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石油加工过程中,3-8%的原油被转化为炼厂气,绝大部分被用作燃料,大量氢气、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯和丁烷等高价值组分没有得到合理利用。充分利用炼厂气资源,是高效利用石油的重要途径,其关键在于各种高价值组分的提纯与分离。由于炼厂气组成的复杂性,单一技术普遍存在适应范围窄、目标单一、回收率低、单产能耗高等缺点,因此,多技术集成回收工艺已成为炼厂气综合利用的关键。相应地,集成工艺的设计优化,对降低能耗、提高目标回收率和产品质量,都至关重要。对此,本论文以炼厂气综合回收利用的两大关键——氢气提纯和轻烃脱甲烷为依托,在深入研究单股炼厂气分离技术和石油炼制工艺需求的基础上,提出分离任务与分离技术匹配及过程效能分析,通过分离序列设计以及单元操作条件优化,将分离目标物分阶段梯级分离或提浓,并搭配合适的分离技术。一方面提高氢气回收率和产品纯度,另一方面降低轻烃回收能耗、提高轻烃回收率。在分项研究的基础上,从某炼厂实际需求出发,按照梯级分离原则,开发出联产氢气、乙烷、LPG和石脑油的分组分梯级回收工艺,实现了炼厂气高价值物质的分组分精细化回收。传统的能效分析手段不够全面,本文同时考虑分离体系与外界交换的的能量和分离技术所带来的能量损失,建立了新的能量分析方法,定义了分离流程的效能比,作为能量利用效率的判据,得到了分离过程能耗与产品回收量间关系的定量表示方法。以某厂加氢裂化低分脱硫气中H2回收过程为例,进行了单一分离技术和梯级分离技术新旧分析方法的对比,表明新的能量分析方法可以更准确地考察分离过程的能量变化。对不同分离技术和不同分离流程的效能比进行比较,表明：当回收氢浓度要求不高(97-99%)时,单独采用变压吸附(PSA)或膜分离流程都可以满足产品分离要求,PSA流程的效能比较膜分离流程提高了28%；当回收氢浓度要求较高(99.9%)时,单一分离技术无法同时满足分离要求,需采用膜分离和PSA的耦合流程,随着氢气收率的增加,膜分离流程能耗逐步增加,PSA能耗逐步减小,因此,膜分离效能比基本稳定,PSA效能比随收率增加而增加,通过膜分离先将原料提浓后,再进入PSA有利于整体效能比的提高。膜分离/PSA梯级提纯流程较PSA/膜分离梯级提纯流程提高了40%。石油加工过程副产大量含氢尾气,氢气回收是炼厂气综合利用的重点。针对现有PSA和膜分离的耦合流程往往只关注氢气回收率,而忽略氢气纯度这一关键问题,对分离序列、PSA操作条件和膜分离操作条件进行优化和调整,总体上,对于氢含量为62.57%的制氢混合气,PSA/膜分离氢气梯级提纯流程和膜分离/PSA氢气梯级提纯流程,都能实现高纯度、高收率的氢气回收；在保证高纯度(≥99.9%)的前提下,PSA/膜分离氢气梯级提纯流程的氢气回收率约为94%,而膜分离/PSA氢气梯级提纯流程由于先使用膜分离技术对原料中的氢气进行了预提浓,提高了PSA高纯度回收时的氢气收率,使得系统总的氢气回收率达到了97%以上。该流程在浙江某炼厂推广实施,对VPSA氢气提纯工艺进行改造,氢气纯度从原流程的99.5%提高到了99.9%,氢气收率提高了7%,当原VPSA系统某一或某几台吸附塔故障时,通过操作参数的调整,改造后的系统仍能维持回收效果不变,提高了流程的灵活性,投资回收期仅8个月。对炼厂气进行氢回收之后,将甲烷及其他不凝组分从高价值的轻烃中分离出来,是炼厂气分组分回收的另一关键。针对现有脱甲烷流程普遍存在的制冷消耗大、压缩功耗高等问题,提高塔顶冷凝温度,同时在塔顶冷凝之后引入聚酰亚胺膜分离单元,通过深度脱氢减少不凝气量,同时引入硅橡胶膜分离单元,富集轻烃减少燃料气中外排轻烃量和脱甲烷操作的能耗。对设计的低温精馏-双膜耦合流程进行模拟优化,与现有的低温精馏过程、膜分离过程、低温精馏/单膜耦合流程相比,在保证分离精度相同(塔釜中甲烷的摩尔分数不高于1ppm、燃料气中轻烃的摩尔分数不高于4%)的条件下,低温精馏-双膜耦合流程可将塔顶冷凝温度提高10℃以上,压缩机负荷最多可减少87%,有效降低了轻烃回收过程的能耗。此外,通过合理利用轻烃回收过程的“双向富集”效应,引入的聚酰亚胺膜分离单元可产出浓度不低于85%的氢气,有效提高了分离过程的能源和资源利用率。采用精馏-聚酰亚胺膜-硅橡胶膜分离流程对山东某炼厂高压脱甲烷塔进行了技术改造升级的可研设计,在保证分离精度的条件下,分离过程的总能耗较改造前降低了18%,并副产300Nm3/h的85mo1%氢气,项目投资回收期仅13个月。现有炼厂气分离技术缺乏对分离过程每一分离阶段的效能分析,各技术间未能形成合理的梯级搭配,资源和能源利用效率偏低。针对该问题,以某厂多股炼厂气为例,借助效能分析,选择不同提浓阶段分离过程效能比最高的分离技术,将膜分离与变压吸附、低温冷凝、精馏等技术进行梯级搭配,开发出联产氢气、乙烷、LPG及石脑油的梯级分离流程,氢气收率达到了98.25%,乙烷收率98.32%,轻烃收率99.97%,石脑油收率99.98%,不但实现了炼厂气的高效回收,而且还可以根据现场需要,根据生产装置对产品浓度、压力等的不同需要,分离产品按照不同的浓度和压力进行梯级输出,提高了流程的灵活性和适应性。采用该技术为广东某炼厂进行了多股炼厂气回收氢气、乙烷、LPG及石脑油的可行性设计,项目气体处理量70万吨／年,总投资1.4亿,回收产值30.1亿／年,投资回收期不到6个月。