专利名称：带有结构的填充物及其用途的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及在汽/液接触柱中带有结构的填充物的应用。在环境条件对该柱的稳态运行有负面影响的位置工作的柱子中本发明有特别的用途。
背景技术：
在本技术领域中已经知道汽/液接触柱的效率取决于多个因素，包括液体在柱子中的分布。如果在柱子中液体分布在柱子的整个长度的水平截面积上是均匀的，将可以获得最佳的柱性能。这种条件可以被称为“稳态”。即使液体有很小程度的不均匀分布，可能会对柱效率有明显的负面影响。
当柱子静止不动并且在竖直方向上准直(见图1)时，汽/液接触柱的稳态工作是可能的。如果使柱子运动，例如由竖向准直状态倾斜，对柱内的液体分布会有负面的影响(见图2)。使汽/液接触柱由竖直方向仅只倾斜1度可能明显地降低柱的效率。在柱子以陆地为基础的情况下，当柱子(特别是高而细的柱子)由于强风而摇摆时，可以观察到这样的运动。然而，在海面上在浮动平台上使用柱子的情况下，浮动平台经受“海水运动”，在这种情况下，海水的横摇和纵摇运动会连续地使柱子倾斜，偏离竖向准直状态(见图3)，运动会更加明显。在这样的条件下，柱子的平均倾斜常常由竖直方向偏离开1度到3度之间，但是，柱子可能经常倾斜高达10度。大船典型地由竖直方向摇摆±2度，并且，一个摇摆循环所用的时间大约为15秒。De Bussy(AIChE；March 2000)讨论了当在海面上使用汽/液接触柱会遇到的问题的类型。
石油和天然气都是碳氢化合物的宝贵自然资源。然而，在由地下抽出之后，石油和天然气都需要被加工成更有用的产品，为的是使它们的用途达到最大。例如，可以把石油提炼成多种碳氢化合物产品，而天然气可能要被转化成甲醇或Fischer-Tropsch碳氢化合物液体，比如液化气(LPG)，柴油和汽油。理想上，把所需要的加工设备设置在抽取石油和天然气的位置或者接近抽取石油和天然气的位置，这是因为这样将不再需要花费将石油和天然气由抽出设备运输到加工设备的相当大的成本。在天然产物的储藏在陆地的情况下，这样的设置通常不会出现任何问题。然而，在海里发现石油和天然气储藏的情况下，情况将不同。
常常要在海上开采设备与以陆地为基础的加工设备之间运输石油和天然气，或者使用罐，或者通过在海床上铺设的管线。与这些运输方法相关的投资成本和运行成本都相当高。由于这个原因，开发浮动的加工设备用来在海面上使用有很大的意义。这样的设备不仅有明显地降低由这些资源生产出有用产品的总成本的好处，而且浮动设备自身可以很容易在其它场地重新使用。
常常用带有结构的填充物填充汽/液接触柱，为的是增加上行的蒸汽与下行的液体之间接触的程度。专利文件EP-A-1036590(Sunder等人；2000)公开了带有波纹状结构的填充物，它适用于低温空气分离柱。
专利文件US-A-5984282(Armstrong等人；1999)公开了一种用于海面上的汽/液接触柱。这种柱子的特点是专门布置带有结构的填充物的区段，这些专门布置减小了海水运动对柱子效率的负面影响。
专利文件US-A-6397630(Fraysse等人；2002)公开了一种海面上的浮动结构，它包括一根低温空气蒸馏柱。该浮动结构的特点在于，用带有交叉波纹结构的填充物填充该柱子，填充物有专门的结构设计，以去掉海水运动对柱效率的影响。
在石油和天然气加工中汽/液接触柱可以用于多种目的。例如，可以在热蒸馏柱中对石油进行分馏。此外，为了保持压力，在注入进油井之前，可以采用汽/液接触柱对海水进行脱氧处理，。进而，可以在低温蒸馏柱系统中将空气分离，以生产出氧气，随后氧气可以用于多个目的，包括把天然气转化成合成气体。可以采用Fischer-Tropsch过程把合成气体转化成液体碳氢化合物，比如LPG，柴油和汽油，或者可以把合成气体转化成甲醇。也可以采用汽/液接触柱用于Fischer-Tropsch反应产物的分离，用于液化石油气(“LPG”)的复原，用于天然气液化工厂中原料气体的处理，以及用于气体干燥处理。在汽/液接触柱的这些示例的每个示例中可以应用本发明。
已经发表了大量关于倾斜和运动对汽/液接触柱性能的影响的研究结果。例如，Tanner等人(Trans.I.Chem.E.；1996；E.74.A；177-182)研究了倾斜和运动对用聚丙烯Pall环填充的柱子中液体分布的影响。此外，Hoerner等人(CEP；Nov.1982；47-52)研究了倾斜和运动对采用以规则填充物填充的5米柱子对甲基环己烷和甲苯的混合物进行分离的影响。
