石油高校建环专业开设气体液化实验的探讨

陈树军, 付 越, 刘 杨, 唐建峰, 王武昌

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引 言

中国石油大学(华东)是教育部和四大石油石化企业集团、教育部和山东省人民政府共建的高校，是石油、石化高层次人才培养的重要基地，被誉为“石油科技人才的摇篮”，现已成为一所以工科为主、石油石化特色鲜明、多学科协调发展的大学。我校建筑环境与设备工程专业2002年成立，专业设置的特色在于——以“大燃气”为龙头，发挥油气储运工程专业重点学科的优势，建设具有鲜明石油特色的建筑环境与设备工程专业[1]。2013年，为了使办学更好的突出石化特色，我系更名为“建筑环境与能源应用工程专业”，并入单独成立的燃气工程系，这更有利于建环专业朝着我校既定的方向发展。培养出专业基础扎实、工程实践能力强的石油石化行业高级专业人才是我系培养方案的目标。

天然气作为清洁、高效、方便的能源，在环境和经济方面的价值已得到广泛证实[2]。未来用天然气代替燃煤和燃油是必然趋势。在这种形式下，我系作为具有石油特色的建筑环境与能源应用工程专业，教学计划的制定，在严格遵循全国高校本专业指导委员会制定的专业培养目标、教学内容、课程体系及培养计划的总体框架基础上，定位为包括天然气的矿场集输、长距离输送及下游城市燃气输配及应用的大燃气发展方向。在实验教学方面，专业实验共16大项，22小项，目前基本能满足基础本科教学的要求。但随着天然气应用技术等方面的不断发展，我系教学计划也在不断修订和充实。关于天然气预处理、液化工艺、液化天然气(LNG)安全储存及运输、LNG的利用等方面的课程也越来越重要。但我系的实验教学项目，还主要为燃气输配和燃烧方面实验，缺少气体液化系统及其相关实验项目。这已不能满足未来的本科教学要求。本文就开设气体液化实验的必要性、气体液化实验平台建设方案、实验可行性和气体液化实验拟开设项目等方面进行探讨。

1 开设气体液化实验的必要性

我校在培养方案的制定上，“城市燃气输配”是建筑环境与能源应用工程专业的主干专业必修课，“LNG利用技术”也列为专业限选课，两门课程均涉及LNG的内容。为了使学生更好地理解和掌握书本知识，从理论走向实践，需要在实验教学中增加气体液化相关的教学环节[3,4]。气体液化实验的开设，完善了我系专业实验项目，有助于学生直观地了解压缩机和换热器等设备的构造和工作原理，在此基础上真切地掌握天然气液化工艺过程和制冷工艺过程。重要的是可以运用我系现有的一些实验设备，让学生自己设计实验，发现气体液化过程的不同规律和现象，既符合我系设计性和综合性实验的建设目标，又解决了实验设备利用率不高，缺乏系统性等缺点。另外，开设气体液化实验，还能更好的满足学校“减少理论教学学时，增加实验和实践学时”等培养计划的改革方向。

2 气体液化实验平台建设方案

2.1 气体液化实验液化流程方案的确定

选择何种类型的液化流程，需根据具体的用途、目的和实验条件综合考虑[5]。因为本流程用于本科实验教学，在实验室进行，设备要占地小、投资成本少、能耗低、效率高、灵活性好，特别要保证安全[6]。综合考虑以上方面，设计出一种适合本科实验教学的小型、高效、经济的实验装置的液化流程是非常必要的。按制冷方式分，气体液化主要有3种形式：级联式液化流程、混合制冷剂液化流程(包括单级、多级和丙烷预冷等)、带膨胀机的液化流程(包括单膨胀机循环和双膨胀机循环等)[7-9]。通过查阅文献[10-16]，得到不同液化装置循环效率和各种液化循环特性的对比如表1和表2所示。

表1 液化装置常用液化循环效率比较

表2 各种液化循环特性比较

综合以上各种液化流程循环效率和循环特性的比较可知，级联式制冷循环和混合制冷循环(MRC)能耗较低，效率最高。但从复杂程度和适应性等方面，MRC优于级联式制冷循环。鉴于实验室对制冷要求不大，以工艺流程简化、实验设备数量少、利用的制冷循环技术成熟、总投资和运行费用最低为原则，采用单级MRC是最佳的选择。原因如下：① 单级MRC设备简单，投资较低，工艺流程不复杂。② 该流程可最大限度地减少与环境之间的不可逆热损失。③ 液化率高，可以通过混合工质组分的合理配比，在不同温区多股流换热器内，混合工质温度曲线与被液化气体的温度曲线相匹配。④ 减少了传热温差，从而减少能耗，提高了液化效率。

