水和能量是过程工业中非常重要的两种资源。化学工业中因为工艺的要求,物料需要不断地调整温度,需要消耗大量的水资源和能源,同时废水、废热的排放还带来了日益严重的环境问题。采用物料间换热和废水再利用,可以有效减少水和热的消耗;因此,为了提高水和能量的利用效率,近年来越来越多的科研工作者针对化工过程中的换热网络设计优化和水热网络集成优化方法进行了大量研究。在目前的数学法研究工作中存在的一个客观问题是,相应模型与实际情况越吻合,模型求解就越困难。本文首先进行的是换热网络优化研究。通过将一般换热网络化数学模型中用来表征一个换热器是否存在的离散变量用换热量相关的非线性表达式替换,在保证模型精度前提下,减少了模型中约束条件数量、变量类型与数量,提升了模型求解效率。在此基础上,实现了一个同时考虑流股非等温混合以及流股热容流率随温度变化的复杂换热网络优化模型,给出了模型中所有变量的边界条件。选用一个经典的10流股(5条热流股,5条冷流股)换热网络合成优化案例,来验证本研究工作所提出的换热网络数学模型的准确性。案例求解结果表明,同时考虑流股非等温混合以及流股热容流率随温度变化的换热网络优化模型能够得到与文献相比年总费用更少、网络参数更准确的换热网络结构。之后,本文针对水热网络集成优化进行了研究。提出了一个新的阶段式水热网络集成优化的超级结构,该结构实现了用水单元体系之外的流股参与进热量集成,扩展了一般水热网络集成优化研究的热量集成范围,兼容了多种公用工程的选择。基于所提出的超级结构,构建的水热网络集成优化数学模型中并不含有离散型变量,进而提高了计算速度;模型求解采用的是基于ε约束法的多目标优化而不是单纯地最小化年总费用。通过对一个修改后的水热网络集成优化案例求解来进行模型的验证,验证结果表明了该方法可以实现复杂水热网络集成的优化;多目标优化得到的多个最优解,可以为决策者提供多种水热网络集成优化方案。