1 前言
在化工、湿法冶金、环保等领域的工业生产过程中，存在大量生成结晶的化学反应。生产对生成结晶的一般要求是粗大且均匀。结晶粒度不均匀，特别是产品中细粉状的量增加，将使使用过程中的扬尘增大，消耗上升，污染环境。结晶产品中细粉状的量增加，还使产品易吸湿，易结块，增大产品包装、贮存和运输成本。生产过程中，经过生成结晶的化学反应之后，通常还要进行液固分离。液固分离对生成结晶的要求同样是粗大且均匀。
实际生产中，控制结晶产品均匀度的方法，一般采用间歇法生产，或在连续法生产的主反应器后面增设一个养晶槽。间歇法生产可有效减小结晶颗粒在反应器中停留时间的差别，得到满意的均匀度。在连续法生产中增设养晶槽，可使小颗粒结晶溶解并长到大颗粒结晶上，从而改善结晶的均匀度。但是，这两种方法都会不同程度地降低反应器的效率。
本文试用TRIZ理论探索解决连续法生产中普遍存在的结晶产品颗粒不均匀问题。目的是抛砖引玉，推动TRIZ理论在磷复肥行业的普及和运用。
2 运用TRIZ解决连续法生产中结晶产品粒度不均匀问题
技术问题名称：结晶产品的颗粒大小不均匀
解决技术问题目标：在不降低生产效率的前提下，提高结晶产品的均匀度
2.1分析技术系统
问题工况：可控制结晶产品的平均粒径,不能有效控制结晶产品的粒度分布范围（指连续法生产）。生成结晶的化学反应通常在带有搅拌装置的反应器中进行（见图1）。
生成结晶的原理：一些结晶产品在一定组成的液相中具有一定的溶解度。若液相中存在构成结晶产品的离子和分子，当这些离子和分子的浓度大于结晶产品在液相中的溶解度时，它们就会从液相中结晶出来。
工业生产结晶产品的方法之一，就是使原料在液相中发生相互反应，得到构成结晶产品所需的离子和分子，并使这些离子和分子的浓度大于结晶产品在液相中的溶解度，让它们从液相中结晶出来。从而得到结晶产品。
从液相中析出结晶的过程可分为两个阶段，晶核形成阶段和晶核长大阶段。
当液相中构成结晶产品的离子和分子的浓度，大于结晶产品在液相中的溶解度，并大到一定的值时，就会形成晶核，为晶核形成阶段。液相中的离子和分子继续长到晶核上，结晶不断长大，直到结晶离开反应器或不再生长，为晶核长大阶段。
结晶在反应器中生长的时间越长，即反应物料在反应器中的停留时间越长，结晶产品的平均粒径越大；反之，结晶产品的平均粒径越小。
液相中构成结晶产品的离子和分子的浓度，与结晶产品在液相中的溶解度的差值，称之为绝对过饱和度（以下简称过饱和度）。
过饱和度越大，结晶长大的速度越快。但是，单位时间、单位体积中形成的晶核的数量也越多。由于结晶长大速度的增加，远不能抵消晶核数量增加带来的影响，其净结果是：过饱和度越大，结晶产品的平均粒径越小；过饱和度越小，结晶产品的平均粒径越大。因此，除特殊需要外，生产结晶产品都尽量降低过饱和度，将过饱和度控制在很小的范围。
技术问题因果链分析（见图2）：生成结晶的平均粒径及大小分布由结晶物质的理化性质、所采用原料的理化性质和控制条件决定。在本技术问题中，结晶物质和所采用原料的理化性质不在研究范围。在控制条件中，温度、压力、固相浓度等参数也不在本技术问题的研究范围。
除上述因素外，影响生成结晶的平均粒径及大小分布的关键因素，就是结晶生长时间，即反应时间和过饱和度。实际生产中，为了得到大颗粒结晶，通常采用延长反应时间和降低过饱和度的方法。
延长反应时间，结晶在反应器中的平均生长时间增加，结晶产品中大颗粒的比例增加，结晶产品的平均粒径就增大。但是，结晶平均生长时间增加，会使结晶生长时间的差别增大，结晶大小分布变宽，结晶产品颗粒大小不均匀。
降低过饱和度的方法通常采用提高搅拌强度和延长反应时间。
提高搅拌强度可让进入反应器的原料迅速分散开，不易产生局部过饱和，生成的晶核少，结晶产品的平均粒径大。但是，晶核生长阶段要求搅拌强度小，利于结晶长大。搅拌强度过大甚至会打碎结晶，使结晶产品变得更加不均匀。
延长反应时间可降低过饱和度。延长反应时间，就意味着增大反应器的体积；反应器的体积大，其中已生成的物料量就大；反应器中已生成的物料量大，分散在其中的原料浓度就低，过饱和度也就低。
