基于TRIZ理论的恒温热抽滤装置创新设计*
时间：2023-01-16 11:40:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙艳文，陈 震，王晓忠，黄振宇，孟莹莹
(河北民族师范学院 化学与化工学院，河北 承德 067000)
TRIZ(Theory of the Solution of Inventive Prob-terms)理论，全称发明问题解决理论，是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒于1946年创立的。阿奇舒勒和他的团队研究了世界各地250万份高水平专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，并综合多学科领域解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则而建立起来的一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。它利用创新的规律，使创新走出了盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然。TRIZ工具有很多种，包括九屏幕分析法、最理想解法、小人法、矛盾矩阵、物场分析、技术系统进化法则、功能分析法、因果链分析，以及ARIZ算法、四大分离原理、40条创新发明原理、76个标准解等[1-3]。
有机化学反应中分离出的固体有机化合物往往是不纯的，其中常夹杂着一些反应的副产物、未反应的原料及催化剂等。重结晶是提纯这类物质的有效方法，在重结晶操作中，关键步骤之一是热过滤，由于常压热过滤操作过滤速度较慢，实验时间较长，减压热抽滤操作在重结晶实验中应用越来越广泛[4-5]。但是热抽滤实验装置仍存在一些缺陷，很多专利从不同的角度对热抽滤装置进行了改进[6-8]。使用最广泛的是对布氏漏斗进行保温，但是这些设计在市面上难以购买，成本较高，安全性不高，不能满足本科生基础实验教学的要求。因此，希望根据传统热抽滤实验装置进行创新设计，解决目前热抽滤装置在使用场景中存在的困境，但又不增加过多繁琐的操作和仪器设备。
功能分析。
热抽滤装置的核心部件是滤纸和布氏漏斗。对其进行组件分析如表1所示。系统功能分析如图1所示。
2.1 因果链分析
应用因果链分析法确定产生问题的根本原因。由图2可知，热抽滤装置主要存在的问题有：①布氏漏斗预热后温度较高，存在烫伤的危险；
②热抽滤过程中，布氏漏斗温度降低，待提纯物质在布氏漏斗中提前析出，重结晶效率低；
③待提纯物质的热饱和溶液温度降低，待提纯物质提前析出，堵塞滤纸，发生漏吸，实验失败。
表1 热抽滤装置系统组件分析
2.2 九屏幕分析法
九屏幕分析法是TRIZ中典型的系统思维方法，可对情景进行整体考虑。从产品层面拆分热抽滤装置，当前系统是热抽滤装置；
当前系统的未来是恒温热抽滤装置；
在当前系统中，使用热抽滤装置的主要目的是重结晶，而超系统的未来则是在使用时免去不必要的烫伤和重复实验，可以进行高纯度，高效率的重结晶实验。在改进过程中，保留热抽滤装置的基本功能和构造，改动部分只涉及其子系统的某些部分，这部分还是未知，图中以问号表示(图3)。
3.1 物场分析
物场分析是TRIZ理论中的一种分析工具，用于建立已存在的系统或新技术系统的问题相联系的功能模型。阿奇舒勒认为无论大系统、子系统还是微观层次都具有功能，所有的功能都可分解为 2 种物质和 1 种场(即二元素组成)[3]。热抽滤装置可以抽象成一种完整的物—场模型，但是是效应不足的完整模型：3个元素齐全，但功能未有效实现(图4)。标准解法是增加物质S3来强化有用的效应，S3可以是现成的物质，或是S1、S2的变异(图5)。通过改变布氏漏斗的结构来强化技术系统。
3.2 技术矛盾分析
针对问题1，降低布氏漏斗温度，增加布氏漏斗的能量损失，实验过程中布氏漏斗温度不可控是问题1需要重点解决的内容。因此，问题1中的矛盾冲突对应着标准技术参数中的22能量损失和17温度，建立矛盾冲突矩阵如表2所示。结合7嵌套原理，得到解决方案，即在系统内部引入新的物质——循环水。
表2 问题1矛盾矩阵查询结果
