按照選定的目標函數，尋求一個能滿足給定輸入和輸出要求的最優的化工系統。它是化工系統工程的研究內容之一。化工過程的任務是通過物質和能量的變化，將原料製成化工產品，這一生產過程通常可採取不同的方法和設備來實現。一般的化工系統，包含換熱器、反應器、蒸發器、塔器等多種設備，綜合時涉及反應路線和反應器類型的選擇，分離方法和分離序列的確定，以及能量回收、三廢處理、輔助設施等方面的問題，可行方案的數量是相當驚人的。化工大系統的綜合是一個極為複雜的最優組合問題，至今還處於於探索階段。近十多年來，開發瞭分解法、探試法、調優法和直接優化法等化工系統的綜合方法。
分解法 是系統工程中對於復雜系統的一種處理方法，即把需要綜合的大系統分解成若幹易於處理的子系統，分別對各個子系統進行綜合，得到局部最優解，然後再用整體目標函數加以檢驗；如果不滿足整體最優的要求，則在各個子系統之間進行協調，直到得出預期的最優系統為止（見系統優化）。
探試法 根據以往經驗總結出來的若幹規則來探索解決問題的方法。例如，從經濟的角度來看，精餾塔的最佳回流比是最小回流比的1.1～2.0倍。這就是一個探試規則。這些經驗規則雖然不能全部在理論上得到嚴格的證明，並且有時還會遇到例外，但對於大多數情況來說還是適用的，探試法不失為一種簡便而快速的求解方法。目前，這種方法已成功地應用於某些化工子系統的綜合，例如用於分離系統和換熱器網絡。但探試法並不一定能保證得到最優解，對於復雜的化工大系統來說，則還有待進一步發展。
調優法 從某個選定的初始系統出發，采用某種調優策略，通過一系列的逐步修正，得出較好系統的一種綜合方法。調優法一般按下列步驟進行：先用分解法或探試法選定一個初始方案作為調優的起點；再對初始方案的各個環節按某種調優策略作不大的改動，得到若幹與其接近的新方案；然後按照目標函數對這些方案進行比較，從中挑出最好的方案；以此作為新的初始方案，重復上述步驟，直到不能得出更好的方案為止。運用調優法進行系統綜合時，工程技術人員的經驗和判斷力可以發揮很大的作用，但由於調優法所得的結果在很大程度上與初始方案的選擇有關，因此最後綜合得出的系統不一定是最優解。
直接優化法 運用數學方法直接搜索化工流程最優解的一種方法。它的出發點是根據生產的要求把所有可能選用的系統組合成一個總的虛擬流程，然後運用最優化方法，按照一定的目標函數進行搜索，剔除其中一些不適宜的流程，最後得出最優流程來。直接優化法的優點是可以免去復雜的組合問題，並且同時得到最優的流程結構和過程參數值。但如果流程比較復雜，就很難找到合適的最優化方法進行處理，因而也不能保證得到最優解。
目前，綜合技術的發展是趨向於采用多級綜合法，即首先運用分解法或探試法得到一個較好的初始流程，然後再借助調優法對它逐步進行修正。迄今為止，在系統綜合方面已開展瞭不少工作，但已付諸工業實踐的尚限於由單一的設備（如換熱器、精餾塔）組成的系統。對於現代化的大型化工廠的設計來說，為瞭提高經濟效益，合理利用資源和能源，系統綜合是亟待進一步開發的領域。