TRIZ理论在异丙醇铝工艺改进中的应用

李齐春　王兴隆　孙云辉

摘要：为解决异丙醇铝生产及应用过程中存在的问题，引入了TRIZ理论的自服务、多维化、惰性介质等若干发明原理。TRIZ理论分离原理的应用有效解决了有机铝聚合物制备过程中的物理矛盾，提高了聚合反应稳定性；根据物-场分析法，利用乙醇消除丙酮对异丙醇铝合成反应的有害效应，提高了合成反应速度。这些结果体现了TRIZ理论应用于异丙醇铝工艺改进的可行性和高效性，为创新化工工艺改进设计提供了新的工具。

关键词：TRIZ；异丙醇铝；发明原理；分离原理；物-场模型

中图分类号：TQ 201 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2017）01-0112-03

TRIZ是“发明问题的解决理论”俄文的英文音译（Theory of the Solution of Inventive Problems）的缩写，在中国也名为“萃智”理论。经过几十年的发展，如今它已在各行各业中得到广泛应用，成为人们创造性地发现问题和解决问题的系统理论和方法工具，并创造出重大效益。本文利用TRIZ理论来解决异丙醇铝生产及其应用中的工艺技术问题。

1 TRIZ基本理论体系

TRIz理论是由前苏联发明家阿奇舒勒（G.S.Altshuller）创立的由解决技术、实现创新开发的各种方法、算法所组成的一套综合理论体系。TRIZ理论体系包括创新思维方法与问题分析方法、技术系统进化法则、40条发明原理、39个通用工程参数和冲突矩阵、物一场分析、发明问题标准解、发明问题解决算法（ARIZ）以及工程效应知识库等。TRIZ理论能够帮助人们打破惯性思维，培养创造性思维能力，在工程领域可创造性的解决工艺优化、技术攻关等创新活动所遇到的问题。

2 TRIZ理论的应用

2.1 发明创造原理的应用

40条发明原理是TRIZ获得矛盾解所应遵循的一般规律，是TRIZ理论中最重要的具有普遍用途的工具，可解决技术系统存在的技术矛盾，甚至可以用来解决与基础知识面不是特别相关的创造性问题。

2.1.1 自服务原理的应用

固体异丙醇铝作为晶种加速液体异丙醇铝的固化。异丙醇铝新蒸馏出来时为粘稠状透明液体，包含着两种状态的多聚体，异丙醇铝的三聚体为液态，四聚体为晶体，如图1所示。液体异丙醇会随着储存时间的延长逐渐变为固体。异丙醇铝在常温下固化需数天时间，有时甚至需要二十多天，异丙醇铝一般以固体形式出售，固化时间的长短直接影响产品生产率。

在液态低级烷醇铝中加入0.5%～20%的固态低级醇铝，20～85℃下，24h可彻底固化。在温度为60℃时，不加固态异丙醇铝，液态异丙醇铝固化时间需40多小时，而加一定比例的固态异丙醇铝作为晶种，固化的时间可缩短至10h之内。

2.1.2 变害为益原理的应用

异丙醇铝采用减压蒸馏进行提纯，蒸馏结束后会有少量异丙醇铝粘附在列管内壁而残留在冷凝器中，这会降低传热效果甚至造成堵塞。间隔一定时间后需要通过蒸汽来清理，甚至需要拆洗冷凝器。异丙醇铝在异丙醇中有一定的溶解度，20℃时为4.3g/100g，为此对管路进行改进，将异丙醇铝合成所需的异丙醇先流经蒸馏冷凝器再进入合成釜，让残留在冷凝器内的异丙醇铝在异丙醇的冲洗作用下，随异丙醇重新进入合成釜中，既可起到催化剂作用，又有效地避免了异丙醇铝残留在冷凝器中的一系列问题的产生。

2.1.3 多维化原理的应用

异丙醇铝蒸馏过程中，受真空度、釜内物料装料系数变化等影响，有时会导致汽体夹带釜内杂质进入产品中降低产品纯度及白度，影响产品质量。通过在蒸馏反应釜汽体出口垂直管路（即空塔）内部安装多层花板，利用多层结构代替单层结构，阻止杂质进一步上升，同时也起到部分异丙醇铝回流作用。改进后产品杂质含量降低至0.01%，白度可达99，质量明显提高。

