TRIZ理論在改善三水碘化鋰生產中的應用①

摘 要：介紹了TRIZ理論及其分析問題、解決問題的過程。針對三水碘化鋰制備過程中，反應溫度、攪拌方式、反應時間以及反應氣氛等問題，利用TRIZ理論中的系統(tǒng)分析、組件功能分析、組件價值分析找出了主要矛盾。并利用物場模型、知識庫、矛盾分析等方法，得到了多種解決方案，提高了反應系統(tǒng)的理想度。

關鍵詞：TRIZ 三水碘化鋰 創(chuàng)新方法

中圖分類號：TD941 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0005-02

三水碘化鋰（H6ILiO3）分子量187.89，無色結晶粉末，立方晶系，易吸潮而分解。作為一種重要的基礎化學試劑，其在燃料電池的電解液、藥物合成、催化化學、制備無水碘化鋰、照相業(yè)及合成人工晶體等方面有著廣泛的應用，三水碘化鋰市場售價為100～300萬/噸，經濟附加值高。中國碘資源90%以上依賴進口，隨著近年來碘資源的不斷緊缺，高效合理地利用碘資源加工生產高附加值下游產品成為了行業(yè)亟待解決的問題。

1 三水碘化鋰的生產工藝

三水碘化鋰的傳統(tǒng)制備工藝是利用單質鋰與碘為原料，在反應器中一步反應合成，該方法成本昂貴已不采用。除此以外還有H2S還原法、聯(lián)胺法、中和法以及液氨法[1]。

硫化氫還原法：此法是以氫氧化鋰、碘和硫化氫為起始原料，以水為反應溶劑制得。具體方程式如下：

聯(lián)氨法：此法是以氫氧化鋰、碘和聯(lián)氨為起始原料，以水為反應溶劑制得。具體方程式如下：

中和法：目前，實驗室常以新制備的氫碘酸為原料，加入碳酸鋰或一水合氫氧化鋰，通過中和反應制得碘化鋰，將溶液蒸發(fā)濃縮后可得到三水碘化鋰。主要反應方程式如下：

或者

液氨法：將碘化銨和金屬鋰置于液氨中反應，可以制備碘化鋰。反應方程式如下：

該工藝利用甕福集團開發(fā)的磷礦伴生碘回收工藝中的氫碘酸為原料，制備三水碘化鋰。在碘吸收液中，主要含有硫酸和氫碘酸，由于碘元素性質較為活潑，碘吸收液長期置于空氣中易被氧化成碘單質而使得溶液呈棕色，因此在制備碘化鋰之前，應首先加入還原劑將碘單質還原為碘離子。對于含量較多的硫酸根離子，加入相應的鋇鹽使之轉化為硫酸鋇過濾除去，然后向濾液中加入碳酸鋰，與溶液中的氫碘酸反應，得到碘化鋰溶液，經濃縮結晶，真空干燥，便可制備三水碘化鋰產品。在制備過程中，重點是反應裝置對于碳酸鋰加入量、反應時間、反應溫度以及攪拌速度等因素的控制研究。

2 TRIZ創(chuàng)新理論

創(chuàng)新是人類所特有的認知能力和實踐能力，是人類主觀能動性的高級表現(xiàn)形式，是推動民族進步和社會發(fā)展的不竭動力。人們對創(chuàng)新方法進行了長期的研究，常見的創(chuàng)新方法有頭腦風暴法、組合創(chuàng)新法等。[2]

TRIZ是俄文的英語翻譯“teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch”的縮寫，中文譯為“萃智”，其英文全稱是Theory of Inventive Problem Solving，即“發(fā)明問題解決理論”。它是蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒從1946年開始帶領一批學者通過對大量專利分析研究后總結出的各種技術發(fā)展進化遵循的規(guī)律模式及解決各種工程矛盾的創(chuàng)新原理。目前應用領域也從工程技術領域擴展到管理、社會等方面，對于人們打破慣性思維，站在一個新的角度上來看待問題、思考問題、解決問題具有很大的幫助[3]。

