空分;变压吸附;高原制氧
氧，自然界最丰富、分布最广，也是对于人类最重要的化学元素，氧元素占整个地壳质量 的 48.6%，有许多金属和非金属元素都是以氧化合物的形式存在的。 水中的氧元素接近 89%。 气态氧是人类和生物界赖以生存分秒不能离开的物质。 我们呼吸的空气中，有用的只有氧气，空气中氧气所占的体积是 20.9%。 高压氧仓中的气压超过了一个大气压，就是富氧环境;高原上气压降低，空气稀薄就是缺氧环境，而过分富氧和缺氧都会引起窒息。 本文将对氧的制造提纯及高原使用的符合医用标准的制氧装置设计进行浅显的探讨。
一、氧气的制备
氧在自然界的存在由来已久，18 世纪由三个欧洲人分别发现，1777 年，法国化学家拉瓦锡指出物质只能在含氧的空气中才能燃烧，从而推翻了同是氧的发现者的英国人普利斯特里所支持的燃素学说。 拉瓦锡用“燃烧物重量的增加与空气中失去的氧相等”的燃烧氧化学说支持了质量守恒定律的确立。 在此之后，人们研究出了氧从空气中分离出来的几种方法，氧气的制备根据用途不同主要有：
1.深度冷却分离法。空气中除了 20.9%的氧气外，更多的成分是氮气，占比 78%，其余的惰性气体以及杂质等成分仅占 1%左右。 氧化还原反应是炼铁、炼钢的基本原理，氧的良好助燃性质使氧气成为冶炼业不可或缺的重要资源。 工业用氧气是依靠空气深度冷却后的气体分离法制备的。 其原理是：通过空气压缩机产生压缩空气，在膨胀机内绝热膨胀对外做功而消耗内能，使气体产生急剧温降，循环反复实现空气的深度冷却液化。 由于液氮的沸点是-196 ℃，而液氧的沸点是-183 ℃， 在精馏塔中氮气会从液态空气中逐渐蒸发出来，而剩下的液态空气中主要就是氧的成分了，液态空气如此发生多次蒸发和冷凝的过程叫做氮氧的精馏分离。 气体的深冷分离所产氧气纯度可达 99.6% ， 而 氮 气 则 可 达 到 99.999%以上。 分馏后产生的液氧经过换热气化后以氧气的形态或压缩装瓶或管道输送供应用方。 空气深冷分离法经过多年的技术进步，原始的高压流程、中压流程逐渐被全低压流程取代，体积庞大的活塞式压缩机和膨胀机组被透平机取代，先进的钎焊技术使效率更高的铝制板式换热器取代了落后的铜管换热器。 整机耗材更节省、占地面积更小，噪声污染更低，单位能耗的产量更高、氧气纯度更容易保障，还增加了氩、氪、氦等稀有气体的提取装置。 至今依然是大规模氧气制造最经济的生产方式。
2.变压吸附法。 所谓吸附，一是利用具有对氮气有吸附和解析能力的吸附剂作为分子筛，干燥的压缩空气在通过分子筛时，氮分子即被分子筛吸附;
二是利用氮分子大于氧分子的特性， 在分子筛微孔系统空隙中的扩散速度氧要大于氮。 通过分子筛两端的压差，氧气陆续进入吸附器内，当氧气收集到一定量后，即可开阀放出。 当分子筛中吸附的氮足够多时， 只需要变压抽出即实现再生。 此法虽然发明不过 50 年，但已经广泛用于工业制氧和医用氧。 变压吸附法的优势在于省去了对空气的压缩和膨胀，能耗降低;不足之处是氧气纯度略低，尽管已由最初的 70%提高到 90%，然而仍然达不到生产高纯度氧气的水平。
3.气体膜分离法。 随着高分子聚合纤维材料的出现和性能改进，使膜法分离气体成为可能。 气体透过中空聚合物膜是一个复杂的过程，将某种纤维材料制成具有特殊选择分离性的膜状物，在压缩气体通过膜时，因速率不同，有选择地过滤掉一个组分，而让另一组分在膜后富集。 其透过机制一般是气体分子首先被吸附到膜的表面溶解， 然后在膜中扩散，最后从膜的另一侧解析出来。 膜分离技术依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异来实现气体分离。 一般来说，所有薄膜对所有气体都是可以渗透的，只不过渗透的程度不同而已，所以膜分离制氧的纯度更低，只能达到富氧效果。 膜法富氧对原料空气的要求较高，否则很容易造成膜堵塞，分子膜占整个膜法富氧设备总成本的 70%~80%， 更换太勤很不划算，所以膜法富氧的工业化推广还有很长的路要走。
4.水电解制氧法。 水的电解其实就是一个氧化还原反应，直流电的正极带正电，可以吸收电子;而负极带负电，可以给予电子。 在水分子中的氧是负二价，可以给正极电子，氢是正一价的，所以可以接受电子。 如此负极给出了氢电子，使氢变成了氢气，正极从氧那里得到了电 子，使氧从负二价成了 0 价，就成了氧气。 为了加速电解，需要在电解槽中放入一定比例的氢氧化钠或氢氧化钾。 通入直流电后，水就可以分解为氧气和氢气，只要恰当收集，即可同时得到氧气和双倍的氢气。 因电解法耗电很大，不适用于制取大量的氧。 另外，氢气是易燃易爆气体，如果得不到有效收集，会给相对密闭的空间带来危险，所以不推荐在家庭使用。
