煤层气作为非常规天然气，是一种经常被忽视的低碳资源，储量丰富，但受地质因素复杂和开采技术尚未突破的限制，使其浓度低利用受限，并且直接排空会造成严重的温室效应，因此需要一种高效且经济的分离技术来实现低浓度煤层气的富集回收。变压吸附（PSA）工艺可以对常态的气体进行分离，能耗低，操作简单，在多种气体分离工况下表现出较大的竞争优势，并且可以通过数值模拟的方法，对甲烷富集脱氮工艺过程进行研究，以指导低浓度煤层气富集回收工艺过程设计。PSA分离技术应用的关键是找到适当的吸附剂，而低浓度煤层气（CH4浓度小于30%）中的主要成分CH4和N2均为非极性气体，其动力学直径相似（CH4为3.8nm，N2为3.64nm），且都没有偶极矩为非极性气体，使得开发对其具有良好分离性能的吸附剂变的十分困难。
　　本课题组在多年针对吸附分离CH4/N2的研究中，找到一种沸石材料，Silicalite-1吸附剂，其具有规则有序的孔道结构，较高的水热稳定性和疏水性，尤其是对CH4/N2有着优异的分离性能。本文对大批量（公斤级）合成的Silicalite-1粉末样品进行了粘结成型，并对成型前后的样品用XRD，SEM，77K氮气吸附等表征手段对样品的形貌和孔结构进行了分析。测试了颗粒和粉末样品分别对CH4和N2的静态吸附量，研究了成型前后样品的平衡分离性能，颗粒与粉末样品在5bar下对CH4的吸附量分别为35.8和36.5cm3/g，IAST计算得到CH4/N2的吸附选择性分别为4.1和4.0，结果表明粘结方法对吸附剂的吸附分离性能没有影响。通过穿透实验对颗粒样品的动态分离性能进行评价，对不用进料浓度混合气进行分离，不同浓度下的动态分离选择性均高于3.0，表明该吸附剂完全可以适用于CH4/N2吸附分离方面的应用。使用自主设计并搭建的变压吸附分离平台上对Silicalite-1颗粒样品的工业使用效果进行评估，通过多次的循环操作得到了CH4的富集浓度和回收率。实验结果显示对20%CH4浓度的富集结果为40%，30%CH4浓度的富集结果为50%，富集效果明显，降低了CH4浓度对煤层气利用的限制。建立了总传质阻力模型的一维吸附床数学模型，用以研究在吸附分离过程中CH4在吸附剂表面的负载以及脱除，PSA实验数据与数值模拟结果的良好吻合性验证了数学模型的准确性。进一步地，在模拟过程中找到原始工艺中存在的不足，并开发了新的工艺流程来提升分离性能指标，20%和30%的CH4浓度的富集结果分别提升到45%和57%，且回收率仍然高于80%。
　　MOFs作为一种新型多孔材料，其超高的比表面积和可调控的表面基团使得该材料对多种混合气体都具有较高的吸附容量和选择性。咪唑酯骨架材料（ZIFs）作为一种特殊的MOFs材料，具有类沸石结构，结构中的咪唑酯基团有利于CH4的吸附。基于该研究，探索了具有六元环的ZIF-8，ZIF-90和SIM-1(ZIF-94)材料以及八元环结构的ZIF-93材料对于CH4/N2的分离性能研究。静态吸附量测试结果显示5bar下SIM-1(ZIF-94)材料的CH4吸附量，为51.8cm3/g远高于ZIF-8（29.7cm3/g），ZIF-90（34.5cm3/g）和ZIF-93（31.3cm3/g）。SIM-1(ZIF-94)材料的CH4/N2静态吸附选择性高达6.6，高于Silicalite-1。使用压片造粒的方法得到吸附剂颗粒，并通过穿透分离实验探讨了上述四种材料的CH4/N2动态吸附分离选择性，SIM-1(ZIF-94)的CH4/N2动态吸附分离选择性为3.46，ZIF-8，ZIF-90和ZIF-93分别为1.33，1.75和1.45。进一步地，使用模拟的方法对比了SIM-1(ZIF-94)材料和ZIF-8材料在变压吸附工艺中的应用，模拟结果表明，SIM-1(ZIF-94)对于CH4的富集成效显著，可以将CH4浓度从20%和30%提升到50%和61%。相较于Silicalite-1，SIM-1(ZIF-94)材料的CH4/N2分离性能要更具有优势，相同体积下，SIM-1(ZIF-94)材料对原料气的处理效率也更高。