TRIZ的核心思想包括三個方面：第一，技術系統(tǒng)的發(fā)展是遵循客觀規(guī)律發(fā)展演變的；第二，技術難題和矛盾的不斷解決是推動系統(tǒng)進化的動力；第三，技術系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用最少的資源實現(xiàn)最大效益的功能[4]。

TRIZ作為一套方法學體系，為我們提供了統(tǒng)一的解決問題的步驟和思路，將工程問題轉化為TRIZ的標準問題模型，運用相應的工具去求解，得到解決方案模型，在此基礎上形成問題的具體方案，最后工程技術人員將具體方案轉化為實際的工程方案，并進行評估、驗證、形成最終解決方案。

3 TRIZ理論在改善三水碘化鋰生產中的應用

將三水碘化鋰反應裝置看作一個技術系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的要求是提供良好的反應控制條件，提高產品三水碘化鋰質量。

3.1 問題情境描述

取一定量的碘吸收液，逐漸加入一定量的還原劑到玻璃反應釜中，使得其中的碘單質全部還原為碘離子，此時溶液由紅棕色變?yōu)闊o色。再向反應釜中加入一定量的碳酸鋰，控制反應物料配比，反應的溫度，攪拌速度，反應時間，反應氣氛。

以上系統(tǒng)存在以下4個問題：（1）還原反應終點判斷不準確；（2）反應釜溫度不能實現(xiàn)分區(qū)控制；（3）反應釜中的氧氣會氧化碘離子；（4）反應釜底部的直角結構和攪拌方式，不能實現(xiàn)原料充分混合。

3.2 組件模型分析

技術系統(tǒng)的作用對象是三水碘化鋰，系統(tǒng)內組件有冷凝回流裝置、支架、攪拌控制器、放空裝置、攪拌裝置、恒溫槽、玻璃反應釜、夾套，超系統(tǒng)組件有空氣、實驗員。通過組件模型分析描述了各個組件的相互作用關系。通過流分析，了解了系統(tǒng)的能量傳遞組件、控制組件、結構組件，了解組件對技術系統(tǒng)的功能貢獻。系統(tǒng)的功能結構及流分析圖如圖1所示。

通過組件價值分析，從功能貢獻、問題影響、成本分配三個方面分析了組件在技術系統(tǒng)中的理想度，分析結果由低到高依次為冷凝回流裝置、夾套、攪拌裝置、恒溫槽、放空裝置、玻璃反應釜。

3.3 形成方案

針對組建模型分析結果，將上述問題歸類到不同的問題模型中，再利用TRIZ理論中的多種工具，例如裁剪、標準解法系統(tǒng)、知識庫、分離方法、矛盾矩陣對系統(tǒng)中理想度較低的組件依次進行改進，得到最終解決方案。

3.3.1 裁剪方案

系統(tǒng)組件中，冷凝管的作用是冷卻氣體，夾套也可以起到冷卻氣體的作用。在冷凝的功能上，冷凝管的作用可以通過夾套替代，所以可以裁剪掉冷凝管，提高系統(tǒng)的理想度。

3.3.2 物場分析

超系統(tǒng)組件空氣是客觀存在的，但空氣中存在的氧氣對于作用對象是有害的，它會將已經還原的碘離子，重新氧化為碘單質，也會影響產品三水碘化鋰的質量。通過建立物場模型，找到相應的標準解-物場模型的破壞，通過引入S3來消除有害作用，模型圖如圖2所示。

引入物質S3氮氣，使反應釜內壓力保持正壓，將釜內空氣趕出，氮氣由釜底發(fā)生，在趕出空氣的同時也能對物料進行攪拌，由于氮氣化學性質穩(wěn)定，不會對反應產生影響。

3.3.3 HOW TO 模型

針對技術系統(tǒng)還原反應終點判斷不準確這一問題，運用TRIZ理論中的知識庫方法得到解決方案。TRIZ創(chuàng)新理論中的知識庫方法是計算機結合基于本體的語義技術在知識的組織、表達、檢索和有效獲取上有人無法比擬的優(yōu)勢，它使我們不僅可以獲得本領域相關知識，還可以獲得其他領域的相關知識。通過查詢知識庫，得到兩個知識點“技術方法提高高速彈頭的精確度”、“信號自適應放大改善測量距離”參考以后得到解決方案如下，引入信號反饋系統(tǒng)（包含放大器），將原有的光信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，將吸光度（abs）用數(shù)字信號表示，實驗人員通過數(shù)字變化判斷反應終點，提高了判斷準確性。

3.3.4 物理矛盾與技術矛盾

技術系統(tǒng)進化的過程就是不斷解決其中存在的矛盾的過程，創(chuàng)新問題的核心是矛盾的消解。在TRIZ理論中將各種各樣的矛盾可以歸納為物理矛盾與技術矛盾。所謂物理矛盾就是對同一參數(shù)有相反的兩個要求，對應采用空間分離、時間分離、條件分離、系統(tǒng)級別分離尋找解決方案。所謂技術矛盾是指為了改善技術系統(tǒng)的某個參數(shù)，導致該系統(tǒng)的另一個參數(shù)惡化，TRIZ理論中為我們總結了39個通用技術參數(shù)以及40個創(chuàng)新原理，通用技術參數(shù)用來描述改善與惡化的兩個參數(shù)，通過查找矛盾矩陣表，找出相應的創(chuàng)新原理來解決問題。

對于放空裝置控制不及時的問題，可以用技術矛盾來解。初期的解決方案是實驗員加大巡查力度，改善的參數(shù)是壓力控制的穩(wěn)定性，惡化的是控制和測量的復雜性，查找矛盾矩陣得到創(chuàng)新原理反饋，在系統(tǒng)中引入反饋裝置，將原有的放空裝置替換為反饋裝置，此裝置由彈簧與密封蓋組成，彈簧的作用是調節(jié)蓋子開啟閉合的臨界壓力。因為反應本身要產生氣體，通過釜內壓力與臨界壓力的壓力差來自動控制蓋子的開閉。

對于溫度分區(qū)控制問題，可以用物理矛盾解決，對于反應釜內的溫度，希望高有利于反應的進行，希望低有利于碘的回收以及產品的保護。利用空間分離原理得到解決方案，原先的反應溫度是通過夾套單一控溫，改進方案是在夾套內壁加上一層可伸縮的加熱薄膜，它可以根據(jù)反應原料的多少，鋪在反應釜的底部，其通過電加熱為反應提供熱量，不需加熱的地方通過夾套進行冷卻，實現(xiàn)了溫度的空間分離。

4 結語

該文介紹了TRIZ理論的核心以及主要內容，通過實例“改進三水碘化鋰的生產工藝”，詳細描述了TRIZ在解決實際問題中的應用過程，得到了多項解決方案。我們認為TRIZ是一套科學的創(chuàng)新工具，對于研發(fā)人員擺脫思維定式、開拓思路、分析問題原因、得到解決方案都有很大的幫助，對于提高項目研發(fā)質量作用明顯。值得在化工企業(yè)中大力推廣，使得TRIZ理論被越來越多的技術工程師所熟悉并使用。

參考文獻

[1]賈雙珠，解田，李長安，等.三水碘化鋰的制備方法初步探究[J].精細與專用化學品，2014，22（11）：44-47.

[2]高常青，黃克正，張勇.TRIZ理論中問題解決工具的比較和應用[J].機械設計與研究，2006，22（1）：13-15.

[3]黃向陽，顏慧康，杜存臣.TRIZ理論在解決涂料溫度過高中的應用[J].現(xiàn)代化工，2013，33（5）：95-98.

[4]黃一波，管丹.TRIZ發(fā)明原理在高職院校化學化工類課程中的體現(xiàn)[J].廣西教育，2010（6）：26-27.