石化和化学工业是国民经济的重要支柱产业,制约我国由石化和化学工业大国向强国迈进的关键瓶颈之一就是核心工艺包开发能力不足,因此响应产业发展共性需求,推动工艺流程模拟、分析与综合方法论的基础与应用研究意义愈发凸显。反应-分离系统是工艺流程的主体部分,由于精馏是目前最广泛使用的工业分离技术手段,因此反应-精馏系统是其中最常见也是最重要的。伴随大型化、集群化、多样化等产业趋势带来的生产工艺复杂化,既体现在反应、分离系统自身,也体现在两者交互与集成上,而过程系统综合方法论正是应对这种高度复杂性与组合爆炸性的重要技术手段。因此,本论文在多路线反应器网络综合,热耦合精馏序列综合,反应-模糊精馏-循环耦合系统综合和反应-侧线精馏-循环耦合系统综合等方向开展相关研究工作,力求为节能高效的复杂反应-分离过程工艺开发提供新思路和系统化方法。本文的主要研究内容及结论如下:（1）特定工艺路线下的反应器网络综合通常难以得到从原料到目标产物的最佳配置。本文从工艺生产路线与反应器网络配置协同优化的角度,探索更多的生产工艺流程可能性。所构建的多路线反应器网络超结构具备生产路线组合与网络配置调优双重功能,为从原料到目标产品的一步式优化设计提供新方法。案例结果表明产品需求,目标函数形式等均会对最优网络配置造成影响,应当综合考虑设备投资,产品利润以及催化剂等因素。对于可逆反应体系,发现反应速率和化学平衡对最优反应器网络的影响程度存在分区现象。且产物比例与化学平衡越接近,年度总费用随转化率变化越接近线性关系。芳烃综合利用工业级案例表明甲苯歧化、甲苯烷基化和苯烷基化三条工艺路线协同显著提升了对二甲苯产率,年度总利润比甲苯歧化-苯烷基化路线高10.2%。（2）传统热耦合精馏序列综合方法得到的复杂配置难以实施,导致与当前工业实际相脱节。通过定量分析两种基本热耦合结构节能原理,结合系统耦合度指标,综合权衡结构复杂度和Petlyuk塔型,提出了涵盖序列、配置、流股状态等方面的10条约束规则。根据所提约束,利用0-1矩阵描述Petlyuk塔热耦合精馏序列解空间,较传统热耦合精馏序列综合方法去除大量非必要复杂配置,且随物系组分数目增加所提方法效果愈发明显,通过文献案例对比,所提方法求解时间较传统方法大幅减少。优化得到最优Petlyuk塔配置序列比最优简单塔锐分离序列和热耦合锐分离序列能耗分别下降31.0%和21.2%,年度总费用分别减少21.5%和16.2%。（3）以往反应-分离-循环系统综合方法论中,子系统之间本质解耦、质量交互机会少,导致不必要的能耗代价。本文从系统角度出发,以模糊分离新视角探索更多配置可能性,为反应子系统和分离子系统质量交互优化开辟新思路。所提反应-精馏-循环耦合系统综合框架,保证了反应器模块间完备互连和反应器网络与精馏序列间必要连接。通过精馏模糊分离和非锐分离操作允许循环流股中组分分布可变,进而实现反应子系统和分离子系统组成空间的精准调控和精细耦合。数学建模上提出改进的Hengstebeck-Underwood-Gilliland新关联法估算理论板数和精馏再沸气相流量,并采用正交配置法描述PFR设计方程,兼顾模型复杂度与精度。定制化两步求解策略,第一步松弛强非线性方程降低求解难度,第二步引入互补性约束将MlNLP转换为RMINLP问题加快求解速度。案例结果表明模糊分离通过预分馏有效消除精馏系统返混效应实现节能,并且循环流股和副产品组成应由反应-分离系统共同决定,传统分步或解耦策略将丢失最优方案。对于可逆反应体系,随着目标产物生成与消耗速率常数比值增加,组分分布优势将更为显著。四元体系案例优化得到最优反应-分离流程较文献结果年度总费用减少15.57%,且求解时间仅为378s,证明了所提方法处理大规模问题的能力。（4）带侧线精馏塔是工业实践中常见的节能配置,但现有反应-分离-循环系统研究受限于不必要的流股纯度设定无法将其囊括。本文改进状态-任务网络超结构和Fenske-Underwood-Gilliland简捷模型,实现了侧线塔配置在反应-分离-循环耦合系统中应用。推导出不同操作条件下Underwood根选取规则和侧线流量上下限,避免了传统方法组成计算错误缺陷。求解策略上通过对Underwood和Fenske等强非线性方程进行松弛并剔除冗余方程,大幅降低模型计算复杂性。案例研究表明通过调控反应停留时间和侧线塔进出料组成,可进一步优化反应-分离耦合系统质量能量集成,所得侧线塔流程与简单塔流程相比分别节省操作和年度总费用22.87%和7.47%,与反应-模糊分离-循环耦合系统相比,仍可分别节省操作费用和年度总费用14.11%和5.70%。