TRIZ创新方法在二氧化碳精洗塔改进中的应用

TRIZ创新方法在二氧化碳精洗塔改进中的应用

陈燕蓉

广西科学技术情报研究所，广西 南宁 ， 530022

【摘要】本文针对传统CO₂精洗环节存在气体在洗涤液中接触面小、反应时间过短导致精洗除杂效果差的技术问题，运用TRIZ理论中解决技术矛盾的方法，创新设计可活动喷头、气体分流器、回型循环导气管组件改造CO₂高效复合精洗塔设备，经实际应用实现碳氢化合物总的体积分数为2.8×10^-6，比国家标准≤50×10^-6要求低15倍以上；甲醇和乙醇的体积分数均＜1.0×10^-6，比国家标准要求≤10×10^-6低10倍；油脂的质量分数＜1.0×10^-6比国家标准要求≤5×10^-6低5倍，其余各项技术指标均符合食品级二氧化碳标准要求，在提高二氧化碳产品性能指标的同时，还大幅提高生产效率降低能耗。说明TRIZ在实际工程设计中具有很强的实用性与适用性，对工厂技改工作有很大的促进作用。

【关键词】TRIZ；二氧化碳；精洗塔；技术矛盾

1 研究背景

我国酒精厂大多是以淀粉质非粮作物原料生产食用酒精，在发酵过程中酵母菌把糖转化成乙醇，同时还产生二氧化碳，每生产1吨酒精理论上可获得二氧化碳约0.96吨，在酒精发酵气中二氧化碳的浓度较高，以淀粉质为原料的酒精发酵气中二氧化碳的浓度可达到95%以上，同时含有4%左右的醇类、醛类、酯类及微量氧气等杂质，利于生产高纯度的食品级二氧化碳^[1]。以年产酒精10万吨的酒精厂为例，其生产过程可年产生二氧化碳9万吨。二氧化碳的直接排放不仅危害环境，其实也是一种资源浪费。如果能够将此部分二氧化碳进行回收，无论是对保护环境减少温室气体的排放，还是对企业的效益都是很有意义的。

为了解决二氧化碳直接排放危害环境的问题，现有技术提供了一种二氧化碳气精洗塔^[2]，通过多级精洗去除二氧化碳气体中的甲醇、乙醇、乙醛等醇醛类微量水溶性杂质，精制成食品级的二氧化碳，洗涤效果较好。但是该精洗塔洗涤效率不高，不能满足大型酒精工厂的二氧化碳清洗需求。增大二氧化碳进气流量时，清洗速率加快，该精洗塔洗涤效果变差，二氧化碳纯度低，醇醛类杂质含量高，产品质量不达标。在TRIZ理论中，当技术系统中的两个参数之间存在着相互制约，此消彼长的情况时就产生了技术矛盾^[3-5]。因此，本文将利用TRIZ理论中解决技术矛盾问题的方法对二氧化碳气精洗塔存在的问题进行分析，进而获得改进方案。

2 TRIZ理论中解决技术矛盾的方法

TRIZ理论中解决技术矛盾的方法大致分为三步：首先将待解决的问题转化为通用问题模型，也就是提取实际问题中的技术矛盾——改善某一参数，却导致另一参数恶化，然后根据实际情况利用TRIZ的中间工具——矛盾矩阵得到TRIZ的解决方案模型——发明原理，最后根据发明原理得到最终方案^[4]。

3运用TRIZ理论进行二氧化碳气精洗塔的改进设计

3.1问题描述

现有二氧化碳精洗塔（如图1所示），含杂质二氧化碳通过进气口15进入塔底的一级精细单元，塔底中有洗涤液，初洗后进入填充层13所在的填料吸附单元进行吸附除杂，然后通过分布器11，进入喷淋式分布器18所在的二级精洗单元，与隔板7上的洗涤液反应后经除沫器3除去气体中携带的液沫，从出口2排出纯二氧化碳。存在的问题是当增大二氧化碳进气量提高了精洗塔的清洗速度时，二氧化碳的清洗效果降低。究其原因一是二氧化碳与洗涤剂接触面积减小，二是二氧化碳与洗涤剂的反应时间不足，导致二氧化碳清洗效果降低。

图1 现有二氧化碳精洗塔结构图

3.2 技术矛盾分析及改进

（1）二氧化碳与洗涤剂接触面积减小的问题分析及改进

当进气口流量增大时，二氧化碳瞬间增多形成气柱与洗涤液的接触面积减小，转化为通用问题模型就是：改善了物质的量，却导致运动物体的面积恶化，利用矛盾矩阵可以得到相应的发明原理为：15动态特性；14曲面化；29气压和液压结构。

