基于矛盾解决理论与物质—场分析的除沫器创新设计

陈程 陈燕容 徐国华 梁恩成

摘 要：本文采用TRIZ理论中的“矛盾解决原理”分析和解决旋流板式除沫器系统中涉及的技术矛盾，提出使用聚四氟乙烯材料的创新方案，利用聚四氟乙烯耐高温、耐腐蚀、高润滑和不粘附的特点解决雾沫对除沫器的腐蚀问题，提高除沫器的使用寿命，并研究了旋流板叶片与雾沫的“物质-场模型”，通过改进除沫器的整体结构消除旋流板叶片与雾沫之间的有害关系，减少雾沫甩出造成的物料损失，提升除沫器除沫效率，最后从耐腐蚀性、除沫效率、成本及其工艺便利性等方面进行方案评价，获得最优方案，采用聚四氟乙烯制备丝网结构的除沫器，为系统后续相关研究提供参考。

关键词：TRIZ 除沫器 矛盾解决原理 物质-场分析

中图分类号：TH111 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（c）-0073-02

1 研究背景

直接酯化法是国内工业生产醋酸乙酯的主要工艺路线[1]，以醋酸和乙醇为原料输送进入塔设备后，以硫酸为催化剂直接酯化合成醋酸乙酯，再经脱水、分馏精制得成品。酯化过程中，因为压力和温度的升高，反应液中的水分沸腾形成水蒸气，气流自下而上穿过塔板时，夹带反应液上升，形成雾沫，从而使传质效率降低，生产效率下降。此时，可设置除沫器，以捕集液滴。

除沫器是塔设备的重要组成单元，一般多设置在塔顶，降低有价值的物料损失。常用的除沫器是旋流板式除沫器[2]，由挡筒、叶片、分布环组成，旋流板叶片设置为倾斜状，方便对反应液进行搅拌。夹带雾沫的气流上升时与旋流板接触，在离心力作用下，液体被甩至塔壁流回塔内，气体则旋转上升从气体出口排出，从而达到气液分离的目的。

酯化反应用硫酸作为催化剂，因此反应液体具有很强的腐蚀性，对塔设备的要求较高。但为了节省成本，大多数除沫器的制作材料不具备强的耐腐蚀性；此外，因为整合了搅拌功能和除沫功能，旋流板式除沫器为中空设计，所以在叶片边缘，离心力对雾沫的分离作用不完全，反而会使雾沫在离心力作用下被甩出，造成物料损失，从而降低除沫效率。因此，结合直接酯化法的反应条件，使除沫器满足实际工况需求非常关键。

2 TRIZ理论简介

TRIZ是俄文теории решения изобретательских задач的英文音译Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写，按字面意思翻译过来就是创新问题解决方案理论。它是1946年至20世纪80年代中期由一位俄罗斯学者根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）及他的同事最先提出的。最初是从20万份专利中取出符合要求的4万份作为各种发明问题的最有效的解。他们从这些最有效的解中抽象出了TRIZ解决发明问题的基本方法（矛盾矩阵、76个标准解法、ARIZ、AFD、物质-场分析、ISQ、DE、8种演化类型、科学效应、40个创新原理、39个通过技术参数、物理学、化学、几何学等工程学原理知识库等），这些方法又可以普遍地适用于新出现的发明问题，协助人们获得这些发明问题的最优解[3-7]。

3 利用TRIZ理论解决除沫器创新问题的过程

3.1 除沫器系统分析

通过TRIZ理论对塔设备构建如图1所示的系统分析模型，进一步分析技术系统实现功能的相关子系统、超系统之间的相互联系，揭示问题产生原因。

从分析模型图可知，造成除沫器使用寿命短、除沫效率低的原因：一是反应液具有强酸性，与旋流板叶片直接接触，造成腐蚀；二是雾沫夹带上升，通过旋流板时，冲击到旋流板叶片边缘的雾沫会被甩出，从而降低除沫效率。这两个有害作用关系转化生成的问题就是造成除沫器使用寿命短和除沫效率低的关键。考虑到反应液的强酸性是不可控制的，因此，着重从提高旋流板叶片耐腐蚀性能和阻止雾沫被甩出这两个方面进行创新设计。

3.2 基于“矛盾解决原理”的除沫器耐腐蚀性能研究

使用旋流板能够有效地分离液滴，达到减少反应液损失的目的，但大量雾沫上升时会对旋流板产生腐蚀，缩短旋流板使用寿命。由上述分析可知，旋流板改善了反应系统中物质的损失，但液体对旋流板具有腐蚀作用，因此，问题中存在一对技术矛盾：改善的工程参数为23物质损失，恶化的工程参数为30作用于物体的有害因素。通过查找矛盾矩阵得到相应的创新原理为：33均质性原理；22变害为利原理；30柔性壳体或薄膜原理；40复合材料原理。

根据30柔性壳体或薄膜原理“使用柔性壳体或薄膜，将物体与环境隔离”得到启示，形成如下解决方案：在旋流板表面涂抹一层能抗强酸腐蚀的物质，将旋流板与反应液隔离，从而提高其使用寿命。

根据40复合材料原理“应复合材料代替均质材料”得到启示，形成如下解决方案：根据直接酯化法制备醋酸乙酯的反应原理，选用具有耐高温、耐腐蚀和不粘性等特性的聚四氟乙烯[8-9]材料制备除沫器，能够有效提高除沫器耐腐蚀性能。

3.3 基于“物质-场分析”的除沫器结构创新设计

旋流板对液体进行搅拌和对雾沫进行气液分离，而旋流板叶片在旋转过程中产生的离心力会使冲击到叶片中空边缘的雾沫无法气液分离，甚至会在离心力作用下被甩出去，建立问题的物场模型如图2所示，即“S1.2.2通过改变现有物质来消除有害关系”。

根据解决方案模型，得到如下解决方案：雾沫之所以会甩出是因为中空部分并未起到阻挡作用，因此需要一个结构弥补中空部分来阻挡雾沫，但同时不能妨碍气体排出。因此，可将除沫器的叶片结构改为丝网状结构，丝网结构能够有效阻挡液体，同时气体可以通过网孔排出（见图3）。

3.4 方案评价与最终方案

对上述形成的备选方案从耐腐蚀性、除沫效率、成本及其工艺便利性方面进行综合地客观评价，具体如表1所述。

综合考虑上述3个方案，最终确定方案2与方案3组合为最优方案：利用聚四氟乙烯制备成丝网块，固定安装在塔设备顶部（如图4所示），当带有雾沫的气体从混合气入口进入塔体内，以一定速度上升通过丝网块，由于雾沫上升的惯性作用，雾沫与丝网块相碰撞而附着在丝网表面，然后经扩散、重力沉降形成较大的液滴沿着丝线汇聚在丝线交接点，再通过细网的可润湿性、液体的表面张力及细丝的毛细管作用，使得液滴越来越大，直到聚集的液滴达到其自身产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的合力时，液滴就从细丝上分离下落，达到气液分离的目的。

4 结语

采用TRIZ理论对醋酸乙酯塔设备中除沫器进行分析，通过TRIZ的矛盾解决原理和物质-场分析能够快速获得现有除沫器使用寿命短及除沫效率低问题的解决方案，采用耐腐蚀、耐高温的聚四氟乙烯制备丝网块结构作为除沫器對雾沫进行气液分离，提高了除沫器的使用寿命和除沫效率，简化了除沫器结构，节约使用成本，易于安装、操作、维修以及清洗，值得在醋酸乙酯塔设备及其他塔设备中推广应用，也为相关设备的创新设计提供参考。

参考文献

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