TRIZ理論在異丙醇鋁工藝改進中的應用

李齊春　王興隆　孫云輝

摘要：為解決異丙醇鋁生產及應用過程中存在的問題，引入了TRIZ理論的自服務、多維化、惰性介質等若干發明原理。TRIZ理論分離原理的應用有效解決了有機鋁聚合物制備過程中的物理矛盾，提高了聚合反應穩定性；根據物-場分析法，利用乙醇消除丙酮對異丙醇鋁合成反應的有害效應，提高了合成反應速度。這些結果體現了TRIZ理論應用于異丙醇鋁工藝改進的可行性和高效性，為創新化工工藝改進設計提供了新的工具。

關鍵詞：TRIZ；異丙醇鋁；發明原理；分離原理；物-場模型

中圖分類號：TQ 201 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0460（2017）01-0112-03

TRIZ是“發明問題的解決理論”俄文的英文音譯（Theory of the Solution of Inventive Problems）的縮寫，在中國也名為“萃智”理論。經過幾十年的發展，如今它已在各行各業中得到廣泛應用，成為人們創造性地發現問題和解決問題的系統理論和方法工具，并創造出重大效益。本文利用TRIZ理論來解決異丙醇鋁生產及其應用中的工藝技術問題。

1 TRIZ基本理論體系

TRIz理論是由前蘇聯發明家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）創立的由解決技術、實現創新開發的各種方法、算法所組成的一套綜合理論體系。TRIZ理論體系包括創新思維方法與問題分析方法、技術系統進化法則、40條發明原理、39個通用工程參數和沖突矩陣、物一場分析、發明問題標準解、發明問題解決算法（ARIZ）以及工程效應知識庫等。TRIZ理論能夠幫助人們打破慣性思維，培養創造性思維能力，在工程領域可創造性的解決工藝優化、技術攻關等創新活動所遇到的問題。

2 TRIZ理論的應用

2.1 發明創造原理的應用

40條發明原理是TRIZ獲得矛盾解所應遵循的一般規律，是TRIZ理論中最重要的具有普遍用途的工具，可解決技術系統存在的技術矛盾，甚至可以用來解決與基礎知識面不是特別相關的創造性問題。

2.1.1 自服務原理的應用

固體異丙醇鋁作為晶種加速液體異丙醇鋁的固化。異丙醇鋁新蒸餾出來時為粘稠狀透明液體，包含著兩種狀態的多聚體，異丙醇鋁的三聚體為液態，四聚體為晶體，如圖1所示。液體異丙醇會隨著儲存時間的延長逐漸變為固體。異丙醇鋁在常溫下固化需數天時間，有時甚至需要二十多天，異丙醇鋁一般以固體形式出售，固化時間的長短直接影響產品生產率。

在液態低級烷醇鋁中加入0.5%～20%的固態低級醇鋁，20～85℃下，24h可徹底固化。在溫度為60℃時，不加固態異丙醇鋁，液態異丙醇鋁固化時間需40多小時，而加一定比例的固態異丙醇鋁作為晶種，固化的時間可縮短至10h之內。

2.1.2 變害為益原理的應用

異丙醇鋁采用減壓蒸餾進行提純，蒸餾結束后會有少量異丙醇鋁粘附在列管內壁而殘留在冷凝器中，這會降低傳熱效果甚至造成堵塞。間隔一定時間后需要通過蒸汽來清理，甚至需要拆洗冷凝器。異丙醇鋁在異丙醇中有一定的溶解度，20℃時為4.3g/100g，為此對管路進行改進，將異丙醇鋁合成所需的異丙醇先流經蒸餾冷凝器再進入合成釜，讓殘留在冷凝器內的異丙醇鋁在異丙醇的沖洗作用下，隨異丙醇重新進入合成釜中，既可起到催化劑作用，又有效地避免了異丙醇鋁殘留在冷凝器中的一系列問題的產生。

2.1.3 多維化原理的應用

異丙醇鋁蒸餾過程中，受真空度、釜內物料裝料系數變化等影響，有時會導致汽體夾帶釜內雜質進入產品中降低產品純度及白度，影響產品質量。通過在蒸餾反應釜汽體出口垂直管路（即空塔）內部安裝多層花板，利用多層結構代替單層結構，阻止雜質進一步上升，同時也起到部分異丙醇鋁回流作用。改進后產品雜質含量降低至0.01%，白度可達99，質量明顯提高。