采用动态特性原理“B分割物体，使其各部分可以改变相对位置”得到方案1，将单一进气口改为相对的2个进气口，同时进气，增大进气面积，使二氧化碳能够与洗涤液充分接触。

采用曲面化原理“C改直线运动为螺旋运动，应用离心力”得到方案2，在洗涤液进口处连接一个中空圆盘环状结构的气体分流器，增大进气面积，使二氧化碳能够通过分流器与洗涤液充分接触。

（2）二氧化碳与洗涤剂的反应时间不足的问题分析及改进

当进气口流量增大时，二氧化碳通过各级清洗单元的速度加快，与洗涤剂的反应时间不足。

转化为通用问题模型就是：改善了速度，却导致运动物体的作用时间恶化，利用矛盾矩阵可以得到相应的发明原理为：3局部质量；19周期性作用；35物理或化学参数改变；5组合。

采用局部质量原理“A将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的”得到方案3，在喷淋式分布器18的下方安装一对倾斜挡板，使气体进入二级精洗单元时，压力能够逐渐增加，不会因为出口骤然减小，压力剧增导致的气体逸出过快，反应时间不足。

采用周期性作用原理“A用周期性动作或脉冲动作代替连续动作”得到方案4，采用间歇式进气的方式代替连续进气，先通入大量的含杂质二氧化碳气体，然后关闭进气口停止进气，增压使含杂质二氧化碳气体快速通过精洗塔，然后通过循环管道，使含杂气体循环通过精洗塔，清洗合格排出后再重新通入含杂质二氧化碳气体重复循环清洗步骤。

采用组合原理“B在时间上将相同或相关操作进行合并”得到方案5，采用伸缩部件和喷洒导气头的组合，当气流量增大时导气管伸长，起到缓冲的作用，当气流量减小的时候导气管缩短，起到加速的作用，气流通过喷洒导气头均匀分散至循环洗涤液中，保证二氧化碳在洗涤液中得到充分停留和洗涤。

3.3最终方案

综合以上5个方案，结合实际经验及生产成本、维修便利性等因素，得到如图2所示的最终方案，通过中空圆盘环状结构的气体分流器11增大含杂质二氧化碳与洗涤液的接触面积，使含杂质二氧化碳与洗涤液充分接触，并均匀分散至填料吸附单元中，经吸附除杂后，气体进入事先填充好循环洗涤液的分布器9中，最后达到二级精洗单元，二级精洗单元由于设有倾斜式隔板7，使得气体可加速通过喷洒导气头6的气管，此时根据需要伸缩部件4可调整喷头的高低，使喷头深入新鲜洗涤液中，使得气体均匀进入新鲜洗涤液中，并能停留足够的时间，彻底除去二氧化碳中的杂质，经除沫器3除去二氧化碳中携带的少量液沫后由气体出口2排出。

图2 改进后的二氧化碳精洗塔结构图

结论

本文运用TRIZ理论进行了二氧化碳精洗塔的改进设计，所得方案只通过改进3个简单的结构，就能达到大幅提高生产效率和降低能耗的效果，适于在大型酒精厂中推广应用。经广西和山东4家大型木薯酒精发酵厂实际应用，对发酵尾气处理回收得到食品级二氧化碳，经第三方检测机构检测，且食品级二氧化碳产品纯度高于99.9%，碳氢化合物总体积分数为2.8×10^-6，比国家标准≤50×10^-6要求低15倍以上；甲醇和乙醇的体积分数均＜1.0×10^-6，比国家标准要求≤10×10^-6低10倍；油脂的质量分数＜1.0×10^-6比国家标准要求≤5×10^-6低5倍，其余各项技术指标均符合食品级二氧化碳标准GB10621-2006，在保证二氧化碳产品性能指标的同时，还大幅提高生产效率降低能耗。说明TRIZ在实际工程设计中具有很强的实用性与适用性，对工厂技改工作有很大的促进作用。

参考文献

[1] 徐美楠,沈建冲.不同气源生产国际标准食品级二氧化碳的工艺选择[A]; 2007年甲醇设计和生产新技术、甲醇下游产品产业化技术、食品级CO2制备工程技术交流研讨会[C],2007年.

[2] 沈建冲.二氧化碳气精洗塔.中国. 202322390U[P]. 2012,07,11.

[3] 彭慧娟,成思源,李苏洋等. TRIZ的理论体系研究综述[J]. 机械设计与制造，2013,10:270-272.

[4] 赵敏，史晓凌，段海波.TRIZ入门及实践[M].北京：科学出版社，2009:170.

[5] 薛晓滨.创新实践呼唤创新理论——发明问题解决理论(TRIZ)综述[J].铁道工程学报,2006(07):96-101.

[6] 初级/创新方法研究会，中国21世纪议程管理中心.创新方法教程（初级）[M].北京.高等教育出版社，2012：159.

基金项目名称：广西科技厅技术攻关项目（桂科攻1598015-5）

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