Блок концентрирования ксенона и способ его эксплуатации Российский патент 2018 года по МПК F25B37/00 A61M16/00 B01D53/02 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для концентрирования отработанного медицинского ксенона, использованного в газонаркотических смесях, применяемых в наркозных и ингаляционных терапевтических аппаратах, и выбрасываемого в атмосферу после использования.

Развитие криогенных и мембранных технологий получения инертных газов и в частности ксенона во многом определили возможность применения этого благородного газа в качестве анестетика и терапевтического средства. Ксеноновая терапия может применяться для лечения боли и болевых синдромов, терапии стресса, лечения депрессий, терапии расстройств сна, лечения зависимостей (наркотической, алкогольной), реабилитации и восстановление организма после болезни, реабилитации и восстановления после изнурительных умственных и физических нагрузок, для повышения работоспособности.

Ксенон обладает выраженным ноотропным (улучшение умственной деятельности), анксиолитическим (противотревожным), антигипоксическим, антидепрессивным и антиоксидантным действиями, его используют при лечении синдрома хронической усталости, стрессов и депрессий, неврозов, легких когнитивных расстройств; в составе комплексной терапии у пациентов с выраженной сердечно-сосудистой патологией (ишемическая и гипертоническая болезни, постинфарктное состояние и так далее), с неврологической патологией (расстройствами церебрального кровообращения атеросклеротического или ишемического характера); в интенсивной терапии; в комплексной терапии различных вариантов синдрома отмены и постабстинентных состояний у наркологических больных; в восстановительной медицине для реабилитации после перенесенных оперативных вмешательств, травматических повреждений. Вместе с тем, ксенон нетоксичен, лишен побочных эффектов, не вызывает канцерогенного, аллергического и кардиодепрессивного воздействия, не оказывает влияния на состав и систему свертывания крови, иммунитет, экологически чист и безопасен для больного и окружающего персонала. В то же время наиболее существенным на сегодняшний день ограничением для использования ксенона в медицине являются небольшие объемы его производства, что определяется особенностями его производства. Все это диктует необходимость поиска новых источников сырья для производства медицинского ксенона, а также поиска путей его рекуперации для последующего использования. Одним из наиболее эффективных методов повышения эффективности использования ксенона в медицине является его концентрирование из отработанной газонаркотической смеси в специальных адсорберах для переработки, очистки и повторного использования. Такой метод получил название рециклинг медицинского ксенона.

В этой области используются несколько подходов. Один из подходов связан с очисткой ксенона «на месте», то есть в медицинских учреждениях, и его повторное использование.

Например, известен патент РФ 2049487, в котором использованную газонаркотическую смесь помещают в предварительно охлажденные и вакуумированные адсорберы. Затем удаляют примеси путем повторного вакуумирования адсорберов с одновременным отогревом до температуры переконденсации ксенона. Чистый ксенон подают в предварительно охлажденный резервуар. Для осуществления способа используют устройство, включающее линию регенерации с трубчатыми коммуникациями, датчиком давления, средством изменения давления, а также емкость для отработанной смеси, по меньшей мере два адсорбера и резервуар для хранения. Причем последние подключены параллельно к линии регенерации посредством запорных элементов, выполненных в виде вакуумных вентилей. При этом резервуар для хранения выполнен в виде баллона высокого давления.

Также известен патент РФ 2149033, в котором предполагается из собранной отработанной газонаркотической смеси наркозных аппаратов адсорбировать ксенон, далее проводить его десорбцию и заполнять баллон. Адсорбцию ксенона осуществляют при температуре от «плюс» 25 до «минус» 80°C, а десорбцию проводят при 180°C и более, причем после нее ведут обеззараживание регенерируемого ксенона. В установку, содержащую емкость для отработанной газовой смеси, введены десорбер и устройство для обеззараживания, адсорберы установлены с возможностью переключения подачи к ним отработанной газовой смеси, десорбер соединен с устройством для обеззараживания и баллоном через крионасос, а адсорберы и десорбер выполнены в виде теплоизолированных корпусов с внутренними сменными патронами, заполненными сорбентом. Способ позволяет получить чистый ксенон для многократного использования, обеспечивает более мягкие условия течения сорбционных процессов, а также возможность использования десорбционного оборудования для обслуживания нескольких клиник.

