共沸混合物的分离广泛存在于化工生产过程之中,其分离过程的最优化设计仍面临诸多挑战。与针对理想物系锐分离的传统分离序列综合方法相比,共沸混合物分离网络的合成不仅面临着组分数较多时问题规模“组合爆炸”所产生的求解困难,更由于其在相平衡关系上表现出的强非理想性导致精馏边界的形成,使精馏分离被局限在特定的精馏区域(精馏隔间)内,不能在整个组成空间上进行,因而分离路径的整体可行性成为首要解决的难题。本文旨在构建一套系统化解决共沸混合物分离过程综合问题的框架。此框架不依赖于传统的几何分析方法,因而能够应用于包含任意组分数的系统。此框架主要分为两个阶段：(1)系统预分析阶段：此阶段的主要目的为侦测系统的热力学特征,为第二阶段中超级结构的生成提供所需的信息。通过一系列基于代数的算法,此阶段将识别出组成空间的结构(精馏区域与精馏隔间)、“不可转化点”的存在并为超级结构提供所需的可行操作以及选择打破“不可转化点”的方法(如倾析、萃取精馏、膜过程等)。(2)状态空间超级结构算法优化阶段：在系统预分析阶段的基础上,分离过程可以拓扑为包括分配网络算子、可行操作算子、辅助分离操作算子等模块的状态空间超级结构。根据此超级结构建立混合整数非线性规划数学模型,即可通过DICOPT等求解器在GAMS环境中求解。与前人工作相比,本文提出的超级结构具备允许多流股混合与分配的优点,大大扩大了潜在可行的分离区域,并可将精馏塔的设计参数(塔板数、回流比等)进行同步优化,从而得到最优年度总费用。此外,针对混合整数非线性规划求解的困难,本文引入了缩减模型,通过缩减模型产生可行的分离路径,然后以此分离路径为初值进行优化,大大提高了问题求解的稳健性；与此同时,结合随机初值策略,对缩减模型产生的分离路径进行扰动,改善了问题求解的全局性。最后,通过对乙醇脱水、MTBE生产和双氧水环氧化丙烯生产环氧丙烷等工业案例的建模与研究,验证了本文提出的优化框架的可行性和有效性。