ZIF-8/异十六烷浆液耦合吸收-吸附分离CH4/C2H6的严格建模与多目标优化研究

针对天然气中CH4/C2H6高效分离的挑战，研究人员开发了ZIF-8/异十六烷浆液体系，建立了吸收-吸附耦合相平衡模型和全流程数学模型。通过NSGA-II多目标优化，实现C2H6纯度94.69%、回收率95.21%，能耗仅0.456 kWh·Nm-3，为低碳烃分离提供了创新解决方案。

　　

天然气作为清洁能源转型的关键资源，其高效利用面临CH₄/C₂H₆分离的技术瓶颈。传统深冷蒸馏能耗高（-100°C），膜分离成本昂贵，变压吸附（PSA）存在纯度与回收率的矛盾。为突破这些限制，中国石油大学（北京）的研究团队创新性地提出采用沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8与异十六烷组成的浆液体系，通过耦合吸收与吸附机制实现高效分离，相关成果发表于《Green Chemical Engineering》。

研究团队首先通过高压相平衡釜（20 MPa）测量纯组分溶解度，建立包含Peng-Robinson状态方程和Langmuir吸附方程的严格耦合模型。关键创新在于量化了ZIF-8固体含量（5-30 wt%）对分离性能的影响，发现20 wt%浆液使C₂H₆/CH₄分离因子提升75.2%。采用NSGA-II算法优化全流程参数，构建包含吸收塔（7理论板）、闪蒸罐和脱附塔的三单元系统。

3.1 单平衡级模型验证

相平衡实验显示，模型预测CH₄/C₂H₆溶解度的平均相对误差<3.09%。Langmuir参数标定中，C₂H₆吸附焓（-21.48 kJ/mol）显著高于CH₄（-14.77 kJ/mol），解释了选择性差异。

3.2 浆液分离性能

压力实验揭示关键转折点：0.52 MPa时C₂H₆吸附/吸收贡献比达平衡，而CH₄需2.7 MPa。温度敏感性分析表明，308K时分离因子比278K降低82.3%，证实低温更有利。

3.3 全流程优化

多目标优化得到帕累托前沿，最优工况下闪蒸压力0.18 MPa、气浆比50:1。能耗分析显示循环压缩机（K02）贡献最大（58%），而脱附塔减压至0.01 MPa可降低泵耗能35%。

该研究首次建立了ZIF-8浆液体系的严格热力学模型，工业中试数据显示其能耗较深冷法降低25.6%。通过揭示压力-温度-固含量的协同效应，为设计第四代多孔液体分离工艺提供了理论框架，对实现天然气资源的低碳化利用具有重要工程意义。