泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的全生命周期成本評價

喬玉棟，高鑫，2，3，李洪，2，3，李鑫鋼，2，3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的全生命周期成本評價

喬玉棟1，高鑫1，2，3，李洪1，2，3，李鑫鋼1，2，3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

利用全生命周期成本理論（LCC）方法，對新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料（SCFP-SiC）和傳統的金屬波紋板規整填料（SCMP）從原材料采購、填料生產以及使用的整個生命周期進行經濟評價比較。結果表明，SCFP-SiC填料的生產成本相比SCMP填料的生產成本偏高，但SCFP-SiC 填料生產成本受原材料價格波動影響較小；在使用階段，無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勢。另外綜合新型SCFP-SiC 填料所具有的超強耐腐蝕性能，未來使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料替代傳統金屬波紋板規整填料具有明顯的經濟性優勢。

規整填料；生產；蒸餾；經濟；全生命周期；成本評價

引　言

波紋規整填料經過不斷發展，已經成為當今填料塔中最常用的填料，廣泛應用于石油化工、制藥、香料工業和精細化工等領域［1-3］。但其主要材質是304不銹鋼，耐腐蝕較差，使用周期短，同時其傳質性能的提高也受到材質的限制愈發困難［4］。

泡沫碳化硅陶瓷材料是近幾十年來發展起來的一種新型陶瓷材料，它具有化學穩定性好、耐化學腐蝕、密度小、熱導率高、孔隙率高、比表面積大等優良特性，被廣泛應用于化工、能源、冶金等領域［5-7］。將其應用到填料領域的研究近些年也層出不窮［8-14］。天津大學精餾技術國家工程研究中心聯合中國科學院金屬研究所開發出泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料（SCFP-SiC）［15］，經過大量研究比較，SCFP-SiC填料的干、濕壓降相比BX金屬絲網波紋填料略低，而其傳質效率顯著提高［16］。使用環己烷-正庚烷物系在相同噴淋密度下其理論板數是BX填料的 1.3～1.7倍［16］。但對于其工業化應用還有一些關鍵問題需要解決，特別是對其從生產到使用整個過程的經濟性評價對于新產品的應用至關重要，且未有相關方面的文獻報道，因而在投入大規模使用之前需要對此進行詳細的評估。

全生命周期是指產品從設計、制造、銷售、使用，直到回收的全過程。全生命周期成本（life cycle cost， LCC）的概念最早是由美國國防部提出［17］。其定義為：政府為了設置和獲得系統以及系統一生所消耗的總費用，其中包括開發、設置、使用、后勤支援和報廢等費用［18］。

LCC理論在多個領域得到了廣泛的應用。波音公司在設計階段運用 LCC理論計算研發成本［19］；在制造業，通過估算機器的全生命周期成本，從用戶環節達到控制成本的目標［20］，同時將 LCC 方法應用于設備的購置和管理，從而降低成本［21］；在汽車領域，采用神經網絡算法在概念設計階段估算并降低全生命周期成本［22］；在交通領域，用生命周期成本理論分析輕軌交通實施的經濟可行性［23］。在化工領域，采用LCC的研究方法表明木薯燃料乙醇的成本比汽油高，無論以何種形式應用木薯燃料乙醇，都需要政府的財政補貼支持［24］；將 LCC理論運用到天然氣制乙炔過程，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工藝最優［25］。但在精餾分離領域還未見到用相關方法進行經濟性評價的案例。

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，對新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料和傳統的金屬波紋板規整填料從經濟角度進行分析比較。在分析中，產品生命周期包括原料（包括生產過程使用的原材料、使用過程消耗的能源）從開采、加工到可被企業或用戶使用的過程。因此，本文所研究的系統邊界限定為從原材料的開采、加工、填料的制造、產品在精餾過程中的使用所發生的成本的總和。

