超音速分离技术是一项新兴的气体处理技术,被广泛地应用于天然气脱水、脱烃、脱酸、液化及烟气碳捕集等领域。该技术将气体膨胀液化、气液分离和温度及压力恢复等多过程整合于超音速分离管,具有密闭紧凑、简单可靠、无需化学添加剂、适合无人站场、投资运行成本低等优点。目前在混合气体超音速分离工艺过程模拟研究方面尚无研究,本文主要研究工作和成果如下:首先,建立了超音速分离工艺流程并提出工艺性能评价方法。对超音速分离管三部分的原理及功能进行定性分析并作等效替代,以文献案例为验证对象进行定量计算,首次建立基于HYSYS的超音速分离管等效模型。设计了四套超音速分离工艺流程,提出了多个工艺性能评价指标。然后,进行了天然气净化超音速分离工艺过程模拟研究。对天然气凝液NGL回收和脱酸分别进行了模拟研究,研究了超音速分离工艺参数变化规律以及流程入口参数对工艺性能评价指标的影响。结果表明:随着入口压力的增加,干气出口CH4质量分数显著上升,湿气出口流量上升,压力恢复率不断上升,NGL回收率、CO2脱除率或H2S脱除率大幅上升,CH4回收率下降,脱烃时露点降保持在80℃以上;随着入口组分变化,工艺性能评价指标均十分稳定。因此,流程入口压力的增加有助于天然气净化效果的提高,但不利于CH4回收,脱烃时应将入口压力保持在6 MPa左右,脱酸时应将入口压力保持在10 MPa左右;该工艺对入口组分的变化有出色的适应性,单一组分含量的增加会提高该组分的回收或脱除效果;在同样处理条件下,脱硫效果（90%）优于脱碳效果（74%）。再后,进行了火电厂烟气碳捕集超音速分离工艺过程模拟研究。对碳捕集过程进行了模拟研究,研究了工艺参数变化规律和流程入口参数对工艺性能的影响。结果表明:工艺流程干气出口和湿气出口分别获得了高摩尔分数的N2（98%）和CO2（98%）;随着流程入口压力的增加,碳捕集率和压力恢复率升高,当压力高于2 MPa,碳捕集率超过92%,干气出口CO2摩尔分数低于3%;随着入口CO2摩尔分数的上升,湿气出口CO2摩尔分数和流量增加,碳捕集率保持在91%～98%,干气出口CO2摩尔分数始终低于5%。因此,超音速碳捕集工艺适合在较高的压力下工作,并对入口组分变化有良好的适应性。最后,建立了高压超音速分离空气脱碳实验系统。进行了实验系统脱碳可行性分析,该系统满足超音速分离管入口设计要求,可以开展脱碳实验研究。模拟预测了超音速分离管的分离效果,结果表明:入口压力的增加导致入口温度同时上升,这种情况抵消了喷管的膨胀液化性能,CO2脱除率仅从49%升至52%;入口含碳量的增加导致入口温度下降,CO2脱除率从45%升至52%。因此,应该在升高入口压力的同时,恒定或降低温度,才能提高实验系统的脱碳表现。