水和能源是过程工业中必不可少的资源,现今世界面临着能源危机,过程工业的节能刻不容缓。热集成用水网络的设计一直是过程系统工程界的研究重点。水和能源集成的方法有概念设计法和数学规划法两种,数学规划法主要通过构建数学模型,用适当的求解器进行求解,得到最优或者接近最优的网络结构,其优点在于能够求解大规模的优化问题,并且可以同时优化多个目标。概念设计法主要以夹点技术为核心,应用图形工具探究设计目标,操作简洁,一目了然。本文针对过程工业中水和能源的集成问题,分别应用了数学规划法与概念设计法探究了热集成用水网络的优化设计,旨在获得节水节能的网络结构,减少资源消耗,提高经济效益。本文的主要工作内容如下:1、针对单杂质的热集成用水网络构建了顺序设计的数学规划法。分别构建了非线性规划(NLP)模型与混合整数非线性规划(MINLP)模型,获得了最小的能量目标与换热面积目标,得到了能量回收最大、总换热面积最小的水网络结构。本文通过两个算例证明该方法的可行性。2、在数学规划法得到的水网络基础上,采用概念设计法设计换热网络,提出了新的分离系统组合曲线演化步骤和规则。通过对流股的组合曲线进行演化以减少换热匹配的个数,从而简化换热网络。在组合曲线的演化过程中,明确了构造换热匹配的5个步骤和5项规则,使得该图形方法更具有操作性和可复制性。算例表明,本文方法在最小化公用工程用量的同时可以进一步降低换热器数目与总换热面积。3、从给定换热器数目的角度出发,构建了同步优化用水网络与换热网络的超结构NLP数学模型,得到了年度总费用较低的热集成用水网络结构。该超结构模型的变量数大幅度减少,能够在有效时间内获得较好的解。