氢气是炼油厂加工烃类和提高油品质量的重要原料气,但是在工业上氢气的制备成本高,其主要来源于化石资源。在石油炼制过程中,会产生大量富含氢气和烃类等高价值组分的炼厂气,常被作为燃料气直接燃烧,造成了严重的资源浪费。因此,利用高效的分离方法和工艺设计,从炼厂气中回收氢气是近年来重要的提高氢气利用效率的方法。但是,炼厂尾气存在来源复杂、多组分、分离方法多等特点,确定合适的分离方法和优化的分离序列十分困难,因此存在“组合爆炸”的问题。基于以上问题,本论文基于三角坐标-矢量分析的图形设计法,得到了10股炼厂气综合回收的优化分离序列流程和设计方案,基于流程模拟,结合灵敏度分析和响应面法,对其过程参数进行优化,以及对整个过程系统进行技术经济评价,实现了氢气、轻烃等资源组分的高效回收。首先,在三角坐标系下,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,将来自中国某石化公司的10种股不同成分的炼厂尾气标注在三角坐标体系中。根据炼厂气组成的特点,将位于三角坐标系同一分离单元优势区域的原料气进行合并,得到两个混合物流,分别落在变压吸附（PSA）分离区的F1和浅冷（SC）分离区的F2。基于该两个混合原料物流,通过绘制对应的分离单元矢量对,依次确定对应的分离方法,得到最终的包含浅冷（SC）、氢气膜分离（GPM）、轻烃膜分离（RPM）和变压吸附（PSA）四种技术的梯级耦合回收工艺。最后采用多塔精馏工艺对冷凝轻烃进行分离,得到液化石油气（LPG）、轻石脑油（C5+）和乙烷（C2H6）等产品。然后,利用Uni Sim Design对整个过程进行模拟,通过灵敏度分析初步确定了膜面积（GPM和RPM）切割比、膜渗透侧压力、精馏塔回流比和塔板数等过程参数适宜值,充分利用分离过程的“双向富集”效应。结果表明,当GPM和RPM的面积分别为3772.6m~2和600 m~2时,GPM和RPM的级切割分别为0.51和0.80。最后,利用响应面方法（RSM）对过程参数进行优化。根据所建立的流程模型,首先通过基于（Central Composite Design,CCD）的实验设计方法筛选出对年度总收益（TAP）具有显著性影响的因素:GPM膜面积、RPM膜面积和压缩机K-2的出口压力,然后通过最陡爬坡法确定响应面分析的中心点,最后根据Box-Behnken中心组合实验设计原理,拟合了TAP与三个关键因素的关联方程并进行响应面分析,得出冷凝-膜-PSA-精馏耦合系统的最优操作参数使TAP最大。通过对工艺方案进行经济评估,确定了年度运营费用和总投资,结果表明优化方案的年生产总利润为38.62×10~6美元,投资回收期小于4个月,氢气和轻烃回收率分别达到96%和99%,氢气生产单耗仅0.227 k Wh·Nm-3,与国外专利技术相比,能耗减少幅度达27%。