1　生產過程、流程模擬與數據來源

1.1兩種填料的生產過程

圖1為傳統金屬波紋板規整填料的生產過程。在傳統填料中選擇500X這一型號與新型填料進行比較。在SCMP填料的生產過程中最主要的原材料是304不銹鋼。填料生產廠家從市場上購買304不銹鋼卷，隨后經過一系列物理加工過程制得SCMP填料。所有的加工過程都是電力驅動的。

圖1　SCMP填料的生產過程Fig.1　Production procedures for SCMP

圖2　SCFP-SiC 填料的生產過程Fig.2　Production procedures for SCFP-SiC

圖2為新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的生產過程。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構參數的SCFP-SiC填料與傳統填料進行比較。SCFP-SiC 填料的生產過程相對而言更加復雜，也需要更多的原材料。整個生產過程可以分為3個主要步驟：首先是料漿的制備，其次是泡沫碳化硅陶瓷波紋板的制備，最后一個步驟是將陶瓷波紋板進行進一步加工，即可制得SCFP-SiC 填料。

1.2使用過程的流程模擬

混合二甲苯是鄰二甲苯（OX）、間二甲苯（MX）和對二甲苯（PX）以及乙苯（EB）的混合物［26］。該混合物系的分離是一個典型的化工分離過程，各分離產物用途也較廣，因而在本文的比較中，混合二甲苯的分離過程被作為使用過程中兩種填料進行比較時的參考分離流程。

圖3為采用Aspen Plus 軟件對混合二甲苯的分離進行模擬的流程。混合二甲苯首先進入第1個塔DE-EB從塔頂脫除成分中的乙苯。剩余部分隨后進入第2個塔SE-OX以便從底部分離鄰二甲苯。對二甲苯和間二甲苯的混合物則從第 2個塔的塔頂采出，隨后用其他的分離方法進行分離。后續流程則不在本文的討論和比較之中。

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

在流程模擬中，根據工業實際生產中的數據設定了一系列的初始模擬參數。整套裝置的產量定為4000噸/年。進入第1個塔的混合二甲苯原料的組成分別為：20%（質量分數，下同）的鄰二甲苯、45%的間二甲苯、20%的對二甲苯以及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］。

同時設定第1個塔DE-EB塔頂采出的乙苯純度為99.6%，第2個塔SE-OX塔底采出的鄰二甲苯純度為98%。此外，分別設定塔頂采出占進料量的比例在兩個塔中分別為0.147和0.765。

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

1.3數據來源

本文中，生產傳統金屬波紋板規整填料的原材料和能源消耗數據采集于設立在天津市的北洋國家精餾技術有限公司實際生產中的數據，該公司生產SCMP填料的方法在工業上具有典型性和代表性。新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的生產數據采集于研究團隊位于沈陽市的中國科學院金屬研究所。原材料的價格數據為本文撰寫時的當期價格。

2　結果與討論

2.1生產過程

2.1.1生產成本表 1和表 2 分別為生產 1 m3SCFP-SiC 填料和SCMP填料所需要的原材料和能源的消耗數據。選擇1 m3為比較基準是因為該單位是填料生產和銷售時的常用單位。

表1　生產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

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

1 m3SCFP-SiC 填料的生產成本

1 m3SCMP填料的生產成本

需要說明的是，本文假設兩種填料生產過程中的其他費用均為Q，但其他費用的覆蓋面比較廣，比如新型填料的生產工藝遠比傳統填料更加復雜，因而安全、環保等成本可能更高，但考慮到在這兩種填料的生產過程中這一費用所占的比重并不是很大，因而將其歸為其他費用，做出二者其他費用相當的簡單假設應當是可行的。

根據2015年原材料市場的平均價格，C1比C2高出42.4%，即SCFP-SiC 填料的生產成本比SCMP填料偏高。

2.1.2生產成本對生產要素價格的敏感度在該部分的討論中，當改變一種原材料或者其他要素價格時，其他要素價格和成本保持不變。對于SCMP填料而言，其對不同的生產要素價格變化的敏感度如圖4所示。

