分子蒸馏,也称短程蒸馏,是在远低于物质常压沸点的温度下进行的高真空非平衡蒸馏,依据不同分子的平均自由程差异达到分离目的。由于分子蒸馏气相空间的流动处于过渡流领域,基于连续性假设的传递控制方程不能正确模拟气相传递过程,限制了分子蒸馏技术的理论发展,从而影响了其在实际应用中的推广。因此,采用有效的方法研究分子蒸馏气相传递过程具有重要意义。直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法从分子微观角度入手,以气体分子动力学为基础,直接模拟气体分子的运动和碰撞物理过程,是一种成熟的、有效的研究稀薄气体非平衡流的数值方法,广泛应用于稀薄气体流动领域。本文基于DSMC数值方法,建立了分子蒸馏气相流动的模型,并用于研究分子蒸馏器中稀薄气相的传递过程。本文采用了与真实气体分子碰撞情况更吻合的可变硬球(VHS)分子模型。此外,由于大多数待分离的混合物为多原子分子,为了与实际相吻合,本文在模型中引入了分子的转动能,采用Larsen-Borgnakke非弹性碰撞能量交换模型计算了碰撞过程中分子的平动能与转动能之间的交换。将本文模拟得到的分离效率与实验数据对比,发现本文所建立的模型能够较好地反映分子蒸馏气相空间的传递现象,可用于分子蒸馏器的放大设计和核算。本文重点考察了操作参数和结构参数对一维平板和二维圆柱气相空间传递过程的影响,获得了各自的流场信息分布。此外,本文还着重研究了分子蒸馏过程中蒸发效率随着操作条件变化的规律。研究结果表明,蒸发温度或冷凝温度的升高,蒸发面与冷凝面的间距增大,惰性气体分压增大,都将降低蒸发效率。其中,蒸发温度对蒸发效率的影响更为显著;其次,惰性气体分压较大时,也会明显降低蒸发效率。相同操作条件下,凸蒸发面和凹蒸发面形式的同轴圆柱形分子蒸馏器,其气相空间的分子性质分布趋势是相同的,但凹蒸发面的变化速度更平缓一些,其蒸发效率更低一些。