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天然气脱水和重烃分离是油气田地面生产的重要工艺环节,传统的低温分离工艺分离效率低、投资和运行费用高、加热防冻困难、防冻剂用量大。针对此类问题提出的免加热或免加注防冻剂的超音速旋流分离器新技术是天然气处理工艺技术的一大革新。超音速旋流分离器由喷管、整流段、超音速翼段和扩压管四部分组成。天然气通过喷管绝热膨胀形成低温超音速流动,利用超音速翼形成旋流场分离经过低温冷凝的水份和重烃组分。将绝热膨胀、低温凝析、旋流分离、减速扩压等处理过程都在一个密闭紧凑的装置内完成,该装置无移动部件,无再生系统,可使投资和运行费用减少10～25%。超音速旋流分离器中的天然气压力高达几个Mpa甚至十几个Mpa,温度降至零下几十摄氏度,属高压、低温气体,应按实际气体状态方程计算状态参数。本文利用BWRS方程,按一维等熵流动假设,编程求解了天然气在不同入口条件下的临界参数,计算了相应的喷管喉部面积,并与按理想气体计算的结果进行了对比。依据气体动力学、热力学和流体力学理论,提出了超音速旋流分离器喷管设计方法:亚声速收缩段按照维托辛思基曲线设计,喉部设计成一段光滑圆弧,超音速扩张段按照富尔士法设计,喷管出口气流均匀,达到设计的马赫数。本文根据相变理论、气体动力学理论并考虑了实际气体的影响,建立了描述有相变的喷管中天然气高速流动的数学模型。讨论了喷管内有相变的天然气的流动特性:气体要达到一定的过饱和度才会凝结;喷管内的气体发生凝结时,会释放潜热,加热气体,使气体产生凝结突跃现象。计算了不同入口条件下的相变起始点位置和水蒸汽的凝析率;分析了当喷管入口温度一定时,相变起始点、水蒸汽凝析率与入口压力的关系。计算结果表明,随着入口压力的升高,相变起始点位置逐渐前移,水蒸汽凝析率逐渐增大。分析了影响超音速旋流分离器正常工作的因素,给出了一种估计超音速旋流分离器正常工作的压力范围的方法。