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

由圖4可知，SCMP填料的生產成本和304鋼材價格的變動有很大關系，當304鋼材價格升高20%時，其生產成本升高13.4%。人力成本對SCMP填料的生產成本也有一定的影響，當人力成本的價格上升20%時，SCMP填料的生產成本上升4.4%；但SCMP填料的成本和電價的變動幾乎并沒有太大關系。

對于SCFP-SiC 填料而言，假設電力和人力成本不隨其他成本發生變化，當一種原材料i價格變化幅度為ri時，原材料j價格變化幅度為aijri，其中aij稱為原材料 i和原材料 j的價格相關系數。則SCFP-SiC 填料生產成本和原材料價格的關系式變為

式（3）中，r7和 r8表示的是電力和人力的價格變化幅度。

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

則其生產價格隨不同生產要素的價格變化的敏感度如圖5所示。

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

由圖5可知，SCFP-SiC 填料的生產成本與多種要素有關，其中人力成本的變動對SCFP-SiC 填料的生產成本影響最大。當人力成本上升20%時，SCFP-SiC 填料的生產成本上升8.5%。

根據以上結果，由于 SCMP填料的價格深受304鋼材價格的影響，而 SCFP-SiC 填料的生產成本與多種要素有關，并且每種生產要素都對其成本變動有著有限的影響。因而考慮到市場變化，可以認為新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的生產成本相比傳統的金屬波紋板規整填料具有較好的穩定性，受生產要素市場價格的變動影響較小。

2.2使用過程

填料的使用過程的成本可以分為兩大部分，即填料的購置費用和操作費用，其中填料的購置費用是固定成本，而操作費用是可變成本。填料的購置費用是完成一定量的生產任務所需要的填料自身的成本價格，在填料的生命周期內不隨使用過程中的回流比等參數發生變化，但當需要替換填料時，填料的購置費用即有所增加。操作費用主要是使用過程中的蒸汽和能耗費用，隨使用過程中的回流比的改變發生變化，同時也和使用時間有關。

由于SCFP-SiC 填料具有較好的耐腐蝕性以及較高的理論板數，因此在保持生產能力不變的情況下，有兩種方法可以發揮出其優勢。一是不改變回流比，降低塔高，并且延長使用時間，從而可以減少填料的購置費用，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程中的能耗和操作費用，降低可變成本。這兩種方法在下文中分別進行考慮。

需要進行說明的是，在該部分的分析中，由于固定成本涉及到填料的生產成本，因而本節得出的結論不只是使用過程的經濟性評價，進一步說，是連接了生產過程和使用過程的整個生命周期的總成本評價。

2.2.1降低塔高的數學模型為了定量比較兩種填料在使用過程的經濟性，建立了簡易的數學模型進行分析。模型中的相關給定參數如下所示：

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要求時，使用 SCMP填料的填料塔內填料消耗為V（m3）；

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

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

⑤ SCFP-SiC 填料和 SCMP填料的使用壽命分別為T1和T2；

⑥ 一個完整的生命周期為T1。

基于以上假設，可以算出在一個完整的生命周期內，SCFP-SiC填料和SCMP填料的消耗分別為V/α和 T1V/T2。即在一個完整的生命周期內，使用兩種填料時的固定成本分別為 C1V/ α 和 T1C2V/ T2。即SCMP填料的固定成本是SCFP-SiC 填料的αT1C2/C1T2倍。后續部分將對該數據進行詳細討論。

