TRIZ理论在提高食品加工过程天然产物浓缩效率中的应用

李冰　张晓雪　贾鸿震　刘小波　张辉　张小燕

摘 要：基于TRIZ理论分析多级闪蒸器提高浓缩效率的问题，利用TRIZ矛盾分析和物场分析理论获得不同的解决方案，对解决食品加工过程中多级闪蒸器提高浓缩效率问题有较好的效果，为高效浓缩技术在食品生产中的应用奠定了基础。

关键词：TRIZ;多级闪蒸器;浓缩效率

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

中图分类号：TQ051

1 TRIZ理论介绍

TRIZ理论是由前苏联科学家G.S.Altshuller和TRIZ的研究团体在分析和总结了全世界数以百万计的专利信息的基础上，经过归纳、演绎而提出的一种产品创新设计方法学，该理论旨在建立一个由解决技术，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。经过70多年的发展，TRIZ理论已经被广泛应用于工程技术领域，覆盖工业、建筑、微电子、化学、生物学、社会学、医疗、食品、商业、教育等多个领域，为企业的产品和技术创新提供了强大的理论和方法支撑[1-2]。国内外关于TRIZ的研究主要有TRIZ理论体系及其工具的研究、TRIZ理论与其他创新方法的集成研究、TRIZ理论在工程实践中的应用研究等。

2 问题描述

多级闪蒸器是根据“闪蒸”原理和技术，在食品加工过程中全面考虑液体浓缩过程中各项技术特点和要求而设计的一种高效液体浓缩仪器[3]。目前多级闪蒸器采用常见的一级加热、二级加热至闪蒸器蒸发浓缩的步骤，但面对不同的浓缩物料和不同的浓缩环境，多级闪蒸器无法展现高效的浓缩，致使不能广泛地服务于生产和科研开发。

多级闪蒸器由蠕动泵、预热一、预热二、闪蒸器、气液分离装置和溶剂回收装置组成。仪器工作原理：根据减压浓缩工艺，首先对物料进行一级或二级预热，然后在闪蒸管中瞬间受热，溶剂快速蒸发并与浓缩液分离，各自进入回收系统，完成浓缩过程。物料受热时间短，热敏成分获得极大的保留。溶剂蒸发迅速、分离迅速，浓缩效率高于传统浓缩仪器（其工作原理见图1）。

该系统主要存在的问题有：①对于不同物料均经过一级预热和二级预热，影响部分物料浓缩效率。②闪蒸器螺旋玻璃管进出口均处于上方，导致管内蒸汽被浓缩液阻挡降低蒸发效率。③物料溶剂冷却效率低，水資源严重浪费。④回收部分物料溶剂时纯度较低。

3 运用TRIZ解决问题

3.1 TRIZ矛盾分析

3.1.1 技术矛盾

应用TRIZ创新理论的“技术矛盾”分析方法，分析该系统存在的技术矛盾，并得到以下解决方案。

（1）减少预热级数会导致部分物料预热不充分，导致闪蒸器中不能充分汽化。根据分割原则，将一级预热和二级预热进行分割，成为两个独立的部分，过度区间添加阀门，对于不同物料选择不同的预热级数，近一步提高浓缩效率。本方案改造方便，改造成本低，具有很高的操作性（图2）。

（2）增加闪蒸器螺管管径提高蒸发效率，会导致物料受热速度慢、浓缩液不易进入气液分离装置。根据局部性质原则，将闪蒸器中的螺管改变成“S”型弯管，提高闪蒸器的位置，使弯管中的浓缩物料与溶剂蒸汽产生一定的空隙，溶剂蒸汽能够快速通过闪蒸器，浓缩物料通过动能与势能流入汽液分离装置[4]。根据闪蒸器加热效率和设备体积选择最佳的“S”型弯管级数和组数，浓缩过程蒸汽分离效率将获得大大提升（图3）。

（3）冷凝水是影响溶剂蒸汽冷却凝结的重要因素，提高冷凝水流动速度会增加冷凝效果，同时会导水资源的浪费等问题。根据组合原则，为溶剂回收装置增加冷凝水循环装置，通过冷凝水循环装置达到节约水资源的目的[5]，同时改变冷凝液类型使冷凝温度降低，物料溶剂蒸汽凝结速度加快（图4）。

3.1.2 物理矛盾

应用TRIZ创新理论的“物理矛盾”分析方法，获得以下解决方案。

（1）提高浓缩效率需减少预热螺管长度，提高预热效率需要增加预热螺管长度。在物料预热过程中，如果提高热传递效率就能减少预热螺管的长度，运用“中介”原则，利用热传递效率较高的材料对螺管玻璃进行复合[6]，在螺管玻璃中加入一定量的高热传递材料，通过高热传递材料的热量传递作用，更快的加热螺管内物料，从而提高预热效率，减少预热螺管的长度，提高物料浓缩效率。

（2）提高物料溶剂蒸发效率需减少螺管长度，提高物料溶剂热吸收效率需增加螺管长度。根据分割原则，闪蒸器内的加热螺管分割成数个单元，每个单元之间处于并联状态，单元内的螺管长度降低，能有效的提高物料溶剂的蒸发效率，同时不影响物料的热吸收效率（图5）。

3.2 物场分析

应用TRIZ创新理论的“物场模型”分析方法，获得的解决方案为：①物料溶剂冷凝过程引入冷却水循环装置。由于冷凝水吸收物料溶剂蒸汽热量，使物料溶剂迅速降温凝结成液相，聚集分布在溶剂回收装置的下部;同时，溶剂蒸汽的凝结使溶剂回收装置内部气体分子减少，汽液分离装置中的溶剂蒸汽更快速的进入溶剂回收装置中[4]。②将预热装置中的螺管孔径减小，增加热传递效率，提高预热效率，近一步提高浓缩效率。

4 结论

方案改进前，普通多级闪蒸器对普通物料的浓缩量约为2 L·h-1，改进方案实施后，预计浓缩效率可提高30%以上，能够有效的提高食品加工过程中多级闪蒸器对物料的浓缩效率。同时本方案对溶剂回收装置进行了优化，极大的降低了水资源的浪费，提高了物料溶剂蒸汽的浓缩效率，有利于高浓度物料溶剂的回收。通过对TRIZ创新理论方法的应用，对多级闪蒸器进行多方面改进与创新，对提高物料浓缩率问题有较好的解决思路，对多级闪蒸器技术突破起到了很大作用，同时对高效浓缩技术在生产中的应用奠定了基础。

参考文献：

[1]彭慧娟，成思源，等.TRIZ的理论体系研究综述[J].机械设计与制造，2013（10）：270-272.

[2]檀润华，王庆禹，苑彩云，等.发明问题解决理论：TRIZ--TRIZ过程，工具及发展趋势[J].机械设计，2001（7）：7-12，53.

[3]张洪.多级闪蒸在水处理及工业废液蒸发方面的应用[J].水处理技术，1984（4）：18-22.

[4]高显会.旋转蒸发仪内部温度控制方法的改进[J].锦州医学院学报，2003，24（1）：79-80.

[5]伍联营，王慧敏，胡仰栋，等.多级闪蒸海水淡化与水电联产模拟与优化[J].水处理技术，2011，37（7）：57-60，69.

[6]童震松，沈卓身，张毓隽.高导热金刚石/玻璃复合材料的制备和性能研究[J].电子元件与材料，2009，28（11）：52-55.