基于TRIZ理論的翻轉式洗滌過濾干燥一體機設計

余 罡，花仕洋

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基于TRIZ理論的翻轉式洗滌過濾干燥一體機設計

余 罡，花仕洋

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

常規濾芯式過濾裝置，在使用中存在生產效率低、洗滌效果不理想等問題。利用TRIZ理論，通過根原因分析，根據問題出現的條件和時間、現有解決方案及其缺點，提出了對新系統的要求，開展問題分析，得到問題的最終解，在常規濾芯式過濾裝置的基礎上，優化設計了翻轉式洗滌過濾干燥一體機。

TRIZ理論 洗滌 過濾 一體機 優化設計

0 引言

工業生產中普遍存在金屬粉末洗滌、過濾和干燥等工序[1-5]。對于溶液中固液兩相的分離方式，化工工業中常用的有：離心分離、旋流分離、濾芯式過濾、濾袋式過濾和濾板式過濾等[6-9]。離心分離單次處理量較少，適合實驗室級固液分離；處理量大會導致設備昂貴；旋流分離的處理量大，但液相中不可避免存在極微顆粒，不適合多次洗滌、分離；濾芯式過濾可實現正壓過濾，過濾面積大，過濾速度較快，但存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題，洗滌時較難實現攪拌，物料取出困難；濾袋式過濾可實現正壓過濾，過濾面積大，過濾速度較快，同樣存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題，洗滌困難；濾板式過濾可實現正壓過濾，過濾面積小，過濾速度較慢，可通過加裝攪拌裝置充分洗滌，但同樣存在固體粉末堆積影響過濾效率的問題。帶翻轉裝置、攪拌裝置的設備結構復雜，價格較高，一般用于較大量粉料的洗滌過濾。

對于常規濾芯式過濾裝置，由于金屬粉末微孔豐富，反應產物殘留在微孔中，需要大量的洗滌水或長時間浸泡才能清洗干凈；另外由于粉體材料較多且粒徑較小，堆積在濾膜上，形成致密層，加之濾膜微孔尺寸小，在通常最大只有1 atm的壓差下，過濾速度很慢；通過強烈的攪拌，可以顯著改善洗滌效果，但攪拌速度過于劇烈則有可能損傷濾膜；同時粉體較多且粒徑較小，堆積在濾膜上，堵塞濾膜并形成致密層，也降低了洗滌效率；底部的抽濾筒被濾液充滿后還需要切換閥門自流排水，操作較為繁瑣；如此反復操作，導致鋅粉/銀粉的洗滌過濾過程非常漫長，嚴重影響生產效率。

本文基于TRIZ理論[10]，對常規濾芯式過濾裝置進行了問題分析，提出了新的解決思路，并重新優化設計了翻轉式過濾干燥一體機。

1 問題與優化設計目標

常規過濾裝置如圖1所示，其主要工作原理是將含堿液的電解鋅粉或含反應液的銀粉裝入洗滌過濾筒中；然后加入純水，充分攪拌洗滌后進行真空抽濾；多次洗滌過濾后（一般換水洗滌/抽濾5次以上）檢測到洗滌液呈中性時（PH=7），停止洗滌，取出金屬粉末，裝盤，送入烘箱中進行干燥。

圖1 濾芯式過濾裝置結構示意圖：1-濾液出口，2-抽濾筒，3-密封圈，4-濾膜，5-攪拌槳，6-粉體，7-過濾筒，8-真空口

所在技術系統為金屬粉末洗滌過濾系統，系統功能是通過洗滌水溶解粉末微孔中的水溶性反應殘留物后透過濾膜，截留住所需的金屬粉末。實現該功能的約束主要包括：1）金屬粉末微觀結構、粒徑；2）反應殘留物；3）濾膜過濾精度。

對于常規濾芯式過濾裝置，存在生產效率低、洗滌效果不理想等問題的根原因主要包括：1）攪拌力度不足，傳質作用不足，殘留物從粉末微孔中溶入洗滌水的速度慢，降低了洗滌效率；2）金屬粉末堵塞濾膜微孔使洗滌水透過阻力增大，降低了洗滌水帶走殘留物的速度，降低了洗滌效率。

