余热回收利用是提高能源利用效率和减少污染物排放的重要途径,低品位能源的品位提升是余热回收利用的一个有效手段。异丙醇／丙酮／氢气化学热泵是能够实现能量的品位提升与有效储存的高效节能新技术,其关键部件反应器内发生的催化反应过程对化学热泵的性能起决定性作用。为此,本文采用实验与理论相结合的方法,在反应层面、部件层面以及系统层面等不同尺度上研究单／多相催化反应器性能。研究内容围绕在稳态条件下提高反应器反应性能及为满足高效化学热泵系统构建而进行的反应器优化设计两方面而展开。通过揭示多相反应机理、建立多孔介质体系内多相多组分热质传递理论、构建高效循环系统,为反应器性能提升及化学热泵系统的优化设计提供重要科学依据与关键技术支撑。第2章从反应层面开展了针对异丙醇液相脱氢反应机理及反应强化的超声辅助实验研究。研究了传统雷尼镍催化剂和新型非晶态雷尼镍催化剂的催化活性,指出了非晶态雷尼镍催化剂具有较高的低温液相脱氢性能。同时指出异丙醇液相脱氢反应中异丙醇的吸附和解吸为反应速率控制步骤,且丙酮的吸附和解吸在两个活性位点上进行,首次得到了两种催化剂在Langmuir-Hinshelwood型反应动力学表达式。在超声辅助脱氢反应实验中,比较了超声波与搅拌器情况下异丙酮液相脱氢速率。结果表明：当超声功率大于等于26.87 W时,脱氢性能显著优于搅拌,低温下超声更有优势,揭示了超声作用强化反应机理。最后,获得了超声功率与异丙醇脱氢反应速率的定量关系式,为第4章、第5章反应器模型化提供基础。第3章从反应器尺度上,将分形理论与格子Boltzmann方法相结合构建了多孔介质内耦合化学反应的单相多组分流动与传热传质过程LB模型,对放热反应器内丙酮加氢化学反应热质传递特性及影响因素进行了研究。探讨了反应物摩尔比、进口速度及孔隙率对反应特性的影响。对热质传递的分析结果表明：在多孔介质中进行化学反应,流动行为对热、质的传递过程起着重要作用；扩散和由流动引起的质量传输的耦合效应加剧了孔隙体系内化学反应的多组分热质传递机理研究的复杂性。通过本章研究,揭示了孔隙体系内耦合化学反应的单相多组分扩散和能量传递过程特性及其与反应转化率间的内在联系与规律。第4章在第3章单相反应的基础上,进一步发展了耦合化学反应的多相多组分流动与传热传质综合Lattice-Boltzmann数理模型,对吸热反应器内液相异丙醇脱氢反应进行了初步研究。将改进的伪势模型与Carnahan-Starling状态方程相结合使两相密度比接近700。通过对C-S状态方程共存曲线的数值及理论求解的对比分析验证了模型的可行性。随后研究了多孔介质内多相反应的流动传热特性,该模拟的成功实施拓宽了格子-Boltzmann方法在多相反应过程领域的应用。第5章从化学热泵系统层面,设计IAH-CHP液相吸热反应与反应精馏相结合的高效循环系统。首先通过异丙醇液相脱氢反应精馏实验,比较分析了采用反应精馏及非反应精馏反应器时,丙酮的纯度及塔内的轴向温度分布,实验证明了反应精馏可以大幅提高异丙醇脱氢反应转化率。同时详细研究了采用反应精馏时,热源温度、回流比以及进料中丙酮初始含量等操作参数的影响规律。基于以上实验研究,建立了包含反应精馏的异丙醇-丙酮-氢气化学热泵系统数学模型,并以性能参数COP和火用效率为评价标准对化学热泵系统进行热力学分析,含反应精馏段的热泵系统中精馏塔的火用损失减少了三分之一,COP和火用效率分别提高了19.2%和16.7%。