IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"

ХОД РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

ПО УСТРАНЕНИЮ ОБЛАКА ПЫЛИ ИЗВЕСТИ

Михайлов В.А., доцент, канд.хим.наук, Мастер ТРИЗ

Андреев Е.Д., инженер, бывший зав. КБ ЧПЗ, изобретатель СССР

(г. Чебоксары, ОО ТРИЗ-Чебоксары)

 

В цехе имеется аппарат-бак для нейтрализации кислых сточных вод перед сливом их в канализацию. В бак через люк высыпают из вскрытого герметичного мешка негашёную известь, при этом вокруг люка бака возникает вредное облако едкой пыли, распространяющееся по цеху. Оператор должен работать в герметичном костюме и противогазе. Как избежать образования такого облака?

Рассмотрим ход решения этой задачи с применением алгоритма десятишаговки, основанного на ТРИЗ и предложенного Мастером ТРИЗ А.В. Подкатилиным (Москва) [1, 2, 3]. Алгоритм включает системный подход, идеальный конечный результат, выявление физических причин помех, мешающих достижению ИКР, поискам физических путей разрешения противоречий при попытках не допустить причину помехи, её компенсировать или устранить последствия помех, поискам доступного источника требуемой энергии, применению 40 приёмов разрешения противоречий из системы Г.С. Альтшуллера [4, 5], формулирование физического противоречия (ФП) и применение приёмов разрешения ФП, применения системных операторов.

Дана ТС для приготовления раствора щёлочи СаО, она включает бак (1-5 м³) с входными кранами подачи воды и кислого сточного раствора и выходным краном выдачи щелочного или нейтрализованного растворов, с мешалкой для смешивания растворов в баке и верхний люк для подачи реагента. Над люком бака имеется колпак вытяжной вентилляции.

Шаг 1. Конечная цель: нейтрализовать сточные кислые воды.

Шаг 2. ИКР: САМ СОБОЙ получен раствор в воде извести СаО, высыпанной в бак из вскрытого герметичного мешка без образования облака пыли порошка.

Шаг 3. Помеха: порошок извести при высыпании из мешка в бак образует облако вредной пыли.

Шаг 4. Причины помехи (указав как можно больше таких физических и иных причин):

       4.1) порошок имеет объём (20 кг СаО в мешке имеют объём около 7 л),   4.2) этот объём при попадании в бак вытесняет из него воздух,  4.3) поток воздуха проходит сквозь поток порошка,  4.4) образующиеся  вихри  воздуха  при  этом  захватывают  мельчайшие  частицы  порошка,     4.5)  вихри воздуха создают пыльное облако вокруг бака,   4.6) интенсивность завихрения зависят также от высоты падения порошка из-за ускоренного падения частиц порошка,  4.7) наличие вытяжной вентиляции не устраняет полностью облако пыли из-за турбулентности потока воздуха – часть облака пыли выбрасывается в атмосферу цеха.

Шаг 5. Поиск решения (3 подхода):

      5.1) как не допустить помехи:  а) высыпать порошок из мешка не над люком бака, а внутри бака, чтобы не было вытеснения воздуха из бака в момент высыпания (но нужно, чтобы размер люка был больше размера мешка, и нужна какая-то механизация процесса внесения мешка, его вскрытия и высыпания из него порошка – это усложнение и требует дополнительной   разработки),    
б) порошок следует высыпать не в сухой бак, а в слой воды и при включенной мешалке слоя воды (или под слой воды),   в) уменьшить помеху можно, если вскрыть мешок не полностью и высыпать порошок тонкой струйкой, чтобы он меньше контактировал с потоком выходящего воздуха,
г) поток порошка отделить от встречного потока воздуха плёночным желобом или трубой;

      5.2) как компенсировать помеху: а) на время высыпания порошка приоткрыть нижний кран выдачи раствора, чтобы слить из бака объём воды равный объёму порошка в мешке, чтобы не было  встречного  потока  воздуха  из  люка  бака,       б) отсасывать из бака воздух по отдельной линии с пропусканием его через слой воды для поглощения пыли;

      5.3) устранить причину пылеобразования:   а)  герметично соединить люк и горловину мешка с порошком, исключив во время высыпания порошка выход воздуха из бака в помещение цеха (нужна разработка механизации способа).

 

Шаг 6. Энергетика:  источников энергии в системе достаточно, поиск дополнительных ресурсов энергии вести не нужно.

 

Шаг 7. Типовые приёмы РТП:

      5.1 – соответствуют приёму 3 принцип «местного качества»,  5.2 – соответствует приёму 2 принцип  «вынесения»,   5.3 – соответствует приёму 5 принцип «объединения» объёмов мешка и бака в один герметичный объём.

            Какой параметр негативно влияет, усиливает вредный фактор: мешает вытесняемый из бака объём воздуха. Для параметра объём рекомендованы приёмы РТП:  2 – принцип вынесения,  7 – принцип матрёшки и 29 – использование пневмо- и гидроконструкций.

       По приёму 2 надо выпустить из бака воздух без контакта с потоком порошка – как выше записано в пункте 5.2; то же следует из приёма 29 – разделить потоки порошка плёнкой или полиэтиленовой трубой (пункт 5.1г).

 

Шаг 8. Физическое противоречие: Частицы порошка должны падать в поле сил тяготения с ускорением, вытесняя частицы воздуха и образуя в воздухе вихри, и не должны вытеснять воздух, образуя его вихри.