2.1.4 惰性介質原理的應用

異丙醇鋁極易與水發生水解反應生成氫氧化鋁，一方面造成物料的損失，另一方面水解產生的氫氧化鋁具有易結疤性的特心，更易粘附在設備管路上，影響設備的正常運行。反應釜投料前用氮氣將釜內的空氣置換以趕走空氣中的水分，可有效防止異丙醇鋁的水解。采用五層共擠EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物）材料制成的高阻隔薄膜袋對異丙醇鋁進行真空包裝，產品保質期至少達6個月。

2.1.5 組合原理的應用

異丙醇鋁蒸餾釜使用導熱油加熱，存在升溫慢、能耗高等問題。通過在蒸餾釜內增設蒸汽盤管，使用蒸汽和導熱油組合加熱方式，先用蒸汽加熱，當釜內溫度達130℃時切換成導熱油加熱，整個蒸餾作業時間至少可縮短1h，同時節約了能源的使用。

2.2 分離原理的應用

技術系統存在物理矛盾時，通常通過四大分離原理來解決。物理矛盾是一個二元模型要求一個相同的功能特征具有不兼容的需求。如需要雨傘面積足夠大以有效遮雨，又要足夠小以方便攜帶，雨傘的大與小就是一對物理矛盾。

以異丙醇鋁為原料，與有機酸反應，再進行水化來制備有機鋁聚合物的工藝（見圖2）中也存在物理矛盾。

工藝研究中發現，高溫時往反應釜中加入水，部份水因蒸發逃出反應釜導致反應不完全；若要使反應穩定則需要降低加水時的溫度，但是溫度降低不利于聚合反應。這里存在一對物理矛盾，即加水進行聚合反應時溫度要高，但為了避免水的損失而造成工藝不穩定，加水時則希望溫度低。為消除這對物理矛盾，采用時間分離原理來解決，即將矛盾雙方在不同時間段上分離。根據反應機理，這個反應實際上包含水解羥基化和聚合反應過程。將水解反應和聚合反應在不同時間段進行，即先在低溫下完成水解羥基化過程，然后在高溫下完成聚合反應，見圖3。改進后的合成方法不僅解決了水損失引起的反應不完全，還改善了產品粘度及澄清度，提高了產品質量。

2.3 物場分析法的應用

物一場分析是TRIZ理論中一種重要的問題描述和分析工具。物一場模型理論認為所有的技術系統，其可分解為三個基本元素即功能載體S1，功能作用體S2、以及場F，若缺少其中的一個元素，系統就會產生矛盾。TRIZ理論將物一場模型分為四類，對于“有害效應的完整模型”的解決方法，可通過引入第三種物質或增加另外一個場的方式來消除有害效應，見圖4。

異丙醇鋁合成反應的物場模型中，S1為異丙醇鋁，S2為異丙醇、鋁等原料，F為反應時的化學場。研究發現原料異丙醇中若含微量的丙酮，會阻礙異丙醇與鋁的反應，也就是說S2中的丙酮不利于S1異丙醇鋁的合成。為消除丙酮所產生的有害效應，此處引進第三種物質，根據鋁醇鹽的Oppenauer氧化反應機理，往體系中添加極少量的乙醇。由于乙醇與丙酮在異丙醇鋁存在條件下，丙酮轉化為異丙醇，而乙醇則轉化為對反應無害的乙醛，從而消除了影響合成反應的不利因素（見圖5），進而提高了異丙醇鋁的合成反應速度。

3 結論

通過以上對異丙醇鋁生產及其應用中的問題分析及工藝改進可以看到，TRIZ理論的若干發明原理、分離原理及物場模型分析工具的應用提高了解決問題的效率，消除了異丙醇鋁生產及應用中的安全隱患及有害效應，提高了生產效率，提升了產品質量，證明了TRIZ理論在產品技術改進中應用的可行性。本文為其它產品的類似技術改進提供了參考，有較大的啟發指導意義。