鉴于超声速旋流分离技术在天然气脱水等方面的良好特性,提出了一种基于超声速旋流分离技术的可用于调压站等处的新型小型天然气液化工艺流程。高速流动条件下天然气液化过程在国际上是一种全新的技术创新,结合相平衡、气体动力学、热力学、成核动力学等理论,采用理论分析、数值模拟及实验研究等方法,对气体凝结预测模型、超声速流动条件下及超声速旋流流动条件下天然气凝结特性等关键问题进行了系统研究,分析了所提工艺流程的可行性。针对单、双组分模型中未考虑真实气体效应的缺点,引入逸度进行化学势差的计算并采用逸度代替分压进行双组分成核模型中碰撞率的计算;采用BS模型,引入液滴半径对表面张力的影响。研究表明,同时考虑真实气体效应及液滴半径对表面张力影响的修正模型计算结果与实验数据偏差较仅考虑真实气体效应的修正模型更大,认为液滴表面张力模型的引入造成了这一结果;采用SRK方程引入真实气体效应时模型计算结果较其他状态方程更好,推荐采用该修正模型。对天然气超声速流动凝结特性进行了数值模拟研究,研究发现,喷管内温度与压力随着能量转变为动能的过程一直降低,促使天然气发生了凝结;凝结过程为非平衡相变过程,出口处未达到完全相平衡,且气体凝结释放潜热致使周围气体不再进行凝结液化过程,使得计算液化率低于基于相平衡理论计算结果;入口温度、压力、组成影响比热比值的大小,但在所研究范围内比热比值的变化对于喷管内压力、温度的分布影响较小,因此,对于固定出口马赫数喷管,更低入口温度、更高入口压力或乙烷含量将使凝结发生在更靠近喉部处,成核率最大值及喷管出口湿度均更大;双组分体系液滴生长速率较单组分更大,凝结冲波现象更为明显;过冷度对单组分天然气液滴生长速率的变化起到了主导作用,凝结潜热对双组分天然气液滴生长速率的变化起到了主导作用;随着压比的增大,喷管内产生了激波且逐渐向喉部方向移动,激波产生后凝结环境即被破坏,湿度立即变为0;出口马赫数的增大可促进气体成核及液滴生长过程,但需以更高的压能损失为代价;旋流分离段内气体凝结特性为凝结过程、压缩波、摩擦效应共同作用的结果,压缩波和摩擦效应导致的气化情况并不严重,为保证旋流分离效果,可适当延长旋流分离段长度,建议L/d>2;外界核心的存在能够有效地降低气体成核所需自由能障,外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生,但半径不能过大,研究范围内非均质凝结出口湿度较自发凝结过程最大增加了82.17%,确认了采用非均质成核促进天然气凝结的可行性。对天然气超声速旋流流动凝结特性进行了数值模拟研究,研究发现,旋流存在时,气体流动及凝结规律与无旋流时相同;中心体的存在增大了流动过程中能量损失,导致最大成核率及出口湿度均小于无中心体情况;不同旋流强度情况下单、双组分旋流分离器内流动及凝结参数分布均相近,几乎不受影响,但增大旋流强度可有效提高气液分离效率,建议气体在旋流分离器入口处以切向速度进入;入口温度增加,将减弱喷管内气体凝结过程,但能够增加气体切向速度,促进液滴与气体的分离,不过促进效果并不明显;入口压力的增大,对于气体切向速度几乎没有影响,不影响气液的分离过程。超声速流动条件下气体凝结实验研究结果表明,压力分布实验结果与数值计算结果吻合较好,预测Wilson点与实测Wilson点偏差在2.79~5.21 mm之间,说明所建立模型对于流场及凝结初始点预测的准确性;凝结参数实验数据基本呈现出与数值模拟结果相同规律,但与数值模拟结果存在较大误差,根据喷管入口扩张段内测量结果,排除了非均质凝结过程造成这一结果的可能性,认为测试误差受限于测试装置,难以对超声速流动条件下液滴凝结数据进行非常准确的测量;以单组分气体凝结数值模拟结果来衡量建立实验系统液滴粒径测量误差,为+118.08%~+316.12%,双组分体系液滴粒径实验数据与数值模拟结果误差范围为+132.15%~+262.06%,证明了建立的超声速流动条件下双组分气体凝结模型及所采用数值方法的准确性。