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精馏塔是化工与石化行业中最重要的分离单元设备之一。在化工企业中,约90%的分离与提纯操作为精馏操作,约占分离总能耗的90%。因此,对精馏塔进行优化设计,减少设备投资与能耗,具有重大的经济效益。由于精馏塔优化设计的变量既包括了塔板数、进料位置等整数变量,又包括了回流比等实数变量,因此精馏塔优化是一个混合整数非线性规划( Mixed integer nonlinear programming, MINLP)问题。本文研究了MINLP问题求解的各算法的优、缺点之后,最终选择粒子群优化(Particle swarm optimization, PSO)算法进行精馏塔的优化设计。为提高PSO算法求解MINLP的效率,本文研究和分析了现有的PSO算法整数编码和约束处理技术之后,提出了新的整数变量处理策略和流体力学约束条件,并以Deb方法处理约束,提出了混合整数空间粒子群优化(Mixed integer space particle swarm optimization, MIS-PSO)算法。采用C#编程语言开发了精馏塔MINLP界面平台,采用C++编程语言开发了MIS-PSO算法的动态链接文件,在MINLP平台中调用MIS-PSO算法进行粒子位置的更新。通过ActiveX控件调用Aspen Plus,将Aspen Plus中建立的精馏模型作为适应度函数,计算粒子所对应的塔结构和操作参数而获得粒子的适应度函数值,充分利用了Aspen的强大计算能力和成熟的精馏计算模块,并使得寻优过程更易收敛。之后将MIS-PSO算法用于一个共沸精馏塔的设计,MIS-PS O算法计算得出的最优年度总费用(Total annual cost, TAC)为7.08×105$/year,该结果不仅满足所有约束,而且比Aspen Consep的计算结果降低了19.64%,并且优于文献结果。由Aspen Consep所设计的塔不仅TAC最优值不及MIS-PSO法得出的最优值,而且空塔气速低于0.5m/s的下限,说明MIS-PSO算法可以更好地应用于精馏塔的优化设计。为考察多塔优化的有效性,将MIS-PSO法用于一个异丙醇脱水过程的共沸精馏双塔序列。计算结果表明,TAC 1.218×106$/year比文献值减少16.96%,符合流体力学约束条件。文献值经过计算后TAC高于MIS-PSO法,并且C-1塔的空塔气速0.851 m/s大于0.8m/s的上限,不满足流体力学约束。该计算结果进一步说明MIS-PSO法计算多塔得出的结果也优于文献结果。上述工作表明,MIS-PSO法直接在混合整数空间进行寻优,为PSO算法求解混合整数规划问题提供了新的思路。MIS-PSO法可以用于精馏序列的最优设计,并且所得的结果优于以往的文献值。未来可将本文成果应用于更为复杂的精馏塔设计优化,以满足大规模化工流程优化的需要。