5.实验室制备氧气。 在实验室需要少量氧气时一般可用以下三种方法制备：一是加热高锰酸钾;二是分解过氧化氢溶液;三是加热氯酸钾和二氧化锰混合物。
二、高原医用制氧机的研制和应用
随着海拔高度的增加，大气压力逐渐递减。 国家的有关行业标准中有大气压力与海拔高度间的经验公式，并给出了不同海拔高度对应大气压力。 当海拔达到 5000 米高度时，大气压力就下降了一半(见表 1)。守卫祖国边陲的解放军指战员，大部分成长在高海拔地区，缺氧等高原反应是他们面临的最大生活困难和危害。 为了能使部队更好地完成训练和戍边巡逻任务，提高部队持续作战能力，保障运输安全，减少非战斗减员，保证战士们在缺氧时得到达到医用氧的标准， 富氧补充是最基本辅助条件，因此，小型制氧装置成为高原战士必不可少的后勤保障设备。
三、高原医用制氧机的技术方案
根据制氧机在高原使用的特点，我们选用了分子筛变压吸附法的制氧装置。 该装置主要采用两塔变压吸附技术，从空气中分离出富氧气， 通过压力传感器检测人的呼吸信号，脉冲式产出符合医用标准的呼吸用氧气。
1.主要结构和流程。设备主要由压缩机部件、分子筛吸附部件、控制部件、散热风扇、过滤部件、外壳框架组成。 具有体积小、重量轻、产氧浓度高、气量大和高原自适应性等功能。结构流程为： 过滤单元→空气压缩机→冷却风扇→吸 附 单元→缓冲罐→产品氧气。
2.主要技术性能指标。 氧气产量≥1 L/min(单兵携带，持续时间不小于 2h);氧气浓度≥90%(标准大气压)≥80%(海拔 4500 米); 氧 气 浓 度 建 立 时 间≤3 min; 供 氧 压 力 0.04~ 0.06Mpa;供氧压力建立时间≤10 s;供氧模式：鼻吸管;使用人数：1 人;输入电源：DC 26±4 V; 额定功率≤50 W;工作噪声≤ 65 dB;氧气理化标准：符合 2005 版国家药典有关规定;单体重量≤3 千克;安装空间≤220×170×120 mm。
3.材料。 外壳框架采用铝合金材质加工制造。
4.环境适应性。 工作温度：-43 ℃~+46 ℃;贮存温度：-43 ℃ ~+70 ℃ ;应满足车辆行驶和武器射击时的冲击振动要求，按 GJB150.16A-2009 《军用设备环境试验方法——振动试验》、 GJB150.18A-2009《军用设备环境试验方法——冲击试验》执行。
5.安全性。 安全性设计应符合 GJB900A-2012《系统安全性通用大纲》、GJB 1372-1992 《装甲车通用规范》3.3 的有关要求，包括机械安全性、电气安全性和操作安全性。 机械结构安装应简洁、可靠，具有保证乘员安全的保护设施，防止人身伤害。 电气接口具有防过流过压防雷等保护措施。
6.人机工程要求。 符合 GJB 3027A-2017《军事装备和设施的人机工程要求》、GJB1835-1993《装甲车辆人-机-环境系统工程总体设计要求》的规定。
7.外观。 美观大方，便于行军携带。 控制面板显示氧气质量、环境温度、压力及设备运行状态，界面友好，操控简单。
四、高原医用制氧机的技术创新点
为了适应高原使用特点，高原医用制氧机进行了几项技术创新：
1.脉冲供氧。跟踪使用者的呼吸频率，只有检测到呼吸信号时，控制电磁阀才自动开启。 脉冲出氧，不仅可以节氧而且大大提高使用者的舒适度。
2.低温保护。高原温度较低，当检测器检测到周围环境温度低于-20 ℃时，冷却风扇停转，同时启动机体内的电伴热功能，以保证电磁阀等电气元件正常运行。 在低温环境下，电伴热的功率小于 3 W。
3.吸附器与缓冲罐集成。传统吸附缓冲结构分散，有管道连接和密封，占用空间大，并增加整机重量。 吸附器与缓冲罐集成结构由两个吸附器和一个缓冲罐组成，主要目的是进一步降低体积和重量。 吸附器与缓冲罐的集成结构采用铝合金制造，采用模具挤压拉伸成型加工工艺，集成结构上下端面通过硅胶垫与上下阀板密封连接。
参考文献：
[1]杨浩.透平膨胀机的常见故障及预防[J].内蒙古科技与经济，2018(5)：76+78.
[2]姜婧.浅谈小型制氧机中富氧膜制氧的基本原理[J].黑龙江科技信息，2012 (15)：62.
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