超音速分离管是一种全新的天然气脱水净化技术,它克服了传统脱水技术的许多不足。但目前人们开发成功的各种超音速分离装置的分离效率远没有达到理论期望值。针对这一问题,本文提出了一种全新的湿气再循环超音速分离管工作原理和结构设计,并首次对其进行了较为系统深入的理论与实验研究。主要工作如下:　　 综合应用气体动力学、相变动力学、可压缩气体热力学以及计算流体力学理论,对湿气再循环超音速分离管的工作机理及设计进行了系统的理论分析,独立提出了湿气再循环超音速分离管的结构、设计方法和基本设计原则。该装置设置了湿气再循环口和再循环腔,气体可以通过再循环口循环流入直管段内部,使在湿气罐中没有得到有效分离的湿气反复进入旋流器,得到再次净化分离,从而提高了出气口处的干气含量并降低了湿气含量,提高分离管的分离效率。建立了高压、多组分天然气BWRS实际气体状态方程为基础的用于确定分离管喉部直径和气体临界参数的基本方程。给出了湿气再循环超音速分离装置的设计计算方法,开发了专用设计软件。　　 加工制造了一套湿气再循环超音速分离管,并搭建了室内实验台,对其工作性能进行了系统全面的实验研究。实验结果表明:湿气再循环分离管能够在实验工况条件下稳定工作,压损比为28％时,露点降为8.52℃；压损比为81％时,干气出口露点为-1.68℃,露点降达到28.12℃。相比已研发的超音速分离,在相同压损比下再循环超音速分离可以获得更高的露点降,说明此装置具有更好的除湿分离性能。　　 为了更深入地了解分离管内部的流动规律和确定激波发生的位置,建立了湿气再循环超音速分离管二维轴对称稳态可压缩跨音速流动的数学模型,并进行了系统深入的数值计算和理论分析。并与实验结果比较表明,所建立的数学模型和数值计算方法是可靠的,较准确地预测出的湿气再循环超音速分离管中心轴线上及出口处速度、压力、温度和马赫数等流动参数。模拟结果表明湿气再循环超音速分离管内有两个激波,分别出现在分离管喉部处和直管段出口前处。从而验证了分离管设计的合理性。因为合理的湿气再循环超音速分离管结构设计,必须保证两个激波出现在分离管内部的喉部和直管段入口处,只有这样才能最大限度地减少流动压力损失,改善湿气再循环超音速分离管的工作性能。　　 建立了超音速分离管内多组分气体分离的相平衡数学模型,并给出了相应的计算方法。用所提出的模型和求解方法对用于中试的天然气净化分离管内天然气的相平衡特性和分离效果进行了预测,并与实测结果进行了比较。结果表明,预测结果与中试实验结果基本吻合,证明所建立的数学模型和计算方法的可靠性,能够较精确地预测气体超音速分离管分离得到的气液两相各组分含量等相平衡参数以及流量、密度等流动参数,也为超音速分离管的结构优化提供了理论根据。通过超音速分离管的相平衡计算,可以从组分变化的角度来分析分离效果。在给定的环境条件下,喷管分离出的干气品质越好(甲烷含量越高,重烃类组分含量越低),同时分离出的液量越多,液相中重烃类组分含量越高,说明分离管的分离效果越好。在此基础上,利用超音速分离管内多组分气体分离的相平衡数值计算方法,编写了计算机程序,成功开发了天然气综合计算软件。　　 主要用于陆地的常规的天然气脱水分离装置体积庞大,处理量低,不适合海上平台系统使用。针对海上平台特点,独立提出了海上平台天然气超音速脱水除液净化分离撬装装置的结构设计。该装置无需要添加任何化学药物,能有效地从天然气中分离出水和重烃类液体,并具有结构紧凑,占地面积小,无人值守和无化学污染等一系列优点。为了确认结构设计的合理性及分离效果,建立了水合物分离器的气液分相数学模型,并进行了系列的数值分析计算。水合物分离器气液两相流体动力学模拟计算结果表明:所采用的数学模型和数学模拟计算方法正确,可以预测并反映不同时刻分离器中气液两相体积比率的变化规律,证明该分离器结构设计的合理性和有效性。