轻质烃是重要的化工原料,因其组分间具有相近的沸点,采用普通精馏方法难以实现节能降耗。针对传统的四塔连续精馏轻烃分离工艺（T1～T4）存在综合能耗大、分离费用高等问题,本文基于某30万吨年轻烃分离装置,提出一种混合整数非线性（MINLP）-遗传算法联用的热泵-换热网络超结构优化模型,利用热泵耦合与分壳塔技术,建立了新型轻烃高效节能工艺,从而实现近沸点轻质烃分离能耗及费用的大幅降低。本文首先提出了一种4×4的功热集成轻烃分离热泵工艺超结构,同时基于夹点技术将超结构分为夹点上下两个网络,并从优化目标、目标函数、约束条件等几个方面详细建立了其对应的MINLP数学模型。在Python与ASPEN PLUS V10实时联通,并通过遗传算法嵌入,提出了以年度总费用最低为目标的数学模型求解策略。其次,本文采用MINLP-GA联用的稳态优化方法,得到了热泵辅助轻烃分离新工艺,其总再沸负荷降低17330.5k W,冷凝负荷降低17330.4k W;同时,热泵工艺的引进,有效的提高了工艺各单元（火用）效率。其中,（火用）损降低最多的是塔T2部分（1169.75k W）,（火用）效率提高最多的是塔T4部分（40.16%）。此外,优化后工艺相比传统工艺更加绿色、环保,其年污染气体排放仅为原工艺的36.97%。新工艺的二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物的年排放量分别降低49529.7吨、1490.1吨和745.0吨。最后,本文提出了一种分壳塔-热泵强化精馏过程,基于改进的分壳塔参数优化方法,分别对精馏新过程的能耗、年度总费用进行研究,并提出了一种年度总费用最低的轻烃分离新工艺。基于分壳塔耦合精馏过程的6种工艺方案,利用热泵网络MINLP优化方法,进一步将轻烃分离年度总费用降低至796.2万美元/年,降幅达到47.35%;其总再沸负荷降低18246.2k W,降幅达到了66.4%,冷凝负荷降低16616k W,降幅达到了60.04%。本文提出的MINLP-GA联用优化策略克服了当前轻烃分离精馏工艺过程优化的难题,实现了热泵-分壳塔耦合强化精馏过程的设计与优化,推动了轻质烃分离能耗降低的改善。