ОБ УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА К ПОИСКУ ХИМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

В начальной стадии постановки задачи трудно предполагать применение химического эффекта. Этот переход возможен на этапе выявления физических противоречий задачи, если из её условий вытекает требование очень широкого диапазона изменений одного свойства объекта.

How to apply the chemical effects during problem solving/Mikhailov V.A., Russia.

At conceptual stage of the problem statement it is difficult to assume the application of chemical effect. It can be assumed at a stage of revealing of physical contradictions the one property of object from very wide range of changes is enough.

При поиске новых технических решений по разрешению противоречий в технической системе, если данная система не является химическим процессом, трудно предполагать применение химических эффектов на начальном этапе постановки задач. В АРИЗ-85в записано обращение к указателю химэффектов после формулировки микро физического противоречия и идеального конечного результата с участием микро частиц [1,6]. В работе [6] предложен алгоритм поиска требуемого химического эффекта исходя из выявленных необходимых свойств микро частиц.

Но при решении такой химической задачи, как повышение производительности аппарата по синтезу бромида алюминия(3) по экзотермической реакции [2,3,4]:

сам факт появления задачи связан с химической реакцией и величиной её теплового эффекта уже при формулировке технических противоречий:

ТП-1:   Если увеличить подачу пара брома (темп. кипения 70^оС) в колонну, заполненную стружкой алюминия,   то выход продукта (пара AlBr₃ c темп. возгонки 270^оС) увеличива-ется,   но из-за высокой величины теплового эффекта реакции продукт перегревается (до темп. 500^оС) и при высокой температуре образуется примесь пара AlBr (который далее в конденсаторе диспропорционирует по реакции:     3 AlBr == > AlBr₃ + 2 Al ;                     ( 2)   а алюминий загрязняет конечный, целевой продукт бромид алюминия(3) ).

ТП-2:   Если не повышать подачу пара брома,   то продукт не перегревается (выше 300^оС) и не загрязняется AlBr,   но нельзя повысить производительность процесса и аппарата.

Поскольку в данной задаче главной проблемой является повышение производительности аппарата, то выбираем ТП-1, как главное противоречие, т.к. аппарата дополнительного нет.

В качестве усиленного противоречия можно взять увеличение производительности в 10 раз:   Если повысить подачу брома в 10 раз,   то количество продукта может увеличиться в 10 раз,   но во столько же раз увеличится теплота процесса: вместо 400 кДж (которые примерно поровну делятся между системой охлаждения колонны синтеза и паром продукта синтеза) до 4000 кДж (в действующем аппарате примерно половина этого количества теплоты уйдёт из колонны с паром продукта, а система охлаждения не может забрать больше 200-300 кДж, остаток тепла вызовет существенный перегрев внутри колонны – вероятно, до температуры 500^оС или выше, что резко ухудшит качество продукта).

Модель задачи:   Даны пар брома и стружка алюминия. Очень много брома даёт много продукта,   но низкого качества.   Необходимо получить много продукта высокого качества.

Перейдём к таблице-матрице Альтшуллера:   Что мы хотим улучшить? Мы хотим увеличить производительность процесса – это строка 39.

Что мы делаем для этого ? –Увеличиваем подачу брома.   Что при этом недопустиво ухудшается ? – а) ухудшится состав – это колонка 13 (рекомендации 39/13:   35, 3, 22, 39 );   б) недопустимо возрастёт температура – это колонка 17 (рекомендации 39/17:  35, 21, 28, 10). Рассмотрим эти рекомендации:   приём 35 – изменение физико-химических параметров (агрегатного состояния, концентрации…) – подавать в колонну жидкий бром, тогда часть теплоты реакции Q будет расходоваться на испарение брома; или уменьшить его концентра-цию (разбавить азотом), тогда возрастёт сумма теплоёмкостей «пар+газ» и увеличится унос тепла;   приёмы 3, 21 кажутся непригодными в данной задаче;   приём 22 – обратить вред в пользу – перегрев в колоне использовать на испарение жидкого/твёрдого брома (?);   приём 28 – замена механической схемы – подачу пара/жидкости брома заменить на химическую подачу – получать требуемый бром из какого-то реагента (теплота реакции снизится, возможно, больше, чем на величину теплоты испарения ?);   приём 39 – инертность – роль инертного азота выше качественно рассмотрена (может ли поток азота существенно увеличить унос тепла ?);   приём 10 – принцип предварительного действия – необходимо подготовить (заранее получить) такой реагент с бромом, из которого его легко отберёт алюминий с существенно меньшей теплотой реакции (?).

Как видно, из матрицы Альтшуллера следуют подсказки использовать физический (испарение) и/или химический (вместо брома применить другой реагент, из которого бром можно отобрать алюминием) эффекты. Данные из справочников:   физического (теплоты испарения, теплоёмкости газа) и физико-химического (теплоты реакций образования) могут помочь выбору процесса с минимальной суммарной теплотой образования целевого продукта. Далее рассмотрим выбор химэффектов по алгоритму поиска ХЭ [6, 7]:

- Что требуется изменить:   вещество (В) или энергию (Е) ?   Главная проблема – избыток теплоты реакции – это изменение (уменьшение) Е.