Tanner等人(Proc.Distillation and Absorption；1992；I.Chem.E.Symp.Series No.128；B.111-B.118)研究了倾斜和运动对水脱气柱的影响。在这个研究中，用六区段带结构的填充物将柱子填充到2.45米的填充高度，它们的表面积为250m2/m3。
Waldie等人(AIChE Distillation Meeting；April 2004)研究了倾斜和运动对汽/液接触柱中液体分布的影响。在这个研究中，用20层带结构的填充物将柱子填充到4米的填充高度，它们的表面积为500m2/m3。
在对倾斜和运动对汽/液接触柱中液体分布的影响作了进一步的研究之后，本发明的发明人发现，填充物区段的高度和带有结构的填充物的比表面积是用于减小在运动中的柱子内液体的不均匀分布的重要因素。上面提到的出版物没有公开这些因素中任何一个因素对在运动中柱子内液体分布的重要性。
本发明的优选实施例的一个目的是降低当汽/液接触柱经受运动时常常观察到的液体不均匀分布的水平，从而改进柱的效率。
发明内容
按照本发明的第一方面，在环境条件对柱子的稳态运行有负面影响的位置运行的汽/液接触柱中使用至少一个区段的带有结构的填充物，以便减小在运动情况下在该柱中液体的不均匀分布。填充物的该区段或每一区段的特征在于(a)所述区段的长度由大约1米到大约6米；并且(b)所述区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m2/m3。
按照本发明的第二方面，提供了一种用来支承海面上的石油或天然气处理设备的漂浮平台。该平台包括至少一个汽/液接触柱，它包括至少一个区段的带有结构的填充物。该区段或这些区段中的至少一个区段的特征在于本发明的第一方面。
图1是处于“稳态”的汽/液接触柱的示意性表示；图2是离开竖向准直状态倾斜的图1所示的柱子的示意性表示；图3是“海水运动”的示意性表示；图4是在试验台上模拟用于示例的海水运动的按照本发明的柱子的照片；图5是一个穿过在图4中示出的柱子的截面的示意性表示，示出了与倾斜的平面垂直的27排小腔室；图6是在图5中示出的截面的理论上的环形区段的示意性表示，此图用来分析示例的结果；图7是采用比表面积为500m2/m3或750m2/m3的带有结构的填充物的竖直静止柱中的液体流量的图表；图8是采用比表面积为500m2/m3或750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜1度的静止柱中的液体流量的图表；图9是采用比表面积为500m2/m3或750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜4度的静止柱中的液体流量的图表；图10是采用比表面积为500m2/m3或750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜在±3度之间的柱中的液体流量的图表；图11是采用比表面积为750m2/m3的带有结构的填充物的竖直静止柱中在两个流动速率下的液体流量的图表；图12是采用比表面积为750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜1度的静止柱中在两个流动速率下的液体流量的图表；图13是采用比表面积为750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜4度的静止柱中在两个流动速率下的液体流量的图表；以及图14是采用比表面积为750m2/m3的带有结构的填充物的离开竖直方向倾斜±3度的柱子中在两个流动速率下的液体流量的图表。
具体实施例方式
按照本发明的第一方面，使用至少一个区段带有结构的填充物，该区段或每个区段填充物的特征在于(a)该区段的长度由大约1米到大约6米；并且(b)在环境条件对柱子的稳态运行有负面影响的位置运行的汽/液接触柱中，该区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m2/m3，为的是减小在运动情况下柱中液体的不均匀分布。