2.2解决技术问题
2.2.1运用物理矛盾法
运用物理矛盾法分析，结晶产品颗粒大小不均匀的根本原因是：①小颗粒结晶需要延长反应时间，大颗粒结晶不需要延长或需要缩短反应时间。②晶核形成阶段需要大的搅拌强度，结晶生长阶段需要小的搅拌强度。
①定义物理矛盾
十分明显，本技术问题中存在两个物理矛盾。矛盾参数分别为反应时间（t）和搅拌强度(S)。
反应时间（t）应该延长，让小颗粒结晶长大，结晶产品的粒度才均匀；反应时间（t）应该缩短，让大颗粒结晶长得不至太大，结晶产品的粒度才均匀。
搅拌强度（S）应该大，可降低过饱和度，减少晶核的数量，结晶产品的平均粒径大；搅拌强度（S）应该小，有利于结晶的生长，结晶产品的平均粒径大。
②解决物理矛盾
◆ 试用空间分离法分离反应时间（t）：
第一步 填写参数及对参数的相反要求
参数:反应时间（t）
要求1:延长反应时间（t）
要求2:缩短反应时间（t）
第二步 明确对象（系统）的哪一部分空间位置需要满足什么要求
空间1: 小颗粒结晶
空间2: 大颗粒结晶
第三步 明确以上两个空间是否存在交叉
很明显，小颗粒结晶和大颗粒结晶从空间上不存在交叉，可以利用空间分离法将它们分开，以满足两个相反的要求。即：将小颗粒结晶从大颗粒结晶中分离出来，返回反应器继续反应长大，大颗粒结晶作为产品去液固分离（见图3）。
实际生产中，可以用水力旋流器、斜板分级机和其它适宜的颗粒分级设备，将大颗粒结晶和小颗粒结晶分开。并通过调整颗粒分级设备的相关参数，控制大颗粒结晶和小颗粒结晶的平均粒径。
◆ 试用时间分离法分离搅拌强度（S）：
第一步 填写参数及对参数的相反要求
参数:搅拌强度（S）
要求1:增大搅拌强度
要求2:减小搅拌强度
第二步 明确对象（系统）在什么时间需要满足什么要求
时间1: 晶核形成阶段
时间2: 结晶生长阶段
第三步 明确以上两个时间是否存在交叉
很明显，晶核形成阶段和晶核生长阶段不存在交叉，可以用时间分离法将它们分开，满足两个相反的要求。即将反应器分成两个反应器。1#反应器的功能以生成晶核为主，采用大的搅拌强度；2#反应器的功能以使结晶长大为主，采用小的搅拌强度（见图4）。此方法在实际生产中已有大量应用，1#反应器为主反应器，2#反应器为养晶器。
2.2.2运用技术矛盾法
运用技术矛盾法分析，“结晶产品的颗粒大小不均匀”的根本原因是：①为了增大结晶产品的平均粒径而延长反应时间的结果，导致结晶颗粒生长时间差别增大，继而导致结晶产品的颗粒大小不均匀；②为了降低过饱和度而提高搅拌强度的结果，导致结晶颗粒被打碎，继而导致结晶产品的颗粒大小不均匀。
①定义技术矛盾
本技术问题中，第一对技术矛盾的需要改善的参数反应时间，导致恶化的参
数是结晶产品的粒度分布范围。第二对技术矛盾的需要改善的参数是搅拌强度，导致恶化的参数是结晶产品的粒度分布范围。
结合39个通用工程参数分析，可将第一对技术矛盾定义为，运动对象的作用时间与运动对象的长度之间的矛盾。即为了改善运动对象的作用时间，导致运动对象长度的恶化。
↑运动对象的作用时间 → 运动对象的长度↓
可将第二对技术矛盾定义为，强度与运动对象的长度之间的矛盾。即为了改善强度，导致运动对象长度的恶化。
↑强度 → 运动对象的长度↓
②解决技术矛盾
查出矛盾矩阵中对应的发明原理：对应于第一对技术矛盾的发明原理的序号为第2、第19和第9，分别为抽取原理、周期性作用原理和预先反作用原理；对应于第二对技术矛盾的发明原理的序号为第1、第15、第8和第36，分别为分割原理、动态特性原理、重量补偿原理和相变原理。
下面分别运用矛盾矩阵给出的发明原理来思考并提出解决技术问题的方案。
第一对技术矛盾：
A.抽取原理
就是从研究对象中分离出有用的（或有害的）部分（或属性）。研究对象可以是物质的，也可以是非物质的；可以是有形的，也可以是无形的。通常有2种分离方式。
a.从对象中抽取出产生不利影响的部分或属性；
b.从对象中抽取出有用的、需要的部分或属性。