Основным недостатком таких подходов является сложность таких систем в эксплуатации и обслуживании, с чем не сможет справиться рядовой медицинский персонал, необходимостью специального размещения, так как подобные системы, насыщенные по количеству блоков, входящих в состав устройства должны иметь относительно большие габариты, а системы охлаждения адсорбера и нагрева десорбера должны быть снабжены специализированными криостатами и термостатами, выделяющими большое количество тепла, что делает невозможным их применение в операционных или терапевтических кабинетах.

В связи с этим наибольшее распространение получили компактные адсорберы, которые могут быть расположены как в непосредственной близости от наркозно-дыхательного или терапевтического оборудования, так и в составе терапевтических ксеноновых комплексов. Такие адсорберы содержат в герметичном корпусе специальный адсорбент, через который пропускают отработанную газовую смесь, содержащую ксенон. После насыщения адсорбера, его заменяют на новый, а насыщенный ксеноном адсорбер отправляют на специализированное производство ксенона, где производится его выделение и очистка. Описание такого адсорбера представлено, например, в патенте РФ 174585.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату является патент РФ 2153638, в котором адсорбер содержит цилиндрический корпус, входной и выходной патрубки и гильзу, установленную коаксиально во внутренней полости корпуса с образованием кольцевого пространства между цилиндрическими стенками гильзы и корпуса. Гильза снабжена вертикальной перегородкой, разделяющей внутреннюю полость гильзы на две камеры. Использование в конструкции адсорбера последовательно расположенных по потоку газа и заполненных адсорбентом различного вида трех секций (кольцевого пространства, первой камеры и второй камеры) позволяет обеспечить избирательную поглотительную способность в отношении различных компонентов газовой смеси с высокой эффективностью. Выполнение перегородки наклонной позволяет равномерно распределить поток газа по поперечному сечению камер, что повышает эффективность работы адсорбера. Для повышения поглотительной способности применяемых адсорбентов предусмотрена установка системы охлаждения адсорбера. Кроме того, для повышения эффективности кольцевое пространство может быть заполнено силикагелем, первая камера - цеолитом марки NaX, а вторая камера - цеолитом марки CaA или CaEX.

Основным недостатком данного изобретения является сложность изготовления данного адсорбера, его относительно высокая масса, что определяется наличием не только корпуса, но и внутренней двухкамерной гильзы, и низкая эффективность использования внутреннего объема адсорбера, так как из-за наличия большого количества коммуникаций и перегородок снижается объем, доступный для засыпки адсорбента.

Отдельно следует отметить использование материалов для улавливания ксенона. Как правило, авторы не указывают каких-либо специфичных свойств адсорбентов, отмечая лишь то, что они должны обладать повышенной эффективностью по сорбции ксенона. Однако такой подход является не совсем корректным.

В адсорбере через нанопористый адсорбер проходит, как правило, гипероксическая смесь газов, выдыхаемых пациентом. Поэтому в составе выдыхаемой смеси, кроме ксенона, азота и кислорода, содержатся незначительное количество CO₂, не поглощенного адсорбером углекислого газа, и значительный объем паров воды H₂O, выделяемых пациентом и в узле сбора двуокиси углерода CO₂. Наличие значительного объема примесей, естественно, снижает адсорбцию ксенона, что в целом, снижает эффективность аккумулятора. Поэтому важно, чтобы применяемый адсорбент был гидрофобен, а также не содержал специфических адсорбционных центров, которые в первую очередь будут обладать повышенной селективностью по двуокиси углерода, азоту и кислороду, за счет электростатических взаимодействий. Ксенон в отличие от двуокиси углерода, азоту и кислороду не обладает дипольным или квадрупольным моментом, вносящими дополнительный вклад в адсорбционное взаимодействие. Поэтому использование, например, цеолитов NaX, CaA или CaEX, будет малоэффективным, так как данные адсорбенты обладают свойство гидрофильности, а также имеют специфичные адсорбционные центры, на которые преимущественно будет адсорбироваться двуокись углерода, а не ксенон. Кроме того, за счет своей структуры данные адсорбенты обладают значительной сорбцией кислорода, и, несмотря на то что сорбционные характеристики по ксенону существенно выше, за счет концентрационных эффектов, кислород будет «вымывать» ксенон из пористой структуры этих адсорбентов, ввиду чего перестает быть целесообразным их использование в терапевтических аппаратах, где, как правило, концентрирование ксенона производится из газонаркотической смеси с кислородом XeO₂ в концентрациях 15 к 85 % объемных.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности работы адсорбера для концентрирования ксенона.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности извлечения ксенона из отработанной дыхательной смеси, в том числе и из смесей с высоким содержанием кислорода до 90% после проведения терапевтических процедур, а также повышение простоты эксплуатации.

