气升式环流装置具有良好的传质及混合性能,但主要应用于生物发酵等气液反应过程。另外,由于其内部的多相流动结构非常复杂,目前仍存在许多基础性科学问题尚未解决。本文借助PIV实验手段和CFD数值模拟方法对气升式环流装置内的流体力学问题进行了深入的研究,并将其应用到浮选、萃取等传质分离过程的强化中,开发了应用多级环流结构的新型浮选和萃取设备,完成了系统的基础数据测试,并最终进行了工业中试实验。首先,设计了一套拟二维的气升式环流装置,通过PIV实验对速度场进行了测量,同时对气含率和液体循环速度进行了分析。实验发现,导流板几何结构对流动结构有重要影响,其中板间距的影响较导流板的长度与高度影响更为明显。其次,建立了对应拟二维实验装置的二维模型和对应实际气升式环流装置的轴对称模型,二维模型的模拟结果与实验结果对比验证发现二者吻合较好,验证了模型的可靠性,在此基础上,考察了在拟二维环流装置和三维圆形气升式环流装置中导流筒结构的影响,三维模拟结果发现影响环流流量的关键因素不是直径比而是上升区面积与下降区面积之比。本文第三部分将多级分离、填料技术和气升式环流装置集成应用到浮选柱中,开发了多级环流充填式浮选柱,对其进行了流体力学性能实验和煤泥浮选工业中试实验。流体力学性能的测试结果表明,气含率和气泡尺寸随着进气量的增大而增大,加入起泡剂可以使气泡减小且更加稳定,增大塔内气含率。浮选实验中发现,循环流动使塔内流体流动更加规整,多级结构减少了轴向返混,填料延长了停留时间;实验发现,在间歇进料操作下,可达到很好的分选效果,但当进料流量较大时,精煤产品精度较差。本文第四部分将气升式环流装置与组合萃取填料相结合,开发了新型多级环流萃取填料塔,对其流体力学性能及传质性能进行了研究。发现在分散相液滴在内套筒内破碎,在环隙中聚并,促进液滴的表面更新和强化传质;连续相在每级内规则地循环流动,可提供较大的处理能力。与超级扁环填料和组合萃取填料对比发现,环流萃取装置在保持较高的传质效率基础上提高了处理能力50%以上。本文第五部分提出了一种基于构型理论的新型优化放大策略,将气升式环流反应器的优化过程分为两步:首先对其最小单元进行优化,之后优化最小单元之间的组合顺序,通过组合固定的单元结构,达到最终的优化放大结果。