1 前言

　　在化工、濕法冶金、環(huán)保等領域的工業(yè)生產過程中，存在大量生成結晶的化學反應。生產對生成結晶的一般要求是粗大且均勻。結晶粒度不均勻，特別是產品中細粉狀的量增加，將使使用過程中的揚塵增大，消耗上升，污染環(huán)境。結晶產品中細粉狀的量增加，還使產品易吸濕，易結塊，增大產品包裝、貯存和運輸成本。生產過程中，經過生成結晶的化學反應之后，通常還要進行液固分離。液固分離對生成結晶的要求同樣是粗大且均勻。
　　實際生產中，控制結晶產品均勻度的方法，一般采用間歇法生產，或在連續(xù)法生產的主反應器后面增設一個養(yǎng)晶槽。間歇法生產可有效減小結晶顆粒在反應器中停留時間的差別，得到滿意的均勻度。在連續(xù)法生產中增設養(yǎng)晶槽，可使小顆粒結晶溶解并長到大顆粒結晶上，從而改善結晶的均勻度。但是，這兩種方法都會不同程度地降低反應器的效率。
　　本文試用TRIZ理論探索解決連續(xù)法生產中普遍存在的結晶產品顆粒不均勻問題。目的是拋磚引玉，推動TRIZ理論在磷復肥行業(yè)的普及和運用。

