全逆流式的热回收装置
技术领域
本发明属于化工设备
技术领域
，具体为一种全逆流式的热回收装置。背景技术
列管换热器作为合成气热能回收的常规设备，得到广泛的应用，由于合成气中含有高浓度的氢气，为了避免焊缝的氢腐蚀，需要采用耐高温，耐强氢腐蚀腐蚀的焊接材料，导致换热器的制作成本较高，且设备的维护成本也较高。另外列管换热器的结构一般是采用半逆流式结构，即换热管只有部分区域是逆流式换热，而另一部分区域为顺流式换热，降低了换热器的换热效率。
发明内容
为提高换热效率，本申请提供了一种全逆流式的热回收装置，其包括沿一轴线方向延伸的外壳，在该外壳内设置有一分割管板，该分割管板将外壳的内腔沿该轴线方向分割为换热腔和进水腔，在换热腔内设置有换热筒，该换热筒包括密封连接在一起的进气筒和内筒，其中进气筒位于内筒背离分割管板的一侧，换热筒与外壳之间形成一回气腔，在外壳上安装有连通该进气筒的进气管和连通该回气腔的排气口；该轴线沿水平方向延伸；
在进气筒内设置有一回水件，该回水件包括内管板和密封地安装在该内管板上的内封头，内管板与内封头之间形成一回水腔；
内筒朝向内管板的一端形成有进气通道，内筒的内腔经该进气通道连通进气筒；内筒朝向分割管板的一端具有出气通道，内筒的内腔经该出气通道连通回气腔；
在换热筒内安装有沿轴线方向延伸的列管，列管的一端密封地安装在内管板上、并连通回水腔，列管的另一端密封地安装在分割管板上、并连通进水腔；排水管的一端密封地安装在内管板上、并连通回水腔，排水管的另一端密封地贯穿分割管板和外壳后形成为冷媒出口；在外壳上安装有连通进水腔的冷媒进口。列管为沿轴线方向延伸的直管。
本申请中的热回收装置能够用于合成气的反应热回收，合成气与传热介质处于完全逆流状态，相比现有的半逆流设备，能够提高换热效率10-15％，由于换热效率的提高，有利于提高传热介质的出口温度。由于采用直管形式的列管，能够使各列管在热胀冷缩时，产生几乎相同的伸缩量，使各列管能够同步伸缩，大幅度地降低了由于列管伸缩不同步而产生的内应力，同时可以减少列管与管板焊接处的应力效应。
采用U型管作为换热管时，由于U型管的进水段和出水段温度变化的不同，所产生的伸缩量不同，导致U型管与管板处的焊接处出现较大的内应力。由于能够有效地降低设备各部件之间在产生伸缩时的内应力，由此可以降低设备的抗应力处理费用，同时由于提高了换热效率，能够降低合成气在热回收装置中的出口温度，并降低分割管板的最高使用温度，并由此可以降低分割管板区域的材料等级，以降低设备的制作费用。采用本申请，在处理相同合成气流量的情况下，能够降低5-10％的设备制作费用。
本申请中，列管与分割管板之间的焊缝位于进水腔内，列管与内管板之间的焊缝位于回水腔内，在工作时，合成气不会接触列管与分割管板和内管板之间的焊缝，而且这两处的焊缝均与传热介质接触，与合成气的温度相比，处于较低的温度区域，能够有效地防止氢腐蚀。
本申请中，采用直管式的列管，由于无需考虑U型换热管的弯曲部的占用空间，能够提高列管的安装密度，降低设备直径，使设备设计为细长型，延长换热距离，更有利于提高换热效率，同时由于设备直径的降低，能够降低设备的制作难度。
进一步，为保证列管在热胀冷缩时，能够自由地伸长和回缩，内筒与回水件之间无连接，且内筒与回水件之间的间隙形成为进气通道；内筒与分割管板之间无连接，且内筒与分割管板之间的间隙形成为出气通道；在径向方向上，回水件与进气筒之间具有环形气道，进气通道经该环形气道连通进气管。该径向方向是指垂直于轴线的方向。且回水件仅连接在列管和排水管上。本申请中，内封头位于内管板背离分割管板的一侧，内管板与内筒之间的最佳距离为150-400mm；内筒与分割管板之间的最佳间隙为150-400mm，优选内管板与内筒之间的距离以及与分割管板之间的间隙相同，以保证合成气的顺利流过，避免对合成气产生局部过大的阻力。
上述结构能够使回水件悬空在进气筒中，在列管由于热胀冷缩而使长度变化时，不会受到回水件的限制，能够沿轴线方向自由伸缩，避免产生内应力，从而避免由此产生的焊缝开裂等问题，保证了设备的安全运行，提高了设备的使用寿命。
