徐環(huán)斐,高傳慧,劉月濤,王傳興,于文龍,丁麗

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院,山東 青島 266042)

化工工藝是指在化學(xué)工程領(lǐng)域中,將原料經(jīng)過一系列的物理和化學(xué)變化過程,轉(zhuǎn)化為目標(biāo)化工產(chǎn)品的方法和技術(shù)。化工工藝包括原料的選擇與預(yù)處理、反應(yīng)過程、分離與純化、廢物處理等各個(gè)環(huán)節(jié)[1]?；すに嚨难芯亢蛢?yōu)化關(guān)注于提高生產(chǎn)效率、降低能耗、減少環(huán)境污染、保障生產(chǎn)安全等方面?；すに嚨膬?yōu)化對(duì)于化工行業(yè)發(fā)展具有至關(guān)重要的意義?；すに嚨膭?chuàng)新和發(fā)展為生產(chǎn)新型產(chǎn)品提供了技術(shù)支持,推動(dòng)了化學(xué)品種類的豐富和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。其次,優(yōu)化化工工藝有助于提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,從而提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí),現(xiàn)代化工工藝在環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方面具有更高的要求,通過降低能耗、減少?gòu)U物排放、實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用等途徑,有效地減輕化工生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響。此外,化工工藝的改進(jìn)還有助于提高工作安全,降低生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)。因此,由于化工工藝在化工行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用,所以對(duì)其進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和過程優(yōu)化,可為提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量、確保生產(chǎn)安全等方面做出重要貢獻(xiàn)[2]。本論文以合成氨為案例,通過TRIZ創(chuàng)新方法分析研究,實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 TRIZ創(chuàng)新方法

TRIZ是英語(yǔ)Theory of Inventive Problem Solving的縮寫,是一種發(fā)明創(chuàng)造理論,或發(fā)明問題解決理論[3-4],中文譯作“萃智”。TRIZ是由蘇聯(lián)工程師Genrich Altshuller提出。他一直在思考一個(gè)問題“在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造和解決技術(shù)難題時(shí),是否存在一種科學(xué)方法或規(guī)律可供遵循,以便快速實(shí)現(xiàn)新的發(fā)明創(chuàng)造或解決技術(shù)問題”?事實(shí)證明,答案是肯定的。因此,TRIZ理論是基于對(duì)大量專利及發(fā)明創(chuàng)造過程的分析,總結(jié)出一套系統(tǒng)化的創(chuàng)新方法,幫助解決技術(shù)和非技術(shù)領(lǐng)域的問題。TRIZ創(chuàng)新方法包括諸多內(nèi)容[5],比如,問題分析、矛盾識(shí)別、問題解決、40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)參數(shù)的矛盾矩陣等核心部分。將問題看作一個(gè)系統(tǒng),分析系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分、相互作用;將所有技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為矛盾的角度,識(shí)別矛盾,找出矛盾產(chǎn)生的原因;運(yùn)用一系列工具將問題解決[6]。

2 合成氨工藝

2.1 合成氨工藝介紹

氨是重要化工原料,是農(nóng)業(yè)化肥、工業(yè)炸藥等產(chǎn)品主要原材料, 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位,氨用于生產(chǎn)化肥,有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量,滿足不斷增長(zhǎng)的全球糧食需求。此外還用于制造農(nóng)藥、塑料、纖維、清潔劑等各類化學(xué)品,對(duì)化學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。合成氨工藝指以氮、氫為原料,在高溫、高壓、催化劑作用下將原料反應(yīng)生成氨的化工工藝過程,是化工工藝的典型代表。合成氨的原料是氮?dú)夂蜌錃?總體過程分為合成氨原料氣的制備、合成氨原料氣的凈化和氨的合成三部分。其中,合成氨的原料氣又簡(jiǎn)稱為合成氣,主要是由一氧化碳和氫氣組成。將TRIZ創(chuàng)新方法與合成氨結(jié)合,可優(yōu)化合成氨工藝,提高氨合成的效率。

