基于TRIZ理论的翻转式洗涤过滤干燥一体机设计

余 罡，花仕洋



基于TRIZ理论的翻转式洗涤过滤干燥一体机设计

余 罡，花仕洋

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

常规滤芯式过滤装置，在使用中存在生产效率低、洗涤效果不理想等问题。利用TRIZ理论，通过根原因分析，根据问题出现的条件和时间、现有解决方案及其缺点，提出了对新系统的要求，开展问题分析，得到问题的最终解，在常规滤芯式过滤装置的基础上，优化设计了翻转式洗涤过滤干燥一体机。

TRIZ理论 洗涤 过滤 一体机 优化设计

0 引言

工业生产中普遍存在金属粉末洗涤、过滤和干燥等工序[1-5]。对于溶液中固液两相的分离方式，化工工业中常用的有：离心分离、旋流分离、滤芯式过滤、滤袋式过滤和滤板式过滤等[6-9]。离心分离单次处理量较少，适合实验室级固液分离；处理量大会导致设备昂贵；旋流分离的处理量大，但液相中不可避免存在极微颗粒，不适合多次洗涤、分离；滤芯式过滤可实现正压过滤，过滤面积大，过滤速度较快，但存在固体粉末堆积影响过滤效率的问题，洗涤时较难实现搅拌，物料取出困难；滤袋式过滤可实现正压过滤，过滤面积大，过滤速度较快，同样存在固体粉末堆积影响过滤效率的问题，洗涤困难；滤板式过滤可实现正压过滤，过滤面积小，过滤速度较慢，可通过加装搅拌装置充分洗涤，但同样存在固体粉末堆积影响过滤效率的问题。带翻转装置、搅拌装置的设备结构复杂，价格较高，一般用于较大量粉料的洗涤过滤。

对于常规滤芯式过滤装置，由于金属粉末微孔丰富，反应产物残留在微孔中，需要大量的洗涤水或长时间浸泡才能清洗干净；另外由于粉体材料较多且粒径较小，堆积在滤膜上，形成致密层，加之滤膜微孔尺寸小，在通常最大只有1 atm的压差下，过滤速度很慢；通过强烈的搅拌，可以显著改善洗涤效果，但搅拌速度过于剧烈则有可能损伤滤膜；同时粉体较多且粒径较小，堆积在滤膜上，堵塞滤膜并形成致密层，也降低了洗涤效率；底部的抽滤筒被滤液充满后还需要切换阀门自流排水，操作较为繁琐；如此反复操作，导致锌粉/银粉的洗涤过滤过程非常漫长，严重影响生产效率。

本文基于TRIZ理论[10]，对常规滤芯式过滤装置进行了问题分析，提出了新的解决思路，并重新优化设计了翻转式过滤干燥一体机。

1 问题与优化设计目标

常规过滤装置如图1所示，其主要工作原理是将含碱液的电解锌粉或含反应液的银粉装入洗涤过滤筒中；然后加入纯水，充分搅拌洗涤后进行真空抽滤；多次洗涤过滤后（一般换水洗涤/抽滤5次以上）检测到洗涤液呈中性时（PH=7），停止洗涤，取出金属粉末，装盘，送入烘箱中进行干燥。

图1 滤芯式过滤装置结构示意图：1-滤液出口，2-抽滤筒，3-密封圈，4-滤膜，5-搅拌桨，6-粉体，7-过滤筒，8-真空口

所在技术系统为金属粉末洗涤过滤系统，系统功能是通过洗涤水溶解粉末微孔中的水溶性反应残留物后透过滤膜，截留住所需的金属粉末。实现该功能的约束主要包括：1）金属粉末微观结构、粒径；2）反应残留物；3）滤膜过滤精度。

对于常规滤芯式过滤装置，存在生产效率低、洗涤效果不理想等问题的根原因主要包括：1）搅拌力度不足，传质作用不足，残留物从粉末微孔中溶入洗涤水的速度慢，降低了洗涤效率；2）金属粉末堵塞滤膜微孔使洗涤水透过阻力增大，降低了洗涤水带走残留物的速度，降低了洗涤效率。

