页岩气是一种总储量巨大的非常规天然气资源。从矿井中开采出的原料气含有多种杂质,需要经过一系列预处理操作使其满足一定质量指标后方可使用。近年来,随着采矿技术的发展,页岩气的大规模商业化开采导致其售价大幅下降。因此,除了将页岩气直接燃烧供能外,以其作为廉价的原料生产高价值化学品是一种更具前景的利用方式。页岩气的下游生产流程具有提升经济效益、实现节能减排的潜力,为传统的页岩气工业带来了新的机遇和挑战。包含预处理与下游生产流程的页岩气加工工艺是一个涉及多流程、多产品的复杂反应-分离系统。在生产不同的下游产品时,各种工艺在年度收益和环境影响等方面的流程性能具有显著差异。因此,本文开展了基于动力学模型的页岩气加工工艺多目标优化研究,建立了基于分段处理的机理/半机理动力学反应模型,依托基于设备购买费用曲线模型的经济分析方法以及基于投入产出模型和过程模型相混合的生命周期清单模型的环境评价方法,从经济和环境两个方面评价各个工艺的流程性能,并通过多目标优化方法实现了基于不同目标的下游生产路径的优化。本论文的主要研究内容如下:（1）对脱除原料气中所含杂质的页岩气预处理流程进行了过程模拟与参数分析。首先建立了基于物理溶解与化学反应的以二乙醇胺为吸收剂的页岩气脱酸工艺模型以脱除H2S和CO2,引入气体溶解模型和脱酸反应模型提升流程模拟的准确性。为了回收酸性气体中的硫元素,降低污染物排放,对Claus硫回收工艺进行了流程模拟,提出了各级催化反应器操作条件的优化方法。为脱除页岩气中的水,建立了以三甘醇为吸收剂的常规法和汽提法两种脱水工艺,对二者在净化效果、烷烃损失等方面的流程性能进行了比较分析。最后,对NGLs（Natural Gas Liquids）回收工艺进行了模拟,以低温公用工程消耗量最小为目标,优化了脱甲烷塔的操作参数。通过对页岩气预处理工艺的模拟与参数分析,脱除了原料气中的杂质,满足了商品气的质量要求。（2）针对传统的热力学反应模型的局限性,提出了基于分段处理的适用于等温与绝热过程的机理/半机理动力学反应模型的建模方法。除了能预测反应体系的化学平衡状态外,动力学反应模型还具备准确计算反应器中不同位置的速率常数、反应推动力以及反应体系组成、温度等反应信息的能力。深入到反应速率等微观参数解释复杂的宏观现象,揭示了热力学因素、动力学因素与反应性能的相互作用机制。基于所提建模方法,实现了甲烷重整工艺、甲醇合成工艺、碳酸二甲酯合成工艺与二甲醚合成工艺的流程模拟,分析了原料处理量、催化剂用量等动力学因素对反应转化率和选择性的影响,为过程评价与参数优化提供了物质流和能量流基础。（3）构建了页岩气预处理与下游生产流程的过程评价方法框架。针对“十分之六准则”等经济分析手段的局限性,采用基于设备购买费用曲线模型的经济分析方法量化各工艺操作参数对流程年度总费用的影响。为解决当前环境评价方法存在的评价指标单—、污染物来源考察不充分等缺陷,建立了一种基于投入产出模型和过程模型相混合的生命周期清单模型,全面评估来源于原料生产、设备制造和流程运行的多种污染物排放情况。将过程评价方法应用于页岩气制甲醇工艺作为案例分析,以生产成本最低和污染物排放量最小为目标优化了操作参数,结果表明部分氧化反应器的操作温度是影响流程性能的关键因素。案例分析验证了所建方法框架能够实现操作参数与流程性能的关联,并为下游生产路径优化提供了理论基础。（4）基于流程模拟,运用本文所提出的过程评价方法,实现了页岩气加工工艺的全流程经济分析和环境评价。对于页岩气预处理流程,重点考察了各工艺的年度总费用组成以及污染物排放来源分布。结果显示页岩气预处理流程的年度总费用为15.2M$/y,所排放的CO2和SO2主要来源于Claus硫回收工艺,NOx和烟尘排放则主要来源于NGLs回收工艺。页岩气下游生产流程的评价结果表明,生产同一产品的不同工艺以及生产不同产品的工艺所具有的年度收益和污染物排放量差异显著。对于不同的经济或环境目标,具有最优性能的下游生产路径有所不同。结果表明,页岩气经蒸汽重整工艺合成甲醇再经尿素醇解途径合成碳酸二甲酯是具有最高年度收益的下游生产路径,页岩气经干重整工艺合成甲醇路径的CO2排放量最低。为比较各下游生产路径的流程综合性能,提出了基于数据标准化的同步考察经济性能和环境影响的多目标优化方法。结果显示,页岩气经部分氧化法合成甲醇再经尿素醇解工艺合成碳酸二甲酯是具有最优综合性能的下游生产路径。