随着我国非常规天然气的可开采量的日益丰富,开发和利用非常规天然气资源显示出巨大的商业价值。低浓度煤层气作为一种重要的煤矿伴生天然气资源,由于分离利用成本较高,大部分采用直接排放的处理方式,这既造成了能源浪费,又加重了温室效应。因此,低浓度煤层气升级的关键在于寻找合适、高效的方法实现甲烷和氮气的经济性分离。变压吸附法由于节省能耗,设备简单,易于操作等特点,在气体分离与净化领域受到了广泛的关注。本文主要从模拟和优化控制两方面对从N₂/CH₄气体混合物中提纯甲烷的变压吸附工艺进行研究。一方面使基于模型的模拟研究更加接近工业实际,另一方面采用优化控制策略实现对变压吸附工艺的优化和调控,提高分离过程的稳定性和经济性。本文首先采用实验室自制椰壳活性炭为吸附剂,进行了两塔真空变压吸附分离氮气/甲烷（70%/30%）的工艺流程实验与模拟研究。通过实验和模拟结果的对比,证明了基于模型的工艺模拟研究的准确性和可行性。进一步地对影响甲烷产品气的纯度、回收率的关键决策变量的灵敏度分析结果表明:产品气纯度主要受原料气流量和置换气流量调控,而产品气回收率则需要两者的共同作用才能实现最大化。最后,针对三塔N₂/CH₄真空变压吸附分离工艺建立了系统的模拟、优化和控制框架,以序贯二次规划优化算法为基础,分别采用顺序优化控制法和同时优化控制法寻找工艺流程在既定约束条件的最优值,向最优工艺流程中引入外界随机扰动,并设计简单实用的PID控制器对扰动工艺进行闭环控制模拟。通过开环模拟和闭环控制模拟结果的综合分析和对比,对控制系统抵抗外界扰动的性能进行评估和验证。结果证实,PID控制器能够有效抵抗外界多种扰动,最优的闭环控制表现可以在维持产品气甲烷纯度为80%的同时,获得98%左右的甲烷回收率。