水和能量在过程工业的发展中占有极其重要的地位。由于水资源的逐年匮乏和环境污染的日趋严重，水网络的研究引起了普遍关注。但在水网络设计中同时考虑能量集成却很少见报道。本论文采用数学规划方法，对工业用水网络的设计进行了研究，以期对过程工业的节水、节能提供一定的理论指导，主要研究内容包括以下内容： (1)对单杂质用水网络结构进行分析，并给出单杂质用水网络的最优化必要条件，这些必要条件为简化以最小新鲜水消耗为目标的数学规划模型提供了便利。它将原本的NLP模型转化为LP模型，这样不仅使问题的求解变得可行、容易和方便，而且节省了计算成本。本论文还对这些必要性条件进行了严格的数学证明。 (2)对于过程工业中用水和用能同时最小化的多目标优化问题，本文首先采用目标分层法的思想进行优化，即分步优化法。首先把用水量最小化看作重要的目标，用夹点分析法或数学规划法求解优化的水网络结构；然后在这一目标的最优解下进行全过程系统的能量集成，最后求得具有能量集成的优化的用水网络结构。此方法中的能量集成使能量的综合利用更加合理。 (3)以上用水与用能分步优化的设计方法，不能保证实现真正意义上的用水与用能同时最小化。数学规划因具有同步优化和同时处理多目标权衡的优点成为同步设计的有效方法。作为用水网络设计中用水与用能同时最小化研究的难点和热点，本文利用数学规划方法，以用水与用能的总费用为目标函数，将多目标优化问题转化为单目标优化问题，然后再进行计算研究，实现用水与用能的同步优化设计。 (4)最后对本论文所提出的两种方法分别进行实例计算分析，然后对结果进行比较，说明同步优化设计法比分步设计法更为准确和有效。