基于混合气体在微通道中的流动特性,通过合理设置微通道中的流动驱动力可以在微通道内形成分子交换流现象。利用该特殊的流动现象,可以进行气体分离。一种新型气体分离器采用逆流设置积累微通道由于发生分子交换流产生的分离效应,从而可以使原料气体（待分离混合气体）中目标组分的浓度达到设定值;而且,该新型气体分离器的运行机理决定了其可以采用低品位热能进行驱动,这与当前主流的气体分离技术有着显著的不同。本文首先探讨了热流逸流、泊肃叶流以及浓度驱动流在微通道中的流动特性。结果表明,混合气体在发生热流逸流和浓度驱动流时分离系数在过渡流领域以及自由分子流领域几乎保持不变;而在发生泊肃叶流时,分离系数在过渡流领域变化较大,在自由分子流领域则逐渐趋于稳定;而且,在过渡流领域,混合气体发生泊肃叶流时的分离系数要小于发生热流逸流时的分离系数;此外,分离系数还与混合气体中组分的分子质量比密切相关,分子质量比越大,相应的分离系数也越大。基于混合气体的分离系数在过渡流领域时不同流动中的差异性,构造了分子交换流现象,讨论了努森数、分子质量比以及组分浓度等因素对分子交换流强度（摩尔流量）以及构造条件（温度梯度与压力梯度的比值）的影响。结果表明,发生分子交换流的条件以及分子交换流的强度受努森数、分子质量比以及组分浓度的影响较大。总体而言,努森数越小,分子质量比越大,发生分子交换流的条件范围越大;分子交换流的构造条件随努森数的增大变化幅度越来越小;对于He-Ne混合气体而言,当组分浓度为0.5时,努森数约为1时,理想分子交换流的强度取到最大值。进一步以He-Ar、He-Ne、Ne-Ar混合气体为例,分析了基于分子交换流的新型气体分离器的性能。研究指出,增大驱动温差（以及相应的压差）可以增强分离器的分离性能;对该分离器而言,二元混合气体中组分间摩尔浓度越接近时,分离效率越高;改变努森数以及混合气体的种类,分离器的分离性能也会受到影响;该分离器在提升目标组分浓度方面具有较大的优势,但是其产品率（产品气体流量）较小。最后,将上述分离器作为一级分离单元,提出了一种由模块化的气体分离单元串联而成的气体分离系统,建立了描述其气体分离过程及关于其优化设计的数学模型,并开发了相应算法。以此为基础设计了从He-Ar混合气体中提取氦气的系统并解析其系统结构、部件和运行工况参数;该系统通过20级气体分离单元串联可分离出纯度达99%以上的氦气,且氦气组分回收率也达到80%。在满足分离纯度要求的前提下,该系统能耗约为6327k J?m^-3,但其优势在于可直接利用低品位热能驱动,符合能量梯级利用原则。