空分过程是将空气进行分离,得到高纯度氧、氮、氩等工业气体的分离过程,其产品广泛应用于化工、石油、冶金、电子、能源、医疗保健、航空航天等各工业领域,对国民经济有着重要的作用。作为复杂的化工过程,空分具有产品纯度高、设备耦合多、关联性强等特点,给流程的模拟和优化带来了较大困难,选择适合的求解方法显得至关重要。联立方程法具有求解速度快、收敛性能好、模拟优化问题切换方便的优点,在化工过程的模拟优化中有着广阔的发展和应用前景。本文针对空分模型的变量耦合严重、非线性强、方程变量维数高的问题,以联立方程法为基础,分别对空分过程的机理建模、模拟和优化展开研究。本文的主要贡献有：1、选择适合计算空分深冷体系的热力学物性计算方法PR和RKS-BM,并实现了三次状态方程法的全联立求解,将热力学模型融入空分机理模型,替代了常规化工模拟软件内嵌序贯算法的复杂计算过程。2、基于空分塔的机理模型,设计了物性参数估计的优化命题,得到了准确的二元交互参数,并探究了内嵌序贯算法和全联立计算方法在迭代过程中的差异,验证了联立方程法在收敛性能上的优势。3、针对Aspen Plus模拟空分过程时收敛性差的问题,提出将全联立方法用于空分过程的模拟与优化。联立的范围包括物性计算模型和单元机理模型,实现了全流程的联立求解。在变工况下对流程进行模拟,采用了相同的初值设定,使模型实现秒级收敛,并证明了模型的准确性。4、研究了空分过程中操作条件和约束的重要性,设计了以能耗、收入为目标的优化命题,通过研究变负荷优化前后各操作变量的变化趋势,得出了规律性的结论。并基于全联立模型,对收敛域、热耦合变化等进行了深入研究。