專利名稱：包括穩定處理塔的近海結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種近海結構，其包括承載著碳氫化合物加工設備的浮動支承以及具有豎直中心線和上下端的豎直處理塔，處理塔具有用于使包含碳氫化合物的液態和氣態制品相互接觸的內部分布元件。
背景技術：
將天然氣用作原料的甲醇生產設備是眾所周知的。這種設備包括進氣預處理設備、天然氣蒸氣轉化器、通常與轉化器的排口組合在一起的蒸氣制品廢熱回收系統、合成反應器、蒸餾段。目前許多甲醇生產設備采用了英國皇家化工公司研制的通常稱作ICI低壓甲醇加工工藝的基本制造工藝。該工藝描述于1975年1月出版的那一期“Hydrocarbon Processing”中。利用ICI制造工藝的設備目前市場上有售，因而將天然氣轉化為甲醇的基本方法不構成本發明的一部分。
帶有散裝或隨機填料、疊置填料或規整填料的處理塔被廣泛應用在化工、石油、天然氣及其它加工領域中，用于實施分離處理(例如吸附、解吸附、精餾、分餾和蒸餾)，并且被用作反應器，其中填料用于使氣體和液體直接接觸，以傳輸熱量或從一種相態轉變成另一種。填料塔的兩項重要優點是低成本和填料接觸面積大。
填料塔的缺點是，即使它們被豎直設置，液體和氣體之間仍會有溝流現象，這種溝流會導致塔效率下降；另一方面，用在承載浮動平臺和加工船上的填料塔可能會因傾斜而導致液體和氣體之間的溝流更為嚴重。即使僅傾斜少量幾度，溝流也可能會導致性能急劇下降。
天然氣的遠程液化、液化天然氣(LNG)向人口中心的輸送、為地區消費而儲存和蒸發LNG已經在世界范圍內成功地實踐了很多年了。LNG生產場所通常位于陸地上的具有船舶運載設施的遠程位置，這種船舶運載設施具有用于將LNG運送到終端用戶處的大型LNG罐。
最近，人們對近海天然氣儲備的潛在開發產生了越來越強烈的商業興趣。這些天然氣儲備的開發要求使用更多的能夠通過改造而安裝在船只、駁船、浮動平臺上的天然氣液化系統。最近，用于天然氣液化、乙烯生產、氨合成及其它工藝的近海設備，即構造在浮動近海結構上的大型化工設備，已經投入實際使用。通常，流經處理容器的液體或氣體包括液體、氣體或它們的混合物。
為了實現混合物的近海分離或提純、去除微量雜質或其它加工目的，需要采用氣液接觸裝置例如用于蒸餾、精餾和吸附處理的處理塔。這種裝置通常被構造為豎直圓柱體，圓柱體中具有保持在其內部的一定數量的填料或塔板，以強制蒸氣與保持在塔板上的液體接觸，從而實現氣液接觸。
報告顯示，陸地上使用的非常高的填料塔可能會因遭受大風或是因自重作用或熱效應而導致(永久性)傾斜，或者會因其地基下沉而傾斜，這會導致性能下降，這一點與承載浮動加工平臺或船只上采用的近海填料塔因傾斜而導致的性能下降類似。
浮動平臺和加工船允許一定程度的水平和豎直運動和傾斜。這種運動和傾斜可能導致嚴重的氣液溝流現象，從而造成填料塔的性能急劇下降。不論處理工藝是蒸餾、吸附、解吸附、分餾還是化學反應，傾斜填料塔的性能下降的主要原因都是嚴重的氣液溝流現象，其中液體趨向于溝流通過塔的一側，氣體趨向于溝流通過塔的另一側，從而導致液態和氣態物質之間的總接觸面積減小，因而降低了塔中兩種相態物質的接觸度。
永久性傾斜被認為是分離塔的最嚴重問題。一些作者曾論述過填料塔在傾斜位置的效率下降問題。對于蒸餾塔，Weedman J.A.和Dodge B.F.于1947年在“Ind and Engng Chem”29 732中指出，從傾斜大約1度開始，效率急劇下降，直至傾斜2.5度時下降大約50％。
目前，有流體再分布裝置被設計出來，用于在處理容器的長度方向上的離散位置上校正溝流現象(見于現有技術中)。然而，這些再分布裝置被這樣設計，即流體在填料塔的特定平面中被再分布，從而導致在較高流體流率時出現嚴重瓶頸現象，并且這種裝置會占據塔的相當大的空間并增加塔的重量。
由于一些流體再分布裝置被設計成有助于將液體從塔中的位于相同軸向位置的其它部位快速傳輸到塔的較低傾斜部位，因此在傾斜的塔中，這些流體再分布裝置可能會增大氣液溝流現象或加快這種現象的出現。