- Какой вид изменения В/Е может обеспечить требуемый результат ?   Выше были рассмотрены:   а) вместо “пара” жидкий бром (расход Е на испарение),  б) разбавить пар брома азотом (расход избытка Е на нагрев большей массы газа-смеси),  в) подготовить бром-содержащий реагент, тепловой эффект реакции которого с алюминием меньше исходного:

- Какой вид В: простое, бинарное, сложное (многоатомное/ элементное), полимерное, смесь ?   RBr – вероятно, бинарное В.

- Место изменения В: в точке, по линии, на поверхности, в объёме ?   Вещество нужно изменить в объёме газа/ пара.

- Вид требуемого (или допустимого) изменения В (по списку 100 видов ХЭ из “базы данных по использованию таких эффектов в патентах”):

   4) восстановление брома:   Br₂ + R ==> RBr ,   5) электрохимическое восстановление брома,

  13) растворение брома в легко кипящем растворителе, поглощающем избыток Е/ Q по реакции ( 1 ), при этом растворитель не должен загрязнять продукт реакций ( 1 ) / ( 2 ),

  17) синтез RBr,   31) объединение разных процессов:   синтезы RBr и продукта AlBr₃ по ( 2).

  67) применить эндотермическую реакцию, протекающую одновременно с основной ( 1 ), такая реакция м.б. реакцией  70) диссоциации (выбор из перечисленных реакций – эффектов основан на условии: сохранении чистоты целевого продукта рассмотренного процесса).

- Характер обратимости процесса:   процесс синтеза по экзотермической реакции необратим.

Конкретно задача решается, естественно, специалистом:  технолог Уралгалоген (Пермь) В. Фомин [4] решил, что   RBr = SnBr₄ ,   тогда:

здесь:   Q1 = 118 кДж/мол << Q = 412 кДж/мол ;   таким образом, теплота реакции уменьшена в 3,5 раза. Опыт же показал, что фактическая производительность исходного аппарата возросла в 12-15 раз. Полученный “сверхэффект” обусловлен тем, что кроме двух путей уноса тепла из зоны реакции (в систему охлаждения колонны и с паром-продуктом реакции) появился также третий:   унос избытка тепла с расплавом олова (или возможно, сплава олова и алюминия, температура плавления которого д.б. ниже чем чистого олова).

Для достижения такого результата автор техрешения [4] использовал готовые ресурсы надсистемы – цеха по синтезам сотен разных галогенидов:   он соединил в один блок два имеющихся аппарата для синтезов бромида олова и бромида алюминия. В 60-е гг. автор изобретений вёл поиск решения с помощью книги [8], при этом он выбрал тогда для решения приём 1:   принцип дробления. При чём он предположил, что в данной задаче дробить надо не «вещество», а теплоту экзотермической реакции (1), что автор техрешения сделал, опираясь на термохимический закон Гесса:  из которого следует, что тепловой эффект может быть разделён на две или более ступеньки. В результате в одном аппарате выделится одна часть – теплота синтеза бромида олова (температура летучести 217^оС и теплота его образования 365 кДж/мол), а в основном аппарате  - теплота реакции (4). Так автор решил, конечно не «задачу», а усовершенствовал систему синтеза AlBr₃.

Литература [к началу]

1.  Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач – Петрозаводск: «Скандинавия», 2003, с. 192 – 202.

2.  Михайлов В.А. Как решают изобретательские задачи: Сто задач по ТРИЗ, учебное пособие, Чебоксары: ЦНТИ, 1992, 160 с. (с. 29-31).

3.  Решение изобретательских задач на ЭВМ: метод. указания /сост. И.В. Кожевников, В.А. Михайлов, Чебоксары, Чуваш. ун-т, 1995, с. 15-17.

4.  Фомин В.М. Способы получения галогенидов //БИ, 1970, N 30, а.с. 316654;  БИ, 1973, N 28,  а.с. 387932.

5.  Михайлов В.А., Альтшуллер Г.С. и 20 др. База данных по использованию химических эффектов в патентах по химии и экологии (1200 рефератов):   http://ecoportal.ru/db.php

      Чебоксары-СПетербург: ЧувГУ, Газтурбо, 2005, 300 с.

6.  Михайлов В.А., Воронина Э.П., Еремкин А.В., Белов Н.И. К разработке алгоритма поиска химических эффектов при решениях творческих технических задач //сб. Развитие системы подготовки ТРИЗ, Петрозаводск: МАТРИЗ, 2003, с. 196-200.

7.  Михайлов В.А., Соснин Э.А., Косарев Д.С. База данных к указателю химических эффектов //сб. Три поколения ТРИЗ:  ТРИЗ Фест-2006, СПб, СПбГТУ, 2006, с. 239-242.

8.  Альтшуллер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: Моск. рабочий, 1968, 270 с.