工业气体是现代工业的“血液”,氧、氮、氩等工业气体产品主要来自于空气分离。低温精馏法处理量大、产品纯度高,是目前应用最广泛的空分方法。低温精馏装备在钢铁、石化等行业的设备投资和运行费用中占有很高的比例,对其强化与节能的研究具有重要意义。目前,这些研究主要集中于空分流程设计、部件设计制造技术和控制技术的不断改进,在精馏过程机理乃至原理革新方面却相对缺乏。本文提出利用非均匀磁场辅助低温精馏分离的新方法,可望综合利用氧氮的沸点差异和氧的低温强顺磁性显著提高分离效率。目前,对于该方法的研究尚处于起步阶段,磁场对精馏中各物理过程的作用机制尚未明确,无法支撑未来磁场辅助精馏理论体系的构建和验证样机的研发。针对这一问题,本文从侧重于流动、传热和传质的角度开展了以下三个方面的研究工作:1)基于有限元数值计算方法对非均匀磁场下的液氧自由液面流动进行了研究,初步验证了利用磁场控制气-液氧两相流动界面和流场的可行性。自由液面流动是空分精馏塔内广泛存在的两相流形式,本文通过数值方法研究了非均匀磁场下二维平行板流道中的气-液氧的自由液面流动,并与常温空气-水的流动进行了对比分析。在高磁场强度的流道中心处,液氧的液位被非均匀的磁场力提升,从而在液相主流的下方形成了一个低流速区。同时,随着磁通密度的增大,流动压降由于液相局部流动截面的扩大而减小。当磁通密度为0.25T时,对于不同的入口工况,流动压降相比于无磁场时都下降了7-9%。模拟结果初步证明了利用非均匀磁场来控制气-液氧两相流动的可行性。2)对交变磁场作用下平行板流道内的液氧对流传热过程进行了多物理场耦合模拟,揭示了磁场驱动的含氧流体传热强化“高效低阻”的技术优势。空分紧凑式换热器中氧含量较高的工质可呈现强顺磁性,如冷凝蒸发器的蒸发侧、主换热器和过冷器的回流氧气侧等。本文利用多物理场耦合模型针对交变磁场作用下平行板流道内的液氧对流传热过程进行了模拟研究,结果表明交变磁场引发了周期性的涡流生成和脱落,这些涡流可以有效地破坏无磁场时稳定的热边界层,进而促进流道内冷热流体的混合,从而显著提升了液氧的对流传热效率。磁场强化后流道内的平均努塞尔数相比于无强化的自由流动最高增长了 86.1%,且其传热强化评价指标PEC(1.18-1.45)普遍高于传统翅片强化的方式(0.67-1.02)。这些结果表明,磁场驱动的液氧传热强化方法,可以在不剧烈增大压降的前提下,显著增强对流传热系数。3)基于激光干涉低温可视化方法,首次通过实验探索了非均匀磁场及高梯度导磁填料对于低温氧氮混合流体传热传质过程的作用机理。实现高效率、低能耗的气液两相传质是低温精馏强化的核心目标。本文设计并搭建了激光干涉低温传质可视化实验装置,并采用一维连续小波变换进行二维半定量浓度场的提取,开展了磁场作用下的液态氧氮混合传质实验研究。实验结果表明,磁场下液态氧氮的混合传质过程可以分成四个不同的阶段,包括液氧充注阶段、浓度分层扩散阶段、稳定蒸发阶段和不稳定鼓泡阶段。非均匀的磁场约束力使稳定浓度分层扩散阶段的时间相较于无磁场情况显著延长,而通过填充高梯度导磁钢毛介质可以进一步强化磁场对传质的作用效果。填充了0.5g钢毛时,传质开始120min后蒸气中的氧摩尔分数相比于无填充时下降了30%,相比于无磁场时下降了38%。实验中揭示的分层扩散机制和气液不稳定现象将为磁场辅助精馏测试装置的研发和试运行奠定基础。