基于矛盾解決理論與物質—場分析的除沫器創新設計

陳程 陳燕容 徐國華 梁恩成

摘 要：本文采用TRIZ理論中的“矛盾解決原理”分析和解決旋流板式除沫器系統中涉及的技術矛盾，提出使用聚四氟乙烯材料的創新方案，利用聚四氟乙烯耐高溫、耐腐蝕、高潤滑和不粘附的特點解決霧沫對除沫器的腐蝕問題，提高除沫器的使用壽命，并研究了旋流板葉片與霧沫的“物質-場模型”，通過改進除沫器的整體結構消除旋流板葉片與霧沫之間的有害關系，減少霧沫甩出造成的物料損失，提升除沫器除沫效率，最后從耐腐蝕性、除沫效率、成本及其工藝便利性等方面進行方案評價，獲得最優方案，采用聚四氟乙烯制備絲網結構的除沫器，為系統后續相關研究提供參考。

關鍵詞：TRIZ 除沫器 矛盾解決原理 物質-場分析

中圖分類號：TH111 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0073-02

1 研究背景

直接酯化法是國內工業生產醋酸乙酯的主要工藝路線[1]，以醋酸和乙醇為原料輸送進入塔設備后，以硫酸為催化劑直接酯化合成醋酸乙酯，再經脫水、分餾精制得成品。酯化過程中，因為壓力和溫度的升高，反應液中的水分沸騰形成水蒸氣，氣流自下而上穿過塔板時，夾帶反應液上升，形成霧沫，從而使傳質效率降低，生產效率下降。此時，可設置除沫器，以捕集液滴。

除沫器是塔設備的重要組成單元，一般多設置在塔頂，降低有價值的物料損失。常用的除沫器是旋流板式除沫器[2]，由擋筒、葉片、分布環組成，旋流板葉片設置為傾斜狀，方便對反應液進行攪拌。夾帶霧沫的氣流上升時與旋流板接觸，在離心力作用下，液體被甩至塔壁流回塔內，氣體則旋轉上升從氣體出口排出，從而達到氣液分離的目的。

酯化反應用硫酸作為催化劑，因此反應液體具有很強的腐蝕性，對塔設備的要求較高。但為了節省成本，大多數除沫器的制作材料不具備強的耐腐蝕性；此外，因為整合了攪拌功能和除沫功能，旋流板式除沫器為中空設計，所以在葉片邊緣，離心力對霧沫的分離作用不完全，反而會使霧沫在離心力作用下被甩出，造成物料損失，從而降低除沫效率。因此，結合直接酯化法的反應條件，使除沫器滿足實際工況需求非常關鍵。

2 TRIZ理論簡介

TRIZ是俄文теории решения изобретательских задач的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫，按字面意思翻譯過來就是創新問題解決方案理論。它是1946年至20世紀80年代中期由一位俄羅斯學者根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）及他的同事最先提出的。最初是從20萬份專利中取出符合要求的4萬份作為各種發明問題的最有效的解。他們從這些最有效的解中抽象出了TRIZ解決發明問題的基本方法（矛盾矩陣、76個標準解法、ARIZ、AFD、物質-場分析、ISQ、DE、8種演化類型、科學效應、40個創新原理、39個通過技術參數、物理學、化學、幾何學等工程學原理知識庫等），這些方法又可以普遍地適用于新出現的發明問題，協助人們獲得這些發明問題的最優解[3-7]。

3 利用TRIZ理論解決除沫器創新問題的過程

3.1 除沫器系統分析

通過TRIZ理論對塔設備構建如圖1所示的系統分析模型，進一步分析技術系統實現功能的相關子系統、超系統之間的相互聯系，揭示問題產生原因。

從分析模型圖可知，造成除沫器使用壽命短、除沫效率低的原因：一是反應液具有強酸性，與旋流板葉片直接接觸，造成腐蝕；二是霧沫夾帶上升，通過旋流板時，沖擊到旋流板葉片邊緣的霧沫會被甩出，從而降低除沫效率。這兩個有害作用關系轉化生成的問題就是造成除沫器使用壽命短和除沫效率低的關鍵。考慮到反應液的強酸性是不可控制的，因此，著重從提高旋流板葉片耐腐蝕性能和阻止霧沫被甩出這兩個方面進行創新設計。