进一步，为增强传热效率，沿该轴线方向，在内筒的内腔中安装有至少三个间隔设置的折流杆组，每个折流杆组均包括若干根折流杆，同一个折流杆组内的折流杆相互平行且间隔设置，所有的折流杆均垂直于该轴线方向；中心管和内筒同轴设置，每个折流杆组均滑动地支撑在排水管和内筒上；
沿该轴线方向观察，至少有一个折流杆组内的折流杆与另一个折流杆组内的折流杆相交叉，使折流杆之间形成穿管孔，列管自由地穿过该穿管孔后连接到内管板和分割管板上。
形成穿管孔后，折流杆不但可以作为合成气的折流部件，提高对合成气的扰动，提高换热效率，由于折流杆支撑在内筒中，还可以成为列管的支撑件，避免列管背离分割管板的一端由于重力作用而下弯，由于列管自由地穿过穿管孔，不会限制列管由于热胀冷缩而产生的伸缩，由此进一步避免了列管由于热胀冷缩而产生的内应力，大幅度地降低了列管与分割管板和内管板焊缝的开裂概率。使每个折流杆组均滑动地支撑在排水管和内筒上，能够使排水管和内筒均能够独立地自由伸缩，避免两者之间产生影响。
优选地，沿该轴线方向观察，穿管孔呈正方形或正六边形。该设计能够使折流杆均匀地布置在内筒中，还能够均匀地为列管提供支撑，形成正方形或正六边形的穿管孔能够最大限度地使列管均匀布置。在将穿管孔设置为正方形或正六边形后，能够提高列管的安装密度，以降低设备体积。
进一步，为提高安装效率，每个折流杆组均包括一定位环，在该定位环内固定安装有相互平行的折流杆，每N个折流杆组的定位环经连接件连接为一个安装组，N为2-5之间的整数。
在进行设备制作时，可以首先在设备外部将多个折流杆组组装成一个整体形式的安装组，然后再将各个安装组安装到内筒中，而且采用N个折流杆组构成一个安装组，可以便于对各个折流杆组件进行一次性定位，提高安装效率。
进一步，为降低换热筒在热胀冷缩时的内应力，该进气筒与内筒之间具有一台阶部。设置台阶部后，能够使换热筒在伸缩变形时，主要集中在该台阶部处，减少其它区域的变形，此时，台阶部的变形主要为弯曲变形，降低换热筒组成部件之间焊缝的应力效应。
进一步，在换热腔的内壁的下侧安装有垫板，在换热筒上固定安装有滑动块，该滑动块能够在垫板上沿轴线方向往复滑动。利用滑动块，在保证换热筒自由伸缩的同时，还可以为换热筒提高支撑，避免换热筒由于重力而产生弯曲变形。
进一步，该进气管用于连接合成气反应器，该合成气反应器具有一连接管和一反应气出口管，该连接管外套在该反应气出口管上；
当该进气管连接到合成气反应器上时，该连接管密封地连接到该进气管上，该反应气出口管插入到进气管内、并密封地连接到进气筒上，且该反应气出口管的外壁密封地抵压到进气管朝向外壳的内腔的一端上，在反应气出口管与进气管之间形成第一环形腔，在反应气出口管与连接管之间形成第二环形腔，该第一环形腔经第二环形腔连通合成气反应器的进气腔，该进气腔连通合成气反应器的反应腔；
在该进气管上安装有连通该第一环形腔的保护气入口管，保护气能够经该保护气入口管进入到第一环形腔内，并依次经第二环形腔和进气腔进入到反应腔内进行反应，该保护气为合成气原料气。
设置保护气入口管后，可以向第一环形腔内充入保护气，以降低进气管的温度，从而降低进气管由于热胀冷缩而导致的变形，还能够使进气管的温度保持在440℃以下，降低进气管的材质要求，以降低设备的制造费用。由于保护气采用合成气原料气，完成冷却的保护气直接进入到反应腔进行反应，可以取消保护气回收管道，降低设备的安装费用，以及保护气的生产费用。
进一步，为保证换热效率，当该热回收装置工作时，合成气由进气管进入到进气筒内，然后经进气通道进入到内筒中，再经出气通道和回气腔由排气口排出，进入下道工序；
传热介质由冷媒进口进入到进水腔内，然后进入到列管内，与列管外部的合成气进行换热，完成换热的传热介质汇集到回水腔内，然后经排水管和冷媒出口排出；
合成气的进口温度为425-435℃，合成气的出口温度为215-225℃；传热介质的进口温度为130±5℃，传热介质的出口温度为215±5℃。在本申请中，合成气的进口温度为合成气进入到热回收装置内时的温度，合成气的出口温度为合成气排出热回收装置时的温度。
