精馏系统的综合是一最优化问题，目标是设计出能分离多组分混合物的流程结构，并使总费用最小。在数学上，这一问题同时涉及流程结构和操作参数的最优化，属于混合整数非线性规划（MINLP）范畴。当考虑分离多组分混合物和实现过程能量集成时，系统呈现大规模的组合特性和复杂的非线性行为，其建模和求解都非常复杂。本文旨在应用随机最优化原理，建立求解这一复杂问题的有效的系统工程方法。（一）建立了一个直接求解MINLP最优化问题的改进的模拟退火算法。该算法能在同一退火策略下实现两种不同类型变量的同步优化，可在问题建模时直接利用现有的精馏过程分析、设计和评价方法，从而可避免具体的MINLP模型建立及其处理等复杂工作。同时，通过对退火长度和变量搜索转化概率的改进，实现了计算精度和计算速度的更好均衡，具有容易实施、计算时间复杂性小等优点，适宜于复杂过程系统综合问题的求解。（二）在方法实施中，提出一种新的分离序列的编码表示方法。定义一组自然整数作为编码变量来指示不同的清晰或非清晰分离任务，将数据结构理论中的二叉树方法运用于分离任务排序研究，通过模拟编码之间的连接可以直接反映分离任务之间的物流连接关系。该方法能确保任意搜索条件下流程结构的可行性，确保能应用进化调优方法产生分离序列的相邻结构，确保能用更严格的方法建立优化问题的费用模型。（三）首次研究了同时包括简单塔、预分馏塔、热偶合的侧线汽提和侧线精馏（蒸出）塔、完全热偶合塔，以及不同塔之间热集成的复杂精馏流程综合问题。将整个优化问题分解为具有不同塔段数目和换热器数目的一系列子问题，将复杂流程的结构特征抽象为分离任务网络、分离任务之间的连接方式（采用热偶合或者增减换热器）和热集成结构三个部分，建立了优化问题的结构（编码）表示方法和MINLP概念模型。运用本文提出的方法可以系统地设计出从简单塔分离序列、包含不同塔段的各种复杂流程、完全热偶合精馏等一系列分离子方案，同时包含各种类型塔之间的热集成。（四）对不同的算例进行了求解。分析、比较了不同分离方案下的各种精馏流程的经济特性，在较严格费用模型条件下，求解了真正大规模的热集成精馏序列综合问题（产品数≥10）。同先前提出的方法比较，本文方法求解问题的范围更广，可处理更复杂的问题，同时具有简单、易实施、计算量小等优点，是多组分复杂精馏系统综合的有效方法。