近年来,随着我国工业产能的快速增长,伴随着恣意排放的废气、废水,导致严重的环境污染和资源浪费。对于石油化工企业,尾气的有效处理能大幅度地减少温室气体的排放。但尾气的多来源、多组分、低压力、低浓度等特点为化工行业的可持续发展带来了新的挑战。本文依托气相法流化床聚乙烯生产装置排放气,在确立工艺选择方法、建立低温环境中排放气回收网络以及建立耦合多种单元的能致分离网络等方面进行了一系列的研究,为传统化工企业处理各种不同装置的排放气提供了新的思路和有力的支持。首先,针对工业上常用的压缩冷凝技术、膜分离技术、变压吸附技术、深冷分离技术不能经济有效地实现烃类物质、吹扫氮气循环使用的缺点,本文提出了四种合理的排放气回收组合工艺。同时针对四种组合工艺各不相同的回收特性以及排放气入口组成的变化将影响组合工艺的选择等问题,本文介绍了一种排放气分离单元的选择判据,该判据可根据目标流股中氮气纯度以及烃类纯度的约束,通过计算排放气中目标组分的纯度建立工艺可行域,结果表明变压吸附的可行域最大,而压缩冷凝的可行域最小。在经济效益和拥效率的对比中,深冷分离展示出其较另外三者更强的分离性能。本文提出的排放气回收组合工艺及其选择方法不仅适用于聚烯烃装置排放气,还可推广到其他含烃气体混合物的分离过程,具有非常广阔的应用前景。其次,针对优选的排放气回收组合工艺更依赖于工程经验而无法得到最优回收网络的缺点,本文创新性地提出一个低温环境中排放气回收工艺的数学模型,用于流程参数优化和换热网絡的设计。根据排放气回收过程的特性,本文将热、功和质量进行耦合,结合换热算子、压力算子、分离算子和数学规划模型优化排放气回收工艺的年经济收益。并且采用析取模型处理了过程中存在多组分流股非等温相变的问题,而单相区的温焓曲线则采用线性近似以降低模型复杂度。模型还可以处理过程流股状态未知的情况,即过程参数均为可优化的变量。通过对两个案例的计算优化,结果表明在冷公用工程昂贵的低温过程中,合理的压缩、膨胀过程可以减少甚至避免冷公用工程的使用,并且两者的年经济收益分别是传统排放气回收工艺的4.63倍和3.08倍。最后,针对上述低温环境排放气回收工艺的数学模型中,存在先确定流程再优化参数、氮气纯度较低、冷公用工程消耗量大等缺点,本文提出将换热网络-压力操作-多种分离单元进行耦合建立新型的超结构模型,该模型不仅具有较强的灵活性和普适性,而且可提高氮气纯度,并大幅减少冷公用工程的消耗量。结果表明,采用闪蒸与气体膜分离技术耦合的方式可提高循环氮气中的氮气纯度,并通过调节闪蒸罐温度、压力或膜面积的大小可获得目标纯度;若想提高排放气的产品纯度,排放气优先考虑经过闪蒸罐,再考虑增设气体膜分离装置;然而采用膜分离技术提高氮气纯度的同时将导致产品回收率下降,因此产品纯度和回收率相互制约,可作为不同的目标进行优化。