基于TRIZ创新方法的化工工艺优化研究-以合成氨为例

徐环斐,高传慧,刘月涛,王传兴,于文龙,丁丽

(青岛科技大学 化工学院,山东 青岛 266042)

化工工艺是指在化学工程领域中,将原料经过一系列的物理和化学变化过程,转化为目标化工产品的方法和技术。化工工艺包括原料的选择与预处理、反应过程、分离与纯化、废物处理等各个环节[1]。化工工艺的研究和优化关注于提高生产效率、降低能耗、减少环境污染、保障生产安全等方面。化工工艺的优化对于化工行业发展具有至关重要的意义。化工工艺的创新和发展为生产新型产品提供了技术支持,推动了化学品种类的丰富和应用领域的拓展。其次,优化化工工艺有助于提高生产效率,降低生产成本,从而提升企业的市场竞争力。同时,现代化工工艺在环保和可持续发展方面具有更高的要求,通过降低能耗、减少废物排放、实现循环利用等途径,有效地减轻化工生产对环境的影响。此外,化工工艺的改进还有助于提高工作安全,降低生产事故风险。因此,由于化工工艺在化工行业发展中发挥着举足轻重的作用,所以对其进行技术创新和过程优化,可为提高产业竞争力、促进可持续发展、保护环境质量、确保生产安全等方面做出重要贡献[2]。本论文以合成氨为案例,通过TRIZ创新方法分析研究,实现工艺的优化设计。

1 TRIZ创新方法

TRIZ是英语Theory of Inventive Problem Solving的缩写,是一种发明创造理论,或发明问题解决理论[3-4],中文译作“萃智”。TRIZ是由苏联工程师Genrich Altshuller提出。他一直在思考一个问题“在进行发明创造和解决技术难题时,是否存在一种科学方法或规律可供遵循,以便快速实现新的发明创造或解决技术问题”?事实证明,答案是肯定的。因此,TRIZ理论是基于对大量专利及发明创造过程的分析,总结出一套系统化的创新方法,帮助解决技术和非技术领域的问题。TRIZ创新方法包括诸多内容[5],比如,问题分析、矛盾识别、问题解决、40个发明原理、39个参数的矛盾矩阵等核心部分。将问题看作一个系统,分析系统中的各个组成部分、相互作用;将所有技术问题转化为矛盾的角度,识别矛盾,找出矛盾产生的原因;运用一系列工具将问题解决[6]。

2 合成氨工艺

2.1 合成氨工艺介绍

氨是重要化工原料,是农业化肥、工业炸药等产品主要原材料, 在国民经济中占据重要地位,氨用于生产化肥,有助于提高农作物产量,满足不断增长的全球粮食需求。此外还用于制造农药、塑料、纤维、清洁剂等各类化学品,对化学产业的发展具有重要推动作用。合成氨工艺指以氮、氢为原料,在高温、高压、催化剂作用下将原料反应生成氨的化工工艺过程,是化工工艺的典型代表。合成氨的原料是氮气和氢气,总体过程分为合成氨原料气的制备、合成氨原料气的净化和氨的合成三部分。其中,合成氨的原料气又简称为合成气,主要是由一氧化碳和氢气组成。将TRIZ创新方法与合成氨结合,可优化合成氨工艺,提高氨合成的效率。

2.2 合成氨工艺的催化剂的优化

铁触媒是合成氨工业中广泛使用的一种催化剂,其微观结构和外观形貌主要受催化剂成分、载体种类和制备工艺等因素的影响。铁触媒在合成氨工艺中具有广泛的应用,但同时也存在一些缺点和问题,需要优化。

活性低是合成氨工艺中铁触媒存在的一个重要问题,为了解决这一问题,可以采用TRIZ方法中的矛盾矩阵进行深入分析。矛盾矩阵是TRIZ方法中常用的工具,它将问题的两个相反矛盾因素放在矩阵的两个端点上[7],通过矩阵中的39个矛盾解决原则,寻找合适的解决方案。对于合成氨工艺中铁触媒活性低的问题,可以通过以下步骤使用矛盾矩阵进行分析。首先,确定矛盾因素:活性低的问题表面上看是因为铁触媒反应速率慢,而本质上却是由于铁触媒的组成和结构无法同时满足催化反应速率和催化剂稳定性的要求,因此,铁触媒的催化活性和稳定性可以被视为两个矛盾因素。其次,将矛盾因素放置在矛盾矩阵中:将铁触媒的催化活性和稳定性放置在矛盾矩阵的两个端点上。再次,寻找解决方案:在矛盾矩阵中找到适当的解决原则,解决两个相反的矛盾因素。例如,可以采用“合并”原则,通过调整催化剂的组成,将多种金属催化剂组合在一起,以提高反应速率和稳定性。或者可以采用“多功能性”原则,将铁触媒与其他催化剂或添加剂组合,以达到更好的催化效果。最后,确定解决方案:在多个解决方案中选择最优的方案,并进行实验验证。通过TRIZ矛盾矩阵的分析,可以发现合成氨催化剂活性低问题的本质矛盾,即铁触媒催化剂活性和稳定性的矛盾,同时也可以通过寻找解决原则和方案来提高铁触媒的活性和稳定性。采用TRIZ方法可以有效地帮助化工工程师在解决具体催化剂问题时,克服创造力的局限性,提供创新的解决方案,从而优化合成氨催化剂和提高合成氨工艺总体效率。