2.2.2降低塔高時的比較根據之前的討論結果，SCMP填料的購置費用是 SCFP-SiC 填料的αT1C2/C1T2倍。由于該方法并未改變使用過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填料的成本價格，其大小已在生產成本的分析中給出，即：C2/C1=1/（1+42.4%）=0.702，考慮到生產成本的波動，假設C2/C1的取值范圍為0.6～1.2。考慮到SCFP-SiC 填料的實際傳質效率和使用的物系有關。根據使用環己烷和正庚烷標準物系的實驗數據［16］，假設SCFP-SiC 填料的理論塔板數是SCMP填料的1.1～1.8倍，即α的取值范圍為1.1～1.8。環己烷和正庚烷標準物系是測定填料的傳質性能的常用物系，其結果具有代表性，是可以作為參照的。考慮到 SCFP-SiC 填料的使用時間比 SCMP填料長，假設T1/T2的取值分別為1、2、5。圖6為倍數αT1C2/C1T2與 3種因素的相互影響。當倍數大于100%時，新型SCFP-SiC 填料具有成本優勢。

由圖6可以發現，SCFP-SiC 填料相比SCMP填料的使用時間越長，即T1/T2越大，SCFP-SiC 填料的成本優勢越明顯。當兩種填料使用周期相同，即圖6（a）所示T1=T2時，若兩種填料的價格不發生變動，即C2/C1=0.702，α須大于1.42，SCFP-SiC填料才能相比SCMP填料具有成本優勢，而這一結果在環己烷-正庚烷物系的測試中是可以達到的。若SCMP填料價格相比SCFP-SiC 填料上漲，即C2/C1增加，SCFP-SiC填料也會更有成本優勢。

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

2.2.3降低回流比時的塔參數圖7 和圖8分別為使用不同填料時 DE-EB 和 SE-OX 兩個塔的模擬結果。橫坐標代表的是SCFP-SiC 填料提高理論塔板數的倍數。橫坐標為1 的坐標點對應的縱坐標即為模擬數據，其結果已在前文詳細給出。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，填料總體積同樣為99.7 m3。

圖6　3種因素對兩種填料生產成本的影響Fig.6　Effect of three factors on production cost of two structured packing

在使用過程中，由于SCFP-SiC 填料具有較高的傳質效率，提高了填料塔的理論塔板數，回流比和能耗都有明顯的下降。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數是SCMP填料的1.5倍，第1個塔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個塔SE-OX的回流比從12.0 降低到9.8。但當SCFP-SiC填料的理論塔板數繼續增加時，回流比的下降幅度明顯減慢，這是因為其回流比已經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聯性，因而能耗的變化趨勢和回流比有相似之處。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數是SCMP填料的1.5倍，第1個塔DE-EB的能耗功率可以從666.8 kW降低到595.2 kW，第2個塔SE-OX的能耗功率從378.1 kW降低到306.6 kW。對整個分離過程而言，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。同樣可以發現，其能耗功率的進一步降低受到最小回流比的限制。但也應注意到，即便是能耗的降低幅度較小，如果考慮到使用時間的延長，使用SCFP-SiC 填料從長期來看也能大幅度降低分離過程能耗，從而節省使用階段的成本費用。這一問題在接下來的部分會做進一步討論。

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

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

2.2.4降低回流比時的數學模型為了定量評價降低回流比時，兩種填料的使用過程對經濟的影響，同樣建立了簡單的數學模型。模型中的相關給定參數如下所示：

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

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

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

④ 填料塔的年操作費用和理論塔板數提高倍數α之間滿足函數式f（x）；

⑤ 填料塔的使用時間為t。

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

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

根據以上定義，比較平衡點是指泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的總成本開始小于金屬波紋板規整填料的總成本所需要的使用時間。

