本發明涉及深冷法制取氧氣技術領域，尤其涉及了醫療保健氣體深冷自增壓式制取裝置及其方法。
背景技術：
深冷法是先將空氣壓縮、冷卻、凈化吸附空氣中的水和二氧化及碳氫物質等，在換熱器中與冷流股換熱并使空氣液化，利用氧、氮組分的沸點的不同，在精餾塔中實現氧、氮分離，這就是空氣精餾法。
目前工業上大規模制氧普遍采用深冷法，由大型深冷裝置生產的液氧，通過槽車運送至安裝在醫院內的低溫壓力儲槽內，經空浴式汽化器汽化后供醫院使用，其缺點是液體供應主動權掌握在供應商手中，存在質量風險，液氧來源路途遙遠，運輸不方便，成本較高，加之生產液氧單位耗能較高，氧氣折合價格約為3元/nm3。
小型深冷裝置目前在醫用領域僅限于充裝氧氣瓶和直接生產液氧，并沒有一個針對大型醫院用氣需求和特點專門設計的用于醫院現場連續供氣的小型深冷裝置。而且裝置占地較大，且單位制氧能耗較高。
另一種折衷的辦法是在醫院安裝采用變壓吸附法制氧(即psa制氧)裝置直接生產氧氣供應醫院使用，其基本原理是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分具有選擇性吸附而使空氣中氧氮氣分離從而獲得氧氣。當空氣經過壓縮，經吸附塔的分子篩吸附層時，氮分子優先被吸附，氧分子留在氣相中穿過吸附床層而成為產品氧氣。當吸附劑層中的氮氣吸附達到相對飽和時，利用減壓或抽真空的方法將吸附劑分子表面吸附的氮分子解吸出來并送出界區排空，使吸附劑得到解吸重新恢復原有的吸附能力，為下一周期的吸附產氧準備，兩個以上(含兩個)吸附塔不停地循環，就實現了連續產氧的目的。該方法所生產的氧氣純度通常只有93％左右。即使采取極端辦法，其氧氣純度最高只能達到95％，無法達到醫用氧99.5％的純度要求，所以只適合對氧氣純度要求不高的場合，而且制氧單耗較高。且無法同時供應其他醫療保健氣體。
傳統的中小型醫院由于用氣量有限，但是直接購買灌裝氣在長期使用過程中成本較高，而且搬運麻煩，同時氣體的質量存在風險。而且傳統的現場制氧設備成本較高，需要的動力設備較多，給維護和保養帶來了更多的成本。
技術實現要素：
本發明為深冷技術在醫療健康領域的技術應用拓展，針對醫院對醫療氣體的需求和用氣情況，提供了一種無需內壓縮液氧泵的設備成本較低的醫療保健氣體自增壓式深冷制取裝置及其方法。
為了解決上述的技術問題，本發明通過下述技術方案得以解決：
醫療保健氣體深冷自增壓式制取裝置，包括冷端系統，冷端系統包括過冷器，冷端系統還包括膨脹機，膨脹機的進氣口和出氣口通過第一管道與過冷器相連，連接膨脹機進氣口的第一管道為進氣段，連接膨脹機出氣口的第一管道為出氣段。膨脹機能夠對污氮氣進行膨脹降溫，從而使部分污氮氣進行二次換熱，從而提供更多冷量，滿足過冷器所需冷量。
作為優選，冷端系統還包括主換熱器和精餾塔，精餾塔、過冷器和主換熱器依次連接有污氮氣管道；進氣段與連接過冷器和主換熱器的污氮氣管道連通，出氣段從膨脹機出口依次連接過冷器和主換熱器。過冷器能夠使液態空氣和污氮氣進行換熱，從而對液態空氣進行過冷，有利于節約冷量，降低汽化率，從而節約能源。而且二次降壓冷卻的污氮氣同時能夠給主換熱器提供充足的冷量。污氮氣和空氣在主換熱器能夠進行換熱，從而充分利用冷量。
