天然气被认为是目前世界上使用最广泛且低碳清洁的一种化石能源,可以用于城市燃气、工业燃料、化工和发电等多个行业和领域。由于天生存在或者后天开采等原因,使天然气形成了多种气体的混合物,除了主要成分甲烷外,氮气是一种常见的惰性成分,大大降低了燃烧热值,增加了运输成本,限制了应用范围,因此需要进行氮气的脱除以达到提纯甲烷的目的。变压吸附（PSA）技术能耗低、操作弹性大、投资成本低,是一种优秀的气体分离技术,始于上世纪60年代,目前已广泛应用于空气分离、氢气提纯和沼气升级等领域。对于PSA技术来说,吸附剂的选择和工艺流程的设计都是相当关键的部分,在进行这两部分的研究时,通常采用实验和数学建模相结合的方法。因为数学模型可以为了解变压吸附过程中动态吸附和解吸行为提供一个很好的窗口,方便评估吸附剂效果和设计优化PSA工艺流程,最终实现理论指导实验的目的。Aspen Adsorption是一款专门用于吸附分离的数值模拟软件,物性数据完备,数学方程丰富,模块化操作简便可控,大大节省了实验的成本。以开采的低品质天然气为例,N2含量很高,甚至会达到总体积的25%,因此我们选用了75%CH4/25%N2的混合气作为研究对象,利用变压吸附技术来提纯其中的CH4。关于CH4/N2分离的吸附剂,主要有两种选择,一种是以CH4作为重组分的CH4/N2型分离吸附剂,一种是以N2作为重组分的N2/CH4型分离吸附剂。本工作将分别选用两种类别中的典型吸附剂:分子筛Silicalite-1（甲烷选择型）与金属有机骨架（MOFs）材料MIL-100（Cr）（氮气选择型）,为其设计合适的PSA工艺,主要研究内容及结论如下:（1）本课题组在以往的工作中发现CH4/N2型分离吸附剂Silicalite-1分子筛拥有优秀的CH4/N2分离能力和较高的性能稳定性,已将其应用于低浓度CH4变压吸附提纯的研究中,并且目前为止还没有CH4/N2分子筛从高比例的CH4/N2混合物中富集甲烷的PSA研究。因此,本文选用Silicalite-1为吸附剂,从低品质天然气中脱除N2,但CH4作为重组分,只能从吸附柱底端获得,纯度提升有限,因此为其设计了高效的PSA工艺。首先应用Aspen Adsorption建立气体吸附分离的数学模型,模拟75%CH4/25%N2在不同吸附压力（100 k Pa、200 k Pa和300 k Pa）以及进料速率（300 m L/min、500 m L/min和700 m L/min）下的穿透实验曲线,得到了吸附剂的动态吸附等温线。并通过与实验测试结果相对比,证明了其所设置模拟参数的准确度。接着在该数学模型的基础上,对变压吸附中吸附压力、进料速率以及床层高度这三个工艺参数进行了计算研究。发现床层高度提升、吸附压力增加和原料气进料速率降低都会提升床层利用率,而床层利用率的提高十分有利于CH4纯度的提升。基于此,我们模拟设计了四床八步的PSA工艺,发现该工艺几乎可以实现床层的全部利用,将75%CH4/25%N2中CH4富集至95%,并有99%以上的回收率。（2）MIL-100（Cr）是一种MOFs材料吸附剂,由于其不饱和金属位点Cr（Ⅲ）浓度较高,与N2分子之间形成了反馈π键,十分有利于N2的吸附,而且是以CH4作为轻组分,十分适合用于高比例CH4/N2中CH4的提纯,但尚处于实验室规模。本论文首次采用了该类CH4/N2型平衡分离吸附剂来进行PSA分离高比例CH4/N2的研究。当温度为283 K、压力为100 k Pa时,N2/CH4选择性约为8,N2平衡吸附量高达1.64 mmol/g。选用简单的单床三步PSA（充压、吸附、抽真空）实验,即可从75%CH4/25%N2的原料气中获得纯度为98%,回收率为58%的CH4产品气。采用了研究内容（1）中的方法建立数学模型,与实验结合研究后发现,N2置换工艺可以将被吸附的CH4置换出来,大大提高CH4回收率,同时自身也不会影响CH4的纯度,但需要注意的是,N2置换时间过长会使吸附柱不纯净,间接地影响PSA循环当中CH4的纯度。最后,设计了原料气充压、N2置换、抽真空的三步PSA实验,可将75%CH4/25%N2中CH4富集至97%,并有92%的回收率。本论文立足于低品质天然气提质脱氮,分别为两种不同类型的吸附剂设计了变压吸附工艺流程,实现了CH4的有效提纯,具有较高的理论意义及实验价值。