CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención se refiere al campo de generación de oxígeno y, más específicamente a un aparato generador de oxígeno de producción continua para hospitales, laboratorios químicos, farmacias, etc.

ARTE RELACIONADO

El oxígeno es utilizado en una gran variedad de procesos químicos y para propósitos médicos a nivel mundial. Uno de los procesos conocidos para la generación de oxígeno es por el proceso de destilación criogénica (destilación fraccionada de aire a baja temperatura y presión). El proceso es complejo, debido a que es bastante dinámico. Se requiere una operación eficiente para reducir los requerimientos energía del proceso. Es adecuado para operaciones de gran escala (sobre 200 toneladas de oxigeno por día).

Otro proceso para obtener oxígeno es el proceso de adsorción por cambio de presión (PSA), el cual se basa en la filtración de aire a través de minerales de aluminosilicatos conocidas como zeolitas. El proceso PSA se ha diseñado de tal manera que el gas nitrógeno sea adsorbido sobre éste mientras que el oxígeno (y argón) pasan en forma directa. Mediante este proceso, la zeolita se satura rápidamente con nitrógeno, por lo que se requiere el uso de dos camas de zeolita, una para filtrar el aire, mientras que la otra se está regenerando. Este proceso es adecuado para necesidades de producción de tamaño mediano y pequeño.

En la actualidad, ya existen algunos desarrollos para generar oxígeno tal como el que se muestra en la patente Norteamericana No. 4,880,443 George Miller y Clarence Theis, el cual se refiere a un "Concentrador de oxígeno molecular con un purificador de oxígeno secundario" el cual comprende cuatro plantillas absorbentes cilindricas de tamiz molecular de tamaño pequeño de partícula (malla 16x40), dos con zeolita y dos con tamiz molecular de carbono. Las unidades están integradas con cada plantilla de carbón en serie con una de las plantillas de zeolita, con válvulas en las entradas a las plantillas de zeolita y en las salidas de las plantillas de carbono. La pureza de oxígeno del gas se incrementa selectivamente mediante la adsorción y agotamiento del componente nitrógeno en las plantillas de zeolita y el componente de argón en las plantillas de carbono. En un ciclo de dos etapas, durante la etapa 1 del ciclo, un par de plantillas (una de zeolita y una de carbono) recibe aire a alta presión como gas de alimentación que presuriza las plantillas y establece un flujo de oxígeno del producto. Simultáneamente, el gas a alta presión en el otro par de plantillas se ventila a una presión baja por lo general en el ambiente circundante, y esta despresurización sirve para desorber el nitrógeno y argón previamente adsorbido durante el ciclo de la fase de alta presión. En el paso 2 del ciclo, las plantillas adsorbentes invierten los roles. Estos ciclos constantes resultan en un flujo de producto continuo de muy alta pureza de oxígeno (hasta 99.1%). La separación se lleva a cabo a una temperatura de 297 grados K. El purificador secundario no requiere un flujo de purga de regeneración para las plantillas de carbón para un funcionamiento eficiente, lo que minimiza el consumo de gas de alimentación.

La Patente Norteamericana No. 5,928,610 asignada a la compañía OXYGEN

GENERATING SYSTEMS INC, se refiere a un "generador de oxigeno mejorado" que incluye un compresor de aire que tiene un puerto de presión y un puerto de succión y siendo selectivamente operable para producir un flujo de aire desde el puerto de succión al puerto de presión; un tamiz molecular que tiene una entrada que comunica con el compresor y que tiene una salida, el tamiz está adaptado para adsorber nitrógeno de un flujo de gas que pasa a través del mismo; un tanque de almacenaje que comunica con la salida de tamiz y es adaptado para almacenar gas rico en oxígeno que pasa a través del tamiz; y una válvula de control dispuesta operativamente entre el compresor y el tamiz y siendo selectivamente movible entre una primera posición en la que el aire fluye desde el puerto de succión del compresor a través del tamiz a el depósito de almacenamiento y en una segunda posición en la que gas rico en oxígeno fluye desde el tanque de almacenamiento a través del tamiz y válvula de control para desasorber el nitrógeno en el tamiz. En uso, el aparato de la invención realiza un método que incluye las etapas de: selectivamente hacer funcionar la válvula de control para permitir un flujo de avance de gas desde el puerto de succión del compresor al tanque de almacenamiento a través del tamiz para adsorber el nitrógeno del gas y para acumular gas rico en oxígeno gas en el tanque de almacenamiento; y, alternativamente operar la válvula de control para permitir un flujo inverso de gas rico en oxígeno desde el tanque de almacenamiento al puerto de presión del compresor para desorber el nitrógeno del tamiz molecular.