作為優選，污氮氣管道包括連接精餾塔和過冷器的第一污氮氣管道，和污氮氣管道出過冷器部分的第二污氮氣管道，第二污氮氣管道和第一污氮氣管道連通；第二污氮氣管道分為三個通路，第一通路連接到主換熱器并從主換熱器排出，第二通路連接到主換熱器再從主換熱器中引出連接到進氣段，第三通路與進氣段連通，出氣段出主換熱器連接到分子篩系統。從而充分利用了精餾塔產出的污氮氣的冷量，污氮氣分為多路能夠靈活的調整去換熱器和膨脹機的污氮氣流量，使裝置在白天產氣和夜晚產液兩種不同運行工況時，既能調節進入膨脹機的污氮氣量以滿足兩種工況制冷量的需求，同時維持了換熱器的負荷平衡。能夠有效利用夜晚谷電價格優勢制取液氧，并在白天用氣高峰時汽化液氧供醫院使用，增加了經濟性的同時，解決了醫院白天和夜晚用氣量不同的問題。
作為優選，還包括熱端系統，熱端系統包括分子篩系統，第一通路出主換熱器連接到分子篩系統。從而為分子篩系統提供再生氣，一方面為充分利用污氮氣的冷量對空氣進行過冷，另一方面污氮氣作為再生氣節約了空氣，節約了能量。
作為優選，還包括主冷凝蒸發器和后備系統，主冷凝蒸發器與精餾塔連接有液氧管道；精餾塔底設置有液氧排放管道，液氧排放管道的進液端與精餾塔相連，液氧排放管道的出液端與后備系統相連。液氧通過液氧排放管道能夠定時排放，從而降低了主冷凝蒸發器內的碳氫化合物的含量，提高了裝置的安全性，另一方面排放的液氧通過汽化器汽化成氣氧并入氧氣管道作為產品使用，減少了浪費。
作為優選，精餾塔的設置有氣氧出氣口，氣氧出氣口和主換熱器之間設有氣氧管道，氣氧管道出主換熱器連接到后備系統。免去使用液氧泵，從而降低了使用成本，同時提高了安全性。氣氧進入主換熱器復熱的同時提供冷量使空氣進行降溫，從而充分利用冷量，節約了能源。
作為優選，熱端系統還包括空氣過濾器、空氣壓縮機、空氣緩沖罐、冷干機，空氣過濾器、空氣壓縮機、空氣緩沖罐、冷干機和分子篩系統依次通過空氣管道連通；分子篩系統的空氣管道的出氣端分為兩路，第一路空氣管道連接到后備系統，第二路空氣管道依次連接到主換熱器、主冷凝蒸發器、過冷器和精餾塔；后備系統包括氧氣緩沖罐和汽化器，氣氧管道出主換熱器連接到氧氣緩沖罐，液氧排放管道一端連接主冷凝蒸發器，另一端連接汽化器。
一種醫療保健氣體深冷自增壓式制取裝置的制取方法，包括以下制取步驟，
步驟一、空氣通過空氣過濾器、空氣壓縮機、空氣緩沖罐和冷干機過濾壓縮冷卻和干燥后通入分子篩系統，分子篩系統對空氣進一步純化出空氣中的水蒸氣、co2、n2o；
步驟二、步驟一中分子篩系統處理后的空氣分成兩股，一股空氣經換熱冷卻后送入主冷凝蒸發器進行換熱，換熱后的空氣為液態空氣再經過冷器過冷后進入精餾塔內進行精餾；另一股空氣作為干燥壓縮空氣進入后備系統；
步驟三、精餾塔內空氣精餾產生液氧和污氮氣；液氧一部分作為產品進行收集，另一部分進入主冷凝蒸發器換熱；主冷凝蒸發器換熱汽化產生的氣氧一部分作為精餾塔精餾所使用的上升氣，另一部分作為氣氧產品進入主換熱器進行復熱被氧氣緩沖罐收集；精餾塔的頂部產生污氮氣；主冷凝蒸發器外界有液氧排放管道，主冷凝蒸發器內的液氧通過液氧排放管道定時排放到汽化器；