传热介质具体可以为水、蒸汽或导热油等无腐蚀性介质。
附图说明
图1是本发明的一实施例的结构示意图。
图2是图1中W部分的放大图。
图3是图2中X部分的放大图。
图4是图2中A-A向的放大图。
图5是图2中B-B向的放大图。
图6是图2中C-C向的放大图。
图7是沿轴向观察时，列管排列的局部放大图。
具体实施方式
请参阅图1，图1中，箭头200表示轴线方向，该轴线沿水平方向延伸。
一种全逆流式的热回收装置，其包括一沿轴线方向延伸的外壳10，该外壳包括依次连接为一体的气侧管箱11、复合筒体12和水侧管箱13，并在复合筒体12与水侧管箱13之间设置有分割管板33，在气侧管箱11背离分割管板的一端安装有平板封头15，在水侧管箱13背离分割管板33的一端安装有圆形封头14，并在圆形封头14的中心部开设有人孔133，并在人孔133上安装有盖板134，其中的复合筒体12由多层钢板叠合而成，复合筒体12即现有技术中的包扎筒体。在外壳的下侧安装有滑动支座100。
分割管板33将外壳的内腔沿该轴线方向分割为换热腔101和进水腔102，其中换热腔101为气侧管箱11和复合筒体12所圈围的区域，进水腔102为水侧管箱13所包围的区域。
在换热腔101内设置有换热筒，该换热筒包括密封连接在一起的进气筒28和内筒25，该进气筒28包括沿轴线方向依次焊接在一起的进气部21、偏心部22和正心筒23，其中正心筒23位于偏心部朝向内筒25的一侧，使正心筒23连接到内筒25上。
正心筒23为与内筒25同心设置的一个圆筒，且内筒的外径小于正心筒23的内径，在正心筒23朝向内筒25的一侧焊接有一环形板232，该环形板232朝向正心筒23的内侧方向延伸，内筒25密封焊接在该环形板232上，使环形板232形成一台阶部，即进气筒与内筒之间具有一台阶部。本实施例中，内筒的外径较正心筒的内径少250mm，使内筒的外壁与正心筒的内壁之间具有125mm的距离，使换热筒在受热变形时，轴向方向的变形能够主要集中在该环形板上，减少其它区域的变形。可以理解，在其它实施例中，可以根据具体设备的大小以及使用温度，来设置台阶部的具体尺寸。当然，还可以使内筒的内径大于正心筒的外径。
换热筒与外壳之间形成一呈环状的回气腔103，在外壳上安装有进气管51和排气口111，其中的进气管51连通该进气筒28，排气口连通回气腔。
在进气筒28内设置有一回水件36，该回水件36包括内管板32和密封地安装在该内管板上的内封头31，内封头31位于内管板32背离分割管板33的一侧，内管板32与内封头31之间形成一回水腔37。
内筒25位于内管板32与分割管板33之间，内筒25朝向内管板32的一端形成有进气通道24，内筒25的内腔经该进气通道24连通进气筒28。内筒25朝向分割管板33的一端具有出气通道26，内筒25的内腔经该出气通道26连通回气腔103。
本实施例中，内筒25与回水件36之间无连接，且内筒与回水件之间的间隙形成为进气通道24；内筒25与分割管板33之间无连接，且内筒与分割管板之间的间隙形成为出气通道26。回水件36仅经内管板32连接在下述的列管41和排水管34上。在径向方向上，回水件与进气筒之间具有环形气道，进气通道经该环形气道连通进气管。排水管与下述的折流杆无连接，以便于排水管的自由伸缩。
在换热筒内安装有若干根相互平行的列管41，列管41为沿轴线方向延伸的直管，列管41的一端密封地安装在内管板32上、并连通回水腔37，列管41的另一端密封地安装在分割管板33上、并连通进水腔102；排水管34的一端密封地安装在内管板32上、并连通回水腔37，排水管34的另一端密封地贯穿分割管板33和外壳后形成为冷媒出口132；在外壳上安装有连通进水腔102的冷媒进口131。
请同时参阅图2-图7，本实施例中，沿该轴线方向，在内筒的内腔中安装有45个间隔设置的折流杆组，每个折流杆组均包括若干根折流杆，同一个折流杆组内的折流杆相互平行且间隔设置，所有的折流杆均垂直于该轴线方向。
