原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.07.002

原文PDF：1-s2.0-S2666952825000585-main.pdf

【文章导读】

天然气中乙烷的高效回收对于提升资源利用效率和油气田的整体经济性具有重要意义。浆液法吸收-吸附耦合分离技术作为一种新兴分离手段，通过将吸收与吸附耦合，不仅有望在温和条件下实现高效分离，还能在节能降耗的同时兼顾产品纯度与回收率，在 CH₄/C₂H₆体系中展现出了应用潜力。

近期，中国石油大学（北京）陈光进教授课题组在Green Chemical Engineering (GreenChE) 上发表了题为“Rigorous modelling and multi-objective optimization for hybrid absorption-adsorption separation process of CH₄/C₂H₆ using ZIF-8/iso-hexadecane slurry”的文章，开展了浆液法分离气体的相平衡实验，设计了吸收-吸附-解吸的分离工艺流程，并建立了对应的数学模型与多目标优化框架，研究了操作条件对产品纯度、回收率和单位总能耗的影响规律。

【研究亮点】

■ 建立了浆液吸收吸附分离CH₄/C₂H₆的相平衡模型。

■ 分析了压力、温度和ZIF-8固含率对分离的影响规律。

■ 开展了灵敏度分析和多目标优化的研究。

■ 在实现高C₂H₆回收率的同时保持了较低的能耗。

【内容解读】

基于纯组分溶解度测定和混合气体的相平衡实验，建立了适用于ZIF-8/异十六烷浆液体系的吸收-吸附耦合相平衡数学模型，其示意图如图1所示。该模型由两部分组成：气-液吸收过程和气-固吸附过程，用以描述浆液中CH₄/C₂H₆的分离过程。

图1. ZIF-8/异十六烷浆液用于CH₄/C₂H₆分离的相平衡示意图。

进一步建立了全流程工艺数学模型，如图2所示。进料气（CH₄/C₂H₆）经压缩机（K01）增压和冷却器（E01）降温后，进入吸收-吸附塔（T01）中下部与浆液逆流接触，实现组分分离。富集的 C₂H₆浆液经节流阀（V01）降压进入闪蒸罐（D01）初步解吸，CH₄则在塔顶富集。闪蒸罐顶部气体经压缩（K02）和冷却（E02）后回流至吸收-吸附塔。降压后的浆液通过节流阀（V02）进入解吸塔（T02）进一步解吸，解吸塔顶的C₂H₆经压缩（K03）和冷却（E03）后收集为产品。解吸塔底部的贫浆液通过泵（P01）和冷却器（E04）循环回流至吸收-吸附塔。

图2. ZIF-8浆液分离CH₄/C₂H₆的全流程工艺示意图。

基于所建立的数学模型，系统分析了吸收-吸附过程中的操作压力、温度以及ZIF-8固含率对CH₄/C₂H₆分离性能的影响。结果表明，引入ZIF-8可显著提升异十六烷溶剂对混合气体的分离能力，分离系数较纯溶剂平均提高了75.2%，充分验证了浆液分离工艺在该体系中的显著优势。

图3. 操作压力、温度以及ZIF-8固含率对CH₄/C₂H₆分离性能的影响。

对整个分离流程进行了灵敏度分析，并开展了多目标优化计算。优化结果显示，进料气中C₂H₆含量由22 mol/mol富集至94.69 mol/mol，C₂H₆回收率达到95.21%，单位进料气的总能耗为0.456 kW·h/Nm³，体现出良好的分离性能。

图4. 多目标优化的Pareto曲线。

图5. 能耗和产品回收率分布图。

【总结与展望】

本文主要开展了CH₄和C₂H₆在ZIF-8/异十六烷浆液中的吸收-吸附相平衡实验，建立了严格的吸收-吸附耦合相平衡模型，模型计算与实验值的最大平均相对误差为3.09%，显示出良好的预测精度。在此基础上，进一步建立并验证了单级相平衡模型，误差为3.93%。设计了吸收-吸附-解吸分离工艺流程，建立了数学模型与多目标优化框架，并采用NSGA-II算法在最大化C₂H₆产品纯度和回收率、最小化单位能耗的目标下，确定了最优操作条件。结果表明，C₂H₆产品纯度可达94.69 mol/mol，回收率为95.21%，单位能耗为0.456 kW·h/Nm³。此外，通过灵敏度分析研究了压力、温度和ZIF-8固含量对分离性能的影响，并将不同体系进行对比，发现浆液体系的分离系数较纯溶剂平均提升75.2%，验证了浆液分离混合气的优越性。

【通讯作者简介】

陈光进 教授

中国石油大学（北京）教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，享受政府特殊津贴专家。长期从事高压流体相平衡、气体水合物和气体混合物分离相关的科学研究和技术开发，曾担任国家“863计划”重大项目“天然气水合物勘探开发关键技术”总体专家。先后承担“863计划”课题3项，国家科技重大专项专题子课题2项、国家重点研发计划项目课题1项、国家自然科学基金重点项目3项等重要科研任务，获得了2021年度国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目。在Nature Communications, Energy & Environmental Science，AIChE Journal等国际知名期刊发表SCI收录论文200余篇，授权发明专利40余项（含3项国际发明专利）。

邓春 教授

中国石油大学（北京）教授、博士生导师，主要从事化工过程系统集成与优化、气体分离及流程模拟、人工智能与化工过程等方面的研究工作，主持国家自然科学基金面上项目4项，北京市自然科学基金面上项目1项，主持/参加企业委托课题9项，以第一作者或通讯作者发表期刊论文66篇，其中SCI收录36篇，登记软件著作权4项（转化3次），中国石油大学（北京）青年拔尖人才。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

期刊简介

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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