可再生性差是合成氨催化剂铁触媒的另外一个需要优化的问题。针对这一问题,可以采用TRIZ物场分析,寻找铁触媒在反应中失活的原因,并采用新的催化剂或载体材料来提高催化剂的可再生性,或者采用催化剂再生技术,如高温还原等方法,使催化剂得以再生使用。物场分析是TRIZ方法中的一种解决问题的工具,通过对研究对象中存在的物理和化学场的变化过程的研究,寻找存在矛盾的物理场和化学场,进而提出相应的矛盾解决原则和解决方案。具体来说,采用物场分析来解决铁触媒可再生性差的问题,可以通过以下步骤:首先,确定分析对象:铁触媒及其再生过程。然后,分析物理场:分析铁触媒再生过程中存在的物理场,如温度、压力、气体流动等。针对铁触媒再生过程中存在的问题,比如氧化、烧结和结构破坏等,进一步分析造成这些问题的原因,如高温、氧化剂和硫化剂等。其次,分析化学场:分析铁触媒再生过程中存在的化学场,如催化反应和反应产物等。分析反应中产生的不良物质或副反应对催化剂的损害作用,并寻找化学场中的矛盾因素。最后,确定解决方案:通过物场分析确定铁触媒再生过程中存在的矛盾和瓶颈,并提出解决方案。例如,可以选择更耐高温、抗氧化的催化剂材料和载体,采用新的再生技术,如高温还原等,或者采用新的反应器结构或操作条件等。因此,物场分析是一项有效的TRIZ工具,可用于探索合成氨催化剂铁触媒可再生性差的问题,并提出创新的解决方案。通过物场分析,工程师可以深入了解反应机制和铁触媒再生过程中存在的瓶颈和矛盾,并从中提取相关的矛盾解决原则和解决方案,以提高合成氨催化剂铁触媒的可再生性。

2.3 合成氨工艺的设备优化

合成氨的主反应是氢气和氮气在一定的温度和压力下通过铁触媒进行催化,生成氨气。其反应设备是合成氨反应器。合成氨反应器通常是一种垂直的压力容器,反应器内部填充有催化剂。合成氨反应器虽然在工业生产中发挥了重要作用,但仍存在一些缺点和需要优化改进的地方,比如,能耗高:合成氨反应需要在高温、高压下进行,因此反应器需要消耗大量的能源来维持反应温度和压力,导致能耗较高。安全隐患:由于反应器内部需要消耗大量的能量,反应过程中产生的高温、高压等因素,增加了反应器的安全隐患。

针对合成氨反应器能耗高的问题,可以采用TRIZ方法中的STC算子法(尺寸S-时间T-成本C算子法)克服物体形状、外观、成本带来的思维惯性,每个算子都从无穷大和无穷小的两个角度去考虑问题以解决问题。STC算子不是为了获取问题的标准答案,而是为了解放思路,为下一步需求找解决方案做准备。尺寸方面,设想逐渐减小反应器的尺寸,使之更加紧凑,从而降低能耗和成本。可以考虑采用微型反应器设计,以减少反应器体积和增大表面积,提高反应效率和稳定性。还可以考虑使用新型反应器设计,如膜反应器、微流控反应器等,以提高反应速率和选择性。时间方面,设想逐渐缩短反应时间,使之更加高效,从而使得能耗降低。可以寻找新型的催化剂和反应器设计,提高反应速率和选择性,从而缩短反应时间,最终实现降低能耗。成本方面,设想逐渐降低反应器的成本,使之更加经济。可以采用新型的催化剂和反应器设计,降低原材料成本和反应器制造成本。循环利用废热:通过循环利用反应器排放的废热,如采用废热回收技术,可以降低能耗和成本。采用先进的节能技术:如采用新型的节能技术,如循环气体预热、反应热再利用、低温余热回收等,能够降低能源消耗和成本。同时可以寻找新型的能源来源,如太阳能、风能等,作为反应器的能源来源,从而降低能源消耗和环境污染。综上所述,通过应用STC算子法,可以从尺寸、时间和成本三个维度出发,寻找最优的解决方案,降低合成氨反应器的能耗。

针对安全隐患问题,可采用TRIZ的因果链分析来解决。TRIZ的因果链分析是一种用于分析问题根本原因和解决方案的工具。它主要是通过构建问题的因果链,来分析问题的根本原因和影响,通过画图形成树形因果关系结构,从而找到解决问题的方案。首先是确定问题,要解决的是安全隐患。然后是分解问题,引发安全隐患的子问题有哪些,每个安全隐患的子问题的更下一级的问题有哪些。构建因果链条,将合成氨反应器的安全隐患问题进行逐一拆解,根据树型因果链结构,在同级别并列原因之间确定关系是“或”还是“与”,通过分析因果链条,找到问题最根本的原因,找到导致安全隐患问题的最重要的原因。首先确定问题是反应器的安全隐患,接着分解问题,考虑到能量消耗、高温高压等因素可能导致的问题,然后构建因果链,分析反应器的安全隐患根源是什么。通过因果链分析,可以发现,根本原因是反应器内部需要消耗大量的能量,产生高温、高压等因素,从而增加反应器的安全隐患。基于这个根本原因,可以提出一些解决方案,如增加反应器材料的耐压、耐热性能;增强自动化控制系统;采用新的反应器设计等来消除或减轻反应器的安全风险。

