多孔材料具有高的比表面积和丰富的孔道结构,广泛应用于催化和吸附分离过程。为了理性设计和优化催化剂和吸附剂的孔道结构,以提高催化剂和吸附剂的性能,需要对多孔材料内的传质和反应过程建模。本文旨在应用离散建模方法和连续建模方法,研究多孔材料内的传质和反应过程,优化多孔材料的孔道统计分布和空间分布,以指导多孔材料的可控合成。主要的研究内容与结果如下：(1)离散模型构建。建立了孔道网络模型和孔-喉模型,这些孔道模型可以精确描述多孔材料内孔道和反应活性位的非均匀分布。开发了一套“切割”算法,用于生成具有任意外形(如球形、圆柱形和空心圆柱形)的孔道网络模型和孔-喉模型,以描述工业多孔材料真实的结构；该“切割”算法简单、高效、适用性强,可使生成孔道模型的计算时间大幅度缩短。将传质和反应方程嵌入孔道模型中,即建立起了完整的离散模型；该离散模型能模拟催化剂内气固、液固和气液固三相反应过程,具有较强的扩展性。(2)连续模型构建。建立了一新颖的孔道结构模型,该模型能在一定程度上描述孔道和反应活性位的空间非均匀分布,以弥补连续建模方法在这方面的不足。构建了颗粒尺度、晶体尺度和颗粒/晶体双尺度上多组分传质和反应的动态模型；这些模型可用于模拟催化剂内的反应过程和吸附剂内的吸附-脱附分离过程。(3)多相催化剂内的堵孔效应。应用离散模型量化了堵孔效应对催化剂内气液固三相反应过程的影响。建立的离散模型能描述多孔催化剂内耦合的扩散、反应、毛细冷凝和堵孔过程。通过比较实验数据和一连续模型,验证了该离散模型,其中模型反应为Pd/γ-Al2O3催化剂颗粒内苯加氢生成环己烷气液固三相反应。研究表明堵孔对催化剂效率因子影响很大,甚至可将反应滞后环面积扩大100%,因此,气液固三相反应建模必须考虑堵孔效应。并且,当孔道连通性较差,孔径分布较宽时,堵孔效应会显著增强。(4)孔道网络对催化剂性能的影响。应用离散模型量化了孔道几何结构和拓扑结构对气液固三相反应催化剂性能的影响,其中模型反应为Pd/γ-Al2O3颗粒催化剂内苯加氢生成环己烷气液固三相反应。被考察的孔道网络结构包括：孔道网络结构统计参数(即颗粒粒径、平均连通性和孔径分布),孔径空间分布,孔道双分布结构(即介孔和大孔双分布)。当催化剂效率因子与苯体相分压或颗粒温度做图时,会出现滞后环。当孔道连通性较差,体积平均孔径较小,孔径分布较窄时,滞后环面积变大。孔径空间分布和孔道双分布结构同样会显著影响滞后环的大小。孔道网络结构直接影响传质、毛细冷凝和堵孔,然后将这些影响传递给反应滞后环。(5)孔道网络对吸附剂性能的影响。应用连续模型优化了吸附剂内孔径和孔隙率的空间分布。以5A分子筛吸附剂吸附正戊烷为模型吸附体系,在一个较宽的吸附-脱附循环周期范围内(10-100000 s),评估了吸附剂的性能。研究表明孔径和孔隙率空间均匀分布是最优的空间分布,通过应用四种不同的曲折因子-孔隙率经验关联式,这一结论得到了进一步的证实。在空间均匀分布结构的基础上,进一步优化平均孔隙率。当吸附-脱附循环周期在100 s到2000 s之间,体积平均孔道直径在10 nm到150 nn之间时,最优平均孔隙率在0.4-0.6。最后,确定和解释了最优平均孔隙率和吸附-脱附循环周期以及体积平均孔径的关系。(6)吸附剂微孔扩散模型的简化。提出了平均扩散系数线性推动力简化模型(AD-LDF)和浓度依赖扩散系数线性推动力简化模型(CDD-LDF),用以简化双分布(即微孔和大孔分布)吸附剂内扩散系数浓度依赖的微孔扩散连续模型。在不同的吸附质浓度和扰动(即阶跃扰动和正弦波扰动)下,比较了这两种简化模型和连续模型。AD-LDF在阶跃吸附扰动下更精确,而CDD-LDF在阶跃脱附扰动下更精确。在正弦波扰动下,CDD-LDF整体表现更好。这两种简化模型在不同扰动下的精度差异,是由于扩系数定义的不同造成的。