步驟四，污氮氣出精餾塔進入過冷器，經換熱后的污氮氣分為三股，第一部分經主換熱器復熱后進入分子篩系統作為再生氣；第二部進入主換熱器后，再從主換熱器中抽出與第三部分合并進入膨脹機的進氣口進行膨脹制冷，膨脹制冷后的污氮氣再次進入過冷器內進行換熱后再進入主換熱器復熱，復熱后進入分子篩系統作為再生氣。
作為優選，精餾塔的操作壓力為4.0～4.9bar。本裝置通過提高精餾塔的操作壓力，直接從塔底抽出壓力氧氣，從而省略了液氧泵，增加塔壓提高了液氧的產出量。降低了成本，提高了醫用氧氣的安全性。同時，由于提高了精餾塔的操作壓力，從塔頂抽取并進入膨脹機進口的污氮氣的壓力也相應提高了，增加了膨脹機的制冷量，使之能夠滿足裝置的所需的冷量，提高了液氧的產出量。
作為優選，進入主換熱器的空氣壓力為10.0～12.3bara，經主換熱器換熱后的溫度-150～-168℃。
采用以上技術手段，本發明具有以下有益效果：
本發明采用深冷法可在醫院現場同時制取氧氣和干燥壓縮空氣，氧氣純度滿足醫用氧99.5％的要求。醫院無需再單獨配置干燥壓縮氣體供應裝置。工藝流程中通過提高精餾塔操作壓力，使裝置無需配置液氧泵便能提供符合醫院用氣壓力的氧氣，并且通過提高精餾塔壓力使提高了膨脹機的制冷能力，提高了液氧產量。本裝置在夜晚醫院用氣量較少時利用夜晚谷電價格優勢生產液氧，白天汽化后用于補充高峰時的用氣量，尤其適用于液氧運輸不便和成本高的地區。在裝置停車的情況下，后備系統收集的液氧可以作為緊急用氣供應到送氣管路。而且本發明使用的裝置結構緊湊，占地面積小。同時無需液氧泵，減少了成本支出，而且通過定時排放液氧并加以回收利用提高了裝置運行的安全性和經濟性。
附圖說明
圖1是本發明的工藝流程圖。
附圖中各數字標號所指代的部位名稱如下：1—空氣過濾器、2一空氣壓縮機、3一空氣緩沖罐、4一冷干機、5一分子篩系統、7—主換熱器、8一精餾塔、9—主冷凝蒸發器、10一過冷器、11—液氧貯槽、12—汽化器、13—氧氣緩沖罐、15—膨脹機、17一第一管道、171一進氣段、172一出氣段、18一污氮氣管道、181一第一污氮氣管道、182一第二污氮氣管道、183一第一通路、184一第二通路、185一第三通路、19一液氧排放管道、20一空氣管道、201一第一路空氣管道、202一第二路空氣管道、21一氣氧管道。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細描述。
如圖1所示，醫療保健氣體深冷自增壓式制取裝置，包括冷端系統，冷端系統包括過冷器10，冷端系統還包括膨脹機15，膨脹機15的進氣口和出氣口通過第一管道17與過冷器10相連，連接膨脹機15進氣口的第一管道17為進氣段171，連接膨脹機15出氣口的第一管道17為出氣段172。冷端系統還包括主換熱器7和精餾塔8，精餾塔8、過冷器10和主換熱器7依次連接有污氮氣管道18；進氣段171與連接過冷器10和主換熱器7的污氮氣管道18連通，出氣段172從膨脹機15出口依次連接過冷器10和主換熱器7。污氮氣管道18包括連接精餾塔8和過冷器10的第一污氮氣管道181，和污氮氣管道18出過冷器10部分的第二污氮氣管道182，第二污氮氣管道182和第一污氮氣管道181連通；第二污氮氣管道182分為三個通路，第一通路183連接到主換熱器7并從主換熱器7排出，第二通路184連接到主換熱器7再從主換熱器7中引出連接到進氣口段，第三通路185與進氣段171連通，出氣段172出主換熱器7連接到分子篩系統5。