問題出現的條件是金屬粉末數量多；問題出現的位置是在金屬粉末堆積層中；問題出現的時間是在金屬粉末洗滌過程中。

為解決此類問題，現有的解決方案主要包括：增大過濾面積和增加攪拌措施。增大過濾面積相當于減小了濾餅的厚度，同時增加了濾液透過的面積，可加快洗滌速度，但增大過濾面積會增大設備的體積和重量；通過攪拌可以使粉末攪動起來形成懸濁液，強化了傳質作用，有效改善粉末的洗滌效果和速度，但由于金屬粉末批次處理量大、比重大、易沉降，無法進行充分攪動、洗滌，攪拌過于強烈則有可能損傷濾膜。

優化設計的目標，是要求新的金屬粉末洗滌系統具有如下特點：1）洗滌效果好；2）洗滌速度快；3）耗水量小。

2 問題分析

2.1 系統功能分析與因果分析

該系統制品為金屬粉末洗滌系統，系統元件主要包括：金屬粉末、洗滌水、殘留物（堿、反應物）、濾膜、濾液、過濾筒、抽濾筒、攪拌裝置、離心泵等。

系統功能結構圖如圖2所示。

圖2 系統功能結構圖

約束分析如圖3所示。

圖3 約束分析

通過系統功能模型分析和約束分析，描述了系統元件及其相互關系，并得出導致金屬粉末洗滌效率低這一問題的功能因素。在建立的功能模型圖中選擇目標問題如下：

1）攪拌力度不足，粉末與洗滌水接觸不充分，傳質作用不足，殘留物從粉末微孔中溶入洗滌水的速度慢，降低了洗滌效率；

2）微小的粉末顆粒沉降堵塞濾膜，增大了洗滌水的阻力，洗滌水的更新速度慢，降低了洗滌效率。

應用因果鏈分析法確定產生問題的原因，如圖4所示。

圖4 根原因分析圖

2.2 理想解分析

最終理想解：金屬粉末在洗滌水中經形成均相懸濁液，使濃差無限小，反應殘留物溶入洗滌水即被帶走；洗滌水透過濾膜時僅有濾膜自身的阻力而不附加額外的阻力。

理想解：金屬粉末在洗滌水中不存在未被攪動的死區，濃差盡量??；洗滌水溶解反應殘留物后盡快流出，洗滌液透過濾膜時的阻力盡量小。

達到理想解的障礙主要包括：金屬粉末微孔豐富、處理量大、比重大易沉降；濾膜微孔小、粉末粒徑小，粉末易堵塞濾膜微孔。

不出現這種障礙的條件：使金屬粉末在洗滌水中始終呈懸濁液不沉降；洗滌水溶解殘留物后快速流出，流動阻力小。

創造這些條件存在的可用資源有：離心泵的推動力、金屬粉末的自然重力沉降。

依據理想解分析得到方案為：通過泵的水壓作用，使金屬粉末在洗滌水中呈流態化，充分與洗滌水接觸，強化溶解—傳質作用，改善洗滌效果；洗滌時使濾膜處于洗滌過濾器的上方，利用金屬粉末自然沉降而不堵塞濾膜微孔。

2.3 可用資源分析

可用資源包括系統內部資源和系統外部資源。對于系統內部的可用資源及其可用性分析如表1所示。

表1 系統內部可用資源及其可用性分析

3 問題求解

通過以上分析，確定“解決攪動力度不足”和“解決粉末堵塞濾膜微孔”為入手點進行問題求解。

3.1 工具一：沖突解決理論

沖突描述：為了改善洗滌效果，我們需要加大攪拌力度，但這樣做了有可能使粉末與濾膜強烈摩擦，從而損傷濾膜。

轉換成TRIZ標準沖突：

改善的參數是“攪拌力度”—對應39個通用工程參數中的No.10“力”；

惡化的參數是“濾膜完好性”—對應39個通用工程參數中的No.27“可靠性”

通過查找沖突矩陣，得到如表3所示發明原理。

表3 沖突矩陣發明原理

依據No.3“局部質量”發明原理，得到解如下：

a、在濾膜與粉末之間增加一張耐磨性更好、微孔遠大于濾膜的金屬濾網或其它材質的濾膜，在粉末強力摩擦作用下保護原有濾膜不受損傷。

b、由于批次投料量較大導致攪拌不足，因此可以采取分若干次加料方式，可以提高攪拌的均勻性。先期加入的粉末經充分攪拌洗滌后會沉降在最下層，后續加入的粉末依次攪拌、洗滌、沉降。