位于浮動結構上的加工設備要承受波浪運動和氣候條件引起的運動，并且一些特定類型的處理裝置對運動的敏感程度大于另一些裝置。特別地，高的蒸餾塔對運動極其敏感，即使塔相對于豎直方向偏離少量幾度，塔的效率也會急劇下降。另一方面，將天然氣用作原料的甲醇生產設備的其它段對運動不是特別敏感，并且即使是設在浮動結構上并且處在非常惡劣的氣候條件下，也會在一定程度上正常操作。因此，在傳統的甲醇生產設備因其蒸餾段對運動和傾斜敏感而不能有效地使用浮動結構，因此必須對這種設備進行改造，以提供出更高效的位于浮動結構上的設備。
對于這些近海設備，它們的結構不可避免地因波浪、風、潮汐、水流等的外力作用而承受周期性的俯仰、滾轉或其它搖擺運動或靜態傾斜。
因此，通常為50米或更高的氣液接觸裝置可能會因輕微的搖擺或靜態傾斜而受到嚴重影響，從而因塔板上的液體溝流而導致不適當的氣液接觸以及氣體的非接觸流動。還可能導致塔板上的液體保持量的變化，引起液位在各個塔板上不均勻分布，即有的部位深，有的部位淺或完全沒有液體；在接觸裝置中沿傾斜方向靠近一側內壁表面的液位大于靠近相反側內壁表面的液位。結果，在靠近接觸裝置一側內壁表面的位置上，溢流通過塔板的液體量較大。
這會帶來各種缺點，例如在塔板上逆流通過的氣體和液體之間的接觸效率低、設備的性能不良地分布不均等。
美國專利No.4,603,022中描述了一種新式近海用氣液接觸裝置，其具有位于處理容器中的新式塔板結構。美國專利No.5,632,962中也描述了一種新式近海結構，其使用了接觸型處理塔再分布裝置，用于有效地提高處理容器中的流體分布。美國專利No.4,134,732中描述了一種浮動甲醇生產設備，并且重點描述了柔性設備結構，其中設備的不同部分彼此獨立操作，以使設備中的運動敏感部分，例如用于甲醇提純的高蒸餾塔，可以只在良好氣候條件下運行，設備中的其它運動不敏感部分可以在較為惡劣的氣候條件下運行。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有豎直處理塔的近海結構，該處理塔在海洋動態條件下也具有良好的加工效率。為此，根據本發明的近海結構的處理塔在其長度方向上或在其一端通過回轉連接件安裝在浮動支承上，從而響應于浮動支承的豎直軸線的緩慢傾斜動作而使塔的豎直中心線繞著兩條相互垂直的水平軸線轉動。
本發明基于這樣的思想，即導致處理塔例如氣液接觸裝置或分離裝置低效的最大因素是因浮動支承的一定程度的靜態橫傾和縱傾造成的，所述靜態橫傾和縱傾是在風、波浪方向、水流、潮汐等的作用下產生的并且會造成一定程度的靜態傾斜。這里使用的術語“緩慢傾斜”指的是傾斜動作的改變時間周期大于25秒，優選大于0.5小時，更優選大于幾小時。“緩慢傾斜”還可以是靜態或半靜態傾斜。本發明旨在補償這些傾斜動作，而動態傾斜可以通過處理塔的內部結構例如美國專利No.4,603,022和5,632,962中所描述的那些而得到解決。
通過為緩慢傾斜提供補償，可以將搖擺基座例如浮動近海裝置用作碳氫化合物加工例如天然氣液化所需的支承。補償系統可以是被動補償系統，其中處理塔通過例如球關節或萬向支架而懸掛在構架結構上。阻尼元件例如液壓缸、氣缸或配重可以添加在處理塔上，以將塔的自然擺動周期設置在高頻區之外。懸掛的處理塔上還可以組合主動補償裝置，例如作用在構架或處理塔上的液壓缸。
在另一替代性實施例中，處理塔在其下端通過回轉連接件支撐在構架上，位移元件連接著控制單元，該控制單元啟動位移元件，以將處理塔的豎直中心線保持在基本恒定的位置上。
下面將參照附圖詳細描述根據本發明的近海結構的一些實施例。在附圖中圖1中示出了一種根據本發明的處理塔被動補償系統；圖2中示出了一種根據本發明的主動補償系統。
具體實施例方式
圖1中示出了一種近海結構1，例如FPSO或活動平臺，其通過錨鏈2、3而錨定在海床上。近海結構1包括浮動支承4，其承載著加工設備5例如天然氣液化設備。處理塔6通過柔性管7連接著加工設備5，該處理塔可以是例如用于蒸餾、精餾和/或吸附處理的氣液接觸裝置。塔6包括內部分布元件8，例如用于實現氣液接觸的塔板。內部分布元件8被這樣布置，即塔6的高頻搖擺不會影響氣液接觸效率。內部分布元件可以例如根據美國專利No.4,603,022和5,632,962而構造出來，上述文件結合在此作為參考。
塔6懸掛在一個位于浮動支承4的甲板上的構架10上。在高度可以是例如大約50米的塔6的上端，沿著塔6的中心線13設有一個球關節12，該球關節可以繞著兩條相互垂直的軸線轉動，其中一條軸線在圖頁所在平面內延伸，另一條軸線垂直于圖頁所在平面。當風或海浪力導致浮動支承4傾斜而使其豎直中心線14從豎直位置傾斜時，塔6的中心線13保持在基本豎直方向。可以在構架10與塔6的下端之間添加位移元件，例如液壓缸或氣缸，用于緩沖和/或主動實現塔6的中心線13偏移。
