环流反应器是一种从鼓泡塔发展起来的多相流反应器,它具有结构简单、操作方便、能耗低、特别是不需要机械搅拌等优点,广泛地应用于生化、化工及废水处理等领域。环流反应器根据结构可分为单级和多级环流反应器,传统的单级环流反应器中,流体的混合与传质主要集中在气液分离区,混合时间长、传质效率低；多级环流反应器通过分割导流筒等方式,形成多级环流的流体力学特性,大幅提高反应器的混合与传质性能。本文首先系统地研究了普通多级环流反应器的流体力学及流型变化,并应用先进的双电导探针技术对反应器内的气泡特性进行研究。研究结果显示,与传统的单级环流反应器相比,普通多级环流反应器的混合时间显著降低,传质性能明显提高。通过对普通多级环流反应器的流体力学参数及气泡行为的系统分析,建立了液相流动推进模型,用来描述反应器内流型的变化；该模型以多段线的斜率来区分流型,与经典的漂流通量模型相比,在流型转变的判断上拥有更高的精度。普通多级环流反应器通常在段间安装多孔分布板或其他内构件,增加了流体流动的阻力,导致环流液速降低。为此,本文在对普通多级环流反应器进行研究的基础上,提出了一种分段进气多级环流反应器,即在第二段、第三段导流筒底部加装气体分布器,利用新通入气体的抽提力和喷射力,缓解了段间的流动压降,并加速气泡的破碎；重点考察了进气量在各段中的分配比例对分段进气多级环流反应器流体力学的影响。实验结果表明,分段进气后,反应器的体积传质系数、环流液速明显提高,且与进气比密切相关,呈抛物线形式分布；根据修正的双膜理论,获得了体积传质系数的经验关联式。为了考察普通多级环流反应器和分段进气多级环流反应器在气-液-固三相反应中的性能,本文进行了葡萄糖非均相催化氧化实验研究。结果显示,普通多级环流反应器中葡萄糖氧化反应的表观反应速率随表观气速的增加而升高；在总气流量不变的情况下,两段进气多级环流反应器中的反应速率高于普通多级环流反应器,并随进气比的减小而增大；三段进气多级环流反应器中催化剂颗粒分布更均匀,液-固传质效果更好,表观反应速率更高。本文应用Fluent6.3软件对普通多级环流反应器内部流动状态进行数值模拟,获得了反应器内流场分布的详细信息,模拟结果与实验结果的误差在20%以内。本文还利用数值模拟方法对普通多级环流反应器的结构进行研究,主要探讨导流筒分段形式、气液分离区结构对流体力学性能的影响。结果显示,导流筒结构和气液分离区结构对普通多级环流反应器流体力学的影响主要集中在第三段。