泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的全生命周期成本評(píng)價(jià)

喬玉棟，高鑫，2，3，李洪，2，3，李鑫鋼，2，3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的全生命周期成本評(píng)價(jià)

喬玉棟1，高鑫1，2，3，李洪1，2，3，李鑫鋼1，2，3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

利用全生命周期成本理論（LCC）方法，對(duì)新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料（SCFP-SiC）和傳統(tǒng)的金屬波紋板規(guī)整填料（SCMP）從原材料采購(gòu)、填料生產(chǎn)以及使用的整個(gè)生命周期進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)比較。結(jié)果表明，SCFP-SiC填料的生產(chǎn)成本相比SCMP填料的生產(chǎn)成本偏高，但SCFP-SiC 填料生產(chǎn)成本受原材料價(jià)格波動(dòng)影響較小；在使用階段，無(wú)論是降低塔高從而降低固定成本方面，還是降低回流比從而降低可變成本方面，SCFP-SiC 填料均具有總成本優(yōu)勢(shì)。另外綜合新型SCFP-SiC 填料所具有的超強(qiáng)耐腐蝕性能，未來(lái)使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料替代傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

規(guī)整填料；生產(chǎn)；蒸餾；經(jīng)濟(jì)；全生命周期；成本評(píng)價(jià)

引　言

波紋規(guī)整填料經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)今填料塔中最常用的填料，廣泛應(yīng)用于石油化工、制藥、香料工業(yè)和精細(xì)化工等領(lǐng)域［1-3］。但其主要材質(zhì)是304不銹鋼，耐腐蝕較差，使用周期短，同時(shí)其傳質(zhì)性能的提高也受到材質(zhì)的限制愈發(fā)困難［4］。

泡沫碳化硅陶瓷材料是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型陶瓷材料，它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕、密度小、熱導(dǎo)率高、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于化工、能源、冶金等領(lǐng)域［5-7］。將其應(yīng)用到填料領(lǐng)域的研究近些年也層出不窮［8-14］。天津大學(xué)精餾技術(shù)國(guó)家工程研究中心聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院金屬研究所開(kāi)發(fā)出泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料（SCFP-SiC）［15］，經(jīng)過(guò)大量研究比較，SCFP-SiC填料的干、濕壓降相比BX金屬絲網(wǎng)波紋填料略低，而其傳質(zhì)效率顯著提高［16］。使用環(huán)己烷-正庚烷物系在相同噴淋密度下其理論板數(shù)是BX填料的 1.3～1.7倍［16］。但對(duì)于其工業(yè)化應(yīng)用還有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，特別是對(duì)其從生產(chǎn)到使用整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)對(duì)于新產(chǎn)品的應(yīng)用至關(guān)重要，且未有相關(guān)方面的文獻(xiàn)報(bào)道，因而在投入大規(guī)模使用之前需要對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估。

全生命周期是指產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、銷售、使用，直到回收的全過(guò)程。全生命周期成本（life cycle cost， LCC）的概念最早是由美國(guó)國(guó)防部提出［17］。其定義為：政府為了設(shè)置和獲得系統(tǒng)以及系統(tǒng)一生所消耗的總費(fèi)用，其中包括開(kāi)發(fā)、設(shè)置、使用、后勤支援和報(bào)廢等費(fèi)用［18］。

LCC理論在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。波音公司在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用 LCC理論計(jì)算研發(fā)成本［19］；在制造業(yè)，通過(guò)估算機(jī)器的全生命周期成本，從用戶環(huán)節(jié)達(dá)到控制成本的目標(biāo)［20］，同時(shí)將 LCC 方法應(yīng)用于設(shè)備的購(gòu)置和管理，從而降低成本［21］；在汽車領(lǐng)域，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在概念設(shè)計(jì)階段估算并降低全生命周期成本［22］；在交通領(lǐng)域，用生命周期成本理論分析輕軌交通實(shí)施的經(jīng)濟(jì)可行性［23］。在化工領(lǐng)域，采用LCC的研究方法表明木薯燃料乙醇的成本比汽油高，無(wú)論以何種形式應(yīng)用木薯燃料乙醇，都需要政府的財(cái)政補(bǔ)貼支持［24］；將 LCC理論運(yùn)用到天然氣制乙炔過(guò)程，得到在電弧裂解法、部分氧化法和等離子裂解法3種工藝中，部分氧化法制得乙炔的生產(chǎn)工藝最優(yōu)［25］。但在精餾分離領(lǐng)域還未見(jiàn)到用相關(guān)方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的案例。