圖2中示出了根據本發明的主動補償系統，其中塔6的底端通過球關節16連接著浮動支承4。液壓缸18、19分別在它們的一側連接著塔6，在它們的另一側連接著一個支承構架17。所述液壓缸被一個控制單元20操縱，該控制單元響應于浮動支承4的低頻傾斜動作而啟動液壓缸18、19。“低頻”指的是風和海浪引起浮動支承4的豎直中心線14在大于0.5小時例如幾小時或幾天的時間周期內傾斜運動。考慮到內部分布元件8的布置，浮動支承4和/或塔6的高頻搖擺對塔的效率幾乎沒有影響。
塔6可以具有圓形、正方形、矩形或其它適宜形狀的橫截面。橫截面的面積可以沿高度方向變化，從而構成例如截頭錐形。
位于塔6的上端或下端的球關節可以替換成萬向支架結構。萬向支架結構不但可以設在塔6的上端或下端，還可以設在塔6的長度方向的任何位置。優選地，塔6自由懸掛在萬向支架內，以使塔的重心位于塔與萬向支架之間的連接點的下方。上述這種使塔6自由懸掛在球關節或萬向支架上的結構中可以組合圖2所示的主動補償系統。
在圖1所示的自由懸掛結構中，可以添加阻尼配重或其它任何主動或被動阻尼系統，以使塔6的擺動頻率位于浮動支承在不同海洋狀態下滾轉、俯仰、搖擺的頻率之外。
權利要求
1.一種近海結構(1)，包括浮動支承(4)，其承載著碳氫化合物加工設備(5)；豎直處理塔(6)，其具有豎直中心線(13)及上端和下端，所述處理塔具有用于使包含碳氫化合物的液態和氣態制品相互接觸的內部分布元件(8)；以及流體連接元件(7)，其設在加工設備(5)與處理塔(6)之間，其中所述處理塔在其長度方向上或在其上下端之一處借助于回轉連接件(12，16)通過構架(10，17)而安裝在浮動支承(4)上，從而可以響應于浮動支承的豎直軸線的緩慢傾斜動作而使處理塔的豎直中心線繞著兩條相互垂直的水平軸線轉動。
2.如權利要求1所述的近海結構(1)，其特征在于，還包括與控制單元(20)相連的位移元件(18，19)，該控制單元響應于浮動支承(4)的豎直軸線(14)的緩慢傾斜動作而啟動位移元件(18，19)，使豎直處理塔(6)的豎直中心線(13)偏移一定的量，以將豎直中心線(13)保持在恒定位置。
3.如權利要求1或2所述的近海結構(1)，其特征在于，控制單元(20)補償浮動支承(4)的豎直軸線(14)在大于25秒、優選大于0.5小時的時間周期內的傾斜所造成的偏移。
4.如權利要求1、2或3所述的近海結構(1)，其特征在于，處理塔(6)在其上端通過回轉連接件(12)而懸掛在構架(10)上。
5.如權利要求4所述的近海結構(1)，其特征在于，構架(10)具有至少兩條腿，其中至少一條腿上連接著用于使其伸長或縮短的位移元件。
6.如權利要求1或2所述的近海結構(1)，其特征在于，處理塔(6)在其下端被構架(17)支撐著，位移元件(18，19)的一側連接著近海結構，另一側連接著處理塔(6)。
7.如前面權利要求中任一所述的近海結構(1)，其特征在于，阻尼元件連接在處理塔上，用于緩沖小于0.5小時、優選小于25秒內的時間周期中的運動。
8.如權利要求7所述的近海結構(1)，其特征在于，阻尼元件包括配重。
9.如前面權利要求中任一所述的近海結構(1)，其特征在于，回轉連接件(12，16)包括球關節。
10.如權利要求1至8中任一所述的近海結構(1)，其特征在于，回轉連接件包括萬向支架。
11.如前面權利要求中任一所述的近海結構(1)，其特征在于，流體連接元件(7)包括柔性管線。
全文摘要
本發明涉及一種近海結構，其具有承載著加工設備(5)的浮動支承(4)和支撐在浮動支承上的處理塔(6)。處理塔(6)通過鉸接連接件(12)而被連接著，從而可在浮動支承(4)的低頻傾斜動作下保持直立位置。這樣，可以在海洋動態條件下維持塔(6)中的氣液接觸效率。
文檔編號B63B29/12GK1514790SQ02811525
公開日2004年7月21日 申請日期2002年6月7日 優先權日2001年6月8日
發明者杰克·波拉克, 威廉·科內利斯·范韋恩加德恩, 杰克 波拉克, 科內利斯 范韋恩加德恩 申請人:近海能源發展公司