在微通道两端合理的设置温差时,根据二元气体混合物的流动特性,在微通道内会形成一种特殊的流动现象,这种现象使得混合气体两种组分流动方向相反,因此称之为分子交换流。这种特殊的流动现象可以应用于气体分离领域,结合气体膜分离理论以及努森泵的结构特点,分子交换气体分离器具有可利用低品位热能,无运动部件且运行稳定,可应用于微机电系统（MEMS）设计的场合,越来越受到人们的关注。此类分离器具有较高的产品气体富集度,并且能够通过多级级联提高产品组分的回收率,能够很好的为微型气体分离领域开辟一种新的技术方案。本文根据混合气体组分在微通道内物理性质的不同会导致其输运过程的差异性,构建了分子交换流组分流量的数学模型,并从玻尔兹曼输运方程出发,计算了二元混合物中两种气体工质的三种驱动条件下的输运系数,并以此得到了构成分子交换流现象的温度梯度以及压力梯度的条件范围,从而分析影响分子交换流强度的因素,研究表明,任一分子交换流状态下,对应组分的摩尔通量都会随着努森数的增加而先增大后减小获得一个极值。而混合物的摩尔组成会同样对分子交换流强度造成很大的影响,应根据理想分子交换流的情形使得两组分的摩尔浓度相等,以确保其流量为最大流量以获得最佳分离效果。进而设计了一种以分子交换流现象为核心的气体分离器,并详细描述了其内部结构以及工作流程,建立了分子交换分离器分离过程的物理模型以及性能评价指标。基于分离模型及性能指标出发,采用以有限差分法为基础的“管道法”,通过调整驱动温差以及混合气入口速度,探究了外部条件以及内部结构对于分子交换分离器的性能影响,结果表明,主流通的温比必须要大于1才可以实现目标组分的富集作用。且两通道间的温差越大,分离器的分离效果越好。同时,增大原料气的入口速度会降低分离器性能,当微通道特征尺寸越小时,气体在微通道中的回流量也就越小,同样导致分离器的分离性能下降。为了深入探究分子交换分离器的耗能及效率情况,本文结合了气体膜分离过程的耗能模型以及热力学理论基础,将整个分子交换过程划分为两个基本流动过程来进行能量转换的分析,并研究发现增大温差会导致两类扩散过程的?变都增加,从而使得最小分离功量增加,热效率随之增加。同时分析了入口速度以及努森数对耗能的影响,当努森数增加时,两类扩散过程的?变减小,最小分离功量减小,热效率下降。增大气体入口速度同样会使得?变减小,热效率下降。因此,要在满足分离器分离目标的情况下,尽量选择合适的驱动温差以及调整入口气体速度及努森数使得分离器的热效率达到最高值以满足节能要求。基于上述研究基础,设计了多个单级分离器级联并且通过努森泵进行调压输运的气体分离系统,这种分离系统可通过低品位热能提供分离器所需的能量,并且可以同时对产品气体的成分组成进行实时收集以及监控分析,并通过实例探究讨论了分离系统的工作特点以及理论耗能成本,为提高产品的回收率以及增大产品量提供了可行性。