分离CO₂的膜技术可广泛应用于能源气体净化和温室气体减排等领域。目前,关于CO₂膜分离过程的研究还不够系统,特别是对于很有应用潜力的固定载体膜分离过程的计算缺乏合理的模型。利用前人建立的描述气体膜分离过程数学模型,本文发展出描述固定载体膜分离过程的数学模型,同时基于算法改进,系统考察了气体分离膜在烟道气CO₂捕集、沼气脱碳净化、合成气脱碳提纯氢气以及天然气脱碳净化等过程的应用前景,研究结果对CO₂分离膜材料的研制以及膜分离过程的设计具有重要意义。首先,利用公开发表的工业试验数据,验证了基于错流模型建立的描述多元组分气体膜分离过程的数学模型。依据本课题组发展出的固定载体膜CO₂渗透速率表达式,对数学模型中CO₂渗透速率进行修正,建立了用于计算固定载体膜分离过程的数学模型。基于该模型分析了固定载体膜分离过程的特点。通过改进计算方法,实现了在同时固定产品纯度和回收率的情况下,对气体膜分离过程的模拟计算。当CO₂浓度为95%回收率为90%时,系统研究了燃煤电厂烟道气CO₂捕集膜过程。结果表明,在二级膜分离过程中,增加任何一级的分离因子都可降低膜分离过程的能耗。第一级采用分离因子较低而第二级采用分离因子较高的膜可有效降低CO₂捕集成本。随着操作压力的上升,分离能耗先下降后上升。在CO₂/N₂分离因子为60～120的区间内,能耗最低点的操作压力为0.55 MPa～0.65 MPa。在第一级CO₂/N₂分离因子为40～70且第二级CO₂/N₂分因子为70～140的情况下,成本最低点的操作压力为0.67 MPa～0.85 MPa。对沼气脱碳净化膜分离过程的模拟计算得到了类似的结果。当CH₄纯度和回收率均为98%时,在CO₂/CH₄分离因子为30～100的区间内,能耗最低点的操作压力为0.45MPa～0.65 MPa。本文还考察了合成气脱碳提纯氢气过程。通过对比CO₂优先渗透膜和H₂优先渗透膜的一级过程和二级过程的产品纯度和回收率,发现CO₂优先渗透膜适于获得较高H₂产品纯度,而H₂优先渗透膜适于获得较高H₂产品回收率。二级CO₂优先渗透膜分离过程可同时获得高产品纯度和高回收率,并具有较低的成本,最有希望用于合成气脱碳制备高纯氢气过程。最后,本文优化了天然气和合成气脱碳过程的操作压力。在产品纯度和回收率均达到分离要求的情况下,采用文献中报导的膜性能进行计算,发现当操作压力在中等压力（0.65 MPa～1.5 MPa）范围内,膜分离过程的能耗和成本最低。