本文旨在利用全生命周期成本理論，綜合全生命周期的概念，對(duì)新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料和傳統(tǒng)的金屬波紋板規(guī)整填料從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行分析比較。在分析中，產(chǎn)品生命周期包括原料（包括生產(chǎn)過(guò)程使用的原材料、使用過(guò)程消耗的能源）從開(kāi)采、加工到可被企業(yè)或用戶使用的過(guò)程。因此，本文所研究的系統(tǒng)邊界限定為從原材料的開(kāi)采、加工、填料的制造、產(chǎn)品在精餾過(guò)程中的使用所發(fā)生的成本的總和。

1　生產(chǎn)過(guò)程、流程模擬與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1兩種填料的生產(chǎn)過(guò)程

圖1為傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料的生產(chǎn)過(guò)程。在傳統(tǒng)填料中選擇500X這一型號(hào)與新型填料進(jìn)行比較。在SCMP填料的生產(chǎn)過(guò)程中最主要的原材料是304不銹鋼。填料生產(chǎn)廠家從市場(chǎng)上購(gòu)買304不銹鋼卷，隨后經(jīng)過(guò)一系列物理加工過(guò)程制得SCMP填料。所有的加工過(guò)程都是電力驅(qū)動(dòng)的。

圖1　SCMP填料的生產(chǎn)過(guò)程Fig.1　Production procedures for SCMP

圖2　SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)過(guò)程Fig.2　Production procedures for SCFP-SiC

圖2為新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的生產(chǎn)過(guò)程。在新型填料中選擇一種和500X填料具有相同比表面積和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的SCFP-SiC填料與傳統(tǒng)填料進(jìn)行比較。SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)過(guò)程相對(duì)而言更加復(fù)雜，也需要更多的原材料。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程可以分為3個(gè)主要步驟：首先是料漿的制備，其次是泡沫碳化硅陶瓷波紋板的制備，最后一個(gè)步驟是將陶瓷波紋板進(jìn)行進(jìn)一步加工，即可制得SCFP-SiC 填料。

1.2使用過(guò)程的流程模擬

混合二甲苯是鄰二甲苯（OX）、間二甲苯（MX）和對(duì)二甲苯（PX）以及乙苯（EB）的混合物［26］。該混合物系的分離是一個(gè)典型的化工分離過(guò)程，各分離產(chǎn)物用途也較廣，因而在本文的比較中，混合二甲苯的分離過(guò)程被作為使用過(guò)程中兩種填料進(jìn)行比較時(shí)的參考分離流程。

圖3為采用Aspen Plus 軟件對(duì)混合二甲苯的分離進(jìn)行模擬的流程。混合二甲苯首先進(jìn)入第1個(gè)塔DE-EB從塔頂脫除成分中的乙苯。剩余部分隨后進(jìn)入第2個(gè)塔SE-OX以便從底部分離鄰二甲苯。對(duì)二甲苯和間二甲苯的混合物則從第 2個(gè)塔的塔頂采出，隨后用其他的分離方法進(jìn)行分離。后續(xù)流程則不在本文的討論和比較之中。

圖3　混合二甲苯分離過(guò)程模擬流程Fig.3　Simulation flow for separation of m ixed xylenes

在流程模擬中，根據(jù)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)設(shè)定了一系列的初始模擬參數(shù)。整套裝置的產(chǎn)量定為4000噸/年。進(jìn)入第1個(gè)塔的混合二甲苯原料的組成分別為：20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的鄰二甲苯、45%的間二甲苯、20%的對(duì)二甲苯以及15%的乙苯，這一組成是從重整油中得到的混合二甲苯的組成比例［27］。

