中温变压吸附法是一种有潜力应用于燃烧前水气变换后合成气CO2/H2分离的技术。吸附剂性能、工艺流程和操作参数等都对分离效果有很大影响，工艺流程设计方案多样、操作参数繁多，无法仅靠实验完成系统优化，本文旨在开发以钾修饰水滑石为吸附剂的多塔变压吸附系统模型，从钾修饰水滑石吸附动力学机理模型出发，真实反映从吸附剂到吸附塔再到多塔吸附系统的放大过程；以获得超过90%的CO2捕集率和90%以上尽可能高的H2回收率为目标，对工艺流程及操作参数进行模拟优化研究。针对钾修饰水滑石吸附CO2过程，建立包含三类吸附位点基元反应与传递过程的适用于不同压力、温度和钾修饰比例的非平衡吸附类Elovich动力学机理模型。通过常压热重分析实验验证了模型在常压下的可行性，其高压适用性、不同钾修饰量普适性以及对循环稳定性的描述能力也分别通过固定床实验突破曲线和复现文献中吸附/解吸循环得到验证。在非平衡吸附动力学机理模型的基础上，开发多物理场耦合的准二维吸附塔模块，通过改变边界条件灵活实现对变压吸附系统循环过程中不同步骤的模拟。利用吸附塔模块研究了中试变压吸附系统吸附塔动态吸附过程，观察吸附塔内部气相浓度分布，研究突破曲线的影响因素，如气体流量、压力、温度等，为多塔变压吸附系统工艺流程设计奠定基础。利用吸附塔模块组建多塔变压吸附系统，基于中试变压吸附系统分离水气变换后合成气CO2/H2的过程，以获得超过90%的CO2捕集率和90%以上尽可能高的H2回收率为优化目标，以变压吸附工程领域常用的4-2-1工艺流程为基础，对重要工艺操作参数进行了优化研究，包括吸附时间、冲洗比、吸附压力等。模拟结果显示延长吸附时间会使H2回收率升高而CO2捕集率降低；冲洗过程对系统分离效率有明显影响，因冲洗时间不够，基本工况下调节冲洗比对CO2捕集率的提高很小，延长冲洗时间对CO2捕集率的提高作用明显；提高吸附压力和吸附剂性能，达到同等分离效果时，可采用更长的吸附时间，系统气体处理能力得到提高。然而仅通过调整这些变量不能使H2回收率和CO2捕集率同时达到90%。为进一步提高分离效率，在4-2-1工艺的基础上，添加CO2回流步骤，当CO2回流比为0.4时，H2回收率和CO2捕集率均达到90%以上，实现了优化目标。此外，均压步骤也是获得高H2回收率和CO2捕集率的关键。为研究增加均压次数和吸附塔数目对分离效率的作用，以添加CO2回流步骤的5-3-1工艺为基础，调节CO2回流比和冲洗时间，与相同工况下的4-2-1工艺相比，其可在维持CO2捕集率不降低的前提下，提高H2回收率。不过增加均压步骤也会使得操作的灵活性和时序布置受限，并且吸附塔数目越多操作就越复杂，设备投资和运行费用也越高，故需综合效率和经济性来考虑。