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低浓度煤层气中的甲烷的回收利用对于节能、环保、采矿安全都具有重要意义,本文利用高硅疏水性沸石ZSM-5作为吸附剂吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,通过模型和实验对其吸附平衡、动力学以及循环真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过磁悬浮天平重量法和固定床穿透曲线法测得了沸石ZSM-5上CH4与N2单组分吸附平衡及双组分竞争吸附平衡数据,两种方法所得实验数据一致,且通过单组分Multisite Langmuir模型参数可对双组分竞争吸附吸附等温线进行很好的预测。建立得到等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,结合CH4和N2在沸石ZSM-5上的稀释穿透曲线实验数据,计算得出CH4和N2在沸石ZSM-5上的扩散系数,且无论是对于CH4还是N2,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤。建立得到非等温的固定床吸附分离模型,较好地预测CH4和N2单组分及双组分在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比(P/F)对分离效果的影响。实验发现,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH4提纯至31%～41%,回收率为93%-98%。采用K+、Sr2+、Mg2+、Cu2+、Ce3+离子溶液浸渍改性沸石ZSM-5,考察了离子类型,离子浓度以及活化方式对沸石ZSM-5吸附分离CH4/N2性能的影响,结果发现离子改性会使沸石ZSM-5对CH4和N2的吸附量下降,但对CH4/N2的选择性会提高。