對式（6）右端求導

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

上述討論是在定性比較填料使用過程的總成本，可以用比較平衡點這個概念對使用過程做進一步定量比較。

2.2.5降低回流比時的比較圖9為塔的年操作費用和比較平衡點與SCFP-SiC 填料可以提高的理論塔板數倍數之間的關系。可以發現兩者的變化具有相似之處。隨著SCFP-SiC 填料效率的提高，塔的年操作費用有明顯的下降。如果SCFP-SiC 填料的理論塔板數是SCMP填料的1.5倍，塔的年操作費用可以從909萬人民幣/年降低到824萬人民幣/年，節省了約 85萬人民幣，比例約為 9.3%。但當SCFP-SiC 填料的效率繼續提高時，操作費用并沒有明顯下降，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　年操作費用和比較平衡點與SCFP-SiC 填料效率提升倍數的關系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，比較平衡點所對應的時間逐步縮短。如果 SCFP-SiC填料的理論塔板數是SCMP填料的1.5倍，其比較平衡點約為6.8個月，意味著在使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料6.8個月之后，相比傳統金屬波紋板規整填料開始具有總成本優勢。此外，即便理論板數的提高只有1.1倍，SCFP-SiC 填料的比較平衡點也不過升高到16.4個月。考慮到SCFP-SiC填料具有極好的耐腐蝕性，其使用壽命一般可以超過2年。因而從長遠來看，使用SCFP-SiC 填料具有相當大的成本優勢。

3　結　論

本文利用全生命周期成本理論，從經濟的角度比較了新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料和傳統金屬波紋板規整填料從原材料采集、填料生產以及使用全過程的經濟性。從分析結果中可以得到如下結論：

（1）新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料的生產成本相比傳統金屬波紋板規整填料偏高，根據當期價格，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整填料的生產成本受市場上原材料價格波動影響較小，但由于新型SCFP-SiC 填料的生產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金屬波紋板填料；

（3）在使用過程中，無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用，新型SCFP-SiC 填料都具有明顯的成本優勢；

（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，新型填料在難分離物系或者腐蝕性較強的分離物系中具有明顯的優勢。因而從經濟的角度進行考慮，未來使用新型泡沫碳化硅陶瓷波紋規整填料替代傳統金屬波紋板規整填料具有明顯的經濟性優勢。

符號說明

aij——原材料 i 和原材料 j 的價格相關系數，i= 1，2，…，5， j=1，2，…，5

C1——1 m3SCFP-SiC填料的生產成本

C2——1 m3SCMP填料的生產成本

f（x） ——填料塔年操作費用和新型填料理論塔板數提高倍數之間滿足的函數式

H ——使用傳統填料時的填料塔塔高

Mi——原材料消耗量，i=1，2，…，5

Pi——生產要素價格，i=1，2，…，8

Q ——生產過程其他費用

ri——原材料i的價格變化幅度，i=1，2，…，8

T1——SCFP-SiC填料的使用壽命

T2——SCMP填料的使用壽命

t ——填料塔的使用時間

V ——使用傳統填料時的填料消耗量

α ——單位填料層高度新型填料相比傳統填料提高的理論塔板數倍數

References

［1］ 袁孝競， 余國琮. 填料塔技術的現狀與展望 ［J］. 化學工程， 1995，23 （3）: 5-14.

YUAN X J， YU G C. The present situation and the prospect of the packed column technology ［J］. Chem ical Engineering （China）， 1995，23 （3）: 5-14.

［2］ 曹偉. 國外填料的發展及新型填料介紹 ［J］. 石油化工設備， 1992，21 （1）: 25-27.

CAO W. The development of packings abroad and the introduction of new type packings ［J］. Petro-Chem ical Equipment， 1992， 21 （1）: 25-27.

［3］ 袁孝競， 陳智釗. 蘇爾壽型波紋填料的性能及其工業應用（第一部分）［J］. 化學工業與工程， 1989， 1: 57-61.

YUAN X J， CHEN Z Z. The performance and industrial application of Sulzer corrugated packing ［J］. Chem ical Industry and Engineering，1989， 1: 57-61.

［4］ WU Z， CALIOT C， BAI F， et al. Experimental and numerical studies of the pressure drop in ceram ic foams for volumetric solar receiver applications ［J］. Applied Energy， 2010， 87 （2）: 504-513. DOI: 10.1016/j.apenergy.2009.08.009.

