化学反应是化工过程的核心过程。在工业反应器中化学反应发生的同时，还伴随着流体流动、热量传递和质量传递的过程。这些过程相互作用，共同影响反应过程的转化率、收率以及能耗等技术经济指标。旨在提高反应过程技术经济指标的过程强化需要对所有上述过程进行调控，因此反应器的优化设计有很大的挑战性。
　　本文基于非平衡热力学熵产分析，提出了一种反应过程强化的多目标优化方法，它不同于传统的过程优化设计中采用的“设计-实验（模拟）-改进”反复循环、尝试的方法，而是一种更理性更系统的方法。本文采用熵产极值原理，以反应器中的化学反应及多种传递过程中的某几种的熵产或者它们的组合作为目标函数，采用变分法计算求解此多目标优化问题，获得可使反应过程得以强化的最佳流场及相对应的外加体积力场、温度场和组分浓度场。优化结果为反应过程在给定条件下强化的热力学极限，对反应器内部结构的设计具有重要的指导意义。本文首先通过一个一级不可逆反应过程的强化和分析，证实了上述方法的有效性。继而采用提出的方法分别对甲烷燃烧、氢气燃烧以及太阳能甲烷热裂解反应制氢三个过程的强化问题进行了研究。
　　本文首先以甲烷燃烧过程的总熵产最小作为目标函数，实现了过程热力学第二定律效率最大化。通过最优化计算，获得了该燃烧过程热力学最优解。燃烧过程的热力学第二定律效率从91.68%提高到了92.02%。以优化得到的流场为启发，构建了多种燃烧室改进结构，提高了过程的热力学效率。考虑到某些工业用热过程期望获得最大的燃烧器壁面散热量，以此为目标采用提出的优化方法对氢气燃烧过程进行了优化计算。以燃烧过程的传热熵产作为间接的目标函数，壁面（0.0115m2）的散热量从3210W增至3263W。最后，对太阳能甲烷热裂解反应制氢过程进行了优化计算。分析了传热和反应熵产各自对甲烷转化率的影响，以二者之和作为目标函数进行优化，甲烷的转化率从49.28%提高到了56.50%。
　　本文通过多种典型的化工反应过程的强化，对所提出优化方法的实施进行了演示，并有效验证了采用此方法可以获得使过程达到强化极限的各种参数。未来这一方法在其它反应、分离等过程强化分析中的应用具有重要的研究价值。