催化剂工程设计是介于催化化学和化学反应工程科学之间的、多学科高度交叉和相互渗透，十分活跃的前沿性分支科学。它以催化剂的工业应用为背景，综合运用化学反应工程、催化化学、计算机应用技术和应用数学等知识，分析、研究影响催化剂颗粒宏观反应特性的因素及其规律性，合理设计工业催化剂颗粒的形状、尺寸和孔结构，并使之与所用反应器相互匹配，达到整体最佳化或较佳化。然而，由于该分支科学所涉及问题的多变性和复杂性，目前的研究工作往往在侧重于单颗粒催化剂层次或反应器层次上进行，真正将催化反应器和催化剂颗粒设计综合起来，从整体上考虑的例子还很少见。 本文以工业甲醇合成过程为研究对象，针对国产C302铜基催化剂母体，开展了单颗粒催化剂物理设计、反应器定态分析以及两者之间综合优化方面的研究。 文中，首先基于该领域的已有研究成果，系统地分析和探讨了均匀分布型催化剂工程设计的策略问题，提出了深入开展这类催化剂工程设计的研究框架，指明了本文工作的研究路线。 对单颗粒催化剂上反应—扩散耦合行为描述方法的深入分析发现，目前流行的各种催化剂颗粒模型均建立在理想反应体系的基础上，若将这些模型直接应用于甲醇合成这一非理想反应体系，显然存在着逻辑上的矛盾。为此，基于力平衡和通量的观点，建立了能适用于非理想体系的、普遍性的单颗粒催化剂反应—扩散模型。根据实际情况，该模型可以方便地简化为常规意义上的各种反应—扩散模型。这对于所研究体系的颗粒模型评选和单颗粒催化剂行为模拟通用软件的开发具有积极意义。以氨和甲醇合成为例进行的各种颗粒模型的对比分析结果表明，建立这一模型具有一定意义。 采用微型积分反应器，对国产C302铜基甲醇合成催化剂的本征动力学进行了系统的实验研究。通过模型筛选，最终选出CO和CO₂竞争加氢双路线合成机理模型，采用Simplex法与Marquardt法相结合的优化方法进行动力学参数估计，建立了C302催化剂可靠的本征动力学模型。 基于所建立的本征动力学模型和影响甲醇合成催化剂宏观活性诸因素的理论分析，设计并制备了7种具有代表性的C302催化剂颗粒。通过宏观反应性能