目前我国能源利用效率较低,与发达国家相比还有很大的进步空间,余热回收利用尤其是低温余热回收利用已成为提高能源利用效率、解决能源危机的重要手段。低温余热品位低难以直接利用,大部分被排放造成巨大的能源浪费。最好的利用低温余热的方式是将其温度提升,使之可以被直接利用。如果这一方法得以实现,不但可以大幅度提高能源利用效率,而且可以扩大能源利用的范围,如太阳能、地热能等低温自然能源,有效缓解能源危机。化学热泵因其高效率、无污染、低能耗、温度提升幅度高等优点而成为低温热品位提升的首选装置。异丙醇-丙酮-氢气化学热泵(IAH-CHP)则是众多化学热泵中应用潜力较大的一种。它利用一对可逆的化学反应,异丙醇低温(80℃)脱氢发生吸热反应生成丙酮和氢气；丙酮高温(200℃)加氢发生放热反应生成异丙醇,从而将低温热温度提升,使之可以在工业上直接应用。本文以锅炉低温烟气余热深度利用为研究背景,采用实验和数值模拟相结合的方法在分子尺度、多孔催化剂尺度、反应器尺度和系统尺度对IAH化学热泵丙酮高温加氢放热反应器传递及反应性能进行了多尺度研究。首先在分子尺度上对丙酮高温加氢放热反应进行了动力学实验研究。实验使用非晶态合金雷尼镍催化剂,通过改变空速、操作压力、氢气流量、反应温度等实验条件,对丙酮转化率、异丙醇选择性及反应产物进行了研究。实验确定了丙酮加氢的反应网络,分别对三种不同反应进行了机理研究,在实验数据和合理假设的基础上拟合出对应的Langmuir-Hinshelwood动力学方程,并分析了各操作条件对反应的具体影响。其次在多孔催化剂尺度上对化学反应与传热传质在多孔催化剂内的耦合和协同作用进行了数值研究,重点分析了催化剂颗粒内组分扩散对组分分布、温度分布、反应速率、丙酮转化率及异丙醇选择性的影响。模拟结果表明,催化剂微孔直径是扩散系数的决定因素,在催化剂颗粒边缘存在一个很薄的过渡区域,扩散系数及反应速率在此区域梯度十分明显；由于反应发生在催化剂颗粒内部,使得内部温度比外部流体温度稍高;丙酮转化率和异丙醇选择性都随催化剂颗粒直径的增加而增加,随微孔直径的增加而减小；异丙醇产量随催化剂颗粒直径增加而增加,随微孔直径增加先增加后减小。根据模拟结果,本文给出了催化剂颗粒直径和微孔直径的推荐值。然后在反应器尺度上对丙酮高温加氢放热反应器传递和反应性能使用Fluent多孔介质非热平衡模型进行了数值研究,分析了催化剂颗粒直径、催化剂导热系数、反应器直径和空速等参数对气固两相传热及丙酮加氢反应的影响。模拟结果表明在本研究中气固两相温差较小,不会对反应产生较大影响；催化剂导热系数和反应器直径对反应器温度场分布具有十分显著的影响,催化剂导热系数的增加能显著增强反应器传热能力,降低反应器温度及径向温差,反应器直径增加则会显著增加反应器温度；空速增加虽然会降低异丙醇选择性和丙酮转化率,但是也会增加异丙醇产量,因此有助于提高系统效率。在反应器性能数值研究的基础上对反应参数进行了优化,综合考虑能量品位、反应热、丙酮转化率与反应温度的关系,确定了最佳反应温度；结合数值模拟结果对比氢气丙酮摩尔比增加产生的丙酮转化率收益及压力损失,确定了最佳氢气丙酮摩尔比。为解决随机填充固定床反应器压力损失大和传热能力差的不足,本文提出一种结构化填充方法,并使用Fluent进行3D模拟,模拟结果表明此结构化填充方法不但可有效降低系统压力损失,而且传热能力更优秀。最后在系统尺度上提出了一种新型高效的多级放热反应器串联IAH化学热泵系统。与传统单级放热反应器IAH化学热泵相比,多级放热反应器串联IAH化学热泵的放热量得到了极大的提升,系统焓效率和火用效率也有较大幅度的增加；在放热量相同的情况下,多级放热反应器串联IAH化学热泵的物料流量,催化剂填装量,以及再沸器、增压器和加热器的热负荷都得到了极大幅度的降低,系统焓效率和火用效率都有一定的增加。由于多级串联放热反应器各级放热温度不同,可将各级反应器释放的热量分别用作不同途径,以减少能量混合带来的火用损失。