石油、医药和化工行业的生产过程常伴随着含多元多共沸有机混合物的产生,直接排放会导致环境污染和可利用资源的严重浪费。因此开发节能的、可操作性较好的、热力学效率较高的分离纯化工艺至关重要。复杂多组分多共沸体系需采用多塔特殊精馏分离过程（如萃取、变压和反应精馏）,设置最佳溶剂进料量、如何确定突破多共沸引起的多重分离极限的可行工艺操作条件、如何合理设置多塔的压强分布、如何确定产品馏出顺序、如何得到循环物流的组分和流量,从本质上解决这些问题对石化和医药企业的共沸分离极具挑战性,更具有现实意义。另一方面,根据共沸物形成机理,逆向揭示溶剂打破共沸的机制,进而开发有针对性和高效的精馏分离策略,对过程优化设计和开发具有重要的指导意义,可为后续的多组分多共沸复杂体系分离的小试、中试和工业化提供重要理论依据。基于此,本文提出了一套系统的特殊精馏分离系统合成方法论用于多元多共沸混合物的有效分离。首先针对溶剂在改变或打破共沸平衡时所遵循的机制尚不明确的问题,以三元两共沸体系（Serafimov 2.0-2b）和三元四共沸体系（Serafimov3.1-2）为例,基于量子化学计算从分子层面阐释了溶剂与共沸体系氢键的键能作用力强弱,揭示了萃取精馏分离过程的溶剂打破复杂共沸体系相平衡的作用机制,进而基于热力学拓扑理论分析确定了萃取精馏的最佳工艺操作条件（如压力和分离序列）,实现了高效节能的共沸物分离;针对三元三共沸体系（Serafimov 3.0-2）,采用剩余曲线、等相对挥发度曲线、组分平衡线、精馏边界线等热力学拓扑理论将三元相图划分为多个区域,分析不同区域的可行性,从而有效确定了连续多塔变压精馏分离该复杂体系的压力范围选择、分离序列、最佳工艺条件,并建立了一套完善的过程合成设计新型模型框架;针对过程优化中的复杂混合整数非线性（MINLP）问题,通过引入重复解剔除机制和弱变异机制等改进策略开发出改进的遗传算法程序实现化工过程的全局优化;针对上述节能的精馏过程在工业过程难以控制等问题,基于开环敏感性分析/奇异值分解开发了鲁棒的双温度前馈控制策略可以较好的应对工业过程中的变量扰动;针对精馏过程能耗高等问题,从内部传热传质机理入手,开发出节能减排强化工艺实现石化和医药等行业的可持续生产。具体内容如下:（1）为了实现萃取精馏工艺分离多共沸混合物,本文基于UNIFAC基团贡献法开发了计算机辅助分子设计（CAMD）程序实现萃取剂的智能化筛选,并将其应用于Serafimov 2.0-2b分类的分离过程。通过CAMD运算得到三个溶解性和选择性较好的候选萃取剂;基于热力学拓扑性质分析（如相对挥发度曲线）将候选萃取剂与文献中实验数据得到的N-甲基吡咯烷酮萃取剂进行对比,从而验证了CAMD得到的萃取剂二甲基亚砜效果最好,同样的方法也可以拓展到Serafimov3.1-2分类的萃取剂筛选过程;进一步,基于量子化学软件Material Studio计算了被分离物质和萃取剂的电荷密度分布,从分子层面阐释了溶剂与共沸体系氢键的键能作用力强弱,揭示了萃取精馏分离过程的溶剂打破复杂共沸体系相平衡的作用机制。（2）为探究压敏体系的有效分离,本文将用于萃取精馏概念设计的热力学拓扑性质（如精馏边界、相对挥发度曲线、剩余曲线等）拓展应用到变压精馏过程的概念设计中。通过热力学分析确定了变压精馏过程在每个可操作区域内的可能分离序列,进而探究变压精馏是否可以分离目标混合物、哪种分离序列最合适、达到最低的年度总成本时对操作压力有什么限制。最终以Serafimov 3.0-2分类的分离为例验证所提出的方法。（3）针对上述两章研究的萃取精馏和变压精馏能耗高、热力学利用效率低及环境污染大等问题提出了反应精馏辅助萃取和变压精馏工艺。通过引入第三组分环氧乙烷除去三元共沸混合物中水组分,再通过萃取或变压精馏完成剩余组分的有效分离。在提出的反应精馏过程中,反应放出的热量可以用于加热精馏过程从而减小整个过程的能量消耗和提高能量利用效率,且通过反应先除去水组分可以降低被分离体系的复杂程度从而降低分离的难度。（4）针对具有高度非线性、强耦合,操作条件较多等复杂特性的化工过程优化困难、耗时久等问题,开发了NSGA-II智能优化算法。在改进的NSGA-II算法内引入了重复解剔除机制和弱变异机制,可以有效的解决特殊精馏过程的MINLP问题,快速得到最佳工艺操作变量。（5）为了探究提出工艺在实际运行中的可行性,基于开环敏感性分析和奇异值分解等温度选择准则,采用比例积分控制设计特殊精馏控制策略,如:单端温度、双温度、温差控制策略实现特殊精馏过程的鲁棒控制,为其在工业中的应用提供进一步的理论指导。