La publicación de la solicitud de Patente norteamericana No. US2006260711 (Al) asignado a Audubon Machinery Corp., se refiere a un Aparato de llenado de oxígeno" el cual es adaptado para proporcionar oxígeno a tanques de oxígeno para uso en relación con los servicios de EMS, ambulancias, departamentos de bomberos, hospitales, clínicas veterinarias y otros servicios y aplicaciones. La presente invención incluye una unidad de generación de oxígeno que tiene por lo menos un tamiz molecular, una pluralidad de sensores de presión, un sensor de oxígeno, y una unidad de control PLC con una interfaz de pantalla sensible táctil gráfica configurado para mostrar selectivamente los parámetros de funcionamiento actuales e históricos. El aparato de llenado de oxígeno puede ser adaptado para montaje en la pared y puede incluir un puerto de comunicaciones de datos para el acceso remoto, la monitorización y resolución de problemas.

Finalmente, la publicación de Patente Norteamericana No. US2015238895 (Al] asignada a la compañía Koninkl Philips NV se refiere a un "Dispositivo de separación de oxígeno" para un sistema de adsorción por oscilación de presión. El dispositivo de separación de oxígeno comprende: una entrada de gas en un primer lado para guiar un flujo de oxígeno que comprende gas en el dispositivo de separación de oxígeno y una salida de gas a un segundo lado para guiar un flujo de gas enriquecido en oxígeno del dispositivo de separación de oxígeno; una membrana de separación de oxígeno que comprende un sorbente de separación de oxígeno que es capaz de separar oxígeno de un oxígeno que comprende gas por sorción de al menos un componente del oxígeno que comprende un gas aparte de oxígeno, y una estructura de soporte para soportar la membrana de separación de oxígeno, en donde la estructura de soporte comprende: una pluralidad de barras de soporte Ajadas a la membrana de separación de oxígeno. La invención además se relaciona a un separador de oxígeno y a un método de generación de un dispositivo de separación de oxígeno para un sistema de adsorción por oscilación de presión.

Como se puede ver de lo anterior, ya existen equipos para generar oxígeno a partir de aire atmosférico. Sin embargo, para su generación, en el caso de hospitales, se requiere de la instalación de grandes equipos para producir oxígeno, el cual es distribuido en tuberías a cada cuarto o área de hospitalización. Otro modo de suministrar oxígeno, es mediante la instalación de tanques en cada área. Este tipo de sistema requiere de la contratación de compañías que provean o entreguen oxígeno de grado médico, los cuales es necesario mantener a costos muy altos.

Basado en lo anterior, la presente invención se refiere un aparato y método de producción de oxígeno que es de tamaño pequeño, que permite el reabastecimiento directo y simultáneo de varios tanques de oxígeno, los cuales se encuentran contenidos dentro un gabinete portátil y que puede desplazarse fácilmente.

Mediante este aparato por lo tanto, elimina la necesidad de tener contrato con proveedores de oxígeno comprimido, así como gastos por transportación, entrega y renta de tanques.

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN

Es por lo tanto un primer objetivo de la presente invención, proporcionar un aparato y un método para la producción de oxígeno que utiliza separadores moleculares con cristales de zeolita para que, en una primera etapa comprima el aire presurizado contra los cristales de zeolita para absorber las moléculas de carbono y nitrógeno y aislar las moléculas de oxígeno y, en una segunda etapa de descompresión, recolectar las moléculas de oxígeno.

