基于TRIZ理論的翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)設(shè)計(jì)

余 罡，花仕洋

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基于TRIZ理論的翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)設(shè)計(jì)

余 罡，花仕洋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

常規(guī)濾芯式過濾裝置，在使用中存在生產(chǎn)效率低、洗滌效果不理想等問題。利用TRIZ理論，通過根原因分析，根據(jù)問題出現(xiàn)的條件和時間、現(xiàn)有解決方案及其缺點(diǎn)，提出了對新系統(tǒng)的要求，開展問題分析，得到問題的最終解，在常規(guī)濾芯式過濾裝置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)。

TRIZ理論 洗滌 過濾 一體機(jī) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在金屬粉末洗滌、過濾和干燥等工序[1-5]。對于溶液中固液兩相的分離方式，化工工業(yè)中常用的有：離心分離、旋流分離、濾芯式過濾、濾袋式過濾和濾板式過濾等[6-9]。離心分離單次處理量較少，適合實(shí)驗(yàn)室級固液分離；處理量大會導(dǎo)致設(shè)備昂貴；旋流分離的處理量大，但液相中不可避免存在極微顆粒，不適合多次洗滌、分離；濾芯式過濾可實(shí)現(xiàn)正壓過濾，過濾面積大，過濾速度較快，但存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題，洗滌時較難實(shí)現(xiàn)攪拌，物料取出困難；濾袋式過濾可實(shí)現(xiàn)正壓過濾，過濾面積大，過濾速度較快，同樣存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題，洗滌困難；濾板式過濾可實(shí)現(xiàn)正壓過濾，過濾面積小，過濾速度較慢，可通過加裝攪拌裝置充分洗滌，但同樣存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題。帶翻轉(zhuǎn)裝置、攪拌裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高，一般用于較大量粉料的洗滌過濾。

對于常規(guī)濾芯式過濾裝置，由于金屬粉末微孔豐富，反應(yīng)產(chǎn)物殘留在微孔中，需要大量的洗滌水或長時間浸泡才能清洗干凈；另外由于粉體材料較多且粒徑較小，堆積在濾膜上，形成致密層，加之濾膜微孔尺寸小，在通常最大只有1 atm的壓差下，過濾速度很慢；通過強(qiáng)烈的攪拌，可以顯著改善洗滌效果，但攪拌速度過于劇烈則有可能損傷濾膜；同時粉體較多且粒徑較小，堆積在濾膜上，堵塞濾膜并形成致密層，也降低了洗滌效率；底部的抽濾筒被濾液充滿后還需要切換閥門自流排水，操作較為繁瑣；如此反復(fù)操作，導(dǎo)致鋅粉/銀粉的洗滌過濾過程非常漫長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

本文基于TRIZ理論[10]，對常規(guī)濾芯式過濾裝置進(jìn)行了問題分析，提出了新的解決思路，并重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)式過濾干燥一體機(jī)。

1 問題與優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

常規(guī)過濾裝置如圖1所示，其主要工作原理是將含堿液的電解鋅粉或含反應(yīng)液的銀粉裝入洗滌過濾筒中；然后加入純水，充分?jǐn)嚢柘礈旌筮M(jìn)行真空抽濾；多次洗滌過濾后（一般換水洗滌/抽濾5次以上）檢測到洗滌液呈中性時（PH=7），停止洗滌，取出金屬粉末，裝盤，送入烘箱中進(jìn)行干燥。

圖1 濾芯式過濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖：1-濾液出口，2-抽濾筒，3-密封圈，4-濾膜，5-攪拌槳，6-粉體，7-過濾筒，8-真空口

所在技術(shù)系統(tǒng)為金屬粉末洗滌過濾系統(tǒng)，系統(tǒng)功能是通過洗滌水溶解粉末微孔中的水溶性反應(yīng)殘留物后透過濾膜，截留住所需的金屬粉末。實(shí)現(xiàn)該功能的約束主要包括：1）金屬粉末微觀結(jié)構(gòu)、粒徑；2）反應(yīng)殘留物；3）濾膜過濾精度。

對于常規(guī)濾芯式過濾裝置，存在生產(chǎn)效率低、洗滌效果不理想等問題的根原因主要包括：1）攪拌力度不足，傳質(zhì)作用不足，殘留物從粉末微孔中溶入洗滌水的速度慢，降低了洗滌效率；2）金屬粉末堵塞濾膜微孔使洗滌水透過阻力增大，降低了洗滌水帶走殘留物的速度，降低了洗滌效率。

問題出現(xiàn)的條件是金屬粉末數(shù)量多；問題出現(xiàn)的位置是在金屬粉末堆積層中；問題出現(xiàn)的時間是在金屬粉末洗滌過程中。

為解決此類問題，現(xiàn)有的解決方案主要包括：增大過濾面積和增加攪拌措施。增大過濾面積相當(dāng)于減小了濾餅的厚度，同時增加了濾液透過的面積，可加快洗滌速度，但增大過濾面積會增大設(shè)備的體積和重量；通過攪拌可以使粉末攪動起來形成懸濁液，強(qiáng)化了傳質(zhì)作用，有效改善粉末的洗滌效果和速度，但由于金屬粉末批次處理量大、比重大、易沉降，無法進(jìn)行充分?jǐn)噭?、洗滌，攪拌過于強(qiáng)烈則有可能損傷濾膜。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，是要求新的金屬粉末洗滌系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：1）洗滌效果好；2）洗滌速度快；3）耗水量小。