由此原理，我们很容易想到，将小颗粒结晶从料浆中抽取出来。抽取出小颗粒后的料浆再进一步脱除水分，作为产品；也容易想到，抽取出的小颗粒结晶应返回反应器进一步反应长大（见图3）。
B.周期性作用原理
就是运用周期性作用。即：用周期性作用或脉动代替非周期作用、改变周期性作用的频率等。这种周期性作用可以是物质的，也可以是非物质的；可以是有形的，也可以是无形的。通常有3种方式。
a.用周期性动作或脉动代替非周期动作；
b.改变周期性作用的频率；
c.利用脉动间隙完成其它有用作用。
由此原理，我们很容易想到，将生成结晶的反应由连续改为间歇，即由连续法生产改为间歇法生产。这样，结晶生长时间的差别就大幅度减小，很容易得到颗粒均匀的结晶产品。实际生产中，许多结晶产品都采用间歇生产，但反应器的生产能力会降低很多。
C.预先反作用原理
就是预先掌握可能出现的有害作用，并预先施加反作用，以降低或消除有害作用。这些对象可以是物质的，也可以是非物质的；可以是有形的，也可以是无形的。通常有3种反作用方式。
a.事先施加反作用力，以抵消工作状态下过大的、不期望的应力；
b.对于同时具有有利和有害影响的作用，可以事先施加与有害影响相反的作用，来降低或消除工作状态下的有害影响；
c.对有害的作用或事件，预先采取相反的作用。
由此原理，我们很容易去思考，如何消除和减少生成小颗粒结晶。实际生产就常常采用加入晶种、表面活性剂等措施来减少小颗粒结晶。但这些措施已不在我们的研究范围。
第二对技术矛盾：
A.分割原理
就是对研究对象进行分割。研究对象可以是物质的，也可以是非物质的；可以是有形的，也可以是无形的。通常有3种分割方式。
a.将对象分割成几个相互独立的部分；
b.将对象分割成便于组合和拆卸的几个部分；
c.提高对象的分割程度。
由此原理，我们很容易想到，将反应器分割成2个反应器就可满足对搅拌强度的不同要求（见图4）。
B.动态特性原理
就是使研究对象的各个组成部分处于动态，即各个部分是可调整的、活动的或可互换的，使其在工作过程中的每个阶段、每个动作都处于最佳状态。通常有3种方式。
a.调整对象或对象所处的环境，使对象的性能始终处于最佳状态；
b.将对象分割成多个部分，便于调整各部分的相对位置；
c.使不动的对象可动或可自动适应。
同上一原理一样，我们很容易想到，将反应器分割成2个或多个反应器。
C. 重量补偿原理
就是用一个（多个）研究对象产生的上升力来补偿另一个（多个）研究对象的重量。通常有3种补偿方式。
a.将对象与另一个能提供上升力的对象组合在一起，以补偿其重量；
b.通过对象与环境的相互作用（利用空气动力、流体动力等）来补偿对象的重量；
c.利用环境中相反的力（或作用）来补偿对象的消极的（负面的）属性。
此原理与本技术问题没有明显联系。这是因为，40个发明原理是对技术发明原理的高度概括和总结，每个原理的覆盖面都非常宽。所以，不是只要按TRIZ要求的步骤从矛盾矩阵中查到的发明原理，我们就一定能从中得到解决技术问题的方案。但是，一般情况下，对应于每一对技术矛盾，矛盾矩阵给出的1～4发明原理中，至少有一个发明原理与我们要解决的技术问题是相关联的。
D.相变原理
就是利用对象相变时产生的体积改变、吸热和放热等效应。此原理与我们的技术问题存在一定联系。如：利用“有机溶剂沉淀法”析出结晶等，但不具普遍性。
3 结束语
运用TRIZ理论中物场模型法和ARIZ，我们可以进一步得到，利用反应器中搅拌产生的流场对结晶进行分级，将旋流器与反应器组合在一起等创新思维。由于篇幅限制，不再一一介绍。总之，TRIZ是最实用、最有效的技术创新理论和方法之一，在磷复肥行业推广和运用TRIZ，可加快行业的技术进步。
参考文献：
[1]杨建中.TRIZ概论[R].昆明:云南省科学技术协会.2011.11
[2]吕庆胜 杨建中等.一种改善二水物湿法磷酸生产的方法.ZL200510010641.6.2005.02.01
作者简介：
杨建中(1957-),云南剑川人,教授级高工，从事磷复肥、磷化工、氟化工生产技术研究和管理工作。
责编/张勤