Es otro objetivo de la presente invención, proporcionar un aparato y un método para la producción de oxígeno, que puede producir oxígeno mediante compresores de 10 litros hasta producir 20 litros de una manera económica y con gastos de operación muy bajos. Un objetivo adicional de la presente invención, es proporcionar un aparato y un método para la producción de oxígeno que genera oxigeno terapéutico, en una concentración, casi pura de 95% o mejor (+/- 3%).

Otro objetivo de presente invención, es proporcionar un aparato y un método para la producción de oxígeno que no requiere regulador de presión y reduce el desgaste del compresor. Además, el aparato puede operar en su totalidad con una corriente simple de 115/120 voltios en un nivel de 50/50 Hz y teniendo un consumo menor a los 10 amperios. Puede ser encendido al conectarlo a una corriente eléctrica común, y puede incluir una batería de respaldo interna o puede también ser encendida utilizando una batería externa o cualquier otro tipo de generador de electricidad.

Estos y otros objetivos y ventajas adicionales de la presente invención, se harán evidentes a los expertos en el ramo de la siguiente descripción detallada de la invención, que se hará con referencia a una modalidad específica de la misma en un sentido ilustrativo pero no limitativo de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es un diagrama esquemático del aparato para la producción de oxígeno de conformidad con la presente invención;

La figura 2 es una vista en perspectiva convencional del aparato para la producción de oxígeno, en posición abierta; y,

La figura 3 es una vista en perspectiva convencional del aparato para la producción de oxígeno, en posición cerrada.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN A continuación se hará referencia a una modalidad específica de la presente invención, ilustrada en las figuras que se acompañan y en donde los mismos números se refieren a las mismas partes y en donde, la figura 1 muestran un diagrama esquemático de las partes que conforman el aparato para la producción de oxígeno APO (figura 2) de la presente invención.

El aparato APO está comprende un filtro de aire 10 a través del cual se hace pasar aire de la atmosfera. El filtro de aire 10 es conectado mediante una primera tubería de alimentación 12 a un secador de adsorción 14 para remover la humedad contenida en el aire. Una segunda tubería 16 se conecta en un primer extremo a la salida del secador de adsorción 14, la cual se divide en dos líneas 16a y 16b para separar el flujo del aire en partes iguales. El segundo extremo de las líneas 16a y 16b es conectado a la entrada de un par de compresores 18 y 20 respectivamente, para succionar el aire atmosférico a través del filtro de aire 10 y comprimirlo. Un sensor de oxígeno O2 es conectado mediante una tercera tubería 22 en la segunda tubería 16 para monitorear que el aire que pasa por el secador de adsorción 14 salga con aproximadamente 21% de oxígeno. Una tercera tubería 24 y una cuarta tubería 26 son conectadas respectivamente a la salida de los compresores 18 y 20 para ser conectadas en serie a enfriadores 28, 30, en donde el aire presurízado es enfriado por aire. Los enfriadores 28, 30 son conectados mediante una quinta tubería 32 y una sexta tubería 34, a una válvula direccional 36, con dos entradas de presión y una salida, para distribuir de manera alternada el llenado, vaciado y drenado de un par de tamices 38, 40, los cuales están llenos de moléculas de cristal de zeolita como se describirá más adelante. Una séptima tubería 42 es conectada por un primer extremo a la válvula direccional 36. La tubería 42 se divide en dos líneas 42a y 42b que se conectan respectivamente al par de tamices 38, 40. El aire que proviene de los compresores 18, 20 es comprimido a través del par de tamices 38, 40, los cuales están llenos de un material poroso tales como cristales de zeolita. El funcionamiento de los tamices 38, 40, es alternativo permitiendo que, mientras uno realiza la labor de comprimir el otro descomprima. Durante la compresión los cristales de zeolita atraen las moléculas de carbono y nitrógeno. El proceso de separación aisla las moléculas de oxígeno las cuales son recolectadas al inicio del proceso de descompresión. Tuberías 44, 46, son conectadas por un extremo a cada uno de los tamices 38, 40, y por su extremo opuesto a una primera válvula de cuatro vías 48 que cierran y abren el flujo de oxígeno, enviando las moléculas de oxígeno para su recolección mientras eliminan los contenidos de nitrógeno y carbono. La bomba de los compresores 18, 20, exprime el oxígeno sobre los tamices 38, 40, con una fuerza de 3000 libras por pulgada cuadrada.