2.2 合成氨工藝的催化劑的優(yōu)化

鐵觸媒是合成氨工業(yè)中廣泛使用的一種催化劑,其微觀結(jié)構(gòu)和外觀形貌主要受催化劑成分、載體種類和制備工藝等因素的影響。鐵觸媒在合成氨工藝中具有廣泛的應(yīng)用,但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)和問題,需要優(yōu)化。

活性低是合成氨工藝中鐵觸媒存在的一個(gè)重要問題,為了解決這一問題,可以采用TRIZ方法中的矛盾矩陣進(jìn)行深入分析。矛盾矩陣是TRIZ方法中常用的工具,它將問題的兩個(gè)相反矛盾因素放在矩陣的兩個(gè)端點(diǎn)上[7],通過矩陣中的39個(gè)矛盾解決原則,尋找合適的解決方案。對(duì)于合成氨工藝中鐵觸媒活性低的問題,可以通過以下步驟使用矛盾矩陣進(jìn)行分析。首先,確定矛盾因素:活性低的問題表面上看是因?yàn)殍F觸媒反應(yīng)速率慢,而本質(zhì)上卻是由于鐵觸媒的組成和結(jié)構(gòu)無法同時(shí)滿足催化反應(yīng)速率和催化劑穩(wěn)定性的要求,因此,鐵觸媒的催化活性和穩(wěn)定性可以被視為兩個(gè)矛盾因素。其次,將矛盾因素放置在矛盾矩陣中:將鐵觸媒的催化活性和穩(wěn)定性放置在矛盾矩陣的兩個(gè)端點(diǎn)上。再次,尋找解決方案:在矛盾矩陣中找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q原則,解決兩個(gè)相反的矛盾因素。例如,可以采用“合并”原則,通過調(diào)整催化劑的組成,將多種金屬催化劑組合在一起,以提高反應(yīng)速率和穩(wěn)定性?；蛘呖梢圆捎谩岸喙δ苄浴痹瓌t,將鐵觸媒與其他催化劑或添加劑組合,以達(dá)到更好的催化效果。最后,確定解決方案:在多個(gè)解決方案中選擇最優(yōu)的方案,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過TRIZ矛盾矩陣的分析,可以發(fā)現(xiàn)合成氨催化劑活性低問題的本質(zhì)矛盾,即鐵觸媒催化劑活性和穩(wěn)定性的矛盾,同時(shí)也可以通過尋找解決原則和方案來提高鐵觸媒的活性和穩(wěn)定性。采用TRIZ方法可以有效地幫助化工工程師在解決具體催化劑問題時(shí),克服創(chuàng)造力的局限性,提供創(chuàng)新的解決方案,從而優(yōu)化合成氨催化劑和提高合成氨工藝總體效率。

可再生性差是合成氨催化劑鐵觸媒的另外一個(gè)需要優(yōu)化的問題。針對(duì)這一問題,可以采用TRIZ物場(chǎng)分析,尋找鐵觸媒在反應(yīng)中失活的原因,并采用新的催化劑或載體材料來提高催化劑的可再生性,或者采用催化劑再生技術(shù),如高溫還原等方法,使催化劑得以再生使用。物場(chǎng)分析是TRIZ方法中的一種解決問題的工具,通過對(duì)研究對(duì)象中存在的物理和化學(xué)場(chǎng)的變化過程的研究,尋找存在矛盾的物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng),進(jìn)而提出相應(yīng)的矛盾解決原則和解決方案。具體來說,采用物場(chǎng)分析來解決鐵觸媒可再生性差的問題,可以通過以下步驟:首先,確定分析對(duì)象:鐵觸媒及其再生過程。然后,分析物理場(chǎng):分析鐵觸媒再生過程中存在的物理場(chǎng),如溫度、壓力、氣體流動(dòng)等。針對(duì)鐵觸媒再生過程中存在的問題,比如氧化、燒結(jié)和結(jié)構(gòu)破壞等,進(jìn)一步分析造成這些問題的原因,如高溫、氧化劑和硫化劑等。其次,分析化學(xué)場(chǎng):分析鐵觸媒再生過程中存在的化學(xué)場(chǎng),如催化反應(yīng)和反應(yīng)產(chǎn)物等。分析反應(yīng)中產(chǎn)生的不良物質(zhì)或副反應(yīng)對(duì)催化劑的損害作用,并尋找化學(xué)場(chǎng)中的矛盾因素。最后,確定解決方案:通過物場(chǎng)分析確定鐵觸媒再生過程中存在的矛盾和瓶頸,并提出解決方案。例如,可以選擇更耐高溫、抗氧化的催化劑材料和載體,采用新的再生技術(shù),如高溫還原等,或者采用新的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)或操作條件等。因此,物場(chǎng)分析是一項(xiàng)有效的TRIZ工具,可用于探索合成氨催化劑鐵觸媒可再生性差的問題,并提出創(chuàng)新的解決方案。通過物場(chǎng)分析,工程師可以深入了解反應(yīng)機(jī)制和鐵觸媒再生過程中存在的瓶頸和矛盾,并從中提取相關(guān)的矛盾解決原則和解決方案,以提高合成氨催化劑鐵觸媒的可再生性。

