天然气是一种清洁的化石能源,具有经济实惠、安全可靠的特点,在当今世界的能源结构中占据着越来越重要的位置。甲烷是天然气的主要成分,通常在天然气中含量可达90%以上。除此之外,天然气中还含有乙烷、丙烷等轻烃,这些物质是优质的化工原料。因此,有必要回收天然气中的轻烃,尤其是含量较高的乙烷,实现天然气资源的充分利用。本文首先研究传统的甲烷乙烷深冷分离工艺,提出了液化天然气（LNG）轻烃回收和空气分离能量集成工艺,并对工艺进行技术经济分析和参数优化。LNG是天然气远程运输的主要形式,其中不仅蕴含轻烃,还有再气化过程中产生的大量冷能。本文遵循冷能梯级利用的思想,组合现今中国LNG接收站内应用最为广泛的两种LNG冷能利用工艺:轻烃回收和空气分离,这不仅提高了LNG冷能利用率,也实现了乙烷等轻烃的回收利用。LNG冷能利用率、乙烷回收率和部分年度费用（PAC）是工艺优化的目标,经过灵敏度分析和多目标优化,本文确定了最佳的工艺条件,使能量集成工艺的LNG冷能利用率达到67.05%,乙烷回收率达到99.76%,PAC为3.144×107 USD/年。之后,本文对一种新的甲烷乙烷分离工艺——沸石咪唑酸酯骨架-8（ZIF-8）浆液吸收吸附耦合分离工艺展开研究,在实验数据的基础上,建立了描述该分离过程的单平衡级模型。由于273.15 K温度下浆液对气体的吸收量极小,故只考虑ZIF-8对气体的吸附,将甲烷乙烷溶解于ZIF-8浆液视为拟吸附过程。模型采用改进的Langmuir等温吸附方程描述混合气体被浆液吸附的相平衡关系,方程参数分别由纯组份气体和混合气体的吸附实验数据拟合。模型的构建分为两步,先只考虑ZIF-8浆液吸着甲烷乙烷过程中的相平衡方程、物料平衡方程和各物流中各组分的归一化方程;再补充能量平衡方程,形成完整的MESH方程组。采用不同MESH方程组的单平衡级模型模拟误差略有不同,整体上看,模拟误差AARDy12在5%左右,AARDx12在2%至4%之间,说明模拟结果较为准确。最后,本文在单平衡级模型的基础上,建立了模拟ZIF-8浆液吸收-吸附分离甲烷乙烷工艺的全流程模型,主要包括两部分,即吸收-吸附塔和闪蒸罐模型,以及解吸塔模型。全流程模型采用改进的Langmuir方程来描述相平衡关系,由于方程的参数λ与压力相关,本文测出了0.1 MPa和0.5 MPa下混合气的吸附实验数据,以拟合参数λ。采用灵敏度分析对全流程模型进行优化,确定的操作条件为:整个流程在273.15 K下进行,吸收-吸附塔包含了6块塔板,操作压力为1 MPa,原料气从第5块塔板进料,进料体系的气浆比为60,闪蒸罐操作压力为0.1 MPa,解吸塔操作压力为0.01 MPa。全流程模型的计算结果表明,该工艺的乙烷回收率为90.97%,乙烷产品气中的乙烷分率为94.38 mol%,单位体积乙烷产品能耗为0.7999 k W·h/Nm3。全流程模型证实了ZIF-8浆液法回收天然气中乙烷的可行性,为后续的中试装置设计和运行以及工业放大提供指导。