我国是焦炭产量最大的国家,焦炉煤气制氢已逐渐成为制氢的重要手段之一,而焦炉煤气制氢是气体分离技术的应用之一。利用分子交换流进行气体分离是一种机制新颖的气体分离方法。当微通道中存在温度梯度时,混合气体在微通道中呈现自低温向高温的热流逸流,以及自高温向低温的泊肃叶流两种流动,这便是热流逸效应。根据热流逸效应,通过合理设置微通道两端的温差和压差,可以构建分子交换流。基于分子交换流的气体分离装置其结构简单、不存在运动部件、可由低品位热能驱动,与主流气体分离设备相比有鲜明特点。本文首先分析了混合气体在微通道内发生热流逸流、泊肃叶流的流速特性与分离情况。以焦炉煤气为例,研究了泊肃叶系数、热流逸系数随驱动力的变化,讨论了分子交换流的构建条件及焦炉煤气各组分在分子交换流下的流动行为,研究结果表明,随着驱动温差的增大,将越强化热流逸流而削弱泊肃叶流,且H2最为显著。利用分子交换流进行焦炉煤气制氢是可行的,这种方法下H2最容易被分离,CO次之,CO2最难。同时分析了分子交换流的驱动条件。基于分子交换流设计了气体分离单元及一种6级串联的焦炉煤气制氢系统,在分子交换流所要求的温差和6000Pa的压差下,系统所能达到的产品率达到75%,产出氢气浓度达到96%以上;载热介质采用100°C高温工业余废热水,冷却介质采用5°C冷冻水。并对其进行了工况分析,研究结果表明,微通道特征尺寸越大和组分浓度的增大,都将使得临界温度区间近乎线性增大;随着浓度的提高,温度对产品浓度的驱动能力也越来越小;随着级数的增加,原料气体中氢气的浓度越低,分离难度越大,所能得到的产品最高浓度也有所降低。以系统模型为基础,利用Matlab编写算法和simulink环境下搭建的温度自动控制模型进行联合仿真,系统通过电机转速调节流体温度。采用PID控制方法,并经由PSO进行参数优化整定后,系统灵敏度较优化前提高了57.54%。对系统性能和能耗进行了一定分析,系统从开始运行到达稳定状态过程中,系统总单位产品氢气能耗下降了63.2%。随着系统的运行,单位产品氢气能耗较按常规设计方法设计相比减少了43.6%,但是所得到的产品氢气浓度也会有所减少。与常规变压吸附制氢法相比较能耗减少了38.6%。最后在Proteus环境下对系统进行仿真。仿真模型主要依靠单片机集成温度和浓度传感器实现浓度检测、温度检测反馈、AD转换、PID控制、PWM信号控制电机转速和LED实时数据显示的功能。并进行了仿真数据采集,所采集到的温度结果误差在-0.56°C到0.74°C之间,检测得到的PWM占空比结果误差在-0.006到0.008之间。