       Разделение в пространстве потоков порошка (вниз) и воздуха (вверх) обеспечивают: частично предложение в пункте 5.1в сыпать порошок тонкой струёй и полностью предложение 5.1г сыпать порошок до дна бака (или до слоя воды в баке) по трубе.

       Разделение во времени, кажется, не возможным. Предложение 5.1г соответствует также разделению противоречивых свойств в структуре.

 

 

Шаг 9. Девяти экранная схема развития ТС «нейтрализации стоков».

Прошлое		Настоящее		Будущее
Приготовление известкового раствора в корыте	è	Приготовление известкового раствора в баке	è	Нейтрализация стоков без порошка извести	НС
|		|		|
Корыто c раствором	è	Бак с раствором	è	Бак с твёрдым филь-тром нейтрализатора	С
|		|		|
Открытое корыто, источник воды, мешок извести, лопата	è	Закрытый бак с люком, труба подачи воды, мешалка, мешок извести	è	Бак с пористым твёрдым нейтрализа-тором стоков (без мешка извести)	ПС

 

Шаг 10. Бисистемный подход:

Приём 1. Удвоение ТС, добавить ТС со слабо и сильно изменённой характеристикой (например, вместо нейтрализации известковым раствором применить другую щелочную сточную воду).

Приём 2. Подобрать ТС-2, устраняющую НЭ-1: образование облака пыли извести. Такой системой может здесь такая, которая не использует в качестве реагента известь в мешках. Это может быть подготовка и потребление больших объёмов известкового раствора, что не выгодно при эпизодической нейтрализации небольших объёмов кислых сточных вод (например, раз в неделю).

 

Шаг 11. Разовые приёмы (рассмотреть весь список приёмов и подприёмов РТП от 1 до 40 – полный список включает более 86 подприёмов).

П. 1 Разбить объект на части. Зачем надо высыпать в бак сразу весь мешок? Главная функция – нейтрализовать кислые сточные воды. Задачедатель при постановке проблемы умолчал об объёме и концентрациях кислоты в стоках цеха. Маловероятно, что для каждой порции такого кислого стока всегда нужен целый мешок извести. Мешок с 20 кг извести СаО может быть и избыточен, и недостаточен. Вероятно, что объём стока и количество в нём кислоты известны и переменны и сообщаются оператору бака-нейтрализатора. Вероятно, что он должен по величинам химических эквивалентов кислоты и извести вычислить требуемое количество извести. Мало вероятно, что это количество будет совпадать с такой меркой, как мешок извести. Можно полагать, что недопустимо подавать известь в недостатке, оставив кислоту не полностью нейтрализованной и допустимо подать известь в небольшом избытке. Т.е. такая мерка как мешок не удовлетворяет технологии процесса (вероятно, она слишком велика?). Тогда разделение «мешка на части» с помощью мерки-черпака в 20-50 раз меньшего объёма вполне возможно в данном техническом процессе. Т.е. вычисляется, сколько порций (черпаков) требуется для данной партии стока и добавляется для гарантии 0,5-1 черпак в избытке. Подача извести порциями около 0,5 кг решает и поставленную задачу «ликвидировать облако пыли извести»: из вскрытого мешка забирают известь черпаком определённую порцию и высыпают порцию не над люком бака, а опустив её через люк в глубину до середины бака – тогда вытеснение воздуха черпаком не совпадает по времени с высыпанием порции порошка и пыление при этом резко уменьшится.

ИТОГО:  Предложены способы:

1. Высыпать мешок внутри бака или внутри слоя воды в баке (но нужно разработать механизацию процесса), высыпать в воде при включённой мешалке.
2. Высыпать через люк порошок из мешка тонкой струёй, чтобы минимизировать пылеобразование (увеличится продолжительность процесса).
3. Струю порошка отделить от встречного потока воздуха плёночным желобом или трубой (вероятно, технически самое простое решение).
4. Во время высыпания порошка отсасывать воздух из бака-реактора (по воздушной линии с несколько большей скоростью, чем скорость вытеснения воздуха порошком), более простой способ открыть сливной кран воды так, чтобы воздух в люк слабо засасывался (например, при засыпании 7 л порошка слить 10-15 л воды из 1 м³).
5. Герметизировать соединение горловины мешка с порошком и люка бака, чтобы исключить выход воздуха из бака в цех (но требуется разработка сложного устройства).
6. Высыпать порошок извести не из мешка, а порциями с помощью черпака (который по путно решает и задачу более точной дозировки извести на нейтрализацию кислой сточной воды, т.е. обеспечивает лучшее выполнение главной функции ТС и резко уменьшает вредную функцию). При эпизодической работе отсыпать черпаком можно вручную, при массовой работе это решение трудно механизировать.

Окончательное решение (выбор одного из предложенных 6 способов технического решения) требует технико-экономического обоснования и учёта допустимых расходов на решение задачи, технических возможностей цеха и ресурсов предприятия, которые пока в условии задачи (как это часто бывает при постановке технических задач) не описаны задачедателем.

            Литература

1. Подкатилин А.В. Технология эффективных решений / ТРИЗ-профи-1: сб. М.: 2006.
2. Методы творчества для разработки дипломных работ: метод. указания /сост. В.А. Михайлов и др. Чуваш. ун-т. Чебоксары. 2010. С. 29-43.
3. Михайлов В.А. Основы теории систем и решения творческих технических задач. / В.А. Михайлов, Е.Д. Андреев и др. Чебоксары: Чуваш. ун-т, 2010. С. 200-216.
4. Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Моск. рабочий, 1973. С. 139-178.
5. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л. и др. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989. С. 285-292.