　　2 運用TRIZ解決連續(xù)法生產中結晶產品粒度不均勻問題

　　技術問題名稱：結晶產品的顆粒大小不均勻
　　解決技術問題目標：在不降低生產效率的前提下，提高結晶產品的均勻度   

　　2.1分析技術系統(tǒng)
　　問題工況：可控制結晶產品的平均粒徑,不能有效控制結晶產品的粒度分布范圍（指連續(xù)法生產）。生成結晶的化學反應通常在帶有攪拌裝置的反應器中進行（見圖1）。
　　生成結晶的原理：一些結晶產品在一定組成的液相中具有一定的溶解度。若液相中存在構成結晶產品的離子和分子，當這些離子和分子的濃度大于結晶產品在液相中的溶解度時，它們就會從液相中結晶出來。
　　工業(yè)生產結晶產品的方法之一，就是使原料在液相中發(fā)生相互反應，得到構成結晶產品所需的離子和分子，并使這些離子和分子的濃度大于結晶產品在液相中的溶解度，讓它們從液相中結晶出來。從而得到結晶產品。
　　從液相中析出結晶的過程可分為兩個階段，晶核形成階段和晶核長大階段。
　　當液相中構成結晶產品的離子和分子的濃度，大于結晶產品在液相中的溶解度，并大到一定的值時，就會形成晶核，為晶核形成階段。液相中的離子和分子繼續(xù)長到晶核上，結晶不斷長大，直到結晶離開反應器或不再生長，為晶核長大階段。
　　結晶在反應器中生長的時間越長，即反應物料在反應器中的停留時間越長，結晶產品的平均粒徑越大；反之，結晶產品的平均粒徑越小。
　　液相中構成結晶產品的離子和分子的濃度，與結晶產品在液相中的溶解度的差值，稱之為絕對過飽和度（以下簡稱過飽和度）。
　　過飽和度越大，結晶長大的速度越快。但是，單位時間、單位體積中形成的晶核的數量也越多。由于結晶長大速度的增加，遠不能抵消晶核數量增加帶來的影響，其凈結果是：過飽和度越大，結晶產品的平均粒徑越??；過飽和度越小，結晶產品的平均粒徑越大。因此，除特殊需要外，生產結晶產品都盡量降低過飽和度，將過飽和度控制在很小的范圍。
　　技術問題因果鏈分析（見圖2）：生成結晶的平均粒徑及大小分布由結晶物質的理化性質、所采用原料的理化性質和控制條件決定。在本技術問題中，結晶物質和所采用原料的理化性質不在研究范圍。在控制條件中，溫度、壓力、固相濃度等參數也不在本技術問題的研究范圍。
　　除上述因素外，影響生成結晶的平均粒徑及大小分布的關鍵因素，就是結晶生長時間，即反應時間和過飽和度。實際生產中，為了得到大顆粒結晶，通常采用延長反應時間和降低過飽和度的方法。
　　延長反應時間，結晶在反應器中的平均生長時間增加，結晶產品中大顆粒的比例增加，結晶產品的平均粒徑就增大。但是，結晶平均生長時間增加，會使結晶生長時間的差別增大，結晶大小分布變寬，結晶產品顆粒大小不均勻。
　　降低過飽和度的方法通常采用提高攪拌強度和延長反應時間。
　　提高攪拌強度可讓進入反應器的原料迅速分散開，不易產生局部過飽和，生成的晶核少，結晶產品的平均粒徑大。但是，晶核生長階段要求攪拌強度小，利于結晶長大。攪拌強度過大甚至會打碎結晶，使結晶產品變得更加不均勻。
　　延長反應時間可降低過飽和度。延長反應時間，就意味著增大反應器的體積；反應器的體積大，其中已生成的物料量就大；反應器中已生成的物料量大，分散在其中的原料濃度就低，過飽和度也就低。
　　2.2解決技術問題
　　2.2.1運用物理矛盾法
　　運用物理矛盾法分析，結晶產品顆粒大小不均勻的根本原因是：①小顆粒結晶需要延長反應時間，大顆粒結晶不需要延長或需要縮短反應時間。②晶核形成階段需要大的攪拌強度，結晶生長階段需要小的攪拌強度。
　?、俣x物理矛盾
　　十分明顯，本技術問題中存在兩個物理矛盾。矛盾參數分別為反應時間（t）和攪拌強度(S)。
　　反應時間（t）應該延長，讓小顆粒結晶長大，結晶產品的粒度才均勻；反應時間（t）應該縮短，讓大顆粒結晶長得不至太大，結晶產品的粒度才均勻。
　　攪拌強度（S）應該大，可降低過飽和度，減少晶核的數量，結晶產品的平均粒徑大；攪拌強度（S）應該小，有利于結晶的生長，結晶產品的平均粒徑大。
　?、诮鉀Q物理矛盾
　　◆ 試用空間分離法分離反應時間（t）：
　　第一步 填寫參數及對參數的相反要求
　　參數:反應時間（t）       
　　要求1:延長反應時間（t）   
　　要求2:縮短反應時間（t）   
　　第二步 明確對象（系統(tǒng)）的哪一部分空間位置需要滿足什么要求
　　空間1: 小顆粒結晶          
　　空間2: 大顆粒結晶          
　　第三步 明確以上兩個空間是否存在交叉
　　很明顯，小顆粒結晶和大顆粒結晶從空間上不存在交叉，可以利用空間分離法將它們分開，以滿足兩個相反的要求。即：將小顆粒結晶從大顆粒結晶中分離出來，返回反應器繼續(xù)反應長大，大顆粒結晶作為產品去液固分離（見圖3）。
　　實際生產中，可以用水力旋流器、斜板分級機和其它適宜的顆粒分級設備，將大顆粒結晶和小顆粒結晶分開。并通過調整顆粒分級設備的相關參數，控制大顆粒結晶和小顆粒結晶的平均粒徑。
　　◆ 試用時間分離法分離攪拌強度（S）：
　　第一步 填寫參數及對參數的相反要求
　　參數:攪拌強度（S）       
　　要求1:增大攪拌強度         　
　　要求2:減小攪拌強度        
　　第二步 明確對象（系統(tǒng)）在什么時間需要滿足什么要求
　　時間1:  晶核形成階段        
　　時間2:  結晶生長階段  　       
　　第三步 明確以上兩個時間是否存在交叉
　　很明顯，晶核形成階段和晶核生長階段不存在交叉，可以用時間分離法將它們分開，滿足兩個相反的要求。即將反應器分成兩個反應器。1#反應器的功能以生成晶核為主，采用大的攪拌強度；2#反應器的功能以使結晶長大為主，采用小的攪拌強度（見圖4）。此方法在實際生產中已有大量應用，1#反應器為主反應器，2#反應器為養(yǎng)晶器。
　　2.2.2運用技術矛盾法
　　運用技術矛盾法分析，“結晶產品的顆粒大小不均勻”的根本原因是：①為了增大結晶產品的平均粒徑而延長反應時間的結果，導致結晶顆粒生長時間差別增大，繼而導致結晶產品的顆粒大小不均勻；②為了降低過飽和度而提高攪拌強度的結果，導致結晶顆粒被打碎，繼而導致結晶產品的顆粒大小不均勻。