同時(shí)設(shè)定第1個(gè)塔DE-EB塔頂采出的乙苯純度為99.6%，第2個(gè)塔SE-OX塔底采出的鄰二甲苯純度為98%。此外，分別設(shè)定塔頂采出占進(jìn)料量的比例在兩個(gè)塔中分別為0.147和0.765。

使用傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料的精餾塔被作為比較新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的基準(zhǔn)。SCMP填料的等板高度為0.32 m，也就是說(shuō)1 m該填料的理論塔板數(shù)為 3.1塊［28］。模擬結(jié)果表明，使用SCMP填料時(shí)，塔DE-EB的回流比和理論塔板數(shù)分別為103.5和314塊理論塔板，則該塔的高度和內(nèi)徑分別為102 m和1 m。相似地，塔SE-OX的回流比和理論塔板數(shù)分別為12.0和119塊理論塔板，則其塔高和內(nèi)徑分別為39 m和0.8 m。根據(jù)以上結(jié)果，所需的SCMP填料體積總計(jì)為99.7 m3。使用SCFP-SiC填料的模擬結(jié)果和SCFP-SiC填料的傳質(zhì)效率有關(guān)，將在后文闡述。

1.3數(shù)據(jù)來(lái)源

本文中，生產(chǎn)傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料的原材料和能源消耗數(shù)據(jù)采集于設(shè)立在天津市的北洋國(guó)家精餾技術(shù)有限公司實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)，該公司生產(chǎn)SCMP填料的方法在工業(yè)上具有典型性和代表性。新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集于研究團(tuán)隊(duì)位于沈陽(yáng)市的中國(guó)科學(xué)院金屬研究所。原材料的價(jià)格數(shù)據(jù)為本文撰寫(xiě)時(shí)的當(dāng)期價(jià)格。

2　結(jié)果與討論

2.1生產(chǎn)過(guò)程

2.1.1生產(chǎn)成本表 1和表 2 分別為生產(chǎn) 1 m3SCFP-SiC 填料和SCMP填料所需要的原材料和能源的消耗數(shù)據(jù)。選擇1 m3為比較基準(zhǔn)是因?yàn)樵搯挝皇翘盍仙a(chǎn)和銷售時(shí)的常用單位。

表1　生產(chǎn)1 m3SCFP-SiC 填料所消耗的原材料和能源Table 1　Consum ption of raw materials and energy for producing 1 m3SCFP-SiC

表2　生產(chǎn)1 m3SCMP填料所消耗的原材料和能源Table 2　Consumption of raw materials and energy for producing 1m3SCMP

假設(shè)在SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)過(guò)程中原材料的價(jià)格和消耗量分別為Pi（i=1，2，3，4，5）和Mi（i=1，2，3，4，5）；在SCMP填料的生產(chǎn)過(guò)程中的原材料（即304不銹鋼）價(jià)格為P6，電力價(jià)格為P7，人工時(shí)的價(jià)格為P8，兩種填料生產(chǎn)過(guò)程中的其他費(fèi)用均為Q。則有：

1 m3SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本

1 m3SCMP填料的生產(chǎn)成本

需要說(shuō)明的是，本文假設(shè)兩種填料生產(chǎn)過(guò)程中的其他費(fèi)用均為Q，但其他費(fèi)用的覆蓋面比較廣，比如新型填料的生產(chǎn)工藝遠(yuǎn)比傳統(tǒng)填料更加復(fù)雜，因而安全、環(huán)保等成本可能更高，但考慮到在這兩種填料的生產(chǎn)過(guò)程中這一費(fèi)用所占的比重并不是很大，因而將其歸為其他費(fèi)用，做出二者其他費(fèi)用相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單假設(shè)應(yīng)當(dāng)是可行的。

根據(jù)2015年原材料市場(chǎng)的平均價(jià)格，C1比C2高出42.4%，即SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本比SCMP填料偏高。

