天然气作为一种清洁、高热值的化石能源,加强其开发利用成为改善我国能源结构、有序实现“碳达峰”“碳中和”的必要选择。在天然气开采和集输过程中,液态水的析出容易导致设备损坏、形成水合物堵塞管路、加剧设备腐蚀等安全问题,为此需要对天然气进行脱水处理。传统天然气脱水工艺中普遍采用三甘醇吸收塔,存在尺寸大、重量重、传质效率低等问题,在海上平台及陆上边远油气田的应用受到极大限制,因此有必要将三甘醇微液滴化以强化气液传质,同时采用管式结构实现三甘醇吸收和分离设备的紧凑化,相应的核心组成包括管式气液雾化混合器和管式气液分离器。本文采用实验测试和计算流体动力学（CFD）数值模拟相结合的方法,研究了管式气液雾化混合器内的液体射流雾化混合机理、管式气液分离器内的液膜流动特性以及不同操作参数下管式天然气脱水设备的整体工作特性。前期研究业已证明,采用文丘里流道结合中心钝体是管式气液雾化混合器有效的设计方式,论文基于方形管式结构和圆形管式结构的气液雾化混合器开展了实验研究。在方管内采用菱形锥结构能够有效引导气流加速,采用凸台结构可以增加气液湍动程度,同时采用“菱形锥+带凸台结构”时可以获得良好的雾化混合效果。气体流量从140 m~3/h增加到220 m~3/h,粒径减小46%,雾化浓度增加1.7倍;液气比对液体射流穿透深度有显著影响,当以三甘醇作为液相介质时,雾化压降略相较于水有增加,液滴索特尔平均直径（SMD）减小。对圆形管式结构的气液雾化混合器而言,圆台导流结构起到引导气流加速和促进液滴均匀扩散的作用,雾化混合性能最佳,雾化效率可达到84.4%。气量在70～162 m~3/h之间时,不同导流结构的粒径分布为35～127μm,气量从80 m~3/h到180 m~3/h粒径减小了54.5%。对于管式气液分离器而言,液膜在气液旋流分离管段的形态变化是影响气液分离性能的重要因素,但高气量和高液量条件均会导致液体进入集气管,降低分离效率。由于三甘醇黏度较大,原来设计的管式气液分离器难以将三甘醇与气体及时分离,论文通过增加旋流管内横纵向开口及改变气相出口管结构,实现了对液膜的有效收集,较好解决了高黏度流体不易分离的难题,分离效率由改进前的20%～80%提升到90%以上,成功实现了气液高效分离。论文最后实验探究了不同操作参数对管式天然气脱水设备整体工作特性的影响。结果发现,三甘醇浓度对脱水效果有决定性影响,浓度越大传质推动力越大;由于气体流量会直接改变气液雾化混合性能,因此对脱水效果会产生重要影响。液气比和传质段长度对脱水效果影响较小,但在三甘醇浓度较大时高液气比对脱水效果的影响仍然较为明显;传质段长度的选择应着重考虑可以实现良好气液雾化混合扩散效果,一般不应小于0.7 m。总的来看,在较好工况条件下使用贫三甘醇溶液进行脱水,脱水后气体露点降可达到15℃左右,脱水性能良好。论文围绕管式气液雾化混合器、管式气液分离器以及二者串联级配运行时脱水性能的系列研究,为管式天然气脱水设备的自主研发提供了可靠数据支撑,为推动现场工业化试验应用奠定了坚实基础。