利用水合物生成原理来实现轻烃气体的分离是一种原创性的技术路线，其中涉及的关键工程问题之一是研发高效、低能耗的水合物生成反应器。鉴于单一种气液接触形态难以同时满足该技术路线对水合物生成反应器的特殊工艺要求，本研究以多相流动及传递的原理为理论指导，在详细分析了多种气液接触形态特性的基础上，通过系统的实验研究，优选出了适合于水合物气体分离工艺要求的一种复合反应器的基本结构方案，给出了各气液接触形态的流体动力学及传质的全空间特性及设计准则。 本文在一套Φ300mm×5200mm的大型冷模实验装置上，在不同的操作条件下(内环表观气速：0.0059m·s-1～0.1895m·s-1，外循环液速：0.03m·s-1、0.05m·s-1，固含率：5％、10％、15％)，对复合反应器的流体动力学特性和传质特性进行了系统的实验研究，通过实验结果得出以下认识： 1针对复合反应器内连续操作的浅床环流器，通过对全空间范围内局部气含率分布规律的实验研究，并结合流动形态和结构特性，提出了环流器可分为6个流动区域：气体分布器区、外循环液流影响区、导流筒上行区、气液分离区、外环环隙区、环流器底部区域。从内环体积平均气含率的变化特点，发现随着内环表观气速的增加，两相流动由气泡分散流向过渡流再向聚并流转变。内环和环流器体积平均气含率随内环表观气速、外循环液速和颗粒浓度的增加而增加。在理论分析的基础上，建立了内、外环体积平均气含率的半理论半经验模型。 2通过对环流器全空间范围内局部气泡特性分布规律的实验研究，发现环流器体积平均气泡直径随内环表观气速的增加而增加，随颗粒浓度的增加而减小，随外循环液速的增加变化不大。环流器体积平均气液相接触面积随内环表观气速、外循环液速和颗粒浓度的增加而增加；在实验及理论分析的基础上，建立了气泡直径、气泡终端速度的半理论半经验模型，以及滑移速度和环流器气液相接触面积的无因次关联模型。 3采用新型的氧气气提－空气解吸法进行了体积传质系数的测量。实验表明斜开孔气体分布器的传质性能优于直开孔的气体分布器；当外循环液速等于0.05m·s-1时，各种气液接触形态体积传质系数的大小顺序依次为：喷淋-撞击＞两级环流＞单级环流＞筛板。复合反应器的优化结构为：顶部为喷淋-撞击结构，中部为筛板结构，底部为单级环流反应器结构。优化复合反应器整体体积传质系数随内环表观气速和外循环液速的增加而增加。环流器整体体积传质系数与气液分离区的体积传质系数比较接近，其中外循环液流影响区体积传质系数最大，外环环隙区最小； 4通过对优化的复合反应器及单级环流器气体停留时间分布的测量与分析，发现环流器内大、小气泡的平均停留时间随着内环表观气速的增加而减小、随着外循环液速和颗粒浓度的增加而增加。随着内环表观气速、外循环液速、颗粒浓度的增加，复合反应器内气相流动趋近于活塞流。随着内环表观气速、颗粒浓度的增加，反应器的有效利用率随之增大，外循环液速的增加对有效利用率影响不大。环流反应器的气液有效接触时间在整个复合反应器中占有较大份额。 5对各个气液接触形态进行了压降的测量，发现复合反应器的总压降基本由环流反应器压降决定。总压降随着内环表观气速的增加而增加、随颗粒浓度的增加而略有降低、外循环液速对其影响不大。 6提出了复合反应器优化设计准则，及今后工作的展望。