甲醇精馏是能量密集、流程结构复杂的分离过程。其优化设计需要寻找最大限度提高经济效益和能源效率的操作条件、物料流量和单元设备尺寸及结构参数,需要面对复杂系统建模和大规模非线性方程组求解问题,需要可靠的和稳健高效的求解策略和优化方法。到目前为止,尽管甲醇精馏过程流程优化设计问题被广泛研究,但受限于问题规模和大规模非线性方程稳健求解技术的限制,甲醇精馏流程多数都是基于过程模拟来设计,无法基于严格模型有效实现过程系统中所有决策变量(操作参数等连续变量和设备结构参数等离散变量)的同时优化,因而无法保证过程系统最优结构和操作参数的获得。为了研究和分析已有甲醇精馏流程系统的特性和优劣,设计获得最优甲醇精馏分离流程,本研究在面向方程(EO)的建模环境中,基于虚拟瞬态模型化(PTC)方法,建立了复杂甲醇分离系统的虚拟瞬态模型,扩大了EO建模环境下严格模拟的收敛域;采用PTC模型辅助的稳态优化算法以及绕流效率法,有效解决了牛顿型算法求解非线性稳态模型的收敛问题和整数变量与连续变量的同时优化问题,以系统的年度总费用为目标,针对8种甲醇精馏流程,实现了稳健快速严格优化,其中4种流程是本研究首次提出的。本研究通过严格优化和过程分析,获得了甲醇精馏最优流程特性。研究发现,多效精馏可以显著降低甲醇精馏过程的能耗,且不同的能量集成方式对设备费和操作费有明显的影响;系统各单元操作压力是影响甲醇精馏过程能量集成效果的重要参数,必须通过优化恰当确定;此外,原料中高级烷烃组分的存在对甲醇精馏过程中各塔的操作参数和设备参数及对整体经济性的影响不可忽略。通过对优化后8种甲醇分离流程整体经济性的对比,得出在相同的进料条件下,五塔多效流程II的年度总费用(TAC)是最低的,而本工作提出的四塔多效流程II除了具有较显著的节能效益外,与五塔流程相比结构更加简单,操作控制相对容易,更具有工业应用潜力,对今后甲醇精馏系统的工业设计具有重要的参考价值。最后,基于8种复杂甲醇精馏流程的优化研究表明,PTC模型辅助的稳态优化算法具有稳健性与高效性,是求解大规模复杂流程的严格优化问题强有力的工具。