每个折流杆组均包括一定位环，在该定位环内固定安装有相互平行的折流杆，每3个折流杆组的定位环经连接件连接为一个安装组，沿该轴线方向观察，相邻的三个折流杆组中的折流杆之间形成穿管孔，可以理解，在其它实施例环状，还可以将2个、4个或5个折流杆组连接为一个整体，以便于安装。中心管和内筒同轴设置，各折流杆组均经定位环滑动地支撑在排水管和内筒上。
为便于描述，将连接为一个安装组的3个折流杆组按序依次称为第一折流杆组430、第二折流杆组440和第三折流杆组450。第一折流杆组430包括第一定位环431和焊接在第一定位环内的第一折流杆43，第二折流杆组440包括第二定位环441和焊接在第二定位环内的第二折流杆44，第三折流杆组450包括第三定位环451和焊接在第三定位环内的第三折流杆45。第一折流杆43与水平面之间的夹角α的角度为60°，第二折流杆44与水平面之间的夹角β的角度也为60°，且第一折流杆43与第二折流杆44的倾斜方向相反，使第一折流杆43与第二折流杆44之间的夹角也为60°，第三折流杆45与水平面之间相平行。
第一定位环431、第二定位环441和第三定位环451经连接板47连接起来，使第一折流杆组430、第二折流杆组440和第三折流杆组450连接为一个安装组。同时各定位环焊接在拉杆46上，使所有的折流杆组成为一个整体。
沿该轴线方向观察，相邻的两个折流杆组的折流杆呈60°角交叉，连接为一个安装组的3个折流杆组中的折流杆之间形成呈六边形的穿管孔，列管41自由地穿过该穿管孔后连接到内管板和分割管板上。
可以理解，还可以使一个折流杆组中的折流杆与相邻的折流杆组中的折流杆相垂直，使所形成的穿管孔呈正方形。
在换热腔101的内壁的下侧安装有垫板121，在进气筒的下侧固定安装有滑动块231，该滑动块231能够在垫板121上沿轴线方向往复滑动。使换热筒在热胀冷缩时具有一定的自由伸缩量，同时滑动块231可以避免换热筒直接抵靠在外壳上。可以理解，在其它实施例中，还可以在内筒的下侧安装滑动块，或在进气筒和内筒的下侧同时安装滑动块。
该进气管51用于连接合成气反应器800，该合成气反应器800具有一连接管801和一反应气出口管802，该连接管801外套在该反应气出口管802上。
当该进气管51连接到合成气反应器800上时，该连接管801经Ω密封环803密封地连接到该进气管51上，该反应气出口管802插入到进气管51内、并经金属弹性环59密封连接到进气筒28的进气部21上。
该反应气出口管802的外壁经填料组件58密封地抵压到进气管51朝向外壳的内腔的一端上，在反应气出口管802与进气管51之间形成第一环形腔54，在反应气出口管802与连接管801之间形成第二环形腔808，该第一环形腔54经第二环形腔808连通合成气反应器的进气腔807，该进气腔807连通合成气反应器800的反应腔806。合成气反应器设置有连通进气腔807的原料气进口管804。
在该进气管51上安装有连通该第一环形腔54的保护气入口管53，保护气能够经该保护气入口管进入到第一环形腔54内，并依次经第二环形腔808和进气腔807进入到反应腔内进行反应，完成反应的合成气进入到收集管805内，该收集管805连通反应气出口管802。该保护气为合成气原料气。
在本实施例工作时，合成气由进气管进入到进气筒内，然后经回水件36与进气筒之间的环形气道、以及进气通道进入到内筒中，再经出气通道和回气腔由排气口排出，进入下道工序；传热介质由冷媒进口进入到进水腔内，然后进入到列管内，与列管外部的合成气进行换热，完成换热的传热介质汇集到回水腔内，然后经排水管和冷媒出口排出。
合成气的进口温度为425-435℃，合成气的出口温度为215-225℃；传热介质的进口温度为130±5℃，传热介质的出口温度为215±5℃。
本实施例中，采用热水作为传热介质。可以理解，在其它实施例中，传热介质还可以采用蒸汽或导热油。
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