2.2 制冷剂与液化介质的选择

由于该液化流程用于实验教学，在实验室进行，特别要考虑安全问题[6]。因主要侧重于学生理解气体温度、流量、相变的过程，所以只要采用安全的气体组分演示出气体的相变过程就可以满足教学要求。制冷剂选用烃类存在易燃易爆危险，若采用氮气、氩气等惰性气体，因液化温度低，实验耗能多，费用高，耗时长，也容易发生冷冻伤人事故，不利于教学试验。基于以上考虑，选择多种氟利昂的混合工质作为制冷剂，就可达到教学目的。在液化对象的选择上，由于二氧化碳具有无毒、无害、不燃烧的特性，所以在教学实验中适合作为液化试验介质。

2.3 气体液化实验工艺流程的设计

考虑到实验室的实际情况，流程采用较高温区的氟利昂相变制冷工艺，包括压缩、换热、液化、节流等封闭循环。具体实验流程为：混合制冷剂经压缩机压缩至1 MPa左右，经过冷却器降温至30℃左右，进入包括多通道换热器组的冷箱中降温，气体到达换热器底部时已基本全部液化。液相混合工质经节流阀节流降温后进入换热器冷箱，经过换热器复温后出冷箱的流体返回MRC压缩机入口，形成密闭连续的制冷循环过程。纯净的二氧化碳经过钢瓶上减压阀减压至1.3 MPa左右后进入冷箱，与返流的混合制冷剂换热，达到液化温度后流入气液分离器中，液体进入二氧化碳储罐中储存，未液化的二氧化碳闪蒸汽通过气液分离器气相出口排出室外。另外，对储罐内的液体二氧化碳节流能够实现凝华，凝华的二氧化碳(干冰)遇热发生升华，这个过程在整个试验过程中都能实现。具体的液化工艺模拟流程如图1所示。

如果不需要液化二氧化碳，可用其他高沸点组分的气体替代。也可以不液化气体，只观察混合制冷剂的液化、分离、气化的全过程，同样达到实验教学的目的。

图1 气体液化工艺模拟流程图

3 气体液化实验可行性分析

在安全方面，制冷剂选用R134a、R23和R14混合组分，无毒、安全可靠、非易燃易爆；二氧化碳的选择则排除了使用天然气易燃易爆的危险，而且减少了投资。在费用方面，一次实验耗电量为30 kW/h，所需二氧化碳半瓶左右，每次实验费用约为34元人民币左右，如果液化后的二氧化碳循环使用的话，费用还可降低。在占地方面，采用撬装单元结构，设备小、结构紧凑，整套装置占地面积约40 m2，现有实验场地完全满足平台需求。在实验耗时方面，液化气体为CO2，由于沸点低，设备启动后30 min内可达到液化温度，所以在1到2 h时间内可完成一次实验。

4 气体液化实验台拟开设的实验项目设计

通过购置整体撬装式混合工质制冷机组、制冷剂、液化冷箱(撬装保温冷箱、多层换热器组、低温阀门等)、气液分离器和PLC仪控系统，建造气体液化实验装置。利用我系实验室现有的实验设备，指导学生设计实验，使学生在实验过程和实验结果中，了解气体液化的各种规律和现象。具体可以实现如下实验：

(1) 在一定的混合制冷剂配比和液化气体压力下，改变系统运行压力(吸气压力和排气压力)，了解其对系统单位液化功的影响。

(2) 在一定的混合制冷剂配比、液化气体压力和系统运行压力下，改变换热器混合位置，了解其对系统单位液化功的影响。

(3) 在一定的液化气体压力下，在该套实验装置的液化冷箱前设置取样口，与实验室现有的气相色谱仪相连接，研究混合制冷剂配比与气体液化效率之间的关系。

(4) 在一定的混合制冷剂配比和系统运行压力下，改变液化介质，将其由CO2改为制冷剂混合气体，与实验室现有的计算机自动配气系统相连接，研究不同配比的液化介质与混合制冷剂之间的液化关系，同时还掌握了如何配气。

(5) 通过对二氧化碳液体储罐的液相管节流，可实现液体二氧化碳的凝华，凝华的二氧化碳(干冰)遇热发生升华，使学生在实验中了解更多的相变知识。

5 结 语

高校专业实验室是进行实验教学、培养高层次人才、进行科学研究和社会服务的重要基地。气体液化实验台的引进，使石油院校建环专业实验的项目更加完善。从以前验证性和演示性实验，变为引导学生独立设计液化实验，加深了学生对气体液化知识的理解，培养了学生的创新意识和动手能力，同时也使学生对该专业的主干专业课“城市燃气输配”和专业限选课“LNG利用技术”中的气体液化相关知识理解的更加透彻。通过利用现有的实验设备气相色谱仪和计算机自动配气系统，为液化装置的运行与优化提供了良好的技术支持，也使本科教学实验向综合性和设计性更迈进了一步。

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