在本文件中一个“区段”可以为一层带有结构的填充物。然而，一个区段常常包括多个这样的层，例如由大约5层到大约30层，比如大约20层。层的数目通常取决于，至少部分地取决于，在柱子中进行的过程的性质和热力学。
“带有结构的填充物”为在本技术领域中常用的意思，并且一般指的是交叉波纹状(cross-corrugated)材料常常是金属的薄片，常常将这些薄片穿孔，在汽/液接触柱中使用时，这些薄片提高蒸汽与液体之间接触的程度。
一个区段的“长度”是该区段沿着纵向轴线的尺寸，即，当该区段在柱子中使用时在流体流动的方向上的尺寸。在本文件中的长度通常由液体在柱子内重新分布的需要确定。
“环境条件”包括当柱子以陆地或海面为基础时的风，以及当柱子在海面上时的海水运动。
本发明人已经发现，如果用具有比表面积大于500m2/m3的至少一个区段带有结构填充柱子，并且如果该填充区段的长度由大约1米到大约6米，在运动中汽/液接触柱中的液体不均匀分布会减小。本发明人也发现，液体不均匀分布的水平与填充物的比表面积成反比。因此，填充物的比表面积越大，液体不均匀分布的水平降低得越多。
不希望被任何具体的理论束缚，本发明人相信，液体不均匀分布的水平的降低至少部分地由于相关的在填充物的表面上的液体薄膜厚度的减小。随着液体薄膜比现有的海面上的柱子中的液体薄膜薄，当柱子偏离开竖向对准状态前后、向里向外运动时，将比较不容易受到惯性的影响。这样，在柱子内的液体的分布将较少受到运动的影响，并且，至少保持柱效率不变、或者甚至会改进柱效率。
可以将汽/液接触柱设置在陆地上或者设置在海面上。在柱子设置在陆地上的实施例中，风、甚至穿过地球的地震可能使柱子经受偏离开竖向准直状态的运动。在柱子设置在海面上的实施例中，风和海水运动可能使柱子经受偏离开竖向准直状态的运动。
本发明在海面应用中特别有用。在这样的应用中，常常把柱子安装在漂浮的平台上。
本发明人已经发现，在使液体重新分布之前，应该使带有结构的填充物的长度保持在特定的范围内，不管柱子的直径如何。这个范围为由大约1米到大约6米，但是，最好为由大约2米到大约4米。
带有结构的填充物的成本与比表面积成正比。因此，带有结构的填充物的比表面积通常不大于大约1500m2/m3。最好，比表面积为由大约600m2/m3到大约1200m2/m3，例如由大约700m2/m3到大约800m2/m3。带有结构的填充物的比表面积典型地为大约750m2/m3。
柱子可以包括一单个区段的带有结构的填充物，如本发明的第一方面确定的区段。然而，柱子通常包括许多区段。在某些实施例中，所述多个区段中仅只一部分如本发明的第一方面确定的可能是优选的，但是，在大多数优选实施例中，所有所述多个区段由本发明的第一方面确定。
柱子可进一步包括一个设置在至少一对相邻的带有结构的填充物区段之间的液体重新分布装置。
柱子可以是热蒸馏柱，水脱氧柱，低温空气分离柱，Fischer-Tropsch反应产物分离柱，LPG复原柱，天然气液化工厂中的原料气体处理柱，或者气体干燥柱。在优选实施例中，柱子是质量传递分离柱。最好，柱子是低温空气分离柱。
按照本发明的第二方面，提供了一个用来支承海面上的石油或天然气处理设备的漂浮平台，其中所述平台包括至少一个汽/液接触柱，它包括至少一个区段的带有结构的填充物，所述区段中的至少一个区段的特征在于(a)所述区段的长度由大约1米到大约6米；并且(b)所述区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m2/m3。
该平台可以是适用于支承石油或天然气处理设备的任何漂浮平台，通常可以由包括以下设备的一组中挑选试验台，船，小船，趸船以及驳船。
带有结构的填充物和漂浮平台的汽/液接触柱的区段可以有上面描述过的特点中以任何技术上可行的方式组合起来的任何特点。
图1示出了处于稳态的一个汽/液接触柱。该柱处于竖向准直状态，因此，通过该柱的液体流在横截着柱子的水平面上是均匀的。横截着柱子的宽度在任何一点处液体的流通量基本上是相同的。
图2示出了偏离开竖直方向倾斜θ度的汽/液接触柱。通过该柱的液体流在横截着柱子的水平面上不是均匀的。朝向柱子在倾斜方向上的那一侧，液体的流通量将比较大。