Для решения поставленных задач в настоящей полезной модели применяется блок концентрирования ксенона, содержащий вертикальный цилиндрический корпус (1), верхнюю крышку корпуса (2), входной (3) и выходной (4) патрубки, при этом входной и выходной патрубки расположены на крышке корпуса таким образом, что входной патрубок соединен с трубчатой газовой коммуникацией (5), направляющей поток поступающей газовой смеси ко дну корпуса и распределяющей его равномерно по основанию, выходной патрубок позволяет выходить очищенной газовой смеси через крышку корпуса, а объем корпуса не менее чем на 80% заполнен гранулированным и/или формованным в блоки нанопористым углеродным адсорбентом (6) со средней эффективной шириной пор от 0.6 нм до 1.2 нм, объемом нанопор более 0.4 см³/г. Адсорбент удерживается стопорными кольцами, содержащими отверстия для распределения газового потока по фронту адсорбента.

На фиг. 1 изображен блок концентрирования ксенона. 1 – корпус; 2 – верхняя крышка; 3 – входной патрубок; 4 – выходной патрубок; 5 – трубчатая газовая коммуникация; 6 – адсорбент; 7 – стопорные кольца, удерживающие адсорбент с отверстиями для распределения потока.

Такая конструкция адсорбера обладает достаточной простотой в изготовлении и эксплуатации, а кроме того позволяет с максимальной пользой использовать внутренний объем адсорбера, практически полностью используя его для засыпки адсорбентом.

Выбор в качестве адсорбента для улавливания ксенона нанопористого углеродного адсорбента обусловлен, с одной стороны, их гидрофобностью, что позволяет избежать вытеснения ксенона адсорбированными парами воды, а с другой стороны, отсутствием специфичных адсорбционных центров, что делает сорбцию ксенона в нанопорах существенно более энергетически выгодной по сравнению с сорбцией азота, кислорода и двуокиси углерода, что и определяет повышенную селективность такого адсорбента по ксенону. При этом немаловажным являются параметры пористой структуры адсорбента для улавливания ксенона. В адсорбентах со средней эффективной шириной пор от 0.6 нм до 1.2 нм ксенон будет сорбироваться наиболее эффективно. Использование адсорбентов с более широкими порами не выгодно, так как энергия адсорбции ксенона в них становится достаточно малой, чтобы ксенон начал интенсивно вытесняться, например, кислородом из нанопор адсорбента. Особенно это будет заметно при использовании блока концентрирования ксенона в терапевтических ингаляционных аппаратах, где концентрация кислорода в газовой смеси значительно выше концентрации ксенона. С другой стороны, при использовании адсорбентов с более узкими порами, меньше 0.6 нм, адсорбция ксенона будет затруднена из-за размерных факторов (диаметр молекулы становится сопоставим по размеру с шириной поры, а адсорбция азота и кислорода становится наиболее энергетически выгодной для адсорбента.

Также важным параметром является объем нанопор адсорбента. При объеме нанопор меньше 0.4 см³/г количество концентрированного ксенона будет относительно малым, поэтому необходимо использование адсорбентов с большим объемом. При этом чем больше объем нанопор, тем выше эффективность ксенона. Ограничение по максимальному объему пор определяется лишь физическим процессом образования пористой структуры при синтезе адсорбента. Так как ширина пор, получаемая при синтезе адсорбента, как правило, обратно пропорциональна объему нанопор адсорбента. В связи с этим, при выборе адсорбента для блока необходимо подбирать адсорбент с оптимальными параметрами эффективной ширины и объема нанопор.

