TRIZ 理论在提高十二烷基糖苷过滤效率中的应用

时间：2024-05-19

姜迪，陈长益，刘玲，赵斐，郑玲

（江苏省科学技术情报研究所，江苏南京 210042）

目前，日化企业采用的传统过滤装置过滤时间长，过滤质量不高，如正十二醇和葡萄糖在反应釜中反应生成十二烷基葡糖苷及杂质，通过不锈钢滤网中实现料液和杂质的分离，由于杂质颗粒细小、黏度高，容易堵塞滤网，加上料液有挥发性刺激性气味，如果清洗不及时，会导致过滤效率降低，生产效率低下，难以满足生产的需求。因此，对过滤装置进行改进以提高过滤效率显得尤为重要。

本文提出了一系列改进的方案，不断创新，最终得出一个最佳的改进方案，可以有效提高过滤效率，降低设备成本。

1 TRIZ 理论简介

TRIZ 理论是20 世纪40 年代前苏联的根里奇·阿奇舒勒在分析了大量专利的基础上，总结出的一系列技术发展进化规律以及解决各种工程技术矛盾的创新原理和法则[1]。TRIZ 理论有着十分广泛的应用领域，尤其是在技术发明、技术改造中已经成为一种非常有效的解决问题的工具[2]。在运用TRIZ 理论解决问题时，通常要将工程问题转化为标准问题模型，对模型进行功能分析，运用裁剪等方法对系统进行简化，通过因果分析找到问题的矛盾所在，根据技术矛盾分析改善的参数和恶化的参数，然后通过查找39 个工程参数及40 条创新原理构成的矛盾矩阵，获得相应的创新原理，并提出相应的解决方案[3]。

2 基于TRIZ 的问题分析

2.1 问题模型

正十二醇和葡萄糖在反应釜中反应生成十二烷基葡糖苷及杂质，通过不锈钢滤网中实现料液和杂质的分离，滤液通过滤网，杂质留在滤网上。杂质颗粒细小、黏度高，容易堵塞滤网，加上料液有挥发性刺激性气味，如果清洗不及时，会导致过滤效率降低。

2.2 功能分析

功能分析是改善系统、实现创新过程中非常重要的步骤，要对系统中的所有元件加以完整定义并识别元件间的功能关系，找出系统有害的、不足的和过度的功能，以便确定系统的问题所在，进而把存在的问题彻底解决[4]。

2.2.1 功能结构图

建立功能模型，明确过滤系统的功能。定义过滤器主要功能是去除十二烷基葡糖苷中的杂质，物料从进料口进入过滤器中，经过滤网，滤液从底部出来，杂质则留在滤网上。根据功能定义，建立功能模型图。明确系统的问题点主要有：①过滤器在使用过程中需要反复拆洗，费时费力；②物料中有挥发性气味，对人的上呼吸道有刺激作用；③清洗不及时会造成过滤很慢、物料浪费。功能结构如图1 所示。

图1 功能结构图

2.2.2 系统组件裁剪

裁剪是TRIZ 中一条重要的进化路线，通过裁剪，将问题功能所对应的元件删除，改善整个功能模型。根据裁剪规则[5-6]，对系统组件制氮机进行优化裁剪，由于过滤压力不足，裁剪后采用离心力系统替换，可得方案1，制氮机替换成旋转轴，料液沿旋转轴旋转产生离心力，推动杂质转动形成旋流，落入回收罐中。对系统组件制氮机、过滤罐、滤网，即整个过滤装置进行优化裁剪，可得方案2，采用静置系统沉淀池替代。

2.3 三轴分析

2.3.1 因果分析

通过因果分析可以发现问题产生的根本原因，即造成过滤效率低的问题点，包括物料反应效果不足，缺乏保温材料，压力不足，过滤器体积小以及料液有刺激性气味，清洗频率不足。

2.3.2 资源分析

利用TRIZ 对过滤系统进行资源分析，通过对系统、超系统、子系统的资源分析可知，当前系统能量资源有机械能、化学能和压力，其中化学能是可利用资源，通过资源利用可构造概念性方案3，引入一种化学物质，利用化学分子能结合，将杂质悬浮物聚集包裹在一起，无需过滤与目标产物轻松分离。

2.4 技术矛盾分析

技术矛盾描述的是一个系统中两个参数之间的矛盾，指在改善对象的某个参数A时，同时恶化了参数B，参数A和参数B构成了一对技术矛盾[7]。首先通过功能分析和因果分析找到的问题点来确定技术矛盾，根据技术矛盾确定改善的参数和恶化的参数，然后通过查找矛盾矩阵，获得相应的创新原理，并提出相应的解决方案。

2.4.1 从物料反应的温度不足为入手点解决问题

根据原因分析，导致过滤效率低的原因之一是反应的温度不足，通过增加热源来提高反应的温度，但热源的增加会造成能量损失，提取矛盾参数，即改善的是温度，恶化的是能量损失。通过查找矛盾矩阵表，可以得到减少有害作用的时间原理、空间维数变化原理、物理或化学参数改变原理、强氧化剂原理4 个创新原理。运用物理或化学参数改变原理，得到方案4，改变原料的配比，使杂质的量尽可能减少；将pH 调至中性后，加入PAC 等混凝剂，使杂质快速沉淀，从而达到分离的目的。运用空间维数变化原理，得到方案5，即增大滤网的有效过滤面积。

2.4.2 从过滤速度不足为入手点解决问题

根据原因分析，过滤速度与滤网面积、压力、反应效果、料液温度等相关，如提高压力，需要增加压力装置，会使系统变得复杂，提取矛盾参数，即改善的是速度，恶化的是系统的复杂性。通过查找矛盾矩阵表，可以得到预先作用原理、机械系统代替原理、增加不对称性原理、抛弃或再生原理4个创新原理。运用预先作用原理，得到方案6，物料进入过滤器前先进行预处理，在反应釜出料口装粗滤网进行粗过滤；运用机械系统代替原理，得到方案7，给物料施加超声波，使杂质快速沉降；运用增加不对称原理，得到方案8，滤网采用不对称结构。

2.4.3 从制氮机压力不足为入手点解决问题

根据原因分析，导致过滤效率低的原因之一是过滤压力不足，提高制氮机加压压力可以使过滤物快速通过滤网，但使过滤罐工艺变复杂，提取矛盾参数，改善的参数是应力压强，恶化的参数是系统的复杂性。通过矛盾矩阵表，可以得到周期性作用原理、分割原理、物理或化学参数改变原理3个创新原理。运用周期性作用原理，得到方案9，将过滤后的滤液定期回流至滤网，可有效减少滤网的阻塞现象。

2.4.4 从滤液损失为入手点解决问题

根据原因分析，导致过滤效率低的原因之一是滤液损失过多，减少滤液损失，就要使过滤充分，需要耗费很多的时间，影响过滤速度。提取矛盾参数，改善的参数是物质损失，恶化的参数是速度，通过矛盾矩阵表，可以得到预先作用原理、反向作用原理、机械系统代替原理、强氧化剂原理4 个创新原理。运用反向作用原理，得到方案10，采用反冲洗滤网装置；还可以得到方案11，将水平放置的滤网改为垂直于地面的方向放置，抽真空过滤，当放空时，有一小部分滤液回流冲洗滤网。