2.1.2生產(chǎn)成本對(duì)生產(chǎn)要素價(jià)格的敏感度在該部分的討論中，當(dāng)改變一種原材料或者其他要素價(jià)格時(shí)，其他要素價(jià)格和成本保持不變。對(duì)于SCMP填料而言，其對(duì)不同的生產(chǎn)要素價(jià)格變化的敏感度如圖4所示。

圖4　SCMP填料生產(chǎn)成本敏感度Fig.4　Sensitivity of SCMP production cost

由圖4可知，SCMP填料的生產(chǎn)成本和304鋼材價(jià)格的變動(dòng)有很大關(guān)系，當(dāng)304鋼材價(jià)格升高20%時(shí)，其生產(chǎn)成本升高13.4%。人力成本對(duì)SCMP填料的生產(chǎn)成本也有一定的影響，當(dāng)人力成本的價(jià)格上升20%時(shí)，SCMP填料的生產(chǎn)成本上升4.4%；但SCMP填料的成本和電價(jià)的變動(dòng)幾乎并沒(méi)有太大關(guān)系。

對(duì)于SCFP-SiC 填料而言，假設(shè)電力和人力成本不隨其他成本發(fā)生變化，當(dāng)一種原材料i價(jià)格變化幅度為ri時(shí)，原材料j價(jià)格變化幅度為aijri，其中aij稱為原材料 i和原材料 j的價(jià)格相關(guān)系數(shù)。則SCFP-SiC 填料生產(chǎn)成本和原材料價(jià)格的關(guān)系式變?yōu)?/p>

式（3）中，r7和 r8表示的是電力和人力的價(jià)格變化幅度。

考慮這5種原材料可以大致分為兩大類，即無(wú)機(jī)硅原材料（包括硅粉和碳化硅粉），有機(jī)原材料（包括無(wú)水乙醇，酚醛樹(shù)脂和聚氨酯泡沫），假定每一類中相互之間的價(jià)格相關(guān)系數(shù)為 1，而不同類之間價(jià)格相關(guān)系數(shù)為0。即

則其生產(chǎn)價(jià)格隨不同生產(chǎn)要素的價(jià)格變化的敏感度如圖5所示。

圖5　SCFP-SiC 填料生產(chǎn)成本敏感度Fig.5　Sensitivity of SCFP-SiC production cost

由圖5可知，SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本與多種要素有關(guān)，其中人力成本的變動(dòng)對(duì)SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本影響最大。當(dāng)人力成本上升20%時(shí)，SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本上升8.5%。

根據(jù)以上結(jié)果，由于 SCMP填料的價(jià)格深受304鋼材價(jià)格的影響，而 SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本與多種要素有關(guān)，并且每種生產(chǎn)要素都對(duì)其成本變動(dòng)有著有限的影響。因而考慮到市場(chǎng)變化，可以認(rèn)為新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的生產(chǎn)成本相比傳統(tǒng)的金屬波紋板規(guī)整填料具有較好的穩(wěn)定性，受生產(chǎn)要素市場(chǎng)價(jià)格的變動(dòng)影響較小。

2.2使用過(guò)程

填料的使用過(guò)程的成本可以分為兩大部分，即填料的購(gòu)置費(fèi)用和操作費(fèi)用，其中填料的購(gòu)置費(fèi)用是固定成本，而操作費(fèi)用是可變成本。填料的購(gòu)置費(fèi)用是完成一定量的生產(chǎn)任務(wù)所需要的填料自身的成本價(jià)格，在填料的生命周期內(nèi)不隨使用過(guò)程中的回流比等參數(shù)發(fā)生變化，但當(dāng)需要替換填料時(shí)，填料的購(gòu)置費(fèi)用即有所增加。操作費(fèi)用主要是使用過(guò)程中的蒸汽和能耗費(fèi)用，隨使用過(guò)程中的回流比的改變發(fā)生變化，同時(shí)也和使用時(shí)間有關(guān)。

