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随着天然气能源需求量的增加,生物气作为重要的可再生能源,受到越来越多的重视。基于水合物法的气体分离技术,能够很好的实现生物气中CH4的提浓,为了更好地提高生物气水合分离的效果,选择有效、环保的水合物添加剂显得尤为重要。本文分别探究了四种咪唑类离子液体和两种生物型表面活性剂作为水合物添加剂对气体水合物热力学和动力学的影响,同时也探究了四丁基溴化铵（TBAB）分别与离子液体和表面活性剂复配对水合物生成的影响。在实验数据的基础上建立了含有水合物添加剂的水合物热力学和动力学计算模型,同时开展了针对生物气在不同实验条件下的水合分离实验。由于TBAB对降低气体水合物生成压力有较好的热力学促进效果,本文中同时研究了利用水合物法对油页岩干馏气中CH4的多级水合分离实验,进一步拓展了水合物分离技术在气体分离技术上的应用。本文研究主要内容包括以下几个方面:（1）分别探究了四种咪唑类离子液体和两种生物型表面活性剂对纯气体CH4和CO2水合物生成压力的影响,对比四种咪唑类离子液体中不同阴、阳离子基团在气体水合物热力学生成压力上的影响,利用模拟软件COSMO-RS探究了离子液体中阴、阳离子和水分子之间氢键交互作用对水活度的影响,以解释离子液体对气体水合物生成压力上的作用,水合物的热力学生成压力实验数据和COSMO-RS软件模拟氢键交互作用的数据基本吻合,四种离子液体在纯气体水合物生成压力上的热力学抑制性由强到弱为[BMIm]Br>[BMIm]BF4>[BMIm]PF6>[OMIm]BF4。（2）建立了纯气体CH4和CO2在离子液体溶液中的水合物生成压力计算模型,水合物相中组分逸度的计算分别采用了van der Waals-Platteeuw水合物模型和Chen-Guo水合物模型,离子液体溶液中水的活度计算分别采用了NRTL活度系数模型和Pitzer-Mayorga-Zavitsas活度系数模型,两种水合物模型分别和两种活度系数模型联用,同时利用Krichevsky-Kasarnovsky模型计算气体溶解度对水活度的影响,实验值和模型计算值对比,Chen-Guo水合物模型和Pitzer-Mayorga-Zavitsas活度系数模型的联用能够将水合物生成压力的预测偏差下降至1%,预测性较好。同时基于Chen-Guo水合物模型,将Pitzer-Mayorga-Zavitsas活度系数计算模型、富水相中TBAB渗透系数计算的two-characteristic parameter correlation模型和TBAB半笼型水合物模型相结合,建立了离子液体和TBAB复配溶液中生物气水合物生成压力的热力学计算模型,得到的模型计算值和实验值偏差在5%以内。（3）利用排水法测定了不同浓度、温度以及压力条件下CO2在离子液体水溶液中的溶解度,进一步掌握了离子液体溶解度和气体水合之间的关系。通过离子液体溶液中CO2气体的溶解实验测定,离子液体对CO2吸收能力顺序为[BMIm]BF4>[OMIm]BF4>[BMIm]PF6>[BMIm]Br。利用表面张力仪测定了不同温度、浓度条件下两种生物型表面活性剂鼠李糖脂和槐糖脂溶液的表面张力大小,鼠李糖脂能够将水的表面张力从74.21 m N/m降至最低为34.65m N/m,槐糖脂能够将溶液表面张力从74.21 m N/m降至最低为57.05m N/m。获得了表面张力的变化与水合物生成动力学和生物气水合分离之间的关系,液体表面张力越低,动力学促进效果越好,水合分离效果越好。（4）测定了恒温恒容条件下CH4和CO2在离子液体和表面活性剂溶液中的水合物生成动力学数据。由实验结果可知,四种离子液体对CH4水合物的生成具有动力学抑制作用。相比较于纯水,离子液体的添加使CH4水合物储气量减小,水合物生成速率下降。离子液体在CO2水合物生成方面表现为动力学促进作用,和纯水中比较,CO2水合物储气量增大。两种生物型表面活性剂在水合物生成方面表现为动力学促进作用。根据CO2在两种生物型表面活性剂溶液中的水合物生成动力学数据,基于Chen-Guo模型中水合物成长机理,在恒温恒容条件下建立了CO2水合物储气量变化的计算模型。（5）完成了模拟生物气在四种离子液体和两种生物型表面活性剂溶液中的水合分离实验,分别从添加剂浓度、温度、进气压力和气液比四个方面进行考察,同时探究了TBAB分别与离子液体和表面活性剂复配对模拟生物气水合分离效果的影响,通过对比平衡气中CH4组成、CH4回收率以及气体水合率确定有利于生物气水合分离的实验条件。离子液体溶液中的模拟生物气水合分离结果显示,平衡气中CH4组成最高能够提升16个百分点,离子液体溶液中模拟生物气水合分离效果从优到劣为[BMIm]PF6>[BMIm]Br>[BMIm]BF4>[OMIm]BF4。相比较于纯水,离子液体的添加促进了CO2的溶解,模拟生物气水合过程中CO2水合率增加,CH4水合率下降,气体分离因子和相平衡常数变大,平衡气CH4组成也得到提升;模拟生物气在表面活性剂溶液中水合分离过程中,相比较于纯水,水合时间明显缩短为纯水中的1/5,动力学促进效果明显,槐糖脂在生物气水合分离上的效果优于鼠李糖脂;TBAB分别与离子液体、表面活性剂复配后进行的生物气水合分离实验中,CH4回收率达到了90%。（6）建立了恒温恒容体系下离子液体溶液中生物气水合分离的计算模型。基于Chen-Guo水合物模型,采用Pitzer-Mayorga-Zavitsas活度系数模型计算离子液体溶液中水的活度,结合水合过程中的物料守恒,计算了不同离子液体浓度、气液比、温度和进气压力下的生物气水合分离结果。在[BMIm]Br溶液中,水合分离达到平衡时的压力计算值和实验值的平均偏差为1.16%,平衡气中CH4组成的模型值与实验值平均偏差为2.24%。在[BMIm]BF4溶液中,水合分离达到平衡时的压力计算值和实验值的平均偏差为3.11%,平衡气中CH4组成的模型值与实验值平均偏差为2.23%,模型计算精度较好。（7）油页岩干馏气也是一种重要的燃料气来源,在实验室中完成了高乙烷干馏气在纯水中的水合分离实验,经过单级水合分离,原料气中的烃类气体（CH4+C2H6+C3H8）组成从初始的79.12mol%提升至90.0mol%,烃类气体回收率达到43.30%。但是对于常规的油页岩干馏气,纯水中生成水合物非常困难,由于TBAB可显著降低气体水合物的生成压力,则将TBAB作为热力学促进剂进行油页岩干馏气中CH4多级水合分离实验,并对干馏气水合分离的各级工艺条件进行优化,经过六级水合分离实验,CH4组成能够从初始的15.0mol%提升至92.01mol%,CH4回收率可以达到11%。实验结果表明水合分离技术可作为从油页岩干馏气中获取CH4的一种有效方法。