典型的化学工业装置由核心反应过程和相关的原料预处理/产品分离过程构成,分离过程是过程装置中获得较高纯度的产品所不可或缺的重要单元。本文对工业生产中具有大规模、高纯度、强耦合和变工况等特征的复杂分离过程进行了建模、求解和优化研究,并应用于工业装置生产过程。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)修正高纯度热力学模型,改善气液平衡过程计算精度。以多级气液平衡过程为主的分离过程是生产高纯度产品的重要单元操作,它不同于普通分离过程的一大特点是在高浓度区有着很强的非线性特征,由于常规气液平衡实验很难在高纯度条件下进行,常规的外推方法用于高纯度体系的热力学模型时误差较大。论文提出了使用工程数据回归热力学参数的准则和方法,并证实了热力学参数对高纯度体系分离过程的影响要远远大于普通物系。针对这一情况,本文讨论了受过程不确定性影响的热力学参数估计方法,并采用工业装置数据进行验证。(2)针对有扰动的分离单元建立进料观测器。化工过程会受到装置中各种因素影响以及用户产量需求变化而发生波动。如果进料偏离设计值而设备仍然采用原始设计条件操作,那么设备就很难维持在一个优化的操作点。当进料不可测时,很有必要为多级分离过程建立一个进料观测器以帮助过程优化。本文以机理模型为基础,提出了使用塔板温度分布预测精馏塔进料的软测量技术,并对该技术的可行性进行了理论分析与仿真验证。(3)提出改善大规模变工况模拟与优化问题收敛效果的回溯同伦技术。化工装置中的大规模和热耦合特征给系统模型求解带来很大困难,大量设备热耦合导致模型约束大量增加,模型变得复杂。各种牛顿法及改进牛顿法以梯度法为特征,收敛速度很快,但是对初值的要求比较高。变工况操作时,很难保证过程模拟和优化计算始终收敛。本文提出了一个基于回溯机制的同伦算法用于大范围过程计算,通过表征不同工况的变工况参数构造同伦计算路线,改善了牛顿法对初值要求高的缺点。(4)研究了低温精馏空分装置变负荷控制系统中的优化问题。低温空分是用于大规模生产高纯度氮、氧、氩产品的工业过程,几乎具有本文所研究的复杂分离过程的所有特征,如大规模、高纯度、强耦合和变负荷等,是典型的复杂分离过程。针对两套典型的工业低温空分装置——内压缩和外压缩无氢提氩制氧流程,本文进行了建模、求解和优化工作,讨论了空分装置的热力学参数估计,并探索了适用于工业装置的模型变量设定和数据调和方案。在此基础上,本文使用HBM解决了RTO计算的关键问题,包括空分装置的变负荷可行域求解方法、热耦合所引起的变量不连续问题的收敛和不等式约束的同伦处理方法。针对工业生产,提出了能耗最低、产品合格的空分自动变负荷优化方案,核定了空分装置的合理产量组合,给出了与MPC同时作用于控制器的最佳操作变量前馈值,并成功应用于工业生产装置。