问题出现的条件是金属粉末数量多；问题出现的位置是在金属粉末堆积层中；问题出现的时间是在金属粉末洗涤过程中。

为解决此类问题，现有的解决方案主要包括：增大过滤面积和增加搅拌措施。增大过滤面积相当于减小了滤饼的厚度，同时增加了滤液透过的面积，可加快洗涤速度，但增大过滤面积会增大设备的体积和重量；通过搅拌可以使粉末搅动起来形成悬浊液，强化了传质作用，有效改善粉末的洗涤效果和速度，但由于金属粉末批次处理量大、比重大、易沉降，无法进行充分搅动、洗涤，搅拌过于强烈则有可能损伤滤膜。

优化设计的目标，是要求新的金属粉末洗涤系统具有如下特点：1）洗涤效果好；2）洗涤速度快；3）耗水量小。

2 问题分析

2.1 系统功能分析与因果分析

该系统制品为金属粉末洗涤系统，系统元件主要包括：金属粉末、洗涤水、残留物（碱、反应物）、滤膜、滤液、过滤筒、抽滤筒、搅拌装置、离心泵等。

系统功能结构图如图2所示。

图2 系统功能结构图

约束分析如图3所示。

图3 约束分析

通过系统功能模型分析和约束分析，描述了系统元件及其相互关系，并得出导致金属粉末洗涤效率低这一问题的功能因素。在建立的功能模型图中选择目标问题如下：

1）搅拌力度不足，粉末与洗涤水接触不充分，传质作用不足，残留物从粉末微孔中溶入洗涤水的速度慢，降低了洗涤效率；

2）微小的粉末颗粒沉降堵塞滤膜，增大了洗涤水的阻力，洗涤水的更新速度慢，降低了洗涤效率。

应用因果链分析法确定产生问题的原因，如图4所示。

图4 根原因分析图

2.2 理想解分析

最终理想解：金属粉末在洗涤水中经形成均相悬浊液，使浓差无限小，反应残留物溶入洗涤水即被带走；洗涤水透过滤膜时仅有滤膜自身的阻力而不附加额外的阻力。

理想解：金属粉末在洗涤水中不存在未被搅动的死区，浓差尽量小；洗涤水溶解反应残留物后尽快流出，洗涤液透过滤膜时的阻力尽量小。

达到理想解的障碍主要包括：金属粉末微孔丰富、处理量大、比重大易沉降；滤膜微孔小、粉末粒径小，粉末易堵塞滤膜微孔。

不出现这种障碍的条件：使金属粉末在洗涤水中始终呈悬浊液不沉降；洗涤水溶解残留物后快速流出，流动阻力小。

创造这些条件存在的可用资源有：离心泵的推动力、金属粉末的自然重力沉降。

依据理想解分析得到方案为：通过泵的水压作用，使金属粉末在洗涤水中呈流态化，充分与洗涤水接触，强化溶解—传质作用，改善洗涤效果；洗涤时使滤膜处于洗涤过滤器的上方，利用金属粉末自然沉降而不堵塞滤膜微孔。

2.3 可用资源分析

可用资源包括系统内部资源和系统外部资源。对于系统内部的可用资源及其可用性分析如表1所示。

表1 系统内部可用资源及其可用性分析

3 问题求解

通过以上分析，确定“解决搅动力度不足”和“解决粉末堵塞滤膜微孔”为入手点进行问题求解。

3.1 工具一：冲突解决理论

冲突描述：为了改善洗涤效果，我们需要加大搅拌力度，但这样做了有可能使粉末与滤膜强烈摩擦，从而损伤滤膜。

转换成TRIZ标准冲突：

改善的参数是“搅拌力度”—对应39个通用工程参数中的No.10“力”；

恶化的参数是“滤膜完好性”—对应39个通用工程参数中的No.27“可靠性”

通过查找冲突矩阵，得到如表3所示发明原理。

表3 冲突矩阵发明原理

依据No.3“局部质量”发明原理，得到解如下：

a、在滤膜与粉末之间增加一张耐磨性更好、微孔远大于滤膜的金属滤网或其它材质的滤膜，在粉末强力摩擦作用下保护原有滤膜不受损伤。

b、由于批次投料量较大导致搅拌不足，因此可以采取分若干次加料方式，可以提高搅拌的均匀性。先期加入的粉末经充分搅拌洗涤后会沉降在最下层，后续加入的粉末依次搅拌、洗涤、沉降。