Адсорбент, применяемый в блоке улавливания ксенона, должен быть гранулированным и/или формованным в блоки, и обладать достаточно высокой устойчивостью к истиранию, то есть пониженным пылеобразованием. Использование порошкообразных или не жестких гранулированных адсорбентов может приводить к образованию пыли в блоке улавливания, что при взаимодействии с кислородом из поступающей газовой смеси может привести к нежелательному процессу окисления адсорбента, что внешне может проявляться дополнительным разогревом блока улавливания или, в предельном случае, его возгоранием.

Допускается использовать адсорбент в виде формованных моноблоков, например, цилиндрической формы диаметром, равным диаметру корпуса блока, расположенных слоями по высоте корпуса. Такая форма гранул адсорбента позволяет существенно снизить процесс трения смежных моноблоков и тем самым понизить пылеобразование. При этом, для снижения эффекта повышенного гидравлического сопротивления такой системы, необходимо обеспечить наличие в каждом из блоков хаотично расположенных сквозных отверстий диаметром 0.5 мм и менее. При этом укладка блоков не должна допускать образование сквозных каналов по высоте корпуса.

Для повышения эффективности аккумулирования ксенона между нанопористым углеродным адсорбентом и выходным патрубком блока концентрирования ксенона может быть расположен слой селективного материала, представляющего собой газовую мембрану или молекулярное сито, как правило, углеродный адсорбент, металлорганическая каркасная структура или цеолит, которые за счет эффекта молекулярно-ситового разделения, пропускают молекулы азота и кислорода и задерживают молекулы ксенона.

Так как блок улавливания ксенона может использоваться и в составе ингаляционных терапевтических аппаратов, то его форма может являться определяющей при компоновке элементов таких ингаляционных аппаратов. Так как основным технологическим требованием к блокам улавливания является их герметичность, и при этом отсутствует необходимость выдерживать высокие давления, то допускается выполнять этот блок в любой удобной форме, при соблюдении герметичности блока, например, в виде параллелепипеда.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

Блок улавливания ксенона гидравлическим объемом 10 л снаряжен на 80% нанопористым углеродным адсорбентом из кокосового угля, представляющим собой гранулы неправильной формы средним линейным размером около 1 мм, со средней эффективной шириной пор 1.2 нм и объемом нанопор 0.61 см³/г. Блок улавливания применяется для улавливания ксенона из наркозного аппарата, при этом средняя концентрация ксенона составляла 65 % об., кислорода 25 % об., азота 10 % об. В этом случае количество концентрированного ксенона после полной отработки блока, что фиксировалось датчиком проскока ксенона, установленным в газовых коммуникациях, подключенных к выходному патрубку блока, составило 161.5 л (16 л Xe/л адсорбента).

Пример 2

Отличается от примера 1 тем, что блок улавливания ксенона снаряжен на 90% углеродным адсорбентом, полученным термохимическим синтезом разложения полимера. Адсорбент имеет следующие структурно-энергетические характеристики: среднюю эффективную ширину нанопор 0.6 нм и объемом нанопор 0.4 см³/г. Блок улавливания применяется для улавливания ксенона из терапевтического ингаляционного аппарата, при этом средняя концентрация ксенона составляла 10 % об., кислорода 45 % об., азота 40 % об, с незначительным содержанием в 5% влаги и двуокиси углерода. Количество концентрированного ксенона составило 97 л (9.7 л Xe/л адсорбента).

Пример 3

Отличается от примера 1 тем, что блок улавливания ксенона между нанопористым углеродным адсорбентом и выходным патрубком блока содержит слой углеродного молекулярного сита. Количество концентрированного ксенона составило 186 л (18.6 л Xe/л адсорбента).

Эксплуатация блоков улавливания ксенона в заявляемых примерах осуществлялась следующим способом. Входной патрубок соединен со сбросным патрубком наркозного или терапевтического ингаляционного аппарата, выходной патрубок содержит предохранительный клапан открытый во время сброса газа и закрытый во время простоя блока концентрирования ксенона, отличающийся тем, что в блок концентрирования ксенона подается отработанная дыхательная смесь с содержанием не менее чем 10 % ксенона, газовая магистраль между наркозным или терапевтическим ингаляционным аппаратом и блоком концентрирования ксенона для сброса газа выполнена из материалов не содержащих силикон, и содержит нереверсивный клапан, расположенный вблизи выходного патрубка наркозного и терапевтического ингаляционного аппарата.