依據No.35“參數變化”發明原理，得到解如下:

a、物質的傳質作用與溫度正相關，對洗滌水進行加溫可以加快殘留物溶入洗滌水的速度，提高洗滌效率。因此可在洗滌過濾筒增加加熱夾套和導熱油加熱系統對洗滌水加熱。

b、優化攪拌槳形式、洗滌過濾筒的結構尺寸，如采用螺旋式攪拌槳或多級攪拌槳、增加折流板、增大洗滌過濾筒直徑等。

依據No.13“反向”發明原理，得到解如下:

a、由于金屬粉末比重大、易沉降，導致洗滌時攪拌不充分?，F有的洗滌水進口設置與筒體的上方，水流自上而下?？梢栽O計伸入到粉末底層、濾膜之上的噴水式出水口，利用洗滌水的泵壓，將粉末自下而上沖起使粉末在水中翻騰形成懸濁液，解決因粉末沉降引起的攪拌不充分。

b、將攪拌槳葉設計成上推時，水流夾帶著粉末向上流動，底層形成負壓區，將沉降的粉末吸入到負壓區繼而夾帶翻騰，強化洗滌效果。

依據No.21“緊急行動”發明原理，得到解如下:

將洗滌過濾筒設計成可翻轉式，當金屬粉末沉降在底部后豎直翻轉筒體，此時濾膜位于筒體的上方，金屬粉末開始沉降；當粉末還未完全沉降時，再次翻轉筒體。如此一來，可使金屬粉末始終處于沉降過程中而不堆積，相當于對粉末進行了充分的攪拌，加快了洗滌效率。

3.2 工具二：物質-場分析及76個標準解

建立問題的物質-場模型如圖5所示。

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為：

No.15——并聯物質-場模型?？煽匦圆畹南到y需要改進，但是無法改變已有系統的要素，使用第二個場作用于S2。

No.10——當前設計中同時存在有用和有害作用，但是不能添加新的物質。通過修改S1或S2消除作用。

依據選定的標準解，得到問題的解決方案：

方案一：依據No.15標準解，得到問題的解如下:通過給水泵增加脈沖控制，在原有洗滌模式上增加新的“振蕩場”來增強原有的效果。

方案二：依據No.10標準解，得到問題的解如下：

在粉末堆積層底部分布設置氣嘴，向內通入壓縮空氣，增加“虛無”，減少粉末的堆積，可改善微孔堵塞現象。

圖5 物質-場模型

根據以上分析，得到方案匯總表如表4所示。

表4 最終問題解匯總表

4 問題的最優解

依據前面分析得到的若干創新解，通過評價，確定最優解，設計了翻轉式洗滌過濾干燥一體機（如圖6所示）：

1）過濾器為錐形體，在充滿水時的重心位置焊接一旋轉軸，可使過濾器在翻轉架上方便翻轉；濾膜安裝在錐形體直徑較大的一端，以增大過濾面積；

2）將過濾器翻轉，使錐形體直徑較小端朝上，向過濾器內加入粉體材料；

3）加料完成后安裝好蓋板，翻轉過濾器至圖8a所示位置，鎖定；

4）開啟水泵，使洗滌水循環。粉末在水流的沖擊下呈流態化，使洗滌水與粉末充分接觸，加快洗滌速度；

5）循環一段時間后切換三通閥，將洗滌水排出至廢水收集池中進行環保處理；

6）重新在水槽內加入純水，重復以上模式，洗滌若干次，直至洗滌水呈中性；

7）最后的抽濾需將過濾器翻轉成如圖8b所示位置并鎖定并進行抽濾；

8）抽濾完成后再翻轉過濾器至錐形體直徑較小端朝下，放出粉料；

9）在過濾器外筒體上焊接夾套，通入導熱油加熱可完成粉末的干燥。

圖6 翻轉式洗滌過濾干燥一體機

5 結論

針對常規濾芯式過濾裝置存在的生產效率低、洗滌效果不理想等問題，基于TRIZ理論，進行了分析與優化設計。優化設計后的翻轉式洗滌過濾干燥一體機從理論上解決了常規濾芯式過濾裝置的主要問題，后續將通過開展試驗研究，進一步分析優化后的翻轉式洗滌過濾干燥一體機的優化設計效果和工作性能。

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Design of a Flip-type Washing/Filtration/Drying Integrative Device Based on TRIZ Theory

Yu Gang, Hua Shiyang

(Wuhan institute of Marine Electric Propulsion System, Wuhan 430064, China)

TD462

A

1003-4862（2018）06-0001-05

2018-03-05

余罡（1976-），男，高級工程師。研究方向：新能源動力電池技術。Email：qqzmh1104@139.com