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煤层气的回收利用对缓解我国能源需求、改善能源结构、减少煤矿瓦斯灾害和改善大气环境等方面具有重大意义。吸附分离技术以其操作灵活、设备简单、能耗低等优点，成为煤层气分离提纯颇具发展前景的技术之一。然而，现有吸附剂CH4吸附量低、CH4/N2选择性较低，导致传统的变压吸附工艺对低浓度煤层气的浓缩效果不够理想。本文主要将置换色谱概念引入真空变压吸附工艺，通过实验和模拟对低浓度煤层气中甲烷浓缩过程的有效性和可行性进行评估，主要研究内容和结论如下。 (1)选用了三种具有不同微孔孔径的碳材料，包括沥青基活性炭小球、椰壳活性炭和碳分子筛，采用磁悬浮天平（德国Rubotherm公司）测定了不同温度和压力(278K～338 K和0～1000 kPa)条件下CH4、N2和CO2分子在碳材料上的吸附等温线。采用Sips模型、Toth模型和Multisite Langmuir模型对吸附平衡实验数据进行拟合，获得重要模型参数和吸附热等热力学参数，为吸附分离过程模拟优化提供基础参数。 (2)建立等温沿床层无动量变化的双分散二级孔扩散模型，采用稀释穿透曲线法测量CH4、 N2和CO2在活性炭小球和椰壳活性炭上的扩散系数;建立等温的双阻力扩散控制模型，采用摄入曲线法测量CH4和N2在碳分子筛上的扩散系数，为CH4/N2吸附分离过程研究提供基础动力学数据。结果发现:CH4、 N2和CO2在活性炭小球和椰壳活性炭颗粒微孔内的扩散阻力为控制步骤，且三种分子的扩散系数几乎处于相同数量级，差别不大。CH4和N2在碳分子筛颗粒内微孔孔口阻力和微孔内扩散阻力为扩散控制步骤，N2的扩散速度远远快于CH4，二者相差近三个数量级。各个动力学参数与温度的关系均满足Arrhenius关系式。通过计算指前因子和活化能，可以预测气体分子在任何温度下的动力学参数。 (3)通过测量穿透曲线，研究了CH4/N2/CO2单组分及多组分在活性炭小球、椰壳活性炭和碳分子筛填充固定床上的床层动力学（包括质量传递和热量传递）。建立了包含质量衡算、热量衡算和动量衡算的二级孔扩散床层动力学模型。通过模拟计算与单组分及双组分竞争穿透实验数据进行对比，对CH4/N2在三种吸附剂上的单组分吸附平衡数据、多组分竞争吸附预测模型及吸附动力学数据进行了验证。通过得到的吸附平衡、吸附动力学及床层动力学数据，对三种吸附剂进行了综合评价。结果表明，多组分竞争吸附预测模型预测效果良好，验证了所建模型的适用性及前文测定的吸附平衡和动力学数据准确性;基于动力学分离的碳分子筛更适合含有高浓度甲烷的CH4/N2混合气中N2的脱除。采用基于平衡分离的活性炭小球和椰壳活性炭为吸附剂，运用传统的变压吸附过程，由于受到吸附剂选择性的限制，对CH4浓缩效果有限。 (4)采用穿透曲线实验，利用置换色谱的概念，在CH4/N2吸附分离过程中引入CO2置换步骤，通过实验和数学模拟研究了CH4/N2在活性炭小球和椰壳活性炭上的分离效果并且通过实验与模拟结果的比较，对本文建立的固定床模型运用于置换分离过程的适用性进行验证。结果表明:本文建立的固定床模型对置换过程预测模拟效果良好;通过CO2置换方法，在两种吸附剂上CH4/N2分离效果良好，对于活性炭小球，初次提浓可将CH4浓度为10％的CH4/N2混合气浓度提高至89％，将1％的CH4/N2提浓至53.5％;对椰壳活性炭，初次置换吸附分离的效果分别为10％提浓到88.9％，1％至45％。无论从实验结果还是模拟结果，都证实了CO2置换吸附分离CH4/N2的有效性。此外，通过模拟计算，清楚地分析了CO2置换中床层内各个气体组分的变化情况。 (5)建立了单柱传统真空变压吸附和CO2置换真空变压吸附的数学模型。在单柱吸附装置下，分别采用四步法Skarstrom循环和四步CO2置换真空变压吸附循环，考察了活性炭小球和椰壳活性炭填充床中两种工艺过程的CH4分离性能，并将实验结果与模型预测结果进行比较，验证模型的适用性。通过实验和模拟考察了进料流率、进料时间、进料浓度和抽真空压力几个操作条件对CO2置换真空变压吸附过程分离CH4/N2的性能和过程能耗的影响。由实验及模拟结果可知，在两种吸附剂材料上，采用传统真空变压吸附工艺的提浓效果均不甚理想，而CO2置换真空变压吸附工艺的提浓效果更好。进一步提出增加了N2低压吹扫步骤的五步CO2置换真空变压吸附工艺，以解决排空气体中存在温室气体CO2的问题。同时研究了真空压力对五步工艺过程的影响，结果表明较高的真空压力更为有利。模拟在五步CO2置换真空变压吸附工艺情况下，可将10％的模拟煤层气，提浓至86.9％，回收率79.3％，吸附剂产率0.21 molCH4/(kgads.·h)，能耗139.2kJ/molCH4;将1％的模拟煤层气，提浓至45.8％，回收率77.5％,吸附剂产率0.019 molCH4/(kgads.·h)，能耗1537.3 kJ/molCH4。