2.3 合成氨工藝的設(shè)備優(yōu)化

合成氨的主反應(yīng)是氫氣和氮?dú)庠谝欢ǖ臏囟群蛪毫ο峦ㄟ^鐵觸媒進(jìn)行催化,生成氨氣。其反應(yīng)設(shè)備是合成氨反應(yīng)器。合成氨反應(yīng)器通常是一種垂直的壓力容器,反應(yīng)器內(nèi)部填充有催化劑。合成氨反應(yīng)器雖然在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用,但仍存在一些缺點(diǎn)和需要優(yōu)化改進(jìn)的地方,比如,能耗高:合成氨反應(yīng)需要在高溫、高壓下進(jìn)行,因此反應(yīng)器需要消耗大量的能源來維持反應(yīng)溫度和壓力,導(dǎo)致能耗較高。安全隱患:由于反應(yīng)器內(nèi)部需要消耗大量的能量,反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高溫、高壓等因素,增加了反應(yīng)器的安全隱患。

針對(duì)合成氨反應(yīng)器能耗高的問題,可以采用TRIZ方法中的STC算子法(尺寸S-時(shí)間T-成本C算子法)克服物體形狀、外觀、成本帶來的思維慣性,每個(gè)算子都從無窮大和無窮小的兩個(gè)角度去考慮問題以解決問題。STC算子不是為了獲取問題的標(biāo)準(zhǔn)答案,而是為了解放思路,為下一步需求找解決方案做準(zhǔn)備。尺寸方面,設(shè)想逐漸減小反應(yīng)器的尺寸,使之更加緊湊,從而降低能耗和成本?？梢钥紤]采用微型反應(yīng)器設(shè)計(jì),以減少反應(yīng)器體積和增大表面積,提高反應(yīng)效率和穩(wěn)定性。還可以考慮使用新型反應(yīng)器設(shè)計(jì),如膜反應(yīng)器、微流控反應(yīng)器等,以提高反應(yīng)速率和選擇性。時(shí)間方面,設(shè)想逐漸縮短反應(yīng)時(shí)間,使之更加高效,從而使得能耗降低。可以尋找新型的催化劑和反應(yīng)器設(shè)計(jì),提高反應(yīng)速率和選擇性,從而縮短反應(yīng)時(shí)間,最終實(shí)現(xiàn)降低能耗。成本方面,設(shè)想逐漸降低反應(yīng)器的成本,使之更加經(jīng)濟(jì)?？梢圆捎眯滦偷拇呋瘎┖头磻?yīng)器設(shè)計(jì),降低原材料成本和反應(yīng)器制造成本。循環(huán)利用廢熱:通過循環(huán)利用反應(yīng)器排放的廢熱,如采用廢熱回收技術(shù),可以降低能耗和成本。采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù):如采用新型的節(jié)能技術(shù),如循環(huán)氣體預(yù)熱、反應(yīng)熱再利用、低溫余熱回收等,能夠降低能源消耗和成本。同時(shí)可以尋找新型的能源來源,如太陽(yáng)能、風(fēng)能等,作為反應(yīng)器的能源來源,從而降低能源消耗和環(huán)境污染。綜上所述,通過應(yīng)用STC算子法,可以從尺寸、時(shí)間和成本三個(gè)維度出發(fā),尋找最優(yōu)的解決方案,降低合成氨反應(yīng)器的能耗。

