TRIZ理論在提高食品加工過程天然產物濃縮效率中的應用

李冰　張曉雪　賈鴻震　劉小波　張輝　張小燕

摘 要：基于TRIZ理論分析多級閃蒸器提高濃縮效率的問題，利用TRIZ矛盾分析和物場分析理論獲得不同的解決方案，對解決食品加工過程中多級閃蒸器提高濃縮效率問題有較好的效果，為高效濃縮技術在食品生產中的應用奠定了基礎。

關鍵詞：TRIZ;多級閃蒸器;濃縮效率

Abstract：Based on TRIZ theory， this paper analyzes the problem of multistage flash evaporator to improve concentration efficiency， and obtains different solutions by using TRIZ contradiction analysis and material field analysis theory. It has a good idea to solve the problem of multistage flash evaporator improving concentration efficiency， and lays a foundation for the application of high-efficiency concentration technology in production.

Key words：TRIZ; Multistage flash evaporator; Concentration efficiency

中圖分類號：TQ051

1 TRIZ理論介紹

TRIZ理論是由前蘇聯科學家G.S.Altshuller和TRIZ的研究團體在分析和總結了全世界數以百萬計的專利信息的基礎上，經過歸納、演繹而提出的一種產品創新設計方法學，該理論旨在建立一個由解決技術，實現創新開發的各種方法、算法組成的綜合理論體系。經過70多年的發展，TRIZ理論已經被廣泛應用于工程技術領域，覆蓋工業、建筑、微電子、化學、生物學、社會學、醫療、食品、商業、教育等多個領域，為企業的產品和技術創新提供了強大的理論和方法支撐[1-2]。國內外關于TRIZ的研究主要有TRIZ理論體系及其工具的研究、TRIZ理論與其他創新方法的集成研究、TRIZ理論在工程實踐中的應用研究等。

2 問題描述

多級閃蒸器是根據“閃蒸”原理和技術，在食品加工過程中全面考慮液體濃縮過程中各項技術特點和要求而設計的一種高效液體濃縮儀器[3]。目前多級閃蒸器采用常見的一級加熱、二級加熱至閃蒸器蒸發濃縮的步驟，但面對不同的濃縮物料和不同的濃縮環境，多級閃蒸器無法展現高效的濃縮，致使不能廣泛地服務于生產和科研開發。

多級閃蒸器由蠕動泵、預熱一、預熱二、閃蒸器、氣液分離裝置和溶劑回收裝置組成。儀器工作原理：根據減壓濃縮工藝，首先對物料進行一級或二級預熱，然后在閃蒸管中瞬間受熱，溶劑快速蒸發并與濃縮液分離，各自進入回收系統，完成濃縮過程。物料受熱時間短，熱敏成分獲得極大的保留。溶劑蒸發迅速、分離迅速，濃縮效率高于傳統濃縮儀器（其工作原理見圖1）。

該系統主要存在的問題有：①對于不同物料均經過一級預熱和二級預熱，影響部分物料濃縮效率。②閃蒸器螺旋玻璃管進出口均處于上方，導致管內蒸汽被濃縮液阻擋降低蒸發效率。③物料溶劑冷卻效率低，水資源嚴重浪費。④回收部分物料溶劑時純度較低。

3 運用TRIZ解決問題

3.1 TRIZ矛盾分析

3.1.1 技術矛盾

應用TRIZ創新理論的“技術矛盾”分析方法，分析該系統存在的技術矛盾，并得到以下解決方案。

（1）減少預熱級數會導致部分物料預熱不充分，導致閃蒸器中不能充分汽化。根據分割原則，將一級預熱和二級預熱進行分割，成為兩個獨立的部分，過度區間添加閥門，對于不同物料選擇不同的預熱級數，近一步提高濃縮效率。本方案改造方便，改造成本低，具有很高的操作性（圖2）。