　?、俣x技術矛盾
　　本技術問題中，第一對技術矛盾的需要改善的參數反應時間，導致惡化的參
數是結晶產品的粒度分布范圍。第二對技術矛盾的需要改善的參數是攪拌強度，導致惡化的參數是結晶產品的粒度分布范圍。
　　結合39個通用工程參數分析，可將第一對技術矛盾定義為，運動對象的作用時間與運動對象的長度之間的矛盾。即為了改善運動對象的作用時間，導致運動對象長度的惡化。
　　↑運動對象的作用時間 → 運動對象的長度↓
　　可將第二對技術矛盾定義為，強度與運動對象的長度之間的矛盾。即為了改善強度，導致運動對象長度的惡化。
　　↑強度 → 運動對象的長度↓
　?、诮鉀Q技術矛盾
　　查出矛盾矩陣中對應的發(fā)明原理：對應于第一對技術矛盾的發(fā)明原理的序號為第2、第19和第9，分別為抽取原理、周期性作用原理和預先反作用原理；對應于第二對技術矛盾的發(fā)明原理的序號為第1、第15、第8和第36，分別為分割原理、動態(tài)特性原理、重量補償原理和相變原理。
下面分別運用矛盾矩陣給出的發(fā)明原理來思考并提出解決技術問題的方案。
第一對技術矛盾：
　　A.抽取原理
　　就是從研究對象中分離出有用的（或有害的）部分（或屬性）。研究對象可以是物質的，也可以是非物質的；可以是有形的，也可以是無形的。通常有2種分離方式。
　　a.從對象中抽取出產生不利影響的部分或屬性；
　　b.從對象中抽取出有用的、需要的部分或屬性。
　　由此原理，我們很容易想到，將小顆粒結晶從料漿中抽取出來。抽取出小顆粒后的料漿再進一步脫除水分，作為產品；也容易想到，抽取出的小顆粒結晶應返回反應器進一步反應長大（見圖3）。
　　B.周期性作用原理
　　就是運用周期性作用。即：用周期性作用或脈動代替非周期作用、改變周期性作用的頻率等。這種周期性作用可以是物質的，也可以是非物質的；可以是有形的，也可以是無形的。通常有3種方式。
　　a.用周期性動作或脈動代替非周期動作；
　　b.改變周期性作用的頻率；
　　c.利用脈動間隙完成其它有用作用。
　　由此原理，我們很容易想到，將生成結晶的反應由連續(xù)改為間歇，即由連續(xù)法生產改為間歇法生產。這樣，結晶生長時間的差別就大幅度減小，很容易得到顆粒均勻的結晶產品。實際生產中，許多結晶產品都采用間歇生產，但反應器的生產能力會降低很多。
　　C.預先反作用原理
　　就是預先掌握可能出現(xiàn)的有害作用，并預先施加反作用，以降低或消除有害作用。這些對象可以是物質的，也可以是非物質的；可以是有形的，也可以是無形的。通常有3種反作用方式。
　　a.事先施加反作用力，以抵消工作狀態(tài)下過大的、不期望的應力；
　　b.對于同時具有有利和有害影響的作用，可以事先施加與有害影響相反的作用，來降低或消除工作狀態(tài)下的有害影響；
　　c.對有害的作用或事件，預先采取相反的作用。
　　由此原理，我們很容易去思考，如何消除和減少生成小顆粒結晶。實際生產就常常采用加入晶種、表面活性劑等措施來減少小顆粒結晶。但這些措施已不在我們的研究范圍。
　　第二對技術矛盾：
　　A.分割原理
　　就是對研究對象進行分割。研究對象可以是物質的，也可以是非物質的；可以是有形的，也可以是無形的。通常有3種分割方式。
　　a.將對象分割成幾個相互獨立的部分；
　　b.將對象分割成便于組合和拆卸的幾個部分；
　　c.提高對象的分割程度。
　　由此原理，我們很容易想到，將反應器分割成2個反應器就可滿足對攪拌強度的不同要求（見圖4）。
　　B.動態(tài)特性原理
　　就是使研究對象的各個組成部分處于動態(tài)，即各個部分是可調整的、活動的或可互換的，使其在工作過程中的每個階段、每個動作都處于最佳狀態(tài)。通常有3種方式。
　　a.調整對象或對象所處的環(huán)境，使對象的性能始終處于最佳狀態(tài)；
　　b.將對象分割成多個部分，便于調整各部分的相對位置；
　　c.使不動的對象可動或可自動適應。
　　同上一原理一樣，我們很容易想到，將反應器分割成2個或多個反應器。
　　C. 重量補償原理
　　就是用一個（多個）研究對象產生的上升力來補償另一個（多個）研究對象的重量。通常有3種補償方式。
　　a.將對象與另一個能提供上升力的對象組合在一起，以補償其重量；
　　b.通過對象與環(huán)境的相互作用（利用空氣動力、流體動力等）來補償對象的重量；
　　c.利用環(huán)境中相反的力（或作用）來補償對象的消極的（負面的）屬性。
　　此原理與本技術問題沒有明顯聯(lián)系。這是因為，40個發(fā)明原理是對技術發(fā)明原理的高度概括和總結，每個原理的覆蓋面都非常寬。所以，不是只要按TRIZ要求的步驟從矛盾矩陣中查到的發(fā)明原理，我們就一定能從中得到解決技術問題的方案。但是，一般情況下，對應于每一對技術矛盾，矛盾矩陣給出的1～4發(fā)明原理中，至少有一個發(fā)明原理與我們要解決的技術問題是相關聯(lián)的。
　　D.相變原理
　　就是利用對象相變時產生的體積改變、吸熱和放熱等效應。此原理與我們的技術問題存在一定聯(lián)系。如：利用“有機溶劑沉淀法”析出結晶等，但不具普遍性。

　　3 結束語

　　運用TRIZ理論中物場模型法和ARIZ，我們可以進一步得到，利用反應器中攪拌產生的流場對結晶進行分級，將旋流器與反應器組合在一起等創(chuàng)新思維。由于篇幅限制，不再一一介紹。總之，TRIZ是最實用、最有效的技術創(chuàng)新理論和方法之一，在磷復肥行業(yè)推廣和運用TRIZ，可加快行業(yè)的技術進步。

　　參考文獻：
　　[1]楊建中.TRIZ概論[R].昆明:云南省科學技術協(xié)會.2011.11
　　[2]呂慶勝 楊建中等.一種改善二水物濕法磷酸生產的方法.ZL200510010641.6.2005.02.01

　　作者簡介：
　　楊建中(1957-),云南劍川人,教授級高工，從事磷復肥、磷化工、氟化工生產技術研究和管理工作。
                      　　　　　　　　　　　　　　　　　　　       責編/張勤