［5］ YAO X， YANG Y， LIU X， et al. Effect of recoating slurry compositions on the m icrostructure and properties of SiC reticulated porous ceramics ［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2013，33 （15）: 2909-2914. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2013.04.007.

［6］ VOGT U F， GY?RFY L， HERZOG A， et al. Macroporous silicon carbide foams for porous burner applications and catalyst supports ［J］. Journal of Physics and Chem istry of Solids， 2007， 68 （5）: 1234-1238. DOI: 10.1016/j.jpcs.2006.12.008.

［7］ THOMPSON C R， MARíN P， DíEZ F V， et al. Evaluation of the use of ceramic foams as catalyst supports for reverse-flow combustors ［J］. Chem ical Engineering Journal， 2013， 221 （4）: 44-54. DOI: 10.1016/ j.cej.2013.01.080.

［8］ GARRIDO G I， PATCAS F C， LANG S， et al. Mass transfer and pressure drop in ceram ic foams: a description for different pore sizes and porosities ［J］. Chemical Engineering Science， 2008， 63 （21）: 5202-5217. DOI: 10.1016/j.ces.2008.06.015.

［9］ ZHANG L H， LIU X， LI X G， et al. A novel SiC foam valve tray for distillation columns ［J］. Chinese Journal of Chem ical Engineering，2013， 21 （8）: 821-826. DOI: 10.1016/S1004-9541（13）60552-2.

［10］ LéVêQUE J， ROUZINEAU D， PRéVOST M， et al. Hydrodynamic and mass transfer efficiency of ceram ic foam packing applied to distillation ［J］. Chemical Engineering Science， 2009， 64 （11）: 2607-2616. DOI: 10.1016/j.ces.2009.02.010.

［11］ 曾菁， 高鑫， 李洪， 等. 泡沫碳化硅波紋規整填料的流體力學及傳質性能 ［J］. 現代化工， 2012， 32 （10）: 70-73. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4320.2012.10.018.

ZENG J， GAO X， LI H， et al. Hydrodynamic and mass transfer efficiency of foam SiC ceram ic structured packing ［J］. Modern Chem ical Industry， 2012， 32 （10）: 70-73. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4320.2012.10.018.

［12］ 王辰晨， 高鑫， 李鑫鋼， 等. 泡沫碳化硅脈沖規整填料的氣相流場模擬研究 ［J］. 現代化工， 2014， 34 （9）: 155-160. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2014.09.014.

WANG C C， GAO X， LI X G， et al. Simulation study on gas flow field of foam SiC pulse structured packing ［J］. Modern Chem ical Industry， 2014， 34 （9）: 155-160. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2014.09.014.

［13］ 李洪， 姚躍賓， 王方舟， 等. 液相流動方式對波紋規整填料性能的影響 ［J］. 化 工學報 ， 2014， 65 （12）: 4760-4766. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.016

LI H， YAO Y B， WANG F Z， et al. Effect of liquid flow behaviour on performance of corrugated structured packing ［J］. CIESC Journal，2014， 65 （12）: 4760-4766. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.016.

［14］ LI H， WANG F Z， WANG C C， et al. Liquid flow behavior study in SiC foam corrugated sheet using a novel ultraviolet fluorescence technique coupled with CFD simulation ［J］. Chemical Engineering Science， 2015， 123: 341-349. DOI: 10.1016/j.ces.2014.11.027.

［15］ 張勁松， 田沖， 楊振明， 等. 碳化硅泡沫陶瓷波紋規整填料及其制備方法和應用：CN102218293A［P］. 2011-10-19.

ZHANG J S， TIAN C， YANG Z M， et al. The preparation method and application of structured corrugation SiC-foam packing：102218293A ［P］. 2011-10-19.

［16］ 曾菁.新型規整填料的開發與性能研究 ［D］.天津:天津大學， 2012.

ZENG J. The development and research of new structured packing ［D］. Tianjin: Tianjin University， 2012

［17］ 陳曉川， 方明倫. 制造業中產品全生命周期成本的研究概況綜述［J］. 機械工程學報， 2002， 38 （11）: 17-25.

