气体膜分离在石油化工、环境保护等领域的应用越来越广泛,处理对象也由单一原料、单一回收目标的拟二元简单体系发展至多原料、多回收目标的多元复杂体系,而气体分离膜在新体系中性能的准确预测,快捷、准确的多组份非理想膜过程模拟和多技术整体协同设计,以及特殊体系预处理过程的开发等新挑战也随之出现。本论文在气体临界性质／膜分离选择性关联、膜组件的有限元数值计算、膜分离过程化学势损失分析和复杂体系多技术梯级耦合分离序列的快捷设计等方面进行了一系列研究,为气体膜分离与传统技术的结合,及其在新体系中的推广应用提供了有力的支持。基于溶解-扩散理论,系统研究了非促进传递型聚合物膜材料中气体渗透传质参数与临界性质的关系,溶解选择性主要取决于临界温度的差异,而扩散选择性不仅取决于临界体积的差异,还与聚合物形态有关,玻璃态材料的扩散选择性要高3个数量级；建立了橡胶态和玻璃态聚合物中溶解选择性-临界温度、扩散选择性-临界体积的关联曲线和公式,为分离体系-膜组件的匹配、制膜材料的筛选提供了理论指导,有利于缩短筛选周期、减少实验费用。基于气体临界性质的对比分析,优选聚酰亚胺膜分离四氟乙烯精馏尾气,实验测得渗透选择性αir/TFE>23,渗透速率JTFE＝0.1GPU,与理论预测结果一致。模拟结果表明,膜分离装置的四氟乙烯收率达到91.5%,单耗仅0.08$·kg-1,优于传统的单耗达0.19$·kg-1的丙酮吸收装置。此外,膜分离过程避免了挥发性吸收剂的使用,不会污染四氟乙烯产品,更加清洁高效。在模拟软件UniSim Design平台下建立了膜组件的有限元数值计算模型,并实现了常见非理想因素的关联,能够准确模拟多组份非理想膜分离过程。膜组件可以简化成一维／二维的连续非线性变化问题,进而转化成一系列膜微元组成的传质单元。包含多组未知变量的膜微元渗透传质过程,在模拟平台中通过两个Membrane.dll构建的正向过度渗透／逆向补偿的试差-迭代运算结构求解。实验及模型对比分析表明,有限元模型的模拟偏差小于3.0%,远低于对数平均推动力模型的10.5%,接近文献中经典的微分／离散模型的准确性。离散模型还为分析膜组件局部操作状况提供了便利：以生物甲烷提纯系统的优化设计为例,分析局部渗透气浓度变化后开发的一级二段聚酰亚胺膜分离系统,能效和装置产能可媲美一级系统,压缩天然气生产单耗仅为0.466kWh·Nm-3,膜组件的甲烷产能达到0.81Nm3’m-2·h-1,而甲烷收率则接近二级膜分离系统,达到95.0%。建立了分析气体膜分离过程化学势损失的非平衡热力学模型,为多级流程的框架设计与参数优化提供理论指导工具。膜组件内的传质过程可以简化为选择性跨膜渗透和局部渗透气“浓差”混合两个步骤：第一步的效率取决于膜的选择性、原料／渗透气的压力比、原料的组成；第二步的效率主要受渗透切割比的影响,在多级系统中与流程结构有关。针对逆流循环膜级联(RMC)流程,利用热力学模型找出有效能损失严重的关键分离级,提出局部结构改进的优化模式,减少“浓差”返混损失,以四级RMC分离燃煤烟道气为例,系统能效提高5.9%,压缩机轴功率减少5.5%,膜面积减少5.4%,建设投资预期减少3.5%。针对高渗透切割比的体系,提出逐段变压的多段膜分离过程,以聚丙烯尾气的膜分离过程为例,热力学效率由12.4%(恒定操作压力比pF/Pp=10)提高到13.7%(逐段变压pF/Pp=5.2～44.4),提高幅度达10.6%。面向乙苯催化脱氢尾气资源化过程中的特殊杂质——苯乙烯,开发出以新鲜乙苯为吸收剂的多级循环吸收工艺,同时实现苯乙烯的深度脱除和富集回收。常规的吸收／解吸流程,受吸收剂再生程度限制,难以将苯乙烯深度脱除至10ppm以下。苯乙烯装置的原料——新鲜乙苯,基本不含苯乙烯、供应长期稳定充足、吸收苯乙烯后可送往相应装置后处理,适合作为深度脱除苯乙烯的吸收剂。与传统无循环吸收相比,多级循环吸收装置能将富液中苯乙烯的浓度由1.99mmo1%提高至18.65mo1%,使这一部分苯乙烯的提纯能耗减少73%。以此为基础开发的多级循环吸收、压缩冷凝和氢气膜分离的联合流程,膜单元的渗透切割比是影响流程经济效益的主导因素,最佳切割比为0.84,相匹配的压缩机输出压力为1.85MPa。模拟优化结果表明,苯乙烯的回收率为93%,其他芳烃的回收率超过86%,氢气回收率超过90%。针对含烃石化尾气体系的资源最大化利用,建立了复杂体系多技术梯级耦合分离序列的三角坐标-矢量分析设计方法,解决了多来源、多组份原料体系的多目标回收难题。以组分的产品归属及分离性质相似程度为合并法则,将原料简化为燃料气、氢气和轻烃构成的三元体系,避免了分离序列的“组合爆炸”现象；以目标物质回收率和分离单耗为判据,划分常见尾气分离技术的优势分离区域,将其用于优选分离技术、分类合并含烃石化尾气群,在避免严重的“浓差”混合损失的同时合理安排进料位置。开发的芳烃异构化尾气综合回收工艺,通过浅冷、氢气膜分离和轻烃膜分离三种技术的梯级耦合,充分利用分离过程的“双向富集”效应,氢气和轻烃回收率分别达到85%和97%,单耗仅0.227kWh·Nm-3尾气,与美国著名膜技术公司MTR的专利技术相比,能耗减少幅度达27%。为中国石化镇海炼化设计的28万吨／年炼厂尾气综合回收装置,已于2008年成功开车,同时处理13股原料,氢气和轻烃回收率分别达到95%和94%,并通过合理利用原料气的压力,将分离单耗降低至0.099kWh·Nm-3尾气。