甲苯液相催化氧化生产苯甲酸和苯甲醛的工艺是是对环境友好的生产工艺。本论文在搅拌釜反应器中，以甲苯为原料，环烷酸钴、环烷酸锰和环烷酸镍按一定量配比的混合物为催化剂，苯甲醛为引发剂，对甲苯液相催化氧化过程进行了动力学研究。在一定催化剂含量和金属配比的条件下，实验研究了搅拌速率、反应温度和苯甲醛的初始添加量对反应过程的影响，得到了不同温度下的动力学曲线，提出和建立了较完整的甲苯液相催化氧化的反应网络和动力学模型，并根据动力学实验结果确定了甲苯液相氧化反应动力学模型参数。在反应动力学模型和流动模型研究的基础上，对某厂甲苯液相催化氧化反应装置建立了反应器模型，将模型模拟结果与工业现场数据进行比较，验证了模型的正确性和实用性。进而考察了甲苯进液量，反应温度，系统压力，进气温度，进液温度对原料转化率，产物选择性和产量的影响。结果表明：甲苯进液量增加导致转化率减小，选择性降低，产量先增加后减小出现一极大值；系统压力的增加将导致转化率增加，选择性提高，苯甲酸产量增加，苯甲醛产量下降；反应温度的增加将导致转化率增加，选择性提高，苯甲酸产量增加，苯甲醛产量下降；进气温度和进液温度对生产指标的影响不明显。最后，以所建立的多釜串联反应器模型为平台，采用超结构法和目标类方法相结合的方法，在分析CSTR反应器网络的有效性和简捷性的基础上，理论分析基于CSTR与PFR反应器网络的超结构及其数学模型。依据甲苯液相氧化反应网络优化的多等级多层次优化策略，对所构造的超结构模型进行求解计算，得到了较好的优化结果，有效地给出最优的反应器网络结构以及相应的流程结构参数，且得到的最优反应器网络简单、实用。从而达到了对甲苯液相氧化流程重新进行优化设计，寻找在生产苯甲酸的同时，副产苯甲醛，实现弹性操作，以适应市场终端变化，提高经济效益的设计改造目的。