由于SCFP-SiC 填料具有較好的耐腐蝕性以及較高的理論板數(shù)，因此在保持生產(chǎn)能力不變的情況下，有兩種方法可以發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。一是不改變回流比，降低塔高，并且延長(zhǎng)使用時(shí)間，從而可以減少填料的購(gòu)置費(fèi)用，降低固定成本；二是不改變塔高，降低回流比，從而可以減少使用過(guò)程中的能耗和操作費(fèi)用，降低可變成本。這兩種方法在下文中分別進(jìn)行考慮。

需要進(jìn)行說(shuō)明的是，在該部分的分析中，由于固定成本涉及到填料的生產(chǎn)成本，因而本節(jié)得出的結(jié)論不只是使用過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，進(jìn)一步說(shuō)，是連接了生產(chǎn)過(guò)程和使用過(guò)程的整個(gè)生命周期的總成本評(píng)價(jià)。

2.2.1降低塔高的數(shù)學(xué)模型為了定量比較兩種填料在使用過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，建立了簡(jiǎn)易的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。模型中的相關(guān)給定參數(shù)如下所示：

① 使用SCMP填料的填料塔的塔高為H（m）；

② 滿足分離要求和生產(chǎn)要求時(shí)，使用 SCMP填料的填料塔內(nèi)填料消耗為V（m3）；

③ SCFP-SiC 填料相比SCMP填料，單位填料層高度理論塔板數(shù)提高α倍；

④ 單位立方米SCFP-SiC 填料和SCMP填料的成本價(jià)格分別為C1和C2；

⑤ SCFP-SiC 填料和 SCMP填料的使用壽命分別為T1和T2；

⑥ 一個(gè)完整的生命周期為T1。

基于以上假設(shè)，可以算出在一個(gè)完整的生命周期內(nèi)，SCFP-SiC填料和SCMP填料的消耗分別為V/α和 T1V/T2。即在一個(gè)完整的生命周期內(nèi)，使用兩種填料時(shí)的固定成本分別為 C1V/ α 和 T1C2V/ T2。即SCMP填料的固定成本是SCFP-SiC 填料的αT1C2/C1T2倍。后續(xù)部分將對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)討論。

2.2.2降低塔高時(shí)的比較根據(jù)之前的討論結(jié)果，SCMP填料的購(gòu)置費(fèi)用是 SCFP-SiC 填料的αT1C2/C1T2倍。由于該方法并未改變使用過(guò)程中的回流比和能耗，從而并未改變可變成本。因此兩者的對(duì)比主要集中在固定成本的比較之中。

C1和C2是單位立方米SCFP-SiC 填料和SCMP填料的成本價(jià)格，其大小已在生產(chǎn)成本的分析中給出，即：C2/C1=1/（1+42.4%）=0.702，考慮到生產(chǎn)成本的波動(dòng)，假設(shè)C2/C1的取值范圍為0.6～1.2?？紤]到SCFP-SiC 填料的實(shí)際傳質(zhì)效率和使用的物系有關(guān)。根據(jù)使用環(huán)己烷和正庚烷標(biāo)準(zhǔn)物系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［16］，假設(shè)SCFP-SiC 填料的理論塔板數(shù)是SCMP填料的1.1～1.8倍，即α的取值范圍為1.1～1.8。環(huán)己烷和正庚烷標(biāo)準(zhǔn)物系是測(cè)定填料的傳質(zhì)性能的常用物系，其結(jié)果具有代表性，是可以作為參照的?？紤]到 SCFP-SiC 填料的使用時(shí)間比 SCMP填料長(zhǎng)，假設(shè)T1/T2的取值分別為1、2、5。圖6為倍數(shù)αT1C2/C1T2與 3種因素的相互影響。當(dāng)倍數(shù)大于100%時(shí)，新型SCFP-SiC 填料具有成本優(yōu)勢(shì)。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，SCFP-SiC 填料相比SCMP填料的使用時(shí)間越長(zhǎng)，即T1/T2越大，SCFP-SiC 填料的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)兩種填料使用周期相同，即圖6（a）所示T1=T2時(shí)，若兩種填料的價(jià)格不發(fā)生變動(dòng)，即C2/C1=0.702，α須大于1.42，SCFP-SiC填料才能相比SCMP填料具有成本優(yōu)勢(shì)，而這一結(jié)果在環(huán)己烷-正庚烷物系的測(cè)試中是可以達(dá)到的。若SCMP填料價(jià)格相比SCFP-SiC 填料上漲，即C2/C1增加，SCFP-SiC填料也會(huì)更有成本優(yōu)勢(shì)。