針對(duì)安全隱患問題,可采用TRIZ的因果鏈分析來解決。TRIZ的因果鏈分析是一種用于分析問題根本原因和解決方案的工具。它主要是通過構(gòu)建問題的因果鏈,來分析問題的根本原因和影響,通過畫圖形成樹形因果關(guān)系結(jié)構(gòu),從而找到解決問題的方案。首先是確定問題,要解決的是安全隱患。然后是分解問題,引發(fā)安全隱患的子問題有哪些,每個(gè)安全隱患的子問題的更下一級(jí)的問題有哪些。構(gòu)建因果鏈條,將合成氨反應(yīng)器的安全隱患問題進(jìn)行逐一拆解,根據(jù)樹型因果鏈結(jié)構(gòu),在同級(jí)別并列原因之間確定關(guān)系是“或”還是“與”,通過分析因果鏈條,找到問題最根本的原因,找到導(dǎo)致安全隱患問題的最重要的原因。首先確定問題是反應(yīng)器的安全隱患,接著分解問題,考慮到能量消耗、高溫高壓等因素可能導(dǎo)致的問題,然后構(gòu)建因果鏈,分析反應(yīng)器的安全隱患根源是什么。通過因果鏈分析,可以發(fā)現(xiàn),根本原因是反應(yīng)器內(nèi)部需要消耗大量的能量,產(chǎn)生高溫、高壓等因素,從而增加反應(yīng)器的安全隱患?；谶@個(gè)根本原因,可以提出一些解決方案,如增加反應(yīng)器材料的耐壓、耐熱性能;增強(qiáng)自動(dòng)化控制系統(tǒng);采用新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)等來消除或減輕反應(yīng)器的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 合成氨原料氣凈化工藝的優(yōu)化

合成氨原料氣簡(jiǎn)稱合成氣,合成氣在生產(chǎn)制備氨之前,要進(jìn)行凈化處理。凈化工藝主要包括脫硫、一氧化碳的變化、二氧化碳的脫除、合成氣的精制工段。其中脫硫是凈化中的第一個(gè)工段,指的是將合成氣中的含硫物質(zhì)進(jìn)行脫除。硫存在的形式為有機(jī)硫和無機(jī)硫,通常是將有機(jī)硫變成無機(jī)硫中的硫化氫的形式進(jìn)行脫除。脫硫又分為干法脫硫和濕法脫硫,各有匹配的脫硫適用場(chǎng)景,但也都具有缺點(diǎn)和不足。結(jié)合TRIZ的四十個(gè)發(fā)明原理,可進(jìn)行脫硫工藝的優(yōu)化改進(jìn)研究,現(xiàn)將其中前六個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行脫硫工藝優(yōu)化舉例說明。

