设备的优化设计是实现化工过程强化的有效手段之一，传统的化工设备优化设计依赖于设计者的经验，优化的思路往往是针对现有的结构提出几种可能的优化方案，再根据实验或者数值计算的方法对不同的方案进行对比，从中选出最优的结构。而不同的设计者由于经验背景的差异会提出不同的优化方案，因此这种传统的设备优化思路往往缺乏理论基础，不具有普遍的可操作性。因此建立一种普适的化工设备优化方法，是目前化学工程领域尚未完全解决的基础性问题。基于前人所做的工作，本文提出基于特定流型结构构造的传递过程强化以及相关设备的优化设计思路。尝试将变分法引入到传递过程的优化中，针对特定的化工传递过程，使用变分法引入一个目标函数，根据目标函数所需满足的约束条件，推导得到使目标函数取极值的控制方程组，并利用计算流体力学（CFD）软件求解控制方程组，可得到目标函数取极值时的最优流型结构，根据此流型结构，优化传递过程设备。基于流型结构构造方法，对混合过程进行了优化，以实现优化混合设备、提高混合效果的目的。本文以混合过程的熵产作为目标函数，以流动过程需满足的连续性方程、运动方程、组分输运方程及定粘度耗散值作为约束条件，通过变分法构造了控制方程组，数值求解得到熵产达到极值时的最优流型结构，模拟结果表明所构造的流型结构能够有效强化混合过程。为了验证该方法的实用性，以氨气/空气混合过程为例，研究了两种尺度下的氨空混合器流场的优化，利用该方法得到了能够强化混合过程的特定流型结构。最后利用所得到的流型结构，并借助多孔介质模型，设计出了具有内部结构的混合装置。基于流型结构构造方法，对流体输送过程进行了优化，以实现流动过程减阻的目的。该方法以管道总粘性耗散值作为目标函数，以流动过程的速度场作为变量函数，以输入的总功值等函数方程作为约束条件，通过变分法构造拉格朗日乘子方程，求解此方程得出总功值一定的情况下粘性耗散值最小条件下的流场结构。本文以具有代表性的直管道、L型管道和U型管道为例，数值模拟计算出在不同输入的总功值条件下粘性耗散值最小的流场。结果表明，经过优化之后目标函数粘性耗散值明显减小，并且通过计算多组不同总功值下的最优流场，得到全局最优的流场，该流场可指导流体流道结构的设计。