在一些強(qiáng)腐蝕性的分離過(guò)程中，如三氯氫硅的分離提純，在中試裝置的測(cè)試中，SCMP填料的使用壽命不到1年，而SCFP-SiC 填料可以使用超過(guò)3年依舊保持較好的傳質(zhì)效果。因而使用周期的比值T1/T2可以超過(guò)2甚至更多，從而即便α=1，相比較而言SCFP-SiC 填料長(zhǎng)期來(lái)看依舊具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。如圖6（c）所示，當(dāng)T1/T2為5時(shí)，在圖中表示的其他兩個(gè)因素所有范圍之內(nèi)，SCFP-SiC填料都具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

2.2.3降低回流比時(shí)的塔參數(shù)圖7 和圖8分別為使用不同填料時(shí) DE-EB 和 SE-OX 兩個(gè)塔的模擬結(jié)果。橫坐標(biāo)代表的是SCFP-SiC 填料提高理論塔板數(shù)的倍數(shù)。橫坐標(biāo)為1 的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)即為模擬數(shù)據(jù)，其結(jié)果已在前文詳細(xì)給出。在該分析部分新型填料的使用并未減少填料的體積，因而使用SCFP-SiC 填料時(shí)，填料總體積同樣為99.7 m3。

圖6　3種因素對(duì)兩種填料生產(chǎn)成本的影響Fig.6　Effect of three factors on production cost of two structured packing

在使用過(guò)程中，由于SCFP-SiC 填料具有較高的傳質(zhì)效率，提高了填料塔的理論塔板數(shù)，回流比和能耗都有明顯的下降。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數(shù)是SCMP填料的1.5倍，第1個(gè)塔DE-EB的回流比可以從 103.5降低到 92.1，也就是相比SCMP填料降低了大約 11%。相似地，第 2個(gè)塔SE-OX的回流比從12.0 降低到9.8。但當(dāng)SCFP-SiC填料的理論塔板數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，回流比的下降幅度明顯減慢，這是因?yàn)槠浠亓鞅纫呀?jīng)降低到接近最小回流比受到限制。由于能耗和回流比具有很大的關(guān)聯(lián)性，因而能耗的變化趨勢(shì)和回流比有相似之處。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數(shù)是SCMP填料的1.5倍，第1個(gè)塔DE-EB的能耗功率可以從666.8 kW降低到595.2 kW，第2個(gè)塔SE-OX的能耗功率從378.1 kW降低到306.6 kW。對(duì)整個(gè)分離過(guò)程而言，使用SCMP填料和SCFP-SiC 填料的能耗功率分別為1044.9 kW 和901.8 kW。同樣可以發(fā)現(xiàn)，其能耗功率的進(jìn)一步降低受到最小回流比的限制。但也應(yīng)注意到，即便是能耗的降低幅度較小，如果考慮到使用時(shí)間的延長(zhǎng)，使用SCFP-SiC 填料從長(zhǎng)期來(lái)看也能大幅度降低分離過(guò)程能耗，從而節(jié)省使用階段的成本費(fèi)用。這一問(wèn)題在接下來(lái)的部分會(huì)做進(jìn)一步討論。

圖7　使用不同填料時(shí)DE-EB 塔參數(shù)Fig.7 Simulation results of DE-EB tower

圖8　使用不同填料時(shí)SE-OX塔參數(shù)Fig.8　Simulation results of SE-OX tower

2.2.4降低回流比時(shí)的數(shù)學(xué)模型為了定量評(píng)價(jià)降低回流比時(shí)，兩種填料的使用過(guò)程對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響，同樣建立了簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。模型中的相關(guān)給定參數(shù)如下所示：