Los tamices 38, 40 son dos tanques de tamiz los cuales están llenos con materiales de cristal zeolita que, en el momento en que éstos son presurizados a una potencia de entre 20 y 30 libras por pulgada cuadrada absorben el nitrógeno y las moléculas de carbono, pero no tendrá limitaciones en las moléculas de oxígeno. Cuando se despresuriza a una velocidad más lenta, las moléculas de oxígeno son empujadas para su recolección. Mientras uno de los tanques de tamiz 38 está siendo presurizado, el otro (40) está siendo drenado del nitrógeno y las moléculas de carbono.

Una segunda válvula de cuatro vías 50 es controlada por un control lógico programable PLC (Figura 1), la cual, a través de un monitor digital 84 (Figura 2) programa por medio del control lógico PLC, el encendido y secuencia de llenado de los tanques 78 de manera alternada. El oxígeno que se obtiene de los tamices 38, 40 fluye hacía la segunda válvula de cuatro vías 50 a través de la tubería 52, con una pureza por arriba de 85%, el cual es monitoreado por un sensor de oxígeno zirconia cerámica 54.

Un tanque de aire 56 es conectado mediante su tubería 58 a la tubería 42 para asistir a la evacuación del nitrógeno después de que los tamices 38 y 40 completan la recolección de oxígeno.

La corriente de aire presurizado es controlada por la válvula direccional 36 y es dirigida alternadamente hacia cada uno de los tamices 38, 40, en ciclos programados. El pasaje alternativo del aire comprimido a cada uno de los tamices 38, 40, son gobernados por la válvula direccional 36, la primera válvula de cuatro vías 48, y una segunda válvula de cuatro vías 50 que está conectada en serie con la segunda válvula de cuatro vías 48 a través de la tubería 52. Cada una de las válvulas 36, 48, 50 son programadas por el control lógico programable PLC que establece la continuidad de los ciclos y el tiempo de residencia para controlar la concentración de oxígeno.

El ensamble de las válvulas de cuatro vías 48, 50, opera en secuencias de llenado, vaciado y drenado de 14 a 8 segundos. La secuencia de 14 segundos se encarga de llenar un primer tanque de tamiz 38 a una presión de entre 20 y 30 libras por pulgada cuadrada, para que después sea vaciada y drenada en 8 segundos. Después, las válvulas de cuatro vías 48, 50, se abren para continuar con la secuencia del proceso que se encarga de llenar, vaciar y drenar el segundo tanque de tamiz 40, realizándolo de la misma forma alternada y siendo también controlado por medio de la secuencia de programación del control lógico programable PLC. Al llegar a este punto, el porcentaje de oxígeno que fluye entre los tamices 38, 40, y un tanque de reserva 66 será de 95% o mejor (+/- 3%), el cual se describirá más adelante.

El sensor de oxígeno de zirconio cerámico 54 conectado en la tubería 52 monitorea de forma continua el flujo de oxígeno sirviendo como mecanismo de seguridad para advertir porcentajes bajos de oxígeno en el mismo y que, en caso de no ser atendido, enviar una señal al control lógico programable PLC para detener por completo el o los compresores 18, 20.

Un primer extremo de una tubería 56 es conectada a la salida de la válvula de cuatro vías 50 y su extremo opuesto es conectado a un amplificador 58. Un calibrador 60 es conectado en la tubería 56 entre la válvula de cuatro vías 50 y el amplificador 58 para monitorear y medir la presión del flujo de oxígeno en libras por pulgada cuadrada.

Una tubería 62 es conectada a la salida del amplificador 58, la cual se conecta a su vez con un filtro de aire de alta eficiencia 64. El amplificador 58 envía el flujo de oxígeno presurizado hacía el filtro de aire 64.

Un tanque de reserva de oxígeno 66 es conectado mediante una tubería 68 al filtro de aire de alta eficiencia 64. Una válvula direccional 70 es conectada a la salida del tanque de reserva 66 para asistir al amplificador 58 en forma paralela a la entrega del oxígeno presurizado. Un calibrador 72 conectado a la tubería 68 se encarga de monitorear y medir la presión del flujo en libras por pulgadas cuadradas del tanque de reserva de oxigeno 66.

