催化精馏技术在工业中已有广泛的应用，但催化精馏设备的设计仍依赖经验化方法，其中最核心的问题是缺乏对设备内部传递现象的深入研究。本文主要对模块化催化规整填料（MCSP）内的传递现象进行了系统的定量化实验研究；根据实验研究结果建立了一种理论化催化精馏塔优化设计方法；并通过两个案例进行了详细说明。
　　首先本文研究了Winpak填料片的传质过程，并分析了Winpak填料片上开窗结构增强气液传质性能的机理。基于Winpak填料片设计了一种新型MCSP结构—Winpak-C系列填料。
　　其次本文研究了催化精馏填料的停留时间分布（RTD）性能。设计并搭建了一套测量催化精馏填料RTD的实验装置，完成了多种催化精馏填料的整塔RTD测量实验，计算了不同填料的RTD密度函数，通过比较RTD密度函数的数学特征，发现较之捆扎包填料，Winpak-C填料具有更长的平均停留时间和较好的系统稳定性。为深入研究MCSP内液相的流动特性，设计并搭建了测量MCSP中反应模块RTD的实验装置，完成了多种反应模块的RTD曲线测量实验，分析了Winpak填料片对反应模块停留时间和系统稳定性的影响。
　　随后本文采用二维扩散模型研究了反应模块内的液相扩散现象，通过测量多种反应模块上不同位置处的RTD曲线，并对RTD密度函数进行拟合，得到了不同模块的轴径向扩散系数。分析了不同骨架填料对反应模块液相扩散性能的影响，讨论了Winpak填料片加强反应模块径向扩散性能的机理，并研究了填料片比表面积、通道倾斜度和催化剂粒径分布等因素对反应模块液相扩散行为的影响。
　　最后，在前期实验研究的基础上，本文提出了一种基于粒子群优化算法的催化精馏塔优化设计方法。使用Aspen Plus软件对催化精馏塔进行流程模拟，使用MATLAB软件编写粒子群算法的运算代码，并建立了MATLAB和Aspen Plus两款软件集成平台，通过MATLAB与Aspen两者之间的协同作用，以年总成本最小为目标函数，完成了多个反应精馏塔的优化设计。