工业气体应用广泛,现代社会发展对工业气体的需求量日益增大,低温精馏方法是大规模生产高纯工业气体产品的最有效方法。目前,低温空分设备正在向大型化发展,其能耗问题日益突出。低温精馏塔是空分系统的关键部机,针对其内部的填料性能优化成为节省空分系统能耗的主要方法之一。填料的优化从几何结构形式的寻优逐渐发展到表面局部结构的优化。表面微结构处理作为表面优化的主要方向之一,在常温流体领域的研究已十分深入,但缺乏针对低温氧氮流体的具体研究。低温流体和常温流体之间的物性差异会造成两者流动特性的不同,从而引起两者传质特性的差异。这导致目前商用填料其表面微结构对于低温精馏过程的定量强化效果还未知,其结构特征尺寸在低温工况下的适配性还有待商榷。基于此,本文围绕填料表面微结构对低温精馏性能的影响机理展开以下研究工作:1.基于计算流体力学方法对比了微结构表面低温氧氮流体流动及传质特征,揭示了其在填料表面的局部降膜流动及传质机理,并从局部扰流的角度阐明微结构强化低温传质的方法。以Mellapak 250Y型填料的几何尺寸为基础,建立了二维正弦形、三角形及平板模型,对比分析了不同液体雷诺数工况下三类板的流动及传质情况。不同于平板,微结构表面的流动及传质分布均在波谷区域达到峰值,波峰区域降至最小。在模拟工况下,正弦形、三角形板相对平板表面最大可分别强化传质约50%和25%。此外,微结构强化低温精馏过程的主要机理是通过增强液膜内部扰动:微结构引起液膜流动的转向,增强内部流动强度及液膜波动性,同时在波谷处气液界面产生涡旋,促进了气液混合,从而强化传质过程。2.基于计算流体力学方法对比不同尺寸正弦形微结构的强化特性,从传质动力及阻力的角度展开尺寸优化并进一步解释微结构强化低温传质的方法。填料表面微结构为相间传质过程提供了外加的传质动力,在局部流动参数上可定量表现为气液界面法向速度以及涡旋影响范围的增大;但同时也导致液膜流动方向的阻力增大从而增厚了液膜,增大了传质阻力。要进一步的增强传质效果,需在减薄液膜厚度、减小传质阻力的基础上,保证足够的外加传质动力。将Mellapak 250Y的微结构尺寸作为参照,对比了不同振幅高度（0.4 mm、0.2 mm）以及不同周期长度（3.5 mm、4.0 mm）的正弦形微结构特征尺寸对于低温氧氮传质的强化作用。在模拟工况下,3.5 mm周期的微结构其传质阻力减小22%,平均法向速度为参照的66%,涡旋范围增大25%时,强化效果相比于参照进一步增大了约3%。3.设计搭建低温流体降膜流动及传质过程可视化实验装置,并完成初步运行工作。该实验台能实现填料表面局部降膜流动及传质过程,可用于理论模型的验证与修正并提供一手的低温流动及传质实验数据。实验台可对不同类型填料的性能进行变工况测量,整个实验过程由可视化系统进行拍摄,可获得低温流体的流动细节。本文完成了实验台的初步运行工作并拍摄了液氮降膜流动图像,证实了实验系统的有效性,为后续深入探索精馏传质过程提供夯实基础。