LNG轻烃分离工艺在化工领域有着非常重要的意义,LNG中烃组分会影响天然气使用时的热值,且所得到的乙烷等产品可以带来较大经济收益,故其已在化工领域被较多应用,但对流程中脱甲烷塔以及脱乙烷塔等精馏装置精馏分离效率不足导致管输气甲烷含量不足且副产品回收率低下、流程中功耗较高等问题深层次机理的研究较少。因此本文对LNG轻烃分离流程分别进行了理论优化和流程优化:（1）从热力学耦合机制、场协同原理等热力学机理出发,分析了LNG轻烃分离流程中的热质传递过程,从全新角度揭示促进流程中精馏相变过程的因素,为工艺优化提供理论依据。（2）利用冷能梯级利用原理及热集成技术提出一种优化的LNG轻烃分离流程,具体工作如下:首先,运用Aspen Hysys软件对五个现有经典LNG轻烃分离流程进行模拟仿真,得到其物流以及功耗模拟结果,并针对不同流程依次对模拟结果进行分析,得到现有流程不足之处主要集中在以下几点:（1）只设置脱甲烷塔而没有进一步根据需要设置脱乙烷塔进行乙烷、LPG等轻烃产品的进一步分离,造成经济浪费;（2）只设置单级换热导致流程换热率低下;（3）流程轻烃分离效率有待提高,原因主要集中在脱甲烷塔等精馏设备内精馏相变过程效率有待提高;（4）功耗较大,耗功设备主要集中在压缩机以及脱甲烷塔再沸器等精馏设备中;（5）流程得到的富甲烷天然气仍具有较高冷能未利用,导致流程冷能利用率较低。其次,从LNG轻烃分离流程中精馏塔内的精馏相变过程着手,分别从散度理论与输运定理出发,并结合场协同理论建立并得到相同的精馏相变系统液侧料液内能随时间变化与热流的散度关系方程,互为佐证,证明了该散度方程的正确性。对得到的散度关系方程运用链式法则及无量纲化处理得到精馏相变过程中液侧对流源项的强化与速度梯度及温度梯度大小及其之间夹角的关系,此关系可指导优化精馏设备结构及物流进入精馏设备方式从而强化精馏相变过程液侧的对流热源项,进而对对流换热进行强化从而强化相变过程的促进相变效率,以提高LNG轻烃组分的分离效率。进而,结合热力学耦合以及场协同理论对精馏相变过程进行热质传递耦合分析探究强化相变过程的内部机理。分析得到精馏相变过程中的液侧蒸发过程为熵产率大于零的自发传质过程,气侧的冷凝相变过程则为非自发传质过程,且液侧传热过程为非自发蒸发吸热过程,气侧传热过程为自发冷凝放热过程,气液两侧热质相变过程符合热力学耦合机制。进一步分析得到精馏相变过程中气侧质量流与热流夹角小于90°且当此角度越小时,精馏相变系统气侧换热将越被强化,这将导致边界层内换热被强化;液侧质量流与热流夹角大于90°且当此角度越大时,精馏相变系统气侧换热将越被强化,同理这也将导致边界层内换热被强化这对于增大精馏相变效率有指导性意义,可优化设备结构参数,使得换热强化效果更强,从而促进相变过程,进而提高LNG轻烃分离效率。最后,在分析了LNG轻烃分离流程中主要的精馏相变过程后,从大流程着手,基于冷能梯级利用原理,运用热集成技术,根据LNG增压泵不同压力下甲烷回收率与分离器进料温度的关系,以及系统功耗与分离器进料温度的关系确定最优参数,提出了一个优化的LNG轻烃分离流程;对其进行功耗分析及（火用）分析,并与现有经典流程进行对比,结果表明,优化的LNG轻烃分离流程具有明显的优势。