油气田开采出的天然气中常含有水蒸气、H2S、SO2等组分,这些物质在输运过程中会形成酸性水合物,从而导致管道堵塞和设备腐蚀,因此有必要在集输之前对天然气进行净化。超音速旋流分离技术作为一种新兴的天然气净化技术,具有结构紧凑、无运动部件、运行成本低和绿色环保等特点,本文在总结超音速凝结理论和分离特性研究工作的基础上,开展了以下研究:首先,基于气体动力学、热力学和流体力学的知识,设计了超音速旋流分离器基本结构并搭建实验装置,对不同流量和湿度下超音速旋流分离器的分离性能进行了测试。其次,建立了CH4+H2O双组分混合气体凝结模型,结合欧拉壁面液膜模型研究了水蒸气在超音速旋流分离器内凝结和分离特性,并分析了入口参数对分离器性能的影响。结果表明:升高入口压力或降低入口温度导致凝结初始点发生前移,造成最大成核率减小、液滴半径增大、液膜厚度和分离效率增大。再次,基于超音速旋流分离器内水蒸气凝结流动特性研究,以液膜厚度和分离效率为参考指标,分析了结构参数对超音速旋流分离器性能的影响。结果表明:分离效率随着叶片数量增多先增大后减小,压力损失和分离温度随着叶片数量增多和分离直管段长径比的增大而逐渐升高。最后,研究了硫化氢、戊烷和壬烷组分在超音速旋流分离器内的凝结流动特性。结果表明,硫化氢,戊烷和壬烷在喷管内的凝结初始点随分子量的增大依次后移,成核率、液相含量和液膜厚度随着分子量的增大而减小,液滴半径随着分子量的增大而增大。