轻烃可以为裂解制低碳烯烃(例如乙烯和丙烯)提供优质原料,从而能够降低烯烃生产成本,因此回收轻烃具有重要意义。油田伴生气是轻烃的主要来源,浅冷工艺是从油田伴生气中回收轻烃的最普遍的方法,然而,传统带外部制冷的浅冷工艺由于其投资和人工成本高等因素并不适合零散的油田伴生气,因此,需要一种成本低、精简、高效的零散油田伴生气中回收轻烃的方法。本研究设计了一套省掉了外部制冷的紧凑化的改进系统工艺,其外部制冷系统被内部液态轻烃制冷循环所取代。在这个定制的设计中,伴生气和制冷剂在一台压缩机中同时提压,与传统的制冷系统相比较,这种改进的系统虽然功耗增加,但能够显著地降低投资和人工成本。首先,模拟了传统浅冷工艺,为后续的分析对比提供数据基础。利用Aspen HYSYS设计了压缩/制冷一体化系统新工艺(方案一),并以单位能耗为目标进行重要参数的优化,分析了进料气温度、压力及组成变化对系统性能的影响,通过对新工艺的分析得出系统的操作弹性大,具有较强的适应性。对系统主要部件进行有效能分析发现,新工艺流程的热力学效率仍有较大的提高空间,需通过调整流程结构和优化操作条件来进一步提高过程的热力学效率。其次,从调整系统的流程结构来进一步提高系统的热力学效率,提出了基于级间压缩/制冷一体化系统改进工艺(方案二)。分别以冷箱组合曲线、系统主要装置有效能损失、能耗以及经济性进行对比分析,对比分析可得知,方案二得压缩能耗小于方案一,冷箱组合曲线匹配好,使其有效能损失小。通过经济性对比分析得知,方案一与方案二设备投资主要差别在换热器费用上。与传统工艺相比较,方案二的设备投资费用和人工成本费用分别节省了64%和40%。通过对三种方案的规模效应的敏感度分析可知,确立了方案一的适用范围为1200 Nm3/h,方案二的适用范围为2100 Nm3/h。最后,为了进一步回收不凝气中的轻烃,设计了膜-压缩/制冷一体化系统耦合工艺,研究了耦合系统中各种参数对系统性能的影响,最佳的膜面积为20 m2,相匹配的最佳的膜渗透侧压力为300k Pa。轻烃回收率由76.7%提高至97.1%,通过经济性分析,衡算了耦合工艺的初始设备费和公用工程的运行费用,得出最终的年经济效益为5.5×106CNY,回收周期为7个月。