3.2 基于“矛盾解決原理”的除沫器耐腐蝕性能研究

使用旋流板能夠有效地分離液滴，達到減少反應液損失的目的，但大量霧沫上升時會對旋流板產生腐蝕，縮短旋流板使用壽命。由上述分析可知，旋流板改善了反應系統中物質的損失，但液體對旋流板具有腐蝕作用，因此，問題中存在一對技術矛盾：改善的工程參數為23物質損失，惡化的工程參數為30作用于物體的有害因素。通過查找矛盾矩陣得到相應的創新原理為：33均質性原理；22變害為利原理；30柔性殼體或薄膜原理；40復合材料原理。

根據30柔性殼體或薄膜原理“使用柔性殼體或薄膜，將物體與環境隔離”得到啟示，形成如下解決方案：在旋流板表面涂抹一層能抗強酸腐蝕的物質，將旋流板與反應液隔離，從而提高其使用壽命。

根據40復合材料原理“應復合材料代替均質材料”得到啟示，形成如下解決方案：根據直接酯化法制備醋酸乙酯的反應原理，選用具有耐高溫、耐腐蝕和不粘性等特性的聚四氟乙烯[8-9]材料制備除沫器，能夠有效提高除沫器耐腐蝕性能。

3.3 基于“物質-場分析”的除沫器結構創新設計

旋流板對液體進行攪拌和對霧沫進行氣液分離，而旋流板葉片在旋轉過程中產生的離心力會使沖擊到葉片中空邊緣的霧沫無法氣液分離，甚至會在離心力作用下被甩出去，建立問題的物場模型如圖2所示，即“S1.2.2通過改變現有物質來消除有害關系”。

根據解決方案模型，得到如下解決方案：霧沫之所以會甩出是因為中空部分并未起到阻擋作用，因此需要一個結構彌補中空部分來阻擋霧沫，但同時不能妨礙氣體排出。因此，可將除沫器的葉片結構改為絲網狀結構，絲網結構能夠有效阻擋液體，同時氣體可以通過網孔排出（見圖3）。

3.4 方案評價與最終方案

對上述形成的備選方案從耐腐蝕性、除沫效率、成本及其工藝便利性方面進行綜合地客觀評價，具體如表1所述。

綜合考慮上述3個方案，最終確定方案2與方案3組合為最優方案：利用聚四氟乙烯制備成絲網塊，固定安裝在塔設備頂部（如圖4所示），當帶有霧沫的氣體從混合氣入口進入塔體內，以一定速度上升通過絲網塊，由于霧沫上升的慣性作用，霧沫與絲網塊相碰撞而附著在絲網表面，然后經擴散、重力沉降形成較大的液滴沿著絲線匯聚在絲線交接點，再通過細網的可潤濕性、液體的表面張力及細絲的毛細管作用，使得液滴越來越大，直到聚集的液滴達到其自身產生的重力超過氣體的上升力與液體表面張力的合力時，液滴就從細絲上分離下落，達到氣液分離的目的。

4 結語

采用TRIZ理論對醋酸乙酯塔設備中除沫器進行分析，通過TRIZ的矛盾解決原理和物質-場分析能夠快速獲得現有除沫器使用壽命短及除沫效率低問題的解決方案，采用耐腐蝕、耐高溫的聚四氟乙烯制備絲網塊結構作為除沫器對霧沫進行氣液分離，提高了除沫器的使用壽命和除沫效率，簡化了除沫器結構，節約使用成本，易于安裝、操作、維修以及清洗，值得在醋酸乙酯塔設備及其他塔設備中推廣應用，也為相關設備的創新設計提供參考。

參考文獻

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