冷冻干燥过程的热经济学分析

    1 引言

    为了进一步降低生产成本,有关研究人员在工艺方面进行了改进和优化设计,建立了冻干过程传热传质模型,确定了冻干过程的主要工艺参数及其之间的关系[1,2];采用冷冻干燥与微波加热、空气(或真空)干燥相结合的手段降低干燥时间[3]等。文献[4,5]对冻干过程的加热系统进行分析,得到了在局部条件下的最优解。不管是从工艺上还是在设备上,任何改进和优化的目的都是想得到在相应条件下的最优解。但是,参数的改变不仅影响到工艺的改变,还影响设备的投资和运行性能的变化。一般而言,技术的进步往往和资金的节约是相互矛盾的,如果技术的进步所带来的收益尚不能弥补投入资金的增加值,那么,这种技术的改进是没有现实意义的。因此,冷冻干燥技术能不能得到广泛的认可和运用,需要用综合的评价指标:热经济学来评价。

    2 热经济学模型

    热经济学原理告诉我们:一个生产过程不仅需要消耗能源,如水、电、煤、天然气等,还需要设备的初始投资、日常的维护管理和检修、设备的折旧以及工作人员的工资支付等。前者称为能量费用;后者称为非能量费用。两者之和即为成本。

    在各项成本中,有些只是初始投资;有些是伴随着生产的开展而消费的费用,如运行费用等。这些量大多随着年度的变化而变化。因此,在作热经济学比较时,通常需要将各种成本折算到每一年中,即将各种成本按规定年限分摊,也就是成本年度化。显然,年度化成本的总和即为各种费用之总和。

    经过冷冻干燥过程获得的产品的年度化成本,根据此原理也可以分成固定资产投资和能源消耗两部分。

    2.1 固定资产的模型

    在本文固定资产的估算中,不涉及建筑物、构筑物和土地占用费等费用,仅包括设备的投资。所以,固定资产的计算可以表示为[6]:

    其中:Pi为第i种设备的出厂价;

    ξi第i种设备的运输和安装费用系数;

    k为设备总数。

    在整套冻干设备中,冻干机(主机)是最关键的部件,也是投资最大部分。根据国内各供应商提供的数据,冷冻干燥机(主机)的出厂价可以表示为隔板有效面积A的函数:

    Pfd=f(A)

    经过拟合为:

Pfd=47.527lnA-25.81

    适用范围:10≤A≤100m²;

    Pfd的单位:万元。

    其它的设备均可以认为是辅助设备。辅助设备主要包括:制冷设备、真空系统以及为了满足工业大生产的需要而建立的冷库。

    制冷设备的投资可以表示为冷量q的函数。根据1996年国内公布的市场价格[7],制冷设备的投资可以拟合为: