TRIZ 理論在提高十二烷基糖苷過濾效率中的應(yīng)用

姜 迪，陳長益，劉 玲，趙 斐，鄭 玲

（江蘇省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，江蘇 南京 210042）

目前，日化企業(yè)采用的傳統(tǒng)過濾裝置過濾時(shí)間長，過濾質(zhì)量不高，如正十二醇和葡萄糖在反應(yīng)釜中反應(yīng)生成十二烷基葡糖苷及雜質(zhì)，通過不銹鋼濾網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)料液和雜質(zhì)的分離，由于雜質(zhì)顆粒細(xì)小、黏度高，容易堵塞濾網(wǎng)，加上料液有揮發(fā)性刺激性氣味，如果清洗不及時(shí)，會導(dǎo)致過濾效率降低，生產(chǎn)效率低下，難以滿足生產(chǎn)的需求。因此，對過濾裝置進(jìn)行改進(jìn)以提高過濾效率顯得尤為重要。

本文提出了一系列改進(jìn)的方案，不斷創(chuàng)新，最終得出一個(gè)最佳的改進(jìn)方案，可以有效提高過濾效率，降低設(shè)備成本。

1 TRIZ 理論簡介

TRIZ 理論是20 世紀(jì)40 年代前蘇聯(lián)的根里奇·阿奇舒勒在分析了大量專利的基礎(chǔ)上，總結(jié)出的一系列技術(shù)發(fā)展進(jìn)化規(guī)律以及解決各種工程技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理和法則[1]。TRIZ 理論有著十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在技術(shù)發(fā)明、技術(shù)改造中已經(jīng)成為一種非常有效的解決問題的工具[2]。在運(yùn)用TRIZ 理論解決問題時(shí)，通常要將工程問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問題模型，對模型進(jìn)行功能分析，運(yùn)用裁剪等方法對系統(tǒng)進(jìn)行簡化，通過因果分析找到問題的矛盾所在，根據(jù)技術(shù)矛盾分析改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，然后通過查找39 個(gè)工程參數(shù)及40 條創(chuàng)新原理構(gòu)成的矛盾矩陣，獲得相應(yīng)的創(chuàng)新原理，并提出相應(yīng)的解決方案[3]。

2 基于TRIZ 的問題分析

2.1 問題模型

正十二醇和葡萄糖在反應(yīng)釜中反應(yīng)生成十二烷基葡糖苷及雜質(zhì)，通過不銹鋼濾網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)料液和雜質(zhì)的分離，濾液通過濾網(wǎng)，雜質(zhì)留在濾網(wǎng)上。雜質(zhì)顆粒細(xì)小、黏度高，容易堵塞濾網(wǎng)，加上料液有揮發(fā)性刺激性氣味，如果清洗不及時(shí)，會導(dǎo)致過濾效率降低。

2.2 功能分析

功能分析是改善系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新過程中非常重要的步驟，要對系統(tǒng)中的所有元件加以完整定義并識別元件間的功能關(guān)系，找出系統(tǒng)有害的、不足的和過度的功能，以便確定系統(tǒng)的問題所在，進(jìn)而把存在的問題徹底解決[4]。

2.2.1 功能結(jié)構(gòu)圖

建立功能模型，明確過濾系統(tǒng)的功能。定義過濾器主要功能是去除十二烷基葡糖苷中的雜質(zhì)，物料從進(jìn)料口進(jìn)入過濾器中，經(jīng)過濾網(wǎng)，濾液從底部出來，雜質(zhì)則留在濾網(wǎng)上。根據(jù)功能定義，建立功能模型圖。明確系統(tǒng)的問題點(diǎn)主要有：①過濾器在使用過程中需要反復(fù)拆洗，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；②物料中有揮發(fā)性氣味，對人的上呼吸道有刺激作用；③清洗不及時(shí)會造成過濾很慢、物料浪費(fèi)。功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 系統(tǒng)組件裁剪

裁剪是TRIZ 中一條重要的進(jìn)化路線，通過裁剪，將問題功能所對應(yīng)的元件刪除，改善整個(gè)功能模型。根據(jù)裁剪規(guī)則[5-6]，對系統(tǒng)組件制氮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化裁剪，由于過濾壓力不足，裁剪后采用離心力系統(tǒng)替換，可得方案1，制氮機(jī)替換成旋轉(zhuǎn)軸，料液沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，推動雜質(zhì)轉(zhuǎn)動形成旋流，落入回收罐中。對系統(tǒng)組件制氮機(jī)、過濾罐、濾網(wǎng)，即整個(gè)過濾裝置進(jìn)行優(yōu)化裁剪，可得方案2，采用靜置系統(tǒng)沉淀池替代。

2.3 三軸分析

2.3.1 因果分析

通過因果分析可以發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因，即造成過濾效率低的問題點(diǎn)，包括物料反應(yīng)效果不足，缺乏保溫材料，壓力不足，過濾器體積小以及料液有刺激性氣味，清洗頻率不足。

2.3.2 資源分析

利用TRIZ 對過濾系統(tǒng)進(jìn)行資源分析，通過對系統(tǒng)、超系統(tǒng)、子系統(tǒng)的資源分析可知，當(dāng)前系統(tǒng)能量資源有機(jī)械能、化學(xué)能和壓力，其中化學(xué)能是可利用資源，通過資源利用可構(gòu)造概念性方案3，引入一種化學(xué)物質(zhì)，利用化學(xué)分子能結(jié)合，將雜質(zhì)懸浮物聚集包裹在一起，無需過濾與目標(biāo)產(chǎn)物輕松分離。

2.4 技術(shù)矛盾分析

技術(shù)矛盾描述的是一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾，指在改善對象的某個(gè)參數(shù)A時(shí)，同時(shí)惡化了參數(shù)B，參數(shù)A和參數(shù)B構(gòu)成了一對技術(shù)矛盾[7]。首先通過功能分析和因果分析找到的問題點(diǎn)來確定技術(shù)矛盾，根據(jù)技術(shù)矛盾確定改善的參數(shù)和惡化的參數(shù)，然后通過查找矛盾矩陣，獲得相應(yīng)的創(chuàng)新原理，并提出相應(yīng)的解決方案。

2.4.1 從物料反應(yīng)的溫度不足為入手點(diǎn)解決問題

根據(jù)原因分析，導(dǎo)致過濾效率低的原因之一是反應(yīng)的溫度不足，通過增加熱源來提高反應(yīng)的溫度，但熱源的增加會造成能量損失，提取矛盾參數(shù)，即改善的是溫度，惡化的是能量損失。通過查找矛盾矩陣表，可以得到減少有害作用的時(shí)間原理、空間維數(shù)變化原理、物理或化學(xué)參數(shù)改變原理、強(qiáng)氧化劑原理4 個(gè)創(chuàng)新原理。運(yùn)用物理或化學(xué)參數(shù)改變原理，得到方案4，改變原料的配比，使雜質(zhì)的量盡可能減少；將pH 調(diào)至中性后，加入PAC 等混凝劑，使雜質(zhì)快速沉淀，從而達(dá)到分離的目的。運(yùn)用空間維數(shù)變化原理，得到方案5，即增大濾網(wǎng)的有效過濾面積。

2.4.2 從過濾速度不足為入手點(diǎn)解決問題

根據(jù)原因分析，過濾速度與濾網(wǎng)面積、壓力、反應(yīng)效果、料液溫度等相關(guān)，如提高壓力，需要增加壓力裝置，會使系統(tǒng)變得復(fù)雜，提取矛盾參數(shù)，即改善的是速度，惡化的是系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過查找矛盾矩陣表，可以得到預(yù)先作用原理、機(jī)械系統(tǒng)代替原理、增加不對稱性原理、拋棄或再生原理4個(gè)創(chuàng)新原理。運(yùn)用預(yù)先作用原理，得到方案6，物料進(jìn)入過濾器前先進(jìn)行預(yù)處理，在反應(yīng)釜出料口裝粗濾網(wǎng)進(jìn)行粗過濾；運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)代替原理，得到方案7，給物料施加超聲波，使雜質(zhì)快速沉降；運(yùn)用增加不對稱原理，得到方案8，濾網(wǎng)采用不對稱結(jié)構(gòu)。

2.4.3 從制氮機(jī)壓力不足為入手點(diǎn)解決問題

根據(jù)原因分析，導(dǎo)致過濾效率低的原因之一是過濾壓力不足，提高制氮機(jī)加壓壓力可以使過濾物快速通過濾網(wǎng)，但使過濾罐工藝變復(fù)雜，提取矛盾參數(shù)，改善的參數(shù)是應(yīng)力壓強(qiáng)，惡化的參數(shù)是系統(tǒng)的復(fù)雜性。通過矛盾矩陣表，可以得到周期性作用原理、分割原理、物理或化學(xué)參數(shù)改變原理3個(gè)創(chuàng)新原理。運(yùn)用周期性作用原理，得到方案9，將過濾后的濾液定期回流至濾網(wǎng)，可有效減少濾網(wǎng)的阻塞現(xiàn)象。

2.4.4 從濾液損失為入手點(diǎn)解決問題

根據(jù)原因分析，導(dǎo)致過濾效率低的原因之一是濾液損失過多，減少濾液損失，就要使過濾充分，需要耗費(fèi)很多的時(shí)間，影響過濾速度。提取矛盾參數(shù)，改善的參數(shù)是物質(zhì)損失，惡化的參數(shù)是速度，通過矛盾矩陣表，可以得到預(yù)先作用原理、反向作用原理、機(jī)械系統(tǒng)代替原理、強(qiáng)氧化劑原理4 個(gè)創(chuàng)新原理。運(yùn)用反向作用原理，得到方案10，采用反沖洗濾網(wǎng)裝置；還可以得到方案11，將水平放置的濾網(wǎng)改為垂直于地面的方向放置，抽真空過濾，當(dāng)放空時(shí)，有一小部分濾液回流沖洗濾網(wǎng)。

2.5 解決方案

通過運(yùn)用TRIZ 理論的功能分析、三軸分析、技術(shù)矛盾分析，共得到11 個(gè)方案，將它們進(jìn)行優(yōu)化整合后得到最優(yōu)方案是在反應(yīng)結(jié)束后加入助濾劑使部分雜質(zhì)快速沉淀，先進(jìn)行粗濾，粗濾后料液進(jìn)入過濾器，過濾網(wǎng)垂直于地面放置進(jìn)行抽真空過濾；在過濾過程中，使濾液能定期回流至過濾器進(jìn)行反沖洗。

3 總結(jié)

本文主要介紹了利用TRIZ 理論解決十二烷基葡萄糖苷過濾效率低的方法和分析過程，通過系統(tǒng)地分析問題情境，快速明確問題本質(zhì)和矛盾，利用TRIZ 工具尋找問題解決方案，最后給出較為合理的解決方案，為創(chuàng)新人員提供了一個(gè)良好的設(shè)計(jì)思路。