化学工业是典型的能源资密集型产业，精馏过程是化学工业中应用最广泛的热分离技术，在实际生产中占据了全厂约三分之二的投资与能耗。但精馏过程能效低，余热排放量大，严重妨害相关行业的经济与环境效益。为此，本文围绕提高精馏过程能效和回收余热这一宗旨开展研究工作，在化工过程系统工程范畴内，通过流程模拟与数值优化技术，探讨利用过程集成与强化技术提高精馏过程能效和回收余热的一些共性科学问题。具体内容包括：
　　(1)利用联立方程型简捷模型揭示了压力敏感性与经济性之间的关系
　　本文通过一些典型案例在不同操作压力下的经济性分析，强调了优化操作压力对压敏精馏系统经济效益的重要意义。而后构建了考虑操作压力影响的联立方程型简捷精馏模型，用于估计精馏系统经济效益对压力的敏感性，并通过案例分析验证了该方法的可靠性，证实该模型可准确区分强/弱压敏体系，用于判别优化操作压力的必要性。
　　(2)利用基于枚举的二元多效精馏综合框架用于筛选设计高能效结构
　　基于压力优化必要性的论述，本文进一步将简捷模型应用于多效精馏结构，并构建了用于筛选多效精馏结构的综合框架。该框架基于枚举拓展出43种备选结构，并利用简捷模型初步筛选经济性较好的少量结构及后续优化所需初值，而后通过严格优化模型确定最优结果。通过数值优化，该部分研究成果为多效精馏与常规精馏性能比较提供了更加客观公平的结论。与常规精馏塔相比，多效精馏结构可节省约50％的能量和高达30％的年化费用。
　　(3)基于自热回收技术的过程电气化在各类精馏系统中的新应用
　　基于自热回收技术，本文提出了几种新型的电气化精馏系统(共沸与非共沸)。以非共沸体系乙苯/苯乙烯分离为例，针对不同进料，过程电气化系统可带来约8％至28%的年化费用节省。此外，以共沸体系四氢呋喃/水和丙酮/氯仿为例，过程电气化可分别带来约24%和约48%的年化费用节省。
　　(4)基于液相传输的多组分精馏系统过程强化新结构
　　本文提出了几种液相传输型多组分精馏系统新结构。以三元和四元芳烃分离为例，模拟结果表明，采用上述结构可以显著降低塔内返混效应，提升过程经济性。对于三元精馏系统，上述液相传输型结构最高可节省约20%的年化费用。而对于四元精馏，与传统直接序列相比，上述结构可以减少18.9％的能耗和11.9％的年化费用。
　　(5)一种萃取精馏集成有机朗肯循环和节能器的新方法
　　本文提出了一种萃取精馏集成有机朗肯循环和节能器的新方法。经过改进的复合系统可回收萃取精馏系统冷凝器和溶剂循环冷却器的低品位余热，经能效提升后转化为电功。以压敏的正庚烷/异丁醇/N-甲基吡咯烷酮萃取精馏系统为例，经过优化筛选出R227EA作为有机朗肯循环工作流体。结果表明纯粹通过有机朗肯循环进行余热回收仅能使年化费用降低3.01％，而通过集成有机朗肯循环和节能器的新结构可以使得年化费用节省高达30.30％。
　　本文创新点可归纳为以下三点：
　　(1)将压力作为决策变量引入各类精馏系统进行同时优化
　　本文分析了过往文献中忽略压力优化这一问题，将压力作为决策变量引入到各类精馏系统进行同时优化。数个案例分析表明引入压力优化对提升精馏系统经济性能起到决定性影响。
　　(2)开发了几种基于过程集成与强化原理的新型高能效精馏结构
　　本文提出了几种基于过程集成与强化原理的新型高能效强化精馏结构：第三章提出了多种新型多效精馏结构；第四章和第六章分别开发了用于非共沸/共沸精馏系统的新型过程电气化精馏结构；第五章开发了多种新型液相传输型精馏结构；第七章提出了将有机朗肯循环与节能器集成于萃取精馏系统的新型集成结构。
　　(3)开发了一种新型严格优化框架用于处理精馏设计中的MINLP问题
　　本文开发了一种基于AspenPlus与MATLAB平台的新型严格优化框架用于解决精馏设计中的MINLP(混合整数非线性规划)问题。实践表明该框架可以成功处理带有压力决策变量的精馏优化问题。