天然气作为一种相对清洁的能源,将在我国乃至全球能源结构中占据越来越重要的地位。然而从气田中获得的天然气常伴随一些气体杂质,例如可凝性气体H2O和一些挥发性有机化合物(VOCs)以及不可凝性气体CO2等。这些气体杂质的存在会对天然气的输送、使用以及后续的加工带来不可避免的缺陷。所以,这些气体杂质必须要脱除。本文提出了采用新型绿色溶剂—离子液体(ionic liquids,ILs)作为吸收剂代替传统有机溶剂脱除天然气中气体杂质的新技术,从原子、分子以及系统尺度进行了离子液体脱水、脱VOCs以及脱除CO2深入的技术研究。首先,系统研究了离子液体天然气脱水技术。采用了 COSMO-RS模型筛选出[EMIM][Tf2N]作为脱水过程的适宜吸收剂。然后,测量了 CH4在纯[EMIM][Tf2N]和[EMIM][Tf2N]+H20混合物中溶解度实验数据,并与UNIFAC-Lei模型的预测值进行比较来检验模型的可靠性。随后,实施了 CH4脱水实验,获得了低含水量(摩尔分数低至350ppm)的气体产品。最后,使用嵌入了 UNIFAC-Lei模型参数的严格平衡级数学模型进行连续脱水过程的模拟和优化,并与传统溶剂三甘醇(TEG)流程进行了比较。结果显示[EMIM][Tf2N]脱水流程表现出更好的分离性能,即没有溶剂损失,设备小型化和节省能耗。其次,实施了离子液体脱除VOCs的研究。在此过程中,考虑到同时捕集VOCs和水,苯的同系物(BTX)苯,甲苯和对二甲苯作为三种VOCs代表被选为研究对象。首先,通过COSMO-RS模型从255种离子液体(包括15种阳离子和17种阴离子)筛选出离子液体[EMIM][Tf2N]作为同时脱除BTX和水的适宜吸收剂。其次,实验测定了 BTX+[EMIM][Tf2N]的汽-液相平衡(VLE)数据,并与UNIFAC-Lei模型的预测值进行比较。完成了离子液体[EMIM][Tf2N]捕集BTX的实验,建立了吸收过程的平衡级模型并与实验吸收结果进行比较,验证了平衡级模型的可靠性。结果表明离子液体同时捕集BTX和水的方法属于典型的过程强化技术。再者,研究了离子液体结构对甲苯-离子液体体系的VLE热力学行为的影响。测量了不同阴离子(即[BF4]-,[PF6]-和[Tf2N]-)下的从短链到长链的咪唑基离子液体(即[C4MIM]+,[C8MIM]+,[C10MIM]+和[C12MIM]+)的甲苯-离子液体体系的VLE数据。UNIFAC-Lei模型用于描述甲苯-离子液体体系的VLE,并且该模型成功地从短链扩展到了长链咪唑基离子液体体系。结果表明对于具有较短烷基侧链阳离子(例如,[C4MIM]+或[C8MIM]+)的离子液体,其甲苯-离子液体体系的蒸气压同时取决于阴离子和阳离子类型,而对于具较长烷基侧链阳离子(例如,[C10MIM]+或[C12MIM]+)的离子液体,体系的蒸气压主要取决于阳离子类型。此外,COSMO-RS模型和量子化学(QC)计算一同为离子液体结构对甲苯-离子液体体系的VLE影响提供了微观见解。随后,通过QC计算及分子模拟的方法全面深刻地揭示了采用离子液体[[EMIM][Tf2N]]作为吸收剂脱水及脱除BTX的原子和分子层面的微观机理。QC计算显示在离子液体[EMIM][Tf2N]同时脱水和脱除BTX的过程:中,阳离子[EMIM]+和阴离子[Tf2N]-同时主导脱除BTX,归咎于[EMIM]+和BTX之间形成的C-H…π键以及[Tf2N]-和BTX之间形成的范德华(vdW)作用;而阴离子[Tf2N]-主导脱H20,归咎于[Tf2N]-和H20之间形成的氢键(HB)作用。分子动力学模拟揭示了在离子液体同时脱水和脱除BTX的过程中,吸收塔入口处初始离子液体水含量的高低不会影响BTX的吸收效果的原因是:阳离子[EMIM]+与BTX分子中苯环之间形成的C-H…π相互作用远强于阳离子[EMIM]+与H20之间的相互作用,导致BTX-[EMIM]+的径向分布函数(RDF)没有受混合体系[EMIM][Tf2N]+H2O+BTX中水含量变化影响。此外,由于水的vdW体积小,阴离子[Tf2N]-与水之间的强HB相互作用使水分子可能进入由具有大vdW体积的BTX和离子液体分子组成的三维笼状孔道中,所以离子液体中的含水量并不会影响BTX的吸收效果。最后,进行了离子液体捕集天然气中CO2技术的研究。首次使用了修正的UNIFAC-Lei模型(Mod.UNIFAC-Lei)预测了在宽温度和压力范围下的离子液体-CH4体系的气-液相平衡(GLE)。测定了CH4在多种普通离子液体中的溶解度实验数据,其中温度范围从243.15 K至353.15 K,并与Mod.UNIFAC-Lei模型预测值比较,验证模型的可靠性。结果表明实验数据与Mod.UNIFAC-Lei模型模拟值吻合一致。还发现低温有利于提高CH4/CO2在离子液体中的选择性,这就为使用离子液体作为分离剂在低温下从CH4中分离CO2提供了热力学上的可行性。因此,低温下采用离子液体从天然气中捕集CO2的技术被提出并建立了嵌入Mod.UNIFAC-Lei模型参数的平衡级模型来完成采用离子液体[BMIM][Tf2N]分离CO2/CH4的工业规模的流程设计和优化,结果显示出离子液体具有很高的CO2捕集效率,其中CO2的吸收率高达99.45%,与此同时过程中的CH4气损失率仅为0.62%。这就进一步确认了低温下采用离子液体作为吸收剂分离C02/CH4是一种很有前途的技术。