超声速旋流分离技术是近年来兴起的天然气处理新技术,被广泛应用于天然气脱水、脱烃、液化等方面。与传统的天然气处理技术相比,超声速旋流分离技术具有设备结构简单、占地面积小、重量轻、无运动部件、无外部动力消耗等优点。由于该技术具有如此突出的优点,国内外学者在超声速分离基础理论与数值模拟、超声速分离实验、超声速喷管内气体自发凝结流动等方面做了大量研究工作,但截至目前还未发现将超声速旋流分离技术用于天然气脱CO₂方面的有关研究。因此,进行超声速分离器内CO₂相变凝结特性及分离器结构优化研究,不仅有助于天然气脱CO₂新技术的研究与开发,还能加深人们对高压、低温条件下超声速相变凝结机理的认识。本文在深入调研国内外现状的基础上做了以下工作:首先,进行了CH₄-CO₂混合气体超声速凝结流动特性研究。在CO₂液滴成核及生长模型、表面张力预测模型的基础上建立了CH₄-CO₂双组份混合气体超声速凝结流动过程数值模型,对喷管内双组分混合物凝结流动进行了数值模拟,研究了CO₂超声速凝结流动规律以及入口参数对混合气体超声速凝结流动特性的影响,结果表明:随着入口压力的增大,发生凝结的位置向喷管入口方向移动,极限成核率和液滴数目降低,液滴半径和液相质量分数增大;随着入口温度的增加,发生凝结的位置向远离喷管入口方向移动,极限成核率和液滴数目增加,液滴半径和液相质量分数减小;随着入口CO₂含量的升高,发生凝结的位置向喷管入口方向移动,极限成核率和液滴数目降低,液滴半径和液相质量分数增大,液化效率基本维持在57%⁵8%。模拟结果证实了使用天然气超声速技术脱除CO₂的可行性。然后,进行了超声速分离器结构优化与流场特性研究。以激波控制为依据对旋流后置型超声速分离器进行结构优化,并进行了三维数值模拟与流场分析,研究了入口压力对激波位置的影响,并对比了不同入口压力条件下分离器内流场的分布规律,研究了压损比对激波位置的影响规律,结果表明:超声速分离器经结构优化后其激波发生在旋流器之后,激波位置随压损比的增大而后移,当压损比从35%增大到70%时,激波位置从旋流器入口（x=300 mm）向扩压段移动,为避免凝结液滴在旋流分离前的二次蒸发现象,同时尽可能减少气体的压力损失,应将压损比控制在35%⁷0%范围内。再后,进行了旋流器结构设计及旋流性能研究。对采用旋转叶片结构的旋流后置型超声速分离器进行了数值模拟,通过改变旋流器结构参数,研究了不同结构的旋流器对超声速分离器内部流场和分离性能的影响,结果表明:叶片旋转角度越大,对压力的影响程度越明显,激波位置随之前移,最大切向速度随之增大;叶片厚度越大,对压力的影响程度越明显,激波位置随之前移,最大切向速度随之减小;叶片长度越小,压力波动越大,激波位置无明显变化,最大切向速度随之增大,但是,旋流长度越小,旋流场的作用距离也就越短,不利于气液分离。最后,进行了超声速分离器内液滴运动规律研究。建立了连续相（甲烷气体）与离散相（CO₂液滴）的数学模型,对超声速分离器内液滴运动规律进行了数值模拟,研究了超声速分离器内气相流场与液滴运动轨迹分布规律,定义了液滴分离效率与气体脱除效率,并分析了液滴粒径与速度对分离效率的影响。结果表明:当液滴粒径为0.25μm时,超声速分离器的分离效率仅为50.76%,而当液滴粒径增大至1.25μm时,超声速分离器的分离效率达到96.97%,当液滴粒径大于1.5μm时,可以实现CO₂液滴的全部分离;轴向速度对超声速分离器的分离效率未产生明显影响;超声速分离器的脱除效率随入口压力的增大而不断提高,当入口压力为6 MPa时,CO₂气体的脱除效率为31.25%,而当入口压力增大至9 MPa时,CO₂气体的脱除效率能够达到54.52%。