超音速分离技术(Super Sonic Separator,缩写为3S),是一种将气体超音速低温凝结效应和旋流分离技术相结合而实现多组分气体冷凝分离的混合气体分离技术。与传统的分离技术相比,具有等熵效率高,结构简单,占地面积小,投资费用低等优点。但是,目前国内外关于该项技术的研究报道很少,距离该技术的成熟应用尚需一段时间。本文将对超音速分离器内部流动行为进行研究,并在此基础上对装置结构和操作参数影响装置性能的规律进行分析和总结,以便为该技术的实际应用提供理论依据和设计基础。建立可描述气体超音速流动的二维数值模型,为超音速分离器的研究提供理论基础；分析结构参数和操作参数影响超音速分离装置性能的规律,为超音速分离器实际运行提供指导；建立超音速分离工艺流程,分析该工艺的优缺点,验证超音速分离技术的有效性。本文的主要研究工作及所形成的结果与结论如下：①建立了可以模拟超音速分离器的二维和三维数值模型,通过对两种模型的结构进行对比表明,二维模型能够清晰表达超音速分离器内部流动状况,与三维模型的结果差别不大,可以满足对超音速分离器分析的需要。②通过分析喷管出口与喉部面积比、排液口当量面积比、排液器内倾角、锥芯等结构参数对超音速喷管流动的影响,得出以下结论：随着喷管出口与喉部面积比的增加,喷管中温降增大,Ma数平均值增加。面积比过小,气流不能保持超音速状态；面积比过大,喷管渐扩段内将产生激波,均不利于装置运行。一定压比和面积比的情况下,过小的排液口当量面积比将使得喷管渐扩段内产生激波,排液口前温度骤升,不利于超音速分离器低温冷凝。排液器内倾角存在最佳值,增大排液器内倾角,喷管工作段内的气流平均马赫数减小,平均温度增加；减小排液器倾角,虽然气流温度和马赫数变化不大,但是流动紊乱程度加剧,损失提高,两者均不利于装置形成低温。通过对比有无锥芯的超音速分离器内流场发现,锥芯式超音速分离器结构设计时需校核锥芯的粗细,否则将出现不利于装置低温冷凝的现象。③通过分析装置进出口压比、出口压力以及旋流强度等操作参数对装置内流动的影响,得出以下结论：其他参数一定,压比减小,装置模型内气流的马赫数平均值减小,平均温度增加,不利于装置低温冷凝,装置对气流操作条件也更加敏感,因此实际条件允许的情况下,应提高进出口的压比以保障装置稳定运行。一定面积比的情况下,适当增加出口压力能有效改善装置内气流的流动性能。通过改变旋流器的高度,可以实现超音速分离器装置旋转速度的增加和减小,是控制超音速分离性能的一种有效途径。