精馏塔设计中,通常用塔板效率来表示塔板上传质的完善程度,以便依据理论塔板数得出实际塔板数。目前,理论塔板数已经可以准确地计算,但如何精确地预测塔板效率却仍非常困难。由于影响塔板效率的因素太多,表面张力对塔板效率的影响长期被忽视。直到表面张力梯度诱导的Marangoni效应,被发现在精馏系统中也存在时,它才逐渐得到重视。对于泡沫工况下的精馏系统,Marangoni效应通过抑制或促进气泡间的聚并,改变气液相界面积从而影响塔板效率。然而,由于精馏系统的复杂性,目前对Marangoni效应影响机理的认识仍然是宏观层面的一种猜想,它对气泡聚并的作用机理也并未得到实验验证,更无任何相关的理论模型。所以,进一步对Marangoni效应的微观作用机理开展相关的研究工作,对塔板效率的准确预测和精馏塔的设计具有重要意义。本文以准确把握泡沫层中气泡的聚并机理为出发点,采用实验和理论方法对存在相间传质时的气泡聚并行为进行研究,并根据传递组分是否具有表面活性分别建立液膜排液理论模型,最后基于排液模型建立三维精馏塔板气液两相流场、浓度场和气泡尺寸分布的CFD-PBM模型。首先,搭建了考察双气泡间聚并行为的实验装置,在室温环境下研究了相间传质作用对聚并行为的影响。通过对比不同温度和浓度下几种挥发性水溶液中的气泡聚并效率,首次从微观上验证了文献中关于Marangoni效应对气泡聚并作用机理的猜想。实验结果表明：随溶液温度、挥发性组分浓度和挥发性组分表面活性的升高, Marangoni效应对气泡聚并的抑制作用增强,气泡的聚并效率降低。采用稳定因子M可以定性地描述不同系统中Marangoni效应的强度,该因子表征了液膜中所能形成的最大表面张力梯度值。其次,以非表面活性组分为对象,首次在气泡聚并过程的液膜排液模型中加入了相间传质诱导的Marangoni效应。模拟结果表明：正性系统中,Marangoni效应会抑制排液速率,相反,负性系统中,Marangoni效应则加速排液过程。正性系统中,排液过程在Marangoni效应作用下将经历三个阶段,Marangoni效应的抑制作用主要体现在第二阶段,该阶段持续时间的长短取决于浓度梯度峰值向液膜边缘的迁移速度,该迁移速度随气液界面传质强度的增加、液膜内扩散速率的增加以及气泡靠近速度的减小而加快。接着,考虑到组分具有表面活性时,组分界面浓度将与主体浓度有明显差别,组分的相间传质和溶液表面张力受界面浓度的控制,故在第四章模型的基础上增加了界面浓度的输运方程。模拟结果表明,传递组分具有表面活性时：排液速率受到相间传质诱导的Marangoni效应和组分表面活性引起的Gibbs-Marangoni效应共同作用,聚并过程受到的抑制作用更强,此时的排液过程也同样可以分为三个阶段。即使气相侧传质较弱,导致相间传质诱导的Marangoni效应消失,排液过程仍将受到Gibbs-Marangoni效应的抑制作用。将模拟结果与本文实验结果对比,最大误差小于20%,验证了模型的可靠性,但本模型在其它因素对排液速率的影响占据主导地位时模型不再适用,如粘性力。最后,在排液模型的基础上,采用双流体模型和颗粒种群模型相耦合的方法,建立了三维精馏塔板气液两相流场、气泡尺寸分布和浓度场的CFD-PBM模型。模型中首次考虑了Marangoni效应对精馏塔板上泡沫层中气泡尺寸分布和相界面积的影响。模型中采用混合相的k-e湍流模型来封闭N-S方程,相间动量和质量传递分别采用Krishna和Higbie方法。将模拟结果与文献中的实验数据对比,发现：未考虑Marangoni效应时,塔板效率模拟值最大误差为33%,误差主要位于Marangoni效应较强的低浓度区；考虑Marangoni效应后,模拟值的最大误差减小为20%。另外,从气泡尺寸的分布特征得到：气泡破碎主要发生在靠近塔板位置,泡沫层中气泡聚并机理占据主导地位。Marangoni效应较弱时,气泡在上升的同时小断相互聚并增大并导致尺寸分布较宽,相界面积较小；Marangoni效应较强时,气泡在上升过程中尺寸基本维持不变,整体尺寸分布也比较窄,相界面积较大。