依据No.35“参数变化”发明原理，得到解如下:

a、物质的传质作用与温度正相关，对洗涤水进行加温可以加快残留物溶入洗涤水的速度，提高洗涤效率。因此可在洗涤过滤筒增加加热夹套和导热油加热系统对洗涤水加热。

b、优化搅拌桨形式、洗涤过滤筒的结构尺寸，如采用螺旋式搅拌桨或多级搅拌桨、增加折流板、增大洗涤过滤筒直径等。

依据No.13“反向”发明原理，得到解如下:

a、由于金属粉末比重大、易沉降，导致洗涤时搅拌不充分。现有的洗涤水进口设置与筒体的上方，水流自上而下。可以设计伸入到粉末底层、滤膜之上的喷水式出水口，利用洗涤水的泵压，将粉末自下而上冲起使粉末在水中翻腾形成悬浊液，解决因粉末沉降引起的搅拌不充分。

b、将搅拌桨叶设计成上推时，水流夹带着粉末向上流动，底层形成负压区，将沉降的粉末吸入到负压区继而夹带翻腾，强化洗涤效果。

依据No.21“紧急行动”发明原理，得到解如下:

将洗涤过滤筒设计成可翻转式，当金属粉末沉降在底部后竖直翻转筒体，此时滤膜位于筒体的上方，金属粉末开始沉降；当粉末还未完全沉降时，再次翻转筒体。如此一来，可使金属粉末始终处于沉降过程中而不堆积，相当于对粉末进行了充分的搅拌，加快了洗涤效率。

3.2 工具二：物质-场分析及76个标准解

建立问题的物质-场模型如图5所示。

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为：

No.15——并联物质-场模型。可控性差的系统需要改进，但是无法改变已有系统的要素，使用第二个场作用于S2。

No.10——当前设计中同时存在有用和有害作用，但是不能添加新的物质。通过修改S1或S2消除作用。

依据选定的标准解，得到问题的解决方案：

方案一：依据No.15标准解，得到问题的解如下:通过给水泵增加脉冲控制，在原有洗涤模式上增加新的“振荡场”来增强原有的效果。

方案二：依据No.10标准解，得到问题的解如下：

在粉末堆积层底部分布设置气嘴，向内通入压缩空气，增加“虚无”，减少粉末的堆积，可改善微孔堵塞现象。

图5 物质-场模型

根据以上分析，得到方案汇总表如表4所示。

表4 最终问题解汇总表

4 问题的最优解

依据前面分析得到的若干创新解，通过评价，确定最优解，设计了翻转式洗涤过滤干燥一体机（如图6所示）：

1）过滤器为锥形体，在充满水时的重心位置焊接一旋转轴，可使过滤器在翻转架上方便翻转；滤膜安装在锥形体直径较大的一端，以增大过滤面积；

2）将过滤器翻转，使锥形体直径较小端朝上，向过滤器内加入粉体材料；

3）加料完成后安装好盖板，翻转过滤器至图8a所示位置，锁定；

4）开启水泵，使洗涤水循环。粉末在水流的冲击下呈流态化，使洗涤水与粉末充分接触，加快洗涤速度；

5）循环一段时间后切换三通阀，将洗涤水排出至废水收集池中进行环保处理；

6）重新在水槽内加入纯水，重复以上模式，洗涤若干次，直至洗涤水呈中性；

7）最后的抽滤需将过滤器翻转成如图8b所示位置并锁定并进行抽滤；

8）抽滤完成后再翻转过滤器至锥形体直径较小端朝下，放出粉料；

9）在过滤器外筒体上焊接夹套，通入导热油加热可完成粉末的干燥。

图6 翻转式洗涤过滤干燥一体机

5 结论

针对常规滤芯式过滤装置存在的生产效率低、洗涤效果不理想等问题，基于TRIZ理论，进行了分析与优化设计。优化设计后的翻转式洗涤过滤干燥一体机从理论上解决了常规滤芯式过滤装置的主要问题，后续将通过开展试验研究，进一步分析优化后的翻转式洗涤过滤干燥一体机的优化设计效果和工作性能。

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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，高级工程师。研究方向：新能源动力电池技术。Email：qqzmh1104@139.com