2.1.4 惰性介质原理的应用

异丙醇铝极易与水发生水解反应生成氢氧化铝，一方面造成物料的损失，另一方面水解产生的氢氧化铝具有易结疤性的特心，更易粘附在设备管路上，影响设备的正常运行。反应釜投料前用氮气将釜内的空气置换以赶走空气中的水分，可有效防止异丙醇铝的水解。采用五层共挤EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物）材料制成的高阻隔薄膜袋对异丙醇铝进行真空包装，产品保质期至少达6个月。

2.1.5 组合原理的应用

异丙醇铝蒸馏釜使用导热油加热，存在升温慢、能耗高等问题。通过在蒸馏釜内增设蒸汽盘管，使用蒸汽和导热油组合加热方式，先用蒸汽加热，当釜内温度达130℃时切换成导热油加热，整个蒸馏作业时间至少可缩短1h，同时节约了能源的使用。

2.2 分离原理的应用

技术系统存在物理矛盾时，通常通过四大分离原理来解决。物理矛盾是一个二元模型要求一个相同的功能特征具有不兼容的需求。如需要雨伞面积足够大以有效遮雨，又要足够小以方便携带，雨伞的大与小就是一对物理矛盾。

以异丙醇铝为原料，与有机酸反应，再进行水化来制备有机铝聚合物的工艺（见图2）中也存在物理矛盾。

工艺研究中发现，高温时往反应釜中加入水，部份水因蒸发逃出反应釜导致反应不完全；若要使反应稳定则需要降低加水时的温度，但是温度降低不利于聚合反应。这里存在一对物理矛盾，即加水进行聚合反应时温度要高，但为了避免水的损失而造成工艺不稳定，加水时则希望温度低。为消除这对物理矛盾，采用时间分离原理来解决，即将矛盾双方在不同时间段上分离。根据反应机理，这个反应实际上包含水解羟基化和聚合反应过程。将水解反应和聚合反应在不同时间段进行，即先在低温下完成水解羟基化过程，然后在高温下完成聚合反应，见图3。改进后的合成方法不仅解决了水损失引起的反应不完全，还改善了产品粘度及澄清度，提高了产品质量。

2.3 物场分析法的应用

物一场分析是TRIZ理论中一种重要的问题描述和分析工具。物一场模型理论认为所有的技术系统，其可分解为三个基本元素即功能载体S1，功能作用体S2、以及场F，若缺少其中的一个元素，系统就会产生矛盾。TRIZ理论将物一场模型分为四类，对于“有害效应的完整模型”的解决方法，可通过引入第三种物质或增加另外一个场的方式来消除有害效应，见图4。

异丙醇铝合成反应的物场模型中，S1为异丙醇铝，S2为异丙醇、铝等原料，F为反应时的化学场。研究发现原料异丙醇中若含微量的丙酮，会阻碍异丙醇与铝的反应，也就是说S2中的丙酮不利于S1异丙醇铝的合成。为消除丙酮所产生的有害效应，此处引进第三种物质，根据铝醇盐的Oppenauer氧化反应机理，往体系中添加极少量的乙醇。由于乙醇与丙酮在异丙醇铝存在条件下，丙酮转化为异丙醇，而乙醇则转化为对反应无害的乙醛，从而消除了影响合成反应的不利因素（见图5），进而提高了异丙醇铝的合成反应速度。

3 结论

通过以上對异丙醇铝生产及其应用中的问题分析及工艺改进可以看到，TRIZ理论的若干发明原理、分离原理及物场模型分析工具的应用提高了解决问题的效率，消除了异丙醇铝生产及应用中的安全隐患及有害效应，提高了生产效率，提升了产品质量，证明了TRIZ理论在产品技术改进中应用的可行性。本文为其它产品的类似技术改进提供了参考，有较大的启发指导意义。