El distribuidor de oxígeno (colector) 74 es conectado después del filtro de aire 64, el cual recibe el oxígeno que ha sido producido. El distribuidor de oxígeno 74 comprende una serie de conexiones externas 76, las cuales son finalmente conectadas a los tanques 78 (Figura 2) para su llenado con oxígeno.

Mediante el presenta aparato se pueden llenar hasta 12 tanques cilindricos al mismo tiempo para su almacenamiento y uso médico.

A través del aparato de la presente invención se puede producir oxígeno por ejemplo con compresores de 10 litros para producir 20 litros de una manera económica y con gastos de operación muy bajos.

Haciendo ahora referencia a las figuras 2 y 3, se muestra vistas en perspectiva convencional del aparato para la producción de oxígeno APO, el cual incluye una estructura de soporte 80, que incluye gabinetes deslizables 82, a través de los cuales se colocan los tanques 78 para el llenado presurizado con oxígeno. Los gabinetes 82 pueden contener hasta tres tanques o cilindros 78, cada uno siendo conectado a las conexiones externas 76 (ver figura 1). Cada estructura de soporte 80 puede contener hasta doce tanques 78 para el llenado de oxígeno. La estructura de soporte 80 incluye el controlador lógico programable (PLC), que tiene un monitor digital 84 para programar el encendido y secuencia de llenado de los tanques 78. Como se observa en la figura 1, control lógico programable PLC está conectado mediante diversas líneas de conexión, las cuales de muestran en forma punteada, a cada una de las partes de la presente invención. El aparto incluye un conector (no mostrado] para conectarse a cualquier fuente de energía eléctrica.

Por lo anterior el método para producir oxígeno mediante al aparato de la presente invención comprendiendo las etapas de:

(a] Hacer pasar un flujo de aire atmosférico a través de un filtro de aire; (b) Remover la humedad contenida en el flujo de aire atmosférico mediante un secador de adsorción;

(c) Separar el flujo de aire atmosférico en dos flujos de aire;

(d) Introducir los flujos de aire hacía al menos un par de compresores, dichos compresores succionando el aire atmosférico a través del filtro de aire;

(e) Comprimir y después enfriar el aire atmosférico que ha sido comprimido en los compresores;

(f) Proveer al menos dos separadores moleculares con cristales de zeolita;

(g) Distribuir alternadamente el aire atmosférico que ha sido comprimido, en etapas de llenado, vaciado y drenado por cada separador molecular con cristales de zeolita para que, en una primera etapa comprima el aire presurizado contra los cristales de zeolita para absorber las moléculas de carbono y nitrógeno y aislar las moléculas de oxígeno y, en una segunda etapa de descompresión, recolectar las moléculas de oxígeno.

(h) Enviar el oxígeno recién obtenido hacía un amplificador para monitorear y medir la presión del flujo del oxígeno presurizado; y,

(i) Conectar el amplificador a al menos un distribuidor de oxígeno, para llenar al menos un tanque de almacenamiento con el oxígeno que ha sido producido.

El método de la presente invención comprendiendo la etapa de:

Proveer un tanque de reserva de oxígeno para asistir al amplificador, en forma paralela, para la entrega del oxígeno presurizado.

El método de la presente invención comprendiendo la etapa de: Proveer al menos un sensor de oxígeno para monitorear la calidad del oxígeno que está siendo generado; y

Enviar señales al sistema de control en caso de advertir porcentajes bajos de oxígeno, para detener el funcionamiento de los compresores.

De lo anterior, se puede observar que el aparato y método de la presente invención separa el oxígeno del aire del ambiente, de manera económica, lo que le permite tener un suplemento de oxígeno de alta pureza proporcionado al paciente

Por último, debe quedar claro que la invención no se limita exclusivamente a la descripción presentada anteriormente y que los expertos en el ramo pueden, con las enseñanzas proporcionadas por esta invención, realizar modificaciones en el aparato y método presentado el cual estará contendido dentro del alcance de la invención que se reclama en las siguientes reivindicaciones.