图3示出了漂浮的平台比如船将经受的“海水运动”。按照在这样的平台上的汽/液接触柱也将经受相同的运动，因此，该柱子将不处于稳定状态。
示例采用在图4中示出的柱子进行在下面的示例中的实验。该柱子5米高，直径为1米，由无色透明的聚丙烯材料制成(因此，可以观测在该柱中流过的液体，并且可以由柱子的外面进行录影)。用金属的带有结构的填充物填充该柱子。
在靠近中间的高度上把该柱子安装在枢轴上，使用机械驱动装置使柱子关于枢轴运动。使用加压的分布装置，使得在柱子中初始的液体分布不受柱子的倾斜或者运动的影响。
在实验中使用的液体主要成分是水，带有表面活性剂溶液和去泡沫剂，如在表1中所示出的那样。该混合物的表面张力明显地比水的表面张力小，但是比液氧或液氮的表面张力大(见表1)。
表1
*动力学粘度通过收集设在柱子的底部的小腔室中的液体研究静止倾斜对整个柱子的液体分布的影响。将这些小腔室分组，形成27排，与倾斜的平面成90度角，如在图5中所示出的那样。以每排的平均流量关于在柱子中的排的位置的图示出结果。
通过连续地对于所选定的小腔室测量流通量研究运动对柱子内液体分布的影响。或者在通过柔性管连接到测量小腔室的小腔室中测量流通量，或者在单一的小腔室中测量流通量，液体由该单一的小腔室自由地流入一个与柱子一起运动的测量小腔室中。在如图6中示出的环形区段中以在N-S轴线上的小腔室中测量的流通量为基础分析运动试验的结果。
可以使用下面的倾斜和运动研究的结果确定在这些条件下低温空气分离柱系统的性能。在这些研究中，研究了低压柱的填充物的底部区段。通过产生包含平行柱的模型、采用Aspen PlusTM模拟蒸馏。对20个理想阶段进行建模。
示例1-填充物的比表面积的影响通过比较比表面积为500m2/m3的填充物与比表面积为750m2/m3的填充物的性能研究增加在柱子中使用的带有结构的填充物的比表面积的影响。下面是实验条件的汇总●标准的带有结构的填充物的2米的填充高度(500m2/m3或750m2/m3的比表面积)；●到达填充物的液体流速为1.6l/s(94l/min)；●液体混合物(由750ppm Surfynol 420与50ppm SurfynolDF110泡沫抑制剂构成)，在20℃下表面张力为35dyne/cm)；●加压的分布装置；以及●试验条件(a)静止(竖直方向上)；(b)静止(1度倾斜)；(c)静止(4度倾斜)；以及(d)运动(±3度倾斜，频率为35s)。
在图7到10中分别图示地示出了试验(a)到(d)的结果(每排或每个环的平均液体流通量)。
图7到9示出了液体不均匀分布的程度与柱子倾斜的角度成正比。当使用表面积较大的填充物时，特别是当柱子是竖直的或者仅只倾斜1度时，平均液体流量似乎有较小的变化。
图10表明，当使用表面积较大的填充物时，在运动(±3度倾斜，频率为35s)的柱子中的液体流通量在柱子的整个截面上明显地更接近理论流量。这个结果清楚地表明，增加带有结构的填充物的比表面积将降低在运动的柱子中液体不均匀的水平。
由试验(a)到(d)在实验上导出的对于两种类型的柱子填充物的流通量用作对平行的柱子建模分析的输入数据，假设10个理想阶段的两区段、并且蒸汽和液体将在这两区段之间重新分布。在表2中列出了得出的柱效率，且这些柱效率是由实验工作中发现的不均匀分布造成的20个阶段内包含的柱效率。
表2
建模的结果支持由上面的图得出的结论，即，通过增加带有结构的填充物的比表面积可以降低在运动的柱子内液体的不均匀分布。
示例2-液体薄膜厚度的影响通过比较在两个液体流动速率下比表面积为750m2/m3的填充物的性能研究液体流动速率(因此，液体薄膜的厚度)对填充物的表面的影响。下面是实验条件的汇总●比表面积为750m2/m3的标准带有结构的填充物的2米的填充高度；●到达填充物的液体流速为1.6l/s(94l/min)或者3.1l/s(188l/min)；●液体混合物(由750ppm Surfynol 420与50ppm SurfynolDF110泡沫抑制剂构成)，在20℃下表面张力为35dyne/cm)；●加压的分布装置；以及●试验条件(a)静止(竖直方向上)；(b)静止(1度倾斜)；(c)静止(4度倾斜)；以及(d)运动(±3度倾斜，频率为35s)。