CHEN X C， FANG M L. Summaries of product life cycle cost in manufacturing ［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2002，38 （11）: 17-25.

［18］ 束慶， 張旭. 生命周期評價和生命周期成本分析的整合方法研究［J］. 同濟大學學報（社會科學版）， 2003， 14 （4）: 81-86.

SHU Q， ZHANG X. Study on the way to integrate life cycle assessment and life cycle cost analysis ［J］. Tongji University Journal （Social Science Section）， 2003， 14 （4）: 81-86.

［19］ MARX W J， MAVRIS D N， SCHRAGE D P. Cost/time analysis for theoretical aircraft production ［J］. Journal of Aircraft， 1998， 35 （4）: 637-646. DOI: 10.2514/2.2348.

［20］ ZHU H， HU W. An instance based on a 3-dimensional model of life cycle cost for overhead lines［C］//International Conference on Computer， Mechatronics， Control and Electronic Engineering. 2010: 431 - 434. DOI: 10.1109/CMCE.2010.5610532.

［21］ SHIA Y. Maintenance integration in advanced equipment management at Nippon steel and its results ［J］. SEAISI Quarterly （Malaysia）， 1998， 27 （1）: 35-47.

［22］ 陳曉川， 馬偉. 家用轎車全生命周期成本特征分析與成本估算 ［J］.機械科學與技術， 2006， 25 （8）: 953-955. DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2006.08.018.

CHEN X C， MA W. Feature analysis and cost estimation of life cycle costs for family cars ［J］. Mechanical Science and Technology， 2006，25 （8）: 953-955. DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2006.08.018.

［23］ KIM G T， KIM K T， LEE D H， et al. Development of a life cycle cost estimate system for structures of light rail transit infrastructure ［J］. Automation in Construction， 2010， 19 （3）: 308-325. DOI: 10.1016/ j.autcon.2009.12.001.

［24］ 王蕓， 張國慶. 燃料乙醇生命周期成本模型及分析 ［J］. 會計之友，2011， （14）: 70-73.

WANG Y， ZHANG G Q. The life cycle cost model and analysis of fuel ethanol ［J］. Friends of Accounting， 2011， （14）: 70-73.

［25］ 黃智賢， 錢宇. 生命周期成本分析及其應用研究 ［J］. 化工進展，2007， 26 （8）: 1186-1191. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6613.2007.08.027.

HUANG Z X， QIAN Y. Life cycle cost analysis and its application ［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 26 （8）: 1186-1191. DOI: 10.3321/j.issn:1000-6613.2007.08.027.

［26］ 單秀杰， 管浩， 郭蘭芬， 等. 混合二甲苯中鄰二甲苯的分離提純［J］. 甘肅石油和化工， 2011， （3）: 19-21.

SHAN X J， GUAN H， GUO L F， et al. The separation and purification of o-xylene in the mixed xylene ［J］. Gansu Petroleum and Chemical Industry ， 2011， （3）: 19-21.

［27］ 陳艷華. 淺談混合二甲苯的分離方法 ［J］. 遼寧師專學報（自然科學版）， 2003， 5 （3）: 21-22.

CHEN Y H. The separation method introduction of mixed xylene ［J］. Journal of Liaoning Teachers College （Natural Science Edition）， 2003，5 （3）: 21-22.

［28］ 劉乃鴻. 工業塔新型規整填料應用手冊 ［M］. 天津: 天津大學出版社， 1993: 45-56.

LIU N H. The Application Manual of New Structured Packing in Industrial Tower ［M］. Tianjin: Tianjin University Press， 1993: 45-56.

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。

聯系人：李洪。第一作者：喬玉棟（1992—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（21336007）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215005）；國家高技術研究發展計劃項目（2015AA03A602）；天津市科技支撐計劃重點項目（15ZCZDGX00330）。