径向流吸附器是变压吸附制氧装置大型化的重要技术途径,具有制氧规模扩展性好、床层压降小等优点,得到了广泛应用。与轴向流吸附器相比较,径向流吸附器因气体从气流分布孔流入和流出以及吸附剂吸附和解吸等原因导致吸附器内部变质量流动更加复杂;此外不同的气体流动型式导致径向流吸附器内部流动特性各异。因此,对各种流动型式下变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动特性进行系统研究成为径向流吸附器设计与应用的重要问题。本文针对这些问题,开展了数值模拟及实验研究工作,得到了以下结论:(1)建立了双塔变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动实验装置。实验研究Z型向心流、Z型离心流、∏型向心流、∏型离心流等四种流动型式的变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动特性。结果表明,升压、吸附、降压、反吹等四个步骤结束时,Z型向心流和∏型向心流的变压吸附制氧径向流吸附器外流道内轴向静压变化不明显;而升压、吸附、降压、反吹等四个步骤结束时,Z型离心流和∏型离心流的变压吸附制氧径向流吸附器外流道内轴向压降较为明显。Z型离心流径向流吸附器轴向静压降分别为45Pa、100Pa、119Pa和30Pa,∏型离心流径向流吸附器轴向静压降分别为40Pa、80Pa、80Pa、20Pa。压降越大,气流均布效果变差,说明向心流优于离心流,更适用于变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动过程。(2)建立了变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动的数学模型,对四种流动型式的变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动进行模拟研究,并与实验值进行对比,数值模拟结果与实验结果吻合良好。该模型针对变压吸附制氧过程的质量变化和径向流吸附器内气体流动特性,考虑了径向流吸附器因气体从气流分布孔流入和流出以及吸附剂吸附和解吸引起的变质量特性;可以适应变压吸附制氧过程的加压、吸附、降压、解吸等循环步骤;变压阶段的压力变化为模型计算值,而非经验公式或半经验公式;考虑了轴向和径向的梯度分布、壁面孔隙率的变化、吸附热及气体的可压缩性。(3)研究了四种流动型式的变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动特性。结果表明,吸附步骤时气体速度在传质区有较大变化,其它三个步骤,气体速度沿气体流动方向近似线性变化;降压步骤时气体速度较高,对颗粒冲击较大,应合理控制降压速率。吸附步骤时沿气体流动方向吸附剂装填区域内压力变化较为明显,存在一个明显的压力波峰;吸附源项对变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动有重要影响,不能忽略。吸附步骤时向心流和离心流径向流吸附器内变质量流动的径向速度不均匀度Mf在中心流道气流分布孔附近最大,Mf分别为4.0和6.0,这说明对于变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动,向心流动优于离心流动。反吹步骤时Z型向心流和∏型向心流径向流吸附器内变质量流动的中心流道上的轴向压降分别为104 Pa和54Pa,说明采用∏型向心流优于Z型向心流,更适合变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动。(4)分析了外流道宽度、中心流道气流分布孔开孔率、外流道气流分布孔开孔率等结构参数变化对变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动的影响。结果表明,Z型流和∏型流径向流吸附器的外流道宽度分别控制在11mm和5mm以内比较合适。Z型流和∏型流径向流吸附器的中心流道气流分布孔开孔率控制在5%以内较为合适。外流道气流分布孔开孔率变化对变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动影响有限。综合比较结构参数对四种流动型式的径向流吸附器的径向速度不均匀度Mf变化影响,发现结构参数重要性顺序依次是:中心流道气流分布孔开孔率,外流道宽度,外流道气流分布孔开孔率。外流道宽度及中心流道气流分布孔开孔率最优情况下,对四种流动型式的径向流吸附器的径向速度不均匀度Mf进行比较,发现∏型向心流的Mf<Z型向心流的Mf<Π型离心流的Mf<Z型离心流的Mf。适用于变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动的流动型式为∏型向心流,外流道宽度为5mm,中心流道气流分布孔开孔率为5%时,变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动气体流动最为均匀,效果最好。本文研究结果可以为深入研究变压吸附制氧径向流吸附器内变质量流动特性、优化径向流吸附器结构提供参考。