2 問題分析

2.1 系統(tǒng)功能分析與因果分析

該系統(tǒng)制品為金屬粉末洗滌系統(tǒng)，系統(tǒng)元件主要包括：金屬粉末、洗滌水、殘留物（堿、反應(yīng)物）、濾膜、濾液、過濾筒、抽濾筒、攪拌裝置、離心泵等。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

約束分析如圖3所示。

圖3 約束分析

通過系統(tǒng)功能模型分析和約束分析，描述了系統(tǒng)元件及其相互關(guān)系，并得出導(dǎo)致金屬粉末洗滌效率低這一問題的功能因素。在建立的功能模型圖中選擇目標(biāo)問題如下：

1）攪拌力度不足，粉末與洗滌水接觸不充分，傳質(zhì)作用不足，殘留物從粉末微孔中溶入洗滌水的速度慢，降低了洗滌效率；

2）微小的粉末顆粒沉降堵塞濾膜，增大了洗滌水的阻力，洗滌水的更新速度慢，降低了洗滌效率。

應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因，如圖4所示。

圖4 根原因分析圖

2.2 理想解分析

最終理想解：金屬粉末在洗滌水中經(jīng)形成均相懸濁液，使?jié)獠顭o限小，反應(yīng)殘留物溶入洗滌水即被帶走；洗滌水透過濾膜時僅有濾膜自身的阻力而不附加額外的阻力。

理想解：金屬粉末在洗滌水中不存在未被攪動的死區(qū)，濃差盡量??；洗滌水溶解反應(yīng)殘留物后盡快流出，洗滌液透過濾膜時的阻力盡量小。

達(dá)到理想解的障礙主要包括：金屬粉末微孔豐富、處理量大、比重大易沉降；濾膜微孔小、粉末粒徑小，粉末易堵塞濾膜微孔。

不出現(xiàn)這種障礙的條件：使金屬粉末在洗滌水中始終呈懸濁液不沉降；洗滌水溶解殘留物后快速流出，流動阻力小。

創(chuàng)造這些條件存在的可用資源有：離心泵的推動力、金屬粉末的自然重力沉降。

依據(jù)理想解分析得到方案為：通過泵的水壓作用，使金屬粉末在洗滌水中呈流態(tài)化，充分與洗滌水接觸，強(qiáng)化溶解—傳質(zhì)作用，改善洗滌效果；洗滌時使濾膜處于洗滌過濾器的上方，利用金屬粉末自然沉降而不堵塞濾膜微孔。

2.3 可用資源分析

可用資源包括系統(tǒng)內(nèi)部資源和系統(tǒng)外部資源。對于系統(tǒng)內(nèi)部的可用資源及其可用性分析如表1所示。

表1 系統(tǒng)內(nèi)部可用資源及其可用性分析

3 問題求解

通過以上分析，確定“解決攪動力度不足”和“解決粉末堵塞濾膜微孔”為入手點(diǎn)進(jìn)行問題求解。

3.1 工具一：沖突解決理論

沖突描述：為了改善洗滌效果，我們需要加大攪拌力度，但這樣做了有可能使粉末與濾膜強(qiáng)烈摩擦，從而損傷濾膜。

轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突：

改善的參數(shù)是“攪拌力度”—對應(yīng)39個通用工程參數(shù)中的No.10“力”；

惡化的參數(shù)是“濾膜完好性”—對應(yīng)39個通用工程參數(shù)中的No.27“可靠性”

通過查找沖突矩陣，得到如表3所示發(fā)明原理。

表3 沖突矩陣發(fā)明原理

依據(jù)No.3“局部質(zhì)量”發(fā)明原理，得到解如下：

a、在濾膜與粉末之間增加一張耐磨性更好、微孔遠(yuǎn)大于濾膜的金屬濾網(wǎng)或其它材質(zhì)的濾膜，在粉末強(qiáng)力摩擦作用下保護(hù)原有濾膜不受損傷。

b、由于批次投料量較大導(dǎo)致攪拌不足，因此可以采取分若干次加料方式，可以提高攪拌的均勻性。先期加入的粉末經(jīng)充分?jǐn)嚢柘礈旌髸两翟谧钕聦?，后續(xù)加入的粉末依次攪拌、洗滌、沉降。

