液液萃取作为一项重要的化工分离技术,目前已被广泛用于核能、石油、医药、生物、新材料及环保等领域。作为萃取分离领域的研究重点,液液萃取设备的改进与强化也得到了越来越广泛地关注。基于此,本文提出了“锥式泡罩穿流萃取”的新方法,开发了一种无降液管设计的新型锥式泡罩穿流萃取塔,并通过操作特性、轴向混合特性以及计算流体力学(CFD)数值模拟三个方面对这种新型萃取塔设备的流体力学性能进行了深入研究,力求为化工分离领域提供了一种操作弹性大、稳定性高的萃取设备。操作特性研究包括分散相液滴直径测定、分散相存留分数测定、特性速度计算以及液泛通量测定四个部分,主要实验结果和结论如下:(1)萃取塔内分散相液滴粒径满足正态分布,液滴直径不仅与体系物性参数有关,还与分散相流速有着一定的关系。(2)分散相存留分数与分散相流速以及连续相流速均呈正相关关系,且分散相流速的影响大于连续相流速。(3)萃取塔对于中、高等界面张力的萃取体系均有一定的操作弹性范围,尤其适用于中等界面张力的萃取体系。针对锥式泡罩四面开孔的特殊结构,本文还引入了“有效开孔面积比”的概念对分散相液滴的形成情况进行了观察研究,并将这一概念作为重要参数运用到了液滴平均直径以及分散相存留分数的研究过程中。轴向混合特性研究包括连续相停留时间分布(RTD)测定及连续相轴向混合系数计算两个部分,探讨了萃取体系在不同操作条件下的连续相轴向混合情况。研究发现萃取塔内连续相轴向混合主要受连续相流速的影响,分散相流速的影响较弱。此外,本文还采用了前人经验关联以及因次分析两种方法对两相操作特性以及轴向混合特性研究中的各项流体力学参数进行了工程关联。计算流体力学(CFD)数值模拟研究包括新型锥式泡罩穿流萃取塔的小试实验装置模拟以及工业萃取装置模拟两个部分,通过对不同萃取塔二维结构模型内连续相流动的速度分布图、速度矢量图模拟结果分析,得到了以下结论:(1)锥式泡罩内锥形挡板过高会浪费塔内空间,增大轴向混合程度;锥形挡板过低不利于萃取塔内“分散-聚并-分散”的传质过程;相较于导流板为倾斜结构的锥式泡罩,导流板为垂直结构的锥式泡罩连续相流动性能更佳,回流死区更少。研究还发现虽然不同结构尺寸的锥式泡罩其连续相流动模式有所差别,但整体而言,均存在连续相流动平稳顺畅,流速分布均匀,回流死区面积小,轴向混合弱的流动规律。(2)工业萃取装置连续相的流动性能与小试实验装置连续相的流动性能相接近,且相较于每层塔板单个锥式泡罩排布的小试实验装置,工业萃取装置内每层塔板多个锥式泡罩排布的方式还可优化塔内流型,降低轴向混合。该模拟结果一定程度上说明了新型锥式泡罩穿流萃取塔工业放大的可行性。