随着我国环保压力的日益加剧,发展清洁能源已经成为必然之选,获得国家高度重视。其中,液化天然气作为最高效、环保的化石能源,具有广泛的应用前景。天然气液化装置是液化天然气生产的核心部分,而目前对天然气液化装置的研究存在诸多问题,如对象独立、在工艺流程优化过程中难以快速优选操作参数、难以评估液化工艺在扰动下的动态响应等。针对以上问题,本文对天然气液化装置—天然气净化工艺和二级丙烷预冷混合制冷天然气液化工艺进行了模拟、优化和控制结构的综合,主要内容如下：(1)为了避免引起设备内部腐蚀或者在低温状态下形成固体导致设备损坏,天然气在液化前需脱除天然气中的酸性气体和水分。本文针对二乙醇胺(DEA)法脱酸和三甘醇(TEG)法脱水的天然气净化工艺,首先建立净化工艺流程超结构,在此基础上建立混合整数线性规划(MILP)模型来优化设备费用和中间连接流股所产生的操作费用,获得初始优化工艺,并采用夹点分析法对该初始优化工艺进行热集成,以降低系统公用工程消耗量；另外,考虑到生产过程多目标需求,本文采用AHP-模糊综合评价法综合分析了净化效果、初始投资费用、操作费用、能量利用率和填料塔稳定性5个评价指标对工艺的影响,获得了工艺的最佳操作参数。(2)净化后的天然气通过液化工段被冷却为液化天然气(LNG),本文综合考虑不同液化工艺适用的工厂规模及能耗水平,最终选取适用于基本负荷型的二级丙烷预冷混合制冷天然气液化工艺为研究对象。首先,在Aspen HYSYS中建立该工艺的稳态模型；然后,选取工艺中包括混合制冷剂组成、多流股换热器中间温度、压缩机进出口压力在内的10个关键操作变量为优化变量,以整个液化工艺中主要用能设备压缩机的能耗最小为目标函数对该工艺进行优化。优化过程基于Aspen HYSYS与Matlab的数据接口,在Aspen HYSYS中模拟计算,在Matlab中编写遗传算法(GA)程序进行数值优化,最终得到优化的操作参数并进行分析,提出工艺改进的方向。(3)通过严格控制预冷部分各变量以及过程中压缩机的转速,可以将深冷部分作为独立研究对象。另外,深冷部分在不同生产需求下涉及多个操作变量和控制变量,构成了多输入多输出的过程系统,存在多种控制结构。本文以稳态优化结果和动态特性分析为基础,通过定量计算稳态增益矩阵的条件数和稳态相对增益矩阵,确定最优控制结构。最后在Aspen HYSYS中建立动态模型,分析原料气参数扰动下所选取控制结构的动态响应,进一步说明该控制结构对不同工况具有更好的适应性。