① 滿足分離要求和生產(chǎn)要求時(shí)，使用 SCMP填料的填料塔內(nèi)填料消耗為V（m3）；

② SCFP-SiC 填料相比SCMP填料，單位填料層高度理論塔板數(shù)提高α倍；

③ 單位立方米SCFP-SiC 填料和SCMP填料的成本價(jià)格分別為C1和C2；

④ 填料塔的年操作費(fèi)用和理論塔板數(shù)提高倍數(shù)α之間滿足函數(shù)式f（x）；

⑤ 填料塔的使用時(shí)間為t。

基于以上假設(shè)，使用SCMP填料和SCFP-SiC填料時(shí)的總成本分別為C2V+f（1）t和C1V+f（α）t。若SCFP-SiC填料相比SCMP具有成本優(yōu)勢(shì)，需要滿足條件

將這一點(diǎn)定義為填料的比較平衡點(diǎn)（break-even point，BEP）。

根據(jù)以上定義，比較平衡點(diǎn)是指泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的總成本開(kāi)始小于金屬波紋板規(guī)整填料的總成本所需要的使用時(shí)間。

對(duì)式（6）右端求導(dǎo)

之前得到，f′（α ）＜0 ，從而可得 t′（α ）＜0 ，即SCFP-SiC填料理論塔板數(shù)的提高倍數(shù)越大，比較平衡點(diǎn)越小，意味著使用SCFP-SiC 填料的填料塔可以更快地具有總成本優(yōu)勢(shì)。

上述討論是在定性比較填料使用過(guò)程的總成本，可以用比較平衡點(diǎn)這個(gè)概念對(duì)使用過(guò)程做進(jìn)一步定量比較。

2.2.5降低回流比時(shí)的比較圖9為塔的年操作費(fèi)用和比較平衡點(diǎn)與SCFP-SiC 填料可以提高的理論塔板數(shù)倍數(shù)之間的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)兩者的變化具有相似之處。隨著SCFP-SiC 填料效率的提高，塔的年操作費(fèi)用有明顯的下降。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數(shù)是SCMP填料的1.5倍，塔的年操作費(fèi)用可以從909萬(wàn)人民幣/年降低到824萬(wàn)人民幣/年，節(jié)省了約 85萬(wàn)人民幣，比例約為 9.3%。但當(dāng)SCFP-SiC 填料的效率繼續(xù)提高時(shí)，操作費(fèi)用并沒(méi)有明顯下降，這是回流比降低幅度受到限制，從而能耗降低幅度受限所致。

圖9　年操作費(fèi)用和比較平衡點(diǎn)與SCFP-SiC 填料效率提升倍數(shù)的關(guān)系Fig.9　Relationship between annual operation cost and BEP w ith improved efficiency ratio

同樣地，隨著SCFP-SiC 填料效率的提高，比較平衡點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間逐步縮短。如果 SCFP-SiC填料的理論塔板數(shù)是SCMP填料的1.5倍，其比較平衡點(diǎn)約為6.8個(gè)月，意味著在使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料6.8個(gè)月之后，相比傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料開(kāi)始具有總成本優(yōu)勢(shì)。此外，即便理論板數(shù)的提高只有1.1倍，SCFP-SiC 填料的比較平衡點(diǎn)也不過(guò)升高到16.4個(gè)月?？紤]到SCFP-SiC填料具有極好的耐腐蝕性，其使用壽命一般可以超過(guò)2年。因而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，使用SCFP-SiC 填料具有相當(dāng)大的成本優(yōu)勢(shì)。

3　結(jié)　論

本文利用全生命周期成本理論，從經(jīng)濟(jì)的角度比較了新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料和傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料從原材料采集、填料生產(chǎn)以及使用全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。從分析結(jié)果中可以得到如下結(jié)論：

（1）新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的生產(chǎn)成本相比傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料偏高，根據(jù)當(dāng)期價(jià)格，前者成本約比后者高出42.4%；