裝置還包括熱端系統，熱端系統包括分子篩系統5，第一通路183出主換熱器7連接到分子篩系統5。冷端系統還包括主冷凝蒸發器9，裝置還設置有后備系統，主冷凝蒸發器9與精餾塔8連接有液氧管道，精餾塔8底設置有液氧排放管道19，液氧排放管道19的進液端與精餾塔8相連，液氧排放管道19的出液端與后備系統相連。精餾塔8設置有氣氧出氣口，氣氧出氣口和主換熱器7之間設有氣氧管道21，氣氧管道21出主換熱器7連接到后備系統。熱端系統包括空氣過濾器1、空氣壓縮機2、空氣緩沖罐3、冷干機4，空氣過濾器1、空氣壓縮機2、空氣緩沖罐3、冷干機4和分子篩系統5依次通過空氣管道20連通；分子篩系統5的空氣管道20的出氣端分為兩路，第一路空氣管道201連接到后備系統，第二路空氣管道202依次連接到主換熱器7、主冷凝蒸發器9、過冷器10和精餾塔8；后備系統包括氧氣緩沖罐13和汽化器12，氣氧管道21出主換熱器7連接到氧氣緩沖罐13，液氧排放管道19一端連接主冷凝蒸發器9，另一端連接汽化器12。后備系統還包括用于收集液氧的液氧貯槽11，液氧貯槽11與汽化器12通過管道相連。精餾塔8的操作壓力為4.0bar。
本發明還結合上述裝置提供了一種醫療保健氣體深冷自增壓式的制取方法，包括以下步驟，
步驟一、空氣通過空氣過濾器1、空氣壓縮機2、空氣緩沖罐3和冷干機4過濾壓縮冷卻和干燥后通入分子篩系統5，分子篩系統5對空氣進一步純化出空氣中的水蒸氣、co2、n2o；
步驟二、步驟一中分子篩系統5處理后的空氣分成兩股，一股空氣經換熱冷卻后送入主冷凝蒸發器9進行換熱，換熱后的空氣為液態空氣再經過冷器10過冷后進入精餾塔8內進行精餾；另一股空氣作為干燥壓縮空氣進入后備系統；
步驟三、精餾塔8內空氣精餾產生液氧和污氮氣；液氧一部分作為產品進行收集，另一部分進入主冷凝蒸發器9換熱；主冷凝蒸發器9換熱汽化產生的氣氧一部分作為精餾塔8精餾所使用的上升氣，另一部分作為氣氧產品進入主換熱器7進行復熱被氧氣緩沖罐13收集；精餾塔8的頂部產生污氮氣；主冷凝蒸發器9外界有液氧排放管道19，主冷凝蒸發器9內的液氧通過液氧排放管道19定時排放到汽化器12；
步驟四，污氮氣出精餾塔8進入過冷器10，經換熱后的污氮氣分為三股，第一部分經主換熱器7復熱后進入分子篩系統5作為再生氣；第二部進入主換熱器7后，再從主換熱器7中抽出與第三部分合并進入膨脹機15的進氣口進行膨脹制冷，膨脹制冷后的污氮氣再次進入過冷器10內進行換熱后再進入主換熱器7復熱，復熱后進入分子篩系統5作為再生氣。
其中，進入主換熱器7的空氣壓力為10.0～12.3bara，經主換熱器7換熱后的溫度-150～-168℃。
實施例2
本實施例與實施例1的區別之處在于，精餾塔8的操作壓力為4.9bar。
總之，以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋范圍。