（2）增加閃蒸器螺管管徑提高蒸發效率，會導致物料受熱速度慢、濃縮液不易進入氣液分離裝置。根據局部性質原則，將閃蒸器中的螺管改變成“S”型彎管，提高閃蒸器的位置，使彎管中的濃縮物料與溶劑蒸汽產生一定的空隙，溶劑蒸汽能夠快速通過閃蒸器，濃縮物料通過動能與勢能流入汽液分離裝置[4]。根據閃蒸器加熱效率和設備體積選擇最佳的“S”型彎管級數和組數，濃縮過程蒸汽分離效率將獲得大大提升（圖3）。

（3）冷凝水是影響溶劑蒸汽冷卻凝結的重要因素，提高冷凝水流動速度會增加冷凝效果，同時會導水資源的浪費等問題。根據組合原則，為溶劑回收裝置增加冷凝水循環裝置，通過冷凝水循環裝置達到節約水資源的目的[5]，同時改變冷凝液類型使冷凝溫度降低，物料溶劑蒸汽凝結速度加快（圖4）。

3.1.2 物理矛盾

應用TRIZ創新理論的“物理矛盾”分析方法，獲得以下解決方案。

（1）提高濃縮效率需減少預熱螺管長度，提高預熱效率需要增加預熱螺管長度。在物料預熱過程中，如果提高熱傳遞效率就能減少預熱螺管的長度，運用“中介”原則，利用熱傳遞效率較高的材料對螺管玻璃進行復合[6]，在螺管玻璃中加入一定量的高熱傳遞材料，通過高熱傳遞材料的熱量傳遞作用，更快的加熱螺管內物料，從而提高預熱效率，減少預熱螺管的長度，提高物料濃縮效率。

（2）提高物料溶劑蒸發效率需減少螺管長度，提高物料溶劑熱吸收效率需增加螺管長度。根據分割原則，閃蒸器內的加熱螺管分割成數個單元，每個單元之間處于并聯狀態，單元內的螺管長度降低，能有效的提高物料溶劑的蒸發效率，同時不影響物料的熱吸收效率（圖5）。

3.2 物場分析

應用TRIZ創新理論的“物場模型”分析方法，獲得的解決方案為：①物料溶劑冷凝過程引入冷卻水循環裝置。由于冷凝水吸收物料溶劑蒸汽熱量，使物料溶劑迅速降溫凝結成液相，聚集分布在溶劑回收裝置的下部;同時，溶劑蒸汽的凝結使溶劑回收裝置內部氣體分子減少，汽液分離裝置中的溶劑蒸汽更快速的進入溶劑回收裝置中[4]。②將預熱裝置中的螺管孔徑減小，增加熱傳遞效率，提高預熱效率，近一步提高濃縮效率。

4 結論

方案改進前，普通多級閃蒸器對普通物料的濃縮量約為2 L·h-1，改進方案實施后，預計濃縮效率可提高30%以上，能夠有效的提高食品加工過程中多級閃蒸器對物料的濃縮效率。同時本方案對溶劑回收裝置進行了優化，極大的降低了水資源的浪費，提高了物料溶劑蒸汽的濃縮效率，有利于高濃度物料溶劑的回收。通過對TRIZ創新理論方法的應用，對多級閃蒸器進行多方面改進與創新，對提高物料濃縮率問題有較好的解決思路，對多級閃蒸器技術突破起到了很大作用，同時對高效濃縮技術在生產中的應用奠定了基礎。

參考文獻：

[1]彭慧娟，成思源，等.TRIZ的理論體系研究綜述[J].機械設計與制造，2013（10）：270-272.

[2]檀潤華，王慶禹，苑彩云，等.發明問題解決理論：TRIZ--TRIZ過程，工具及發展趨勢[J].機械設計，2001（7）：7-12，53.

[3]張洪.多級閃蒸在水處理及工業廢液蒸發方面的應用[J].水處理技術，1984（4）：18-22.

[4]高顯會.旋轉蒸發儀內部溫度控制方法的改進[J].錦州醫學院學報，2003，24（1）：79-80.

[5]伍聯營，王慧敏，胡仰棟，等.多級閃蒸海水淡化與水電聯產模擬與優化[J].水處理技術，2011，37（7）：57-60，69.

[6]童震松，沈卓身，張毓雋.高導熱金剛石/玻璃復合材料的制備和性能研究[J].電子元件與材料，2009，28（11）：52-55.