分割原理:是指將物品分割成獨(dú)立的不同部分;因此,脫硫的過程可以進(jìn)行分割,或者拆分成不同脫除程度的遞進(jìn)式的脫硫步驟;先采用濕法脫硫脫除大宗的含硫物質(zhì),然后再進(jìn)行干法脫硫脫除剩余的少量的含硫物質(zhì);在干法和濕法每個(gè)部分,還可以進(jìn)行梯度濃度的設(shè)定。抽取原理:將物體中“干擾”的部分或特性抽取出來,或只抽取物體中需要的部分或特性;因此,脫硫的過程可以脫硫反應(yīng)器中使用專門的吸收劑或吸附劑,將硫化氫分離出來,以提高脫硫效率;同時(shí)取樣進(jìn)行分析檢測(cè),以評(píng)價(jià)總量的脫除硫化物的程度。局部質(zhì)量原理:將物體同類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成異類結(jié)構(gòu)、物體的不同部分實(shí)現(xiàn)不同的功能、物體的每個(gè)部分應(yīng)放在最利于其運(yùn)行的條件下;因此,脫硫的過程可以將脫硫工藝中的某些結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行異類結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,以實(shí)現(xiàn)更高效的硫化氫去除;如,可以設(shè)計(jì)一種多級(jí)式脫硫設(shè)備,在不同的級(jí)別中采用不同的脫硫劑或脫硫方法,實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別中硫化氫的不同程度去除,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的脫硫效率;根據(jù)不同部分的功能,可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行條件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,例如對(duì)于一些需要高溫條件的部件,可以采取合適的隔熱措施,以確保其在最佳的運(yùn)行狀態(tài)下工作。非對(duì)稱原理:用非對(duì)稱的形式代替對(duì)稱形式、如果物體已經(jīng)是非對(duì)稱的,那么增加其非對(duì)稱的程度;因此,脫硫的過程可以在設(shè)計(jì)非對(duì)稱形狀的反應(yīng)器,可以增加反應(yīng)器內(nèi)部的混合程度,從而提高脫硫效率;引入非對(duì)稱的加熱和冷卻方式,使反應(yīng)器內(nèi)部的溫度分布更加均勻,從而減少硫化物的生成;設(shè)計(jì)非對(duì)稱的脫硫催化劑,可以增加催化劑表面積和活性位點(diǎn),提高脫硫效率;采用非對(duì)稱的循環(huán)流程,可以提高脫硫劑的利用效率,減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生;通過利用非對(duì)稱原理,可以創(chuàng)造出更加高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的脫硫工藝,提高脫硫效率和資源利用率。合并原理:合并空間上同類的物體,或預(yù)定要相鄰操作的物體、合并時(shí)間上的同類或相鄰的操作;因此,脫硫的過程可以用于合并空間上同類的物體,或預(yù)定要相鄰操作的物體,以及合并時(shí)間上的同類或相鄰的操作;在脫硫工藝中,可以將多個(gè)脫硫設(shè)備合并為一個(gè),使其空間利用率更高,并且可以節(jié)省投資和運(yùn)行成本;還可以將不同的脫硫步驟合并為一個(gè)步驟,從而降低操作的難度和成本,利用干法和濕法不同方法的合并,從而提高脫硫效率;這種合并的脫硫方法可以有效地降低工藝復(fù)雜度和投資成本,同時(shí)也能提高脫硫效率和凈化效果。多功能原理:可以運(yùn)用多功能原理來實(shí)現(xiàn)多種功能的集成;因此,脫硫的過程中可將脫硫催化劑與其他吸附材料相結(jié)合,既可以脫除硫化氫,又可以同時(shí)吸附其他有害氣體;此外,也可以將脫硫催化劑與其他催化劑相結(jié)合,例如氧化催化劑,以實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫除硫化氫和其他有害氣體。通過集成多種功能,可以提高脫硫工藝的效率和經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)多種污染物的同時(shí)處理,達(dá)到復(fù)利的效果。

3 總結(jié)

本研究以合成氨這一典型化工過程為實(shí)例,采用TRIZ創(chuàng)新方法對(duì)化工工藝進(jìn)行優(yōu)化分析。通過深入探討合成氨過程中催化劑改進(jìn)、反應(yīng)設(shè)備升級(jí)以及合成氣凈化脫硫階段的優(yōu)化措施,本文總結(jié)出一套基于TRIZ創(chuàng)新原理的有效優(yōu)化方案。這些方案有助于簡(jiǎn)化工藝流程、提升生產(chǎn)效率及資源利用水平,為實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高效地合成氨生產(chǎn)開辟新途徑。本研究為合成氨生產(chǎn)工藝的持續(xù)改進(jìn)提供了理論支持和實(shí)踐借鑒,助力推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。