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近年来LNG产业在全球迅速发展,天然气的液化技术和设备不断发展完善、日渐成熟。然而我国LNG领域内的相关研究起步较晚,许多技术却落后于同期世界水平,亟待深入研究和开发。在天然气液化工艺流程的设计以及液化装置的生产等方面缺乏技术上的自主产权。开展天然气液化工艺流程及设备的研究,对于液化装置的国产化、高效化有十分重要的意义。本文根据中小型天然气液化装置特点,设计五种液化流程方案:单级混合制冷剂液化流程、双级混合制冷剂液化流程、N2-CH4膨胀制冷流程、天然气自膨胀制冷流程以及带混合制冷剂循环的天然气自膨胀制冷流程。利用热力学分析方法建立天然气液化流程的热力学模型,分析制冷循环中压缩、冷却、换热、节流、膨胀以及天然气换热、节流等热力过程,采用比功耗、（火用）损失和（火用）效率等作为天然气液化系统的评价指标。分析天然气液化规律和LNG储存特性,为液化工艺模拟初始参数的确定提供理论依据,得出如下结论:天然气在高压下更容易实现液化;提高LNG储存压力可增大相同储存温度下的液化率;LNG进罐前的节流温度应低于储存压力下LNG的泡点温度。以HYSYS为平台建立液化工艺的稳态模型,计算流程的性能指标。在相同的进出口条件下对各流程进行对比:天然气自膨胀液化工艺的比功耗最低,双级混合制冷剂液化工艺次之,N2-CH4膨胀制冷比功耗最大;LNG换热器的能量损失最大,制冷循环中冷却器的能量损失最大。以此为基础对负荷型液化装置、调压型液化装置和调峰型液化装置的工艺做出优选。针对负荷型液化装置,对单级混合制冷剂液化流程进行整体优化。优化制冷循环结构,增加混合制冷剂的节流级数和制冷循环的压缩级数。以系统总功耗为目标函数,建立优化模型,优化流程设计参数。利用HYSYS优化器对混合制冷剂配比进行优化,利用遗传算法对流程设计参数进行优化,编写遗传算法MATLAB程序,实现MATLAB与HYSYS的通信,完成设计参数优化。研究所得各种液化流程的性能变化规律,流程参数优化的遗传算法程序和最优设计参数对中小型天然气液化工艺的开发提供理论支持。