2.4 合成氨原料气净化工艺的优化

合成氨原料气简称合成气,合成气在生产制备氨之前,要进行净化处理。净化工艺主要包括脱硫、一氧化碳的变化、二氧化碳的脱除、合成气的精制工段。其中脱硫是净化中的第一个工段,指的是将合成气中的含硫物质进行脱除。硫存在的形式为有机硫和无机硫,通常是将有机硫变成无机硫中的硫化氢的形式进行脱除。脱硫又分为干法脱硫和湿法脱硫,各有匹配的脱硫适用场景,但也都具有缺点和不足。结合TRIZ的四十个发明原理,可进行脱硫工艺的优化改进研究,现将其中前六个发明原理进行脱硫工艺优化举例说明。

分割原理:是指将物品分割成独立的不同部分;因此,脱硫的过程可以进行分割,或者拆分成不同脱除程度的递进式的脱硫步骤;先采用湿法脱硫脱除大宗的含硫物质,然后再进行干法脱硫脱除剩余的少量的含硫物质;在干法和湿法每个部分,还可以进行梯度浓度的设定。抽取原理:将物体中“干扰”的部分或特性抽取出来,或只抽取物体中需要的部分或特性;因此,脱硫的过程可以脱硫反应器中使用专门的吸收剂或吸附剂,将硫化氢分离出来,以提高脱硫效率;同时取样进行分析检测,以评价总量的脱除硫化物的程度。局部质量原理:将物体同类结构转变成异类结构、物体的不同部分实现不同的功能、物体的每个部分应放在最利于其运行的条件下;因此,脱硫的过程可以将脱硫工艺中的某些结构或部件进行异类结构的转变,以实现更高效的硫化氢去除;如,可以设计一种多级式脱硫设备,在不同的级别中采用不同的脱硫剂或脱硫方法,实现不同级别中硫化氢的不同程度去除,从而提高整个系统的脱硫效率;根据不同部分的功能,可以对设备的运行条件进行调整和优化,例如对于一些需要高温条件的部件,可以采取合适的隔热措施,以确保其在最佳的运行状态下工作。非对称原理:用非对称的形式代替对称形式、如果物体已经是非对称的,那么增加其非对称的程度;因此,脱硫的过程可以在设计非对称形状的反应器,可以增加反应器内部的混合程度,从而提高脱硫效率;引入非对称的加热和冷却方式,使反应器内部的温度分布更加均匀,从而减少硫化物的生成;设计非对称的脱硫催化剂,可以增加催化剂表面积和活性位点,提高脱硫效率;采用非对称的循环流程,可以提高脱硫剂的利用效率,减少废弃物的产生;通过利用非对称原理,可以创造出更加高效、经济、环保的脱硫工艺,提高脱硫效率和资源利用率。合并原理:合并空间上同类的物体,或预定要相邻操作的物体、合并时间上的同类或相邻的操作;因此,脱硫的过程可以用于合并空间上同类的物体,或预定要相邻操作的物体,以及合并时间上的同类或相邻的操作;在脱硫工艺中,可以将多个脱硫设备合并为一个,使其空间利用率更高,并且可以节省投资和运行成本;还可以将不同的脱硫步骤合并为一个步骤,从而降低操作的难度和成本,利用干法和湿法不同方法的合并,从而提高脱硫效率;这种合并的脱硫方法可以有效地降低工艺复杂度和投资成本,同时也能提高脱硫效率和净化效果。多功能原理:可以运用多功能原理来实现多种功能的集成;因此,脱硫的过程中可将脱硫催化剂与其他吸附材料相结合,既可以脱除硫化氢,又可以同时吸附其他有害气体;此外,也可以将脱硫催化剂与其他催化剂相结合,例如氧化催化剂,以实现同时脱除硫化氢和其他有害气体。通过集成多种功能,可以提高脱硫工艺的效率和经济性,实现多种污染物的同时处理,达到复利的效果。

3 总结

本研究以合成氨这一典型化工过程为实例,采用TRIZ创新方法对化工工艺进行优化分析。通过深入探讨合成氨过程中催化剂改进、反应设备升级以及合成气净化脱硫阶段的优化措施,本文总结出一套基于TRIZ创新原理的有效优化方案。这些方案有助于简化工艺流程、提升生产效率及资源利用水平,为实现环保、高效地合成氨生产开辟新途径。本研究为合成氨生产工艺的持续改进提供了理论支持和实践借鉴,助力推动相关领域的技术创新和可持续发展。