随着天然气消费量的逐年升高，天然气价格不断上涨，煤层气作为补充能源越来越受到重视。煤层气应用的主要途径是作为燃料或者发电，煤层气的利用必须经过提浓。目前，煤层气分离普遍是单独使用某种气体分离工艺，但每种工艺均有各自的优缺点，单独使用时难以做到最优，导致能耗高或投资成本大，严重制约了煤层气的回收和利用。本文针对目前煤层气提浓工艺存在的问题，将常用的膜分离、变压吸附和深冷分离三种工艺进行耦合用于煤层气的提浓，以能耗和投资之和的总费用最小为目标进行优化。主要包括四个方面的内容：工艺路线优化选择理论、常用的三种分离单元（膜分离、变压吸附和深冷分离）的分离特性研究、分离单元能耗和投资计算方法的研究，在此基础上建立了煤层气提浓耦合工艺优化的理论方法。文中应用煤层气提浓耦合工艺的理论方法构建了常用的三种分离单元的流程模拟模型、能耗模型和投资模型。采用流程模拟软件和分离模块相结合的方法建立了三种分离单元的全流程模拟模型。借助全流程模拟模型的计算结果，采用加权平均法构建三种分离单元的能耗计算模型。采用精度较高的逐台设备投资计算方法，调用不同种类的单元设备投资模块计算出每台设备的投资，最后采用“加和法”得到整个单元的投资。该方法实现了单元装置投资的“积木式”计算，使得煤层气投资计算的精度大大提高。采用“三步法”实现煤层气工艺耦合的优化选择：第一步是构建三种气体分离工艺的流程模拟模型，第二步是构建单个分离装置的能耗和投资模型，第三步是采用数学规划法对各变量求解。应用该方法编制了一套可以用于煤层气提浓耦合工艺优化的计算机软件。输入煤层气基础条件，通过优化计算可以得到煤层气提浓耦合工艺的配置，同时可以使用该软件对几个主要变量进行工况分析，用于煤层气提浓工艺的决策。利用该煤层气提浓耦合工艺优化的计算机软件，对已知煤层气进行了工艺优化，结果显示，与单种工艺进行对比，耦合工艺在总费用方面显示出明显优势。使用该软件对煤层气提浓工艺所涉及的四个主要变量进行了工况分析，给出了各变量对耦合工艺流程配置的影响程度。四个主要操作参数对工艺路线和总费用的影响程度强弱顺序为：原料气压力>原料气浓度>产品纯度>产品回收率。创立的能耗指数（ECI）可以替代总费用间接评估气体分离装置的能效。该指标可以大幅度降低计算工作量，适用于快速评定煤层气提浓工艺路线的优劣。