天然气中含有的水分和重烃在一定条件下会发生凝结或者生成水合物,不仅会降低管路的有效输送能力,而且还会腐蚀或者堵塞相关设备,会对输送管道产生不良影响,因此在天然气输送之前,必须进行脱水处理。超音速旋流脱水技术利用动力学和热力学原理,把膨胀冷凝与旋流分离相结合,从而实现了水蒸气与重组份从天然气中的分离,相较于传统的天然气脱水技术,具有效率高、工艺简化、长期可靠、绿色环保等优点,应用前景广阔。本文在超音速脱水技术的理论基础上,先提出装置各个部件的设计方法,并以某实际工况和气质条件进行详细设计计算;然后参考实际结构与数值计算结果建立相应的三维数值计算模型,运用ANSYS15.0对其进行数值模拟,研究天然气在超音速旋流脱水装置内部流场的流动、液滴凝结和气液分离。结果表明:在超音速喷管出口处,膨胀最低温度可达165K,切向分离速度为60m/s,可以实现水蒸气的充分凝结和分离;由水蒸气凝结成的小液滴的平均直径为1.2μm,大部分可以被分离出来;同时激波发生位置位于排液口之后的扩压段,有利于温度和压力的恢复而又不会破坏之前的液滴凝结环境。在内部流场研究的基础上,以排液口处的静压、分离效率以及切向速度为优化指标,探讨不同结构参数下的变化规律,由此确定最佳的结构尺寸;最后分析了不同条件下装置的工作性能。计算结果表明:不同结构参数对上述优化指标的影响不同,得到的限制条件也不相同,因此应根据实际情况确定最优结构;装置正常工作的压损比范围为40%～70%,入口压力为0.4MPa、温度为300K、压损比为70%时,可获得最大露点降为23K;改变进出口压力和温度,脱水装置同样能够获得较为理想的露点降,可见所设计的超音速旋流脱水装置对于压力、温度变化具有很好的适应性,能够满足国内天然气管道输送应用。