以乙烯冷端分离装置为代表的低温精馏系统的合成包含三方面的内容，分离序列、换热网络以及制冷系统的设计，这三部分相互关联，存在复杂的耦合关系。传统的设计方法按顺序依次设计分离序列、换热网络和制冷系统，而现有的精馏系统合成的研究通常并非针对于低温过程，在设计精馏序列时更多考虑换热网络的集成，制冷系统往往被分离出来单独设计。由于低温过程的能耗很大一部分来自于制冷系统，这样的设计方法难以保证系统的总费用最小。本研究将制冷压缩机轴功消耗目标引入到低温精馏系统的设计中，在优化设计过程中可同时考虑分离序列、换热网络和制冷系统，在不需要获得换热网络具体结构以及制冷系统结构的前提下，获得年总费用最优的分离方案。本文针对低温精馏系统建立了一个混合整数非线性规划模型并对其优化求解，模型中分离序列的结构参数为离散变量，压力、回流比等操作参数为连续变量。利用基于轴功消耗为目标的夹点分析理论，使该模型跳过了换热网络和制冷系统的具体设计过程，将分离序列与制冷系统的轴功直接对应起来，并用轴功作为目标评价系统的能量费用。该模型中不包含换热网络和制冷系统的结构参数，从而大大缩减了模型的规模，降低了求解的难度。基于轴功消耗为目标的夹点分析方法从热力学角度上保证了系统具有理论上最优的换热网络和制冷系统的配置，可使本文所提出的方法获得最优分离序列方案。该模型用于合成乙烯冷端分离系统，成功得到了比实际工业装置总费用更优的分离方案。