Нереверсивный клапан обеспечивает направление газовых потоков во время работы блока концентрирования ксенона, и препятствует попаданию влаги и двуокиси углерода из атмосферного воздуха в блок концентрирования ксенона, а также препятствует десорбции ксенона из адсорбента.

Отсутствие в газовой магистрали между наркозным или терапевтическим ингаляционным аппаратом и блоком концентрирования ксенона материалов, содержащих силикон, позволяет существенно снизить потери ксенона, связанные с диффузией ксенона через стенки трубок и переходников газовой магистрали.

В отдельных случаях использования блока улавливания ксенона в терапевтических ингаляционных аппаратах, выходной патрубок блока улавливания может содержать регулируемый предохранительный клапан, способный обеспечить поднятие давления в блоке на величину до 60 мм вод.ст., что, с одной стороны, не будет препятствовать сбросу газа из аппарата, а с другой стороны, повысит селективность адсорбции ксенона по сравнению с другими компонентами газовой смеси (кислородом и азотом).

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для концентрирования отработанного медицинского ксенона. Блок концентрирования ксенона содержит вертикальный цилиндрический корпус (1), верхнюю крышку корпуса (2), входной (3) и выходной (4) патрубки. Входной и выходной патрубки расположены на крышке корпуса так, что входной патрубок соединен с трубчатой газовой коммуникацией (5), направляющей поток поступающей газовой смеси ко дну корпуса и распределяющей его равномерно по основанию. Выходной патрубок позволяет выходить очищенной газовой смеси через крышку корпуса. Внутренний объем корпуса заполнен гранулированным и/или формованным в блоки нанопористым углеродным адсорбентом не менее чем на 80% от внутреннего объема блока концентрирования ксенона (6), со средней эффективной шириной пор от 0.6 нм до 1.2 нм, объемом нанопор более 0.4 см³/г. Способ эксплуатации заключается в том, что на выходном патрубке фиксируют предохранительный клапан, открытый во время сброса газа и закрытый во время простоя блока концентрирования ксенона, в блок концентрирования ксенона подают отработанную дыхательную смесь с содержанием не менее чем 10% ксенона. Газовая магистраль между ингаляционным аппаратом и блоком концентрирования ксенона для сброса газа выполнена из материалов, не содержащих силикон, и содержит нереверсивный клапан, расположенный вблизи выходного патрубка ингаляционного аппарата для направления газового потока в блоке концентрирования ксенона. Техническим результатом является повышение эффективности извлечения ксенона из отработанной дыхательной смеси и упрощение эксплуатации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Блок концентрирования ксенона из газонаркотической смеси наркозных и терапевтических ингаляционных аппаратов, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, верхнюю крышку корпуса и входной и выходной патрубки, отличающийся тем, что входной и выходной патрубки расположены на крышке корпуса таким образом, что входной патрубок соединен с трубчатой газовой коммуникацией, направляющей поток поступающей газовой смеси ко дну корпуса и распределяющей его равномерно по основанию, выходной патрубок позволяет выходить очищенной газовой смеси через крышку корпуса, а внутренний объем корпуса заполнен гранулированным и/или формованным в блоки нанопористым углеродным адсорбентом со средней эффективной шириной пор от 0.6 нм до 1.2 нм, объемом нанопор более 0.4 см³/г, при этом внутренний объем блока концентрирования ксенона заполнен нанопористым адсорбентом не менее чем на 80%.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что между нанопористым углеродным адсорбентом и выходным патрубком блока концентрирования ксенона расположен слой селективного материала, представляющего собой газовую мембрану или молекулярное сито, пропускающее молекулы азота и кислорода и задерживающее молекулы ксенона.

3. Способ эксплуатации блока концентрирования ксенона, в котором входной патрубок соединен со сбросным патрубком наркозного и терапевтического ингаляционного аппарата, выходной патрубок содержит предохранительный клапан, открытый во время сброса газа и закрытый во время простоя блока концентрирования ксенона, отличающийся тем, что в блок концентрирования ксенона подается отработанная дыхательная смесь с содержанием не менее чем 10 % ксенона, газовая магистраль между наркозным или терапевтическим ингаляционным аппаратом и блоком концентрирования ксенона для сброса газа выполнена из материалов, не содержащих силикон, и содержит нереверсивный клапан, расположенный вблизи выходного патрубка наркозного и терапевтического ингаляционного аппарата.