针对问题2，提高待提纯物质溶液的温度，减少热抽滤过程中待提纯物质溶液的热量损失，避免热抽滤过程中待提纯物质提前析出是问题2重点解决的内容。因此，问题2中的矛盾冲突对应着标准技术参数中的20运动物体的能量和22能量损失，建立矛盾冲突矩阵如表3所示。结合24借助中介物原理，得到解决方案，即在布氏漏斗颈部引入活塞，当有待提纯物质析出时，关闭活塞，提高温度，待提纯物质充分溶解。
表3 问题2矛盾矩阵查询结果
针对问题3，为了保证实验的成功率，需要提高滤纸的机械强度，降低溶剂与滤纸相互作用的时间，避免滤纸损坏是问题3重点解决的内容。因此，问题3中的矛盾冲突对应着标准技术参数中的14强度和15运动物体作用时间，建立矛盾冲突矩阵如表4所示，结合26复制原理，得到解决方案，即系统中引入新的子系统——砂芯，代替滤纸，起过滤作用。
表4 问题3矛盾矩阵查询结果
3.3 物理矛盾分析
当一个技术系统的工程参数具有相反的需求，就出现了物理矛盾，如要求系统的某个参数既要出现又不存在，或既要高又要低，既要大又要小等[1-3]。为了使重结晶效率高，布氏漏斗中的待提纯物质不因布氏漏斗温度降低而提前析出，需要保持较快的过滤速度；
而为了使重结晶的效率较高，避免漏吸，应保持较慢的过滤速度。以上两个问题为该物理矛盾出现的主要原因。该矛盾源于重结晶效率对过滤速度的快慢有着不同的要求。为了保证实验的安全性，应使布氏漏斗的温度较低；
而布氏漏斗温度较低时，待提纯物质热饱和溶液中的待提纯物质易析出，堵塞滤纸，造成漏吸。以上两个问题为该物理矛盾出现的主要原因。该矛盾源于热抽滤操作对布氏漏斗温度高低有着不同的要求。
上述物理矛盾可以采用空间分离原理。查询40条发明原理可知，与空间分离原理相关的发明原理如下所示：分割、抽取、局部对称、非对称、嵌套、逆向思维、一维变多维、借助中介物、复制、柔性外壳或薄膜。其中,嵌套、借助中介物、复制原理可用于解决热抽滤实验装置的物理矛盾，这与技术矛盾得到的解决方案是一致的。
3.4 最终理想解
TRIZ理论在解决问题之初，抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想，以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新设计方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率[1-3]，对想要设计的恒温热抽滤装置进行最终理想解分析(表5)。
表5 最终理想解分析表
4.1 全部技术方案及评价
方案1：将瓷质布氏漏斗的结构改为玻璃中空型，通入循环水。
方案评价：对布氏漏斗的形状进行了改进，当待提纯物质因温度降低而析出时，析出物仍会堵塞滤纸，造成漏吸，实验失败。方案不可行。
方案2：用砂芯代替滤纸，起过滤作用。
方案评价：砂芯质地坚硬，不易损坏，方案可行。
方案3：改进布氏漏斗结构，在布氏漏斗颈部引入活塞。
方案评价：在布氏漏斗颈部引入活塞，当待提纯物质因温度降低而析出时，可关闭活塞，提高循环水的温度，使待提纯物质充分溶解，实验的效率和成功率得到提高，方案可行。
4.2 最终确定方案
经过各种方案分析，最终确定改变热抽滤装置的结构，设计一种恒温热抽滤装置，包括：抽滤瓶、恒温热抽滤漏斗、橡胶管。其特征在于：所述恒温热抽滤漏斗1颈部设有活塞3，所述恒温热抽滤漏斗的内壁中设有过滤板4、在内壁与外壁之间设有一空腔5；
所述空腔的下端设有进水口6，上端设有出水口7，所述恒温热抽滤漏斗的顶端和底端设计为磨砂口8，所述恒温热抽滤漏斗通过磨砂口与抽滤瓶10连接，所述抽滤瓶的侧面设有抽气管2；
所述恒温热抽滤漏斗为夹层玻璃漏斗，所述活塞为聚四氟乙烯活塞，所述空腔为夹层玻璃漏斗的内壁与外壁之间形成的夹层；
所述进水口和出水口为中间宽，两头窄的葫芦形结构(图6)。
本设计在使用前，需向带有空腔的玻璃布氏漏斗中通入所需温度的循环水，预先将布氏漏斗进行预热，防止待提纯物质从其热饱和溶液析出；
通过调节布氏漏斗颈部活塞，可调节抽滤的速度，使待提纯物质进行多次充分溶解。同时本设计中的起过滤作用的砂芯质地稳定，不易破损。因此，本设计具有重结晶效率高特点。
本文基于TRIZ理论中的系统组件分析、因果链分析法、九屏幕分析法等对传统热抽滤装置进行了分析，并找出存在根本问题；
利用技术矛盾分析、物理矛盾分析、物场模型分析和最理想解找到上述问题的最优解决方案。设计出了一种具有恒温功能的热抽滤装置，该装置具有温度可控、速度可调、安全可靠的优异特点，为TRIZ理论在实验装置改进方面的应用开辟了新的思路。
