过程强化指的是发展新型的装备与技术，使当今普遍使用的过程装备与技术在节能、降耗、高度集成和减少环境影响方面有很大的改进。作为过程强化的技术手段之一，整体式催化剂(结构化催化剂)与传统的颗粒催化剂比较起来，在多相催化反应过程的传递特性和动力学方面均占有很大优势。传统的固定床反应器由随意填充的催化剂颗粒构成，床层热阻大，传热效率低，在进行放热反应时容易出现热点，从而引发副反应，降低目的产物的选择性甚至引起事故。在整体式催化反应器中，整体式并具有规整结构的催化剂载体每单位体积的外表面积大，能保证反应器中良好的传热。另外，与颗粒填充床反应器比较起来，整体式催化反应器的床层压降要低得多。所以，整体式催化剂自从20世纪90年代后期兴起以来一直受到学术和工程界的高度重视，关于整体式催化反应器特性的研究越来越多。由于金属材料具有良好的传热性能，因而金属基整体式催化剂与反应器的研究受到广泛关注。近年来，我们研究小组也对金属基整体式催化剂与反应器进行了一系列研究，例如金属基整体式催化剂的制备、结构与性能关系的实验研究。除了实验研究之外，鉴于数值模拟能节省大量人力、物力，已成为化工过程研究、开发的强有力工具，本文的目的就是通过详细的数学模拟，预测金属基整体式催化反应器的传递和反应性能。提出了将金属基整体式催化反应器用于强吸／放热反应直接耦合的概念，这种整体式催化反应器在替代传统甲烷重整工业反应器方面显示了巨大的潜力，以避免传统工业反应器中由于火焰燃烧供热所带来的热效率低、装备庞大和产生大量氮氧化合物的弊端。事实上，金属基结构化催化剂的宏观反应性能，在很大程度上取决于结构化金属载体的传递特性，然而迄今只有极少的文献涉及到结构化金属载体的传递特性。因此，首先运用基于计算流体力学和传热学的方法，对一种未负载催化活性组分的结构化金属填充床进行了详细的模拟，预测其流场和温度场，进而分析其传递性能。为了显示结构化金属填充床在传递特性方面的优势，将前述结构化金属填充床关于传递性能的模拟结果，与颗粒填充床传热特性实验研究的结果进行对照。结果定量地表明结构化金属填充床与传统的乱堆颗粒填充床相比，的确具有更好的传热性能及很低的压降。进一步讨论了床层结构参数及固相性质对反应器热传递性能的影响。在较小的Re数时，床层传热主要由流体的对流热阻控制，所以增加床层的比表面积能强化传热。而当Re数较大时，静态的导热起主导作用，这时减小床层空隙率或利用导热性能好的金属载体都可以强化传热。另外，还提出了一些其它有用的强化热传递的方法，比如在湍流的情况下，使固相表面适当地粗糙化是非常有帮助的。接着，为了理解整体式催化反应器的性能变化规律和实现过程强化，对整体式催化反应器中进行的催化反应展开了模拟研究。整体式催化反应器包含成百上千个孔道，孔道表面的多孔性覆盖层中负载有催化活性成分，用于催化反应。整体式催化反应器在催化燃烧中一直起着重要的作用，比如说用于燃气涡轮的燃烧室，其中甲烷是主要的燃料。和传统的气相燃烧比较起来，催化燃烧反应由于其较低的活化能可使反应温度大大降低，燃料与空气的比值范围增大，以及污染物的排放大量地减少。在这里，建立了用来描述单个孔道以及整个催化反应器中甲烷催化燃烧的模型。模拟结果表明，对单一孔道和整个反应器的模拟均是有效的，但是当考虑到固相性质和反应器热损失的时候，基于整个反应器的模型比基于单个孔道的模型更合理。为了更好地理解反应器的行为，进一步研究和发展整体式催化反应器，基于整个反应器的数学模型是更有意义的。同时发现，在所考虑的条件下，整体式催化反应器的行为对几何参数和催化剂负载量的变化不太敏感，而对入口温度、浓度以及气体速度的变化更敏感。由于热力学和动力学限制，许多工业反应如碳氢化合物的裂解、脱氢以及重整都需要在很高的温度下进行，传统上是利用天然气的火焰燃烧来给这一类反应提供热量，能量利用率低、设备庞大，氮氧化合物的排放量大。近年来，提出了基于吸放热反应直接耦合的反应器概念，其核心是将吸、放热反应集成在同一固定床反应器内进行，利用催化燃烧为强吸热反应提供热量，这样就可以实现能量、资源和流程的有效集成，是重要的研究和发展方向之一。本文提出用一种套管式金属基结构化催化反应器实现甲烷催化燃烧与蒸汽重整直接耦合的方案，两种反应分别发生在反应器不同的部分，并发展了基于整个反应器的模型来研究这一耦合反应器的传递和反应性能。模拟结果表明，操作参数对于反应器行为的影响是很明显的，需要适当地调整操作参数来增强反应器的性能和促进能量平衡。而且，合适的孔道安排和催化剂分布，例如增大重整侧的比表面积或让燃烧侧的催化剂非均匀分布，都能缓解两侧过高的径向温度梯度，大大增加重整侧的转化率。在以上对套管式金属基整体式催化反应器的研究中，发现当燃烧侧甲烷的进料浓度低于爆炸限时，燃烧反应不能为重整侧提供充分的热量。为了给重整侧提供更多的热量同时又要避免甲烷浓度超过爆炸限，设计在燃烧侧入口以及不同的轴向位置引进低浓度燃料甲烷，构成了一种新颖的轴向分段进料整体式反应器。同样用基于整个反应器的模型来模拟分段进料整体式反应器的传递和反应性能。结果证明，分段进料反应器远远优于非分段进料反应器。讨论了燃烧侧甲烷体积流量在不同入口处的几种分配方式对反应器性能的影响，其中有一种分配方式能够强化热传递，增加重整侧甲烷转化率。同时发现，操作条件的改变不只是影响重整侧甲烷的转化率，还影响重整反应的热力学平衡状态。另外，当反应器在实际应用中被加长时，燃烧侧甲烷进料的轴向位置增多，来自不同入口处的混合气容积速率将会变得很大，为此本文提出了反应器催化燃烧侧的初步设计方案，用以实现分段进料和避免太大的气体流速。最后，为了初步验证强吸／放热反应直接耦合构思的可行性，在套管整体式催化反应器中进行了甲烷重整和催化燃烧耦合的实验研究，得到一系列有重要价值的结论。