天然气中通常含有饱和水和重烃组分,在集输过程中容易凝结为液体,造成设备管线、阀门的堵塞,特别是在有酸性气体存在时还会发生腐蚀,因此脱除天然气中的水和重烃是集输过程中一个必要环节。常规天然气脱水脱烃方法普遍存在设备庞大、投资和操作费用高、再生能耗高、造成环境污染等缺点,同时在沙漠、海洋平台等边远分散地方难以应用,超音速旋流分离技术因具有结构紧凑、无人值守、节约成本和环境友好等优势而具有广阔的应用前景。本论文根据某原料气气质条件,在实验室前期研究的基础上,采用较先进的超音速分离器结构,建立了超音速旋流分离器三维物理模型。通过引入自发凝结模型和湍流模型,在考虑气液相耦合的情况下建立了多组分混合物的凝结过程数值模型,在此基础上进行合理的网格划分和求解算法选择,采用CFD数值模拟技术研究了超音速喷管内流场分布和凝结参数(如过冷度、成核率、过饱和度等)的变化情况,结果表明凝结过程有利于流场的稳定,气体分子在过冷度和过饱和度达到最大时开始聚集并发生凝结；同时对超音速喷管中的温度压力特性进行了分析,获得了在入口温度和压力变化时相关凝结参数的变化规律,分析表明可通过适当降低入口压力和提高入口温度来促进非平衡凝结过程。根据超音速喷管内的凝结规律,在超音速分离器连续相流场的基础上,利用离散相模型模拟得到了液滴在分离器内的三种运动轨迹及离散相参数的分布,表明大多数液滴能被分离出去。同时分析了不同液滴参数、导流叶片数量对分离效率的影响,结果表明液滴直径和叶片数对分离效率影响显著,随着液滴直径和叶片数的增加,液滴所受离心力增加,分离效率也相应增加。对离开超音速分离器的干气露点分析表明所给的超音速分离器结构脱水性能良好,能够满足国内大多数气田开发的需要。