在过程工业中,精馏是应用最为普遍的分离单元操作。为了节能或者分离恒沸物,通常需要采用复杂精馏流程。在复杂精馏体系中,由于各单元之间物质与能量循环的存在,在变量之间产生了复杂的交互关系,为了获得更为精确的结果,需采取更为严格的优化方式。在过程优化领域,基于平衡级模型的严格优化可大致分为序贯模块法和联立方程法两类。在联立方程法中,变量的自动微分或符号微分可通过雅可比矩阵的求解获取。因此,从上述角度来看,联立方程法相对序贯模块法在优化领域具有明显优势。然而,在联立方程法中,流程收敛的困难性以及混合整数求解算法的不成熟性两方面原因导致联立方程法的应用受到极大限制。近来,虚拟瞬态连续性模型的提出极大地克服了以上两方面的缺陷,为复杂精馏体系的联立方程优化提供了一种强有力的工具。在该模型中,动态过程的引入极大地拓宽了收敛域,同时,绕流效率法的耦合解决了整数优化问题。然而,该模型依然存在方程表达不直观和优化效率低下两方面的问题。针对以上问题,本文提出了一种改进的虚拟瞬态连续性模型。在模型方程方面,提出基于等价流股概念的精馏塔塔板模型方程,该方程不仅形式直观,还避免了在过往研究中繁琐的水力学关联式参数试错步骤;在优化算法方面,将稳态模拟同时间松弛算法结合,提出了稳态-时间松弛混合优化算法,该算法同软件内置的动态优化法相比,在保证结果精确性的同时,大幅提高了优化效率。本文将以上改进后的模型及其算法应用于常见复杂流程的分析和优化,提出带循环进料的热集成萃取精馏流程和优化的变压精馏。在基于平衡级模型的变压精馏优化过程中,将真空体系空气泄漏量表达成操作压力的公式加入联立方程条件中,并将其作为约束方程写入优化求解程序。该方法改变了以往的研究中,将精馏塔操作压力习惯性固定在常压的做法,对精馏体系的理论研究和工程设计都具有重要意义。此外,本文提出的模型和算法具有普适性,可拓展至其他常见的复杂精馏体系的优化。