综述：超音速分离器技术用于增强气体处理和二氧化碳去除效率的综合评估

这篇综述全面评述了超音速分离器（SS）技术在天然气处理和CO2捕集领域的最新进展，重点分析了基于Aspen HYSYS和ANSYS FLUENT的模拟研究、多目标优化（MOGA）策略及实验验证成果。文章系统梳理了Laval喷嘴设计、非平衡冷凝（NEC）模型和涡流发生器对分离效率的影响，指出当前研究在液滴动力学（DPM）建模和井下应用（HPHT条件）中的关键空白，为下一代低碳气体处理技术提供了明确研究方向。

　　

超音速分离技术的革新与挑战

技术背景与核心原理

超音速分离器（SS）通过Laval喷嘴将气体加速至马赫数（Ma>1），利用急剧的温压下降诱发CO₂冷凝，再通过离心力实现气液分离。这种无需化学试剂的物理过程，相较于传统胺吸收法（MEA）可降低68%的能耗，特别适用于高CO₂含量（>20%）的天然气田开发。

模拟研究的突破

Aspen HYSYS建模显示，立方关联状态方程（CPA-EOS）能准确预测乙烯氧化物回收率达95%，而CFD模拟揭示Redlich-Kwong（RK）方程在超音速流中误差<8.69%。中国石油大学团队开发的SST k-ω湍流模型，成功捕捉到冷凝激波现象，但液滴半径预测仍存在15%偏差。

结构优化进展

静态导叶45°-60°倾角可使分离效率提升至89%（2.5μm液滴），而第二喉道扩散器能将背压波动降低40%。南京理工大学采用遗传算法（GA）优化的旋风分离器，在CO₂-CH₄混合气中实现67.47%的液化效率。

实验验证瓶颈

巴西联邦大学的半低温（-82°C）实验证实CO₂冻结风险，但测量精度受限于高速摄像技术（误差±5%）。英国埃克塞特大学开发的湿度调控装置，虽实现3.3 Nm³/min流量控制，却难以复现井下10MPa/150°C的极端条件。

未来发展方向

分子动力学（MD）模拟揭示正己烷结晶熵变规律，为抗结冰涂层研发提供新思路。亟待突破的领域包括：多组分液滴聚并机制、井下超临界CO₂分离（>30MPa），以及人工智能驱动的数字孪生系统优化。

应用前景

这项技术已成功应用于马来西亚海上气田（CO₂含量75%），未来在航天器空气脱水（CHX替代方案）和氢能产业链中展现巨大潜力，但材料腐蚀和长期稳定性仍是产业化前的最后障碍。