在图11到14中分别图示地示出了试验(e)到(h)的结果(每排或每个环的平均液体流通量)。图11到14中的每个图示出，对于较高的液体流速(因此，对于较厚的液体薄膜)液体不均匀分布的程度比对于较低的液体流速要大。这些结果支持本发明人的设想较薄的表面薄膜将改进液体对运动的承受能力和在倾斜的柱子或运动的柱子内液体的分布。
由试验(e)到(h)在实验上导出的对于两个流速的流通量用作对平行的柱子建模分析的输入数据，假设10个理想阶段的两区段、并且蒸汽和液体将在这两区段之间重新分布。在表3中列出了得出的柱效率，这些柱效率是由实验工作中发现的不均匀分布造成的20个阶段内包含的柱效率。
表3
建模的结果支持由上面的图11到14得出的结论，即，用较高的液体流速会降低比表面积为750m2/m3的填充物的性能，支持较薄的表面薄膜会获得较好性能的观点。
将会理解，本发明不限于上面参考着优选实施例描述的细节，而是，可以实现大量的改进和变化，但不偏离由下面的权利要求书确定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种至少一个带有结构的填充物的区段的用途，所述区段或者每一个所述区段的特征在于(a)所述区段的长度由大约1米到大约6米；并且(b)所述区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m2/m3，在环境条件对所述柱子的稳态运行有负面影响的位置运行的汽/液接触柱中减小在运动情况下所述柱中液体的不均匀分布。
2.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述位置是在海面上。
3.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述汽/液接触柱安装在漂浮平台上。
4.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述区段的长度为由大约2米到大约4米。
5.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述带有结构的填充物的比表面积不大于大约1500m2/m3。
6.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述带有结构的填充物的比表面积为大约750m2/m3。
7.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，所述柱子包括多个带有结构的填充物的区段，其中所述区段中的至少一个区段如在权利要求1中确定的那样。
8.按照权利要求7所述的用途，其特征在于，在所述柱子中的每个带有结构的填充物的区段如在权利要求1中确定的那样。
9.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，其还包括设置在带有结构的填充物的至少一对相邻的区段之间的液体分布装置。
10.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，区段柱子是质量传递分离柱。
11.按照权利要求1所述的用途，其特征在于，区段柱子是低温空气分离柱。
12.一种用来支承海面上的石油或天然气处理设备的漂浮平台，其中，所述平台包括至少一个汽/液接触柱，它包括至少一个带有结构的填充物的区段，所述区段或者所述区段中的至少一个区段的特征在于(a)所述区段的长度由大约1米到大约6米；以及(b)所述区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m2/m3。
13.按照权利要求12所述的漂浮平台，其特征在于，其由以下设备组中挑选，所述设备组包括试验台，船，小船，趸船以及驳船。
全文摘要
在环境条件对柱子的稳态运行有负面影响的位置运行的汽/液接触柱中使用至少一个带有结构的填充物的区段，以便减小在运动情况下柱中的液体的不均匀分布，该区段的特征是(a)该区段的长度由大约1米到大约6米；并且(b)该区段的带有结构的填充物的比表面积大于500m
文档编号B01J19/32GK1854656SQ20061007746
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者V·怀特, M·A·卡尔巴斯, B·瓦尔迪, J·威尔逊 申请人:气体产品与化学公司