依據(jù)No.35“參數(shù)變化”發(fā)明原理，得到解如下:

a、物質(zhì)的傳質(zhì)作用與溫度正相關(guān)，對洗滌水進(jìn)行加溫可以加快殘留物溶入洗滌水的速度，提高洗滌效率。因此可在洗滌過濾筒增加加熱夾套和導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)對洗滌水加熱。

b、優(yōu)化攪拌槳形式、洗滌過濾筒的結(jié)構(gòu)尺寸，如采用螺旋式攪拌槳或多級攪拌槳、增加折流板、增大洗滌過濾筒直徑等。

依據(jù)No.13“反向”發(fā)明原理，得到解如下:

a、由于金屬粉末比重大、易沉降，導(dǎo)致洗滌時攪拌不充分?，F(xiàn)有的洗滌水進(jìn)口設(shè)置與筒體的上方，水流自上而下?？梢栽O(shè)計(jì)伸入到粉末底層、濾膜之上的噴水式出水口，利用洗滌水的泵壓，將粉末自下而上沖起使粉末在水中翻騰形成懸濁液，解決因粉末沉降引起的攪拌不充分。

b、將攪拌槳葉設(shè)計(jì)成上推時，水流夾帶著粉末向上流動，底層形成負(fù)壓區(qū)，將沉降的粉末吸入到負(fù)壓區(qū)繼而夾帶翻騰，強(qiáng)化洗滌效果。

依據(jù)No.21“緊急行動”發(fā)明原理，得到解如下:

將洗滌過濾筒設(shè)計(jì)成可翻轉(zhuǎn)式，當(dāng)金屬粉末沉降在底部后豎直翻轉(zhuǎn)筒體，此時濾膜位于筒體的上方，金屬粉末開始沉降；當(dāng)粉末還未完全沉降時，再次翻轉(zhuǎn)筒體。如此一來，可使金屬粉末始終處于沉降過程中而不堆積，相當(dāng)于對粉末進(jìn)行了充分的攪拌，加快了洗滌效率。

3.2 工具二：物質(zhì)-場分析及76個標(biāo)準(zhǔn)解

建立問題的物質(zhì)-場模型如圖5所示。

根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為：

No.15——并聯(lián)物質(zhì)-場模型?？煽匦圆畹南到y(tǒng)需要改進(jìn)，但是無法改變已有系統(tǒng)的要素，使用第二個場作用于S2。

No.10——當(dāng)前設(shè)計(jì)中同時存在有用和有害作用，但是不能添加新的物質(zhì)。通過修改S1或S2消除作用。

依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解決方案：

方案一：依據(jù)No.15標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解如下:通過給水泵增加脈沖控制，在原有洗滌模式上增加新的“振蕩場”來增強(qiáng)原有的效果。

方案二：依據(jù)No.10標(biāo)準(zhǔn)解，得到問題的解如下：

在粉末堆積層底部分布設(shè)置氣嘴，向內(nèi)通入壓縮空氣，增加“虛無”，減少粉末的堆積，可改善微孔堵塞現(xiàn)象。

圖5 物質(zhì)-場模型

根據(jù)以上分析，得到方案匯總表如表4所示。

表4 最終問題解匯總表

4 問題的最優(yōu)解

依據(jù)前面分析得到的若干創(chuàng)新解，通過評價，確定最優(yōu)解，設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)（如圖6所示）：

1）過濾器為錐形體，在充滿水時的重心位置焊接一旋轉(zhuǎn)軸，可使過濾器在翻轉(zhuǎn)架上方便翻轉(zhuǎn)；濾膜安裝在錐形體直徑較大的一端，以增大過濾面積；

2）將過濾器翻轉(zhuǎn)，使錐形體直徑較小端朝上，向過濾器內(nèi)加入粉體材料；

3）加料完成后安裝好蓋板，翻轉(zhuǎn)過濾器至圖8a所示位置，鎖定；

4）開啟水泵，使洗滌水循環(huán)。粉末在水流的沖擊下呈流態(tài)化，使洗滌水與粉末充分接觸，加快洗滌速度；

5）循環(huán)一段時間后切換三通閥，將洗滌水排出至廢水收集池中進(jìn)行環(huán)保處理；

6）重新在水槽內(nèi)加入純水，重復(fù)以上模式，洗滌若干次，直至洗滌水呈中性；

7）最后的抽濾需將過濾器翻轉(zhuǎn)成如圖8b所示位置并鎖定并進(jìn)行抽濾；

8）抽濾完成后再翻轉(zhuǎn)過濾器至錐形體直徑較小端朝下，放出粉料；

9）在過濾器外筒體上焊接夾套，通入導(dǎo)熱油加熱可完成粉末的干燥。

圖6 翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)

5 結(jié)論

針對常規(guī)濾芯式過濾裝置存在的生產(chǎn)效率低、洗滌效果不理想等問題，基于TRIZ理論，進(jìn)行了分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)從理論上解決了常規(guī)濾芯式過濾裝置的主要問題，后續(xù)將通過開展試驗(yàn)研究，進(jìn)一步分析優(yōu)化后的翻轉(zhuǎn)式洗滌過濾干燥一體機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果和工作性能。

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Design of a Flip-type Washing/Filtration/Drying Integrative Device Based on TRIZ Theory

Yu Gang, Hua Shiyang

(Wuhan institute of Marine Electric Propulsion System, Wuhan 430064, China)

TD462

A

1003-4862（2018）06-0001-05

2018-03-05

余罡（1976-），男，高級工程師。研究方向：新能源動力電池技術(shù)。Email：qqzmh1104@139.com