作为“超临界重油梯级分离”工艺的关键设备之一,新型喷雾造粒塔的操作和优化设计直接影响到沥青造粒效果和气固分离效率。通过大量实验测量和数值模拟确定了最佳的喷雾造粒结构尺寸,初步探索了喷雾造粒塔内的流动演变过程以及操作参数和结构参数对压降和分离效率的影响。但是由于流动的复杂性,相关理论和方法仍有待进一步完善。为了更好地实现喷雾造粒塔降低压降、增加效率的目的,需要系统研究新型喷雾造粒塔内的气固流动规律。实验测量了不同结构喷雾造粒塔内的速度场分布和气固分离特性。直径D200喷雾造粒塔内速度场实验和数值模拟结果表明,喷雾造粒塔内流场具有明显的分区结构特征,根据切向速度分布分离空间沿轴向可分为上部射流影响区和下部旋流区,根据轴向速度分布分离空间沿径向可分为中心滞留区、中间环形上行流区和外侧下行流区。直径D500喷雾造粒塔的分离效率实验表明,几何结构相似的喷雾造粒塔内速度场分布规律基本相同,根据颗粒流动轨迹可以观察到上部空间的射流效应和下部空间的旋流过程。采用数值模拟方法研究了实验工况下喷雾造粒塔内的气相流动过程,并与实验结果进行对比验证。发现采用结构化网格划分、RSM湍流模型和Power low差分格式得到的喷雾造粒塔内的速度分布趋势与实验结果吻合较好。在此基础上,研究了不同操作参数和结构参数下喷雾造粒塔内流场的时均流动特性。在喷雾造粒塔时均流动特性研究的基础上分析设备内的流动不稳定现象,能够更深入的分析流动过程对压降和分离效率的影响。喷雾造粒塔内存在两种流动不稳定现象:中心区涡核摆动会引起串流返混,射流影响区壁面二次涡会使流场变得紊乱。合适的操作参数和结构参数能有效提高流场的流动稳定性。瞬时流动过程分析表明,傅里叶变换(FFT)得到喷雾造粒塔旋流区涡核摆动频率基本保持一致,说明塔内存在准周期性摆动。利用RMS和TSI对瞬时速度的脉动特性进行了分析,利用FFT方法得到了瞬时速度对应的频谱图,从而定量分析了操作参数和结构参数对流场流动不稳定的影响。为了降低喷雾造粒塔内准周期性摆动主频,在喷雾造粒塔的阵列喷嘴和顶盖之间添加了抗返混挡板。研究发现,增加抗返混挡板后喷雾造粒塔在保证压降基本不变的情况下,摆动主频和幅值显著降低,流动稳定性有所提高,实验表明颗粒的分离效率也得到了有效提高。最后,提出将降低主频和幅值作为提高旋流设备流动稳定性的有效途径之一。在流场分析的基础上研究喷雾造粒塔内超临界闪蒸过程的传质、传热及分离过程。闪蒸相变是复杂的非平衡热力学过程,目前还没有普适的闪蒸相变模型,本文将沸腾模型扩展为闪蒸相变模型。为了准确模拟沸腾过程,优化了壁面热流率划分和曳力模型,所建立的沸腾模型模拟得到的管内沸腾流动过程与实验结果吻合较好。数值模拟显示沸腾流动可以明显增大管壁的传热系数,但当管壁处蒸气体积分数超过0.6时会出现传热恶化现象。在此基础上,耦合多相流控制方程组建立了闪蒸相变数学模型。对旋流喷嘴内超临界流体的闪蒸相变过程研究表明,所建立的闪蒸相变模型能够较好的模拟戊烷沥青超临界流体的闪蒸相变过程,旋流喷嘴内三相介质分层流动,从而实现了戊烷溶剂与沥青溶质的预分离,有利于形成粒径较小且密实的沥青颗粒。最后研究了实际工况下喷雾造粒塔内的闪蒸造粒及流动过程。模拟结果表明,实际工况下喷雾造粒塔内仍呈分区流动趋势,而且准周期的摆动现象仍然存在。