（2）新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料的生產(chǎn)成本受市場(chǎng)上原材料價(jià)格波動(dòng)影響較小，但由于新型SCFP-SiC 填料的生產(chǎn)成本中人工成本的比重較大，其受人工成本上漲的影響要大于傳統(tǒng)金屬波紋板填料；

（3）在使用過(guò)程中，無(wú)論是降低塔高從而降低固定成本，還是降低回流比從而降低操作費(fèi)用，新型SCFP-SiC 填料都具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)；

（4）考慮到新型SCFP-SiC 填料所具有的耐腐蝕性和較高的理論板數(shù)，新型填料在難分離物系或者腐蝕性較強(qiáng)的分離物系中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因而從經(jīng)濟(jì)的角度進(jìn)行考慮，未來(lái)使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規(guī)整填料替代傳統(tǒng)金屬波紋板規(guī)整填料具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

符號(hào)說(shuō)明

aij——原材料 i 和原材料 j 的價(jià)格相關(guān)系數(shù)，i= 1，2，…，5， j=1，2，…，5

C1——1 m3SCFP-SiC填料的生產(chǎn)成本

C2——1 m3SCMP填料的生產(chǎn)成本

f（x） ——填料塔年操作費(fèi)用和新型填料理論塔板數(shù)提高倍數(shù)之間滿足的函數(shù)式

H ——使用傳統(tǒng)填料時(shí)的填料塔塔高

Mi——原材料消耗量，i=1，2，…，5

Pi——生產(chǎn)要素價(jià)格，i=1，2，…，8

Q ——生產(chǎn)過(guò)程其他費(fèi)用

ri——原材料i的價(jià)格變化幅度，i=1，2，…，8

T1——SCFP-SiC填料的使用壽命

T2——SCMP填料的使用壽命

t ——填料塔的使用時(shí)間

V ——使用傳統(tǒng)填料時(shí)的填料消耗量

α ——單位填料層高度新型填料相比傳統(tǒng)填料提高的理論塔板數(shù)倍數(shù)

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Life cycle cost evaluation of structured corrugation SiC-foam packing

QIAO Yudong1， GAO Xin1，2，3， LI Hong1，2，3， LI Xingang1，2，3
（1School of Chemical Engineering and Technology， Tianjin University， Tianjin 300072， China；2National Engineering Research Center of Distillation Technology， Tianjin 300072， China；3Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering （Tianjin），Tianjin 300072， China）

Structured packing has been w idely used in distillation processes. An economic feasibility analysis of a new structured packing， the structured corrugation SiC-foam packing （SCFP-SiC）， was compared to traditional structured corrugation metal packing （SCMP） in the whole life cycle from raw materials， production to end use by life cycle cost （LCC） theory. Results showed that the production cost of SCFP-SiC was higher than that of SCMP but was less affected by price fluctuation of raw materials. In end use， SCFP-SiC could have overall cost saving advantages by whether decreasing the tower height to reduce the fixed cost or decreasing the reflux ratio to reduce the variable cost. Assum ing that SCFP-SiC could increase 1.5 times more theoretical plate number， the total cost would be lower for SCFP-SiC than SCMP in only 6.8 months’ separation operation of xylene mixture. Considered its remarkable corrosion resistance， SCFP-SiC could significantly benefit end users from economic viewpoint as a SCMP replacement in separation processes.

structured packing； production； distillation； econom ics； life cycle； cost assessment

date: 2016-03-29.

LI Hong， lihongtju@tju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （21336007）， the National Basic Research Program of China （2012CB215005）， the National High Technology Research and Development Program of China （2015AA03A602） and the Key Technology R&D Program of Tianjin （15ZCZDGX00330）.

TQ 02

A

0438—1157（2016）08—3459—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160362

2016-03-29收到初稿，2016-05-19收到修改稿。

聯(lián)系人：李洪。第一作者：?jiǎn)逃駰潱?992—），男，碩士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21336007）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215005）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA03A602）；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（15ZCZDGX00330）。