Как выбрать задачу (из картотеки Волгоградской школы ТРИЗ 1979 год)

Весной 1978 года я проводил занятия в школе изобретательского творчества на одном из предприятий города. Группа подобралась сильная - половина слушателей уже прошли обучение по 40 - часовой программе, получили книги и массу учебных пособий. Они знали ответы многих задействованных в курсе учебных задач и мне приходилось разрываться между необходимостью давать задачи попроще - для новичков, и посложнее - для "профессионалов".

Так, разрываясь, мы прошли две трети пути. И вот тут мне показалось, что надо как то изменить, оживить обстановку.

Возникла светлая идея. Пусть профессионалы поварятся в собственнном соку, а я пока займусть с новичками.

На очередном занятии я заявил:

- С сегодняшнего дня начинаем решать задачи, которые волнуют производство в настоящее время. У кого есть такая задача?

Тишина. Я повторил вопрос. Класс подавленно молчал. И верно, для того, чтобы сформулировать задачу, подготовиться к рассказу о ней - надо время. А тут - вопросы в лоб. Моя вера в то, что каждый инженер постоянно носит с собой несколько проблем, начала шататься. Оставалось уйти от этой темы. Я совсем было собрался обрать вред в пользу и произнести короткое, но энергичное наставление о необходимости искать задачи, как вдруг из - за последнего стола поднялась симпатичная девушка в желтой пушистой кофте и сказала:

- У меня есть задача.

- Очень хорошо, - сказал я, - идите к доске, сейчас мы ее решим.

Она подошла к достке и начала рассказывать.

- При производстве одного ОЧЕНЬ ВАЖНОГО ПРОДУКТА необходимо иметь как полуфабрикат вещество "Ф" (и она написала на доске длинную формулу). Чистота этого вещества должна быть не ниже 98%. А у нас получается 20-30% примеси.

Здесь девушка замолчала, потом с надеждой посмотрела на меня и добавила

- Как быть?

- Понятно… И где же очищают это самое "вещество Ф"?

Оказалось, что очищают его в ректификационной колонне. Я потребовал разъяснений. Например, очень интересно узнать, как работает эта самая колонна. Девушка удивилась. Наверное тому, что есть еще такие безграмотные люди.

Мне стало стыдно. Я стал оправдываться тем, что в общих чертах знаю, как она работает, но наверняка здесь есть масса тонкостей.

Народ оживился. Тонкости действительно были. В итоге к доске выскочило еще три человека, они принялись рисовать колонны и рассказывать о них. Остальные помогали с места. Стихийно вспыхивали споры. Я подумал о том, что занятие пропало и стал слушать и задавать вопросы.

Задача, которая первоначально звучала: "В продукте много примесей", довольно быстро заменилась другой: "Колонна не обеспечивает…". Здесь профессионалы забуксовали. С большим трудом удалсь выяснить, что если бы в колонне, в верхней ее части, удалось повысить вакуум еще на 400 мм водного столба, то все было бы хорошо.

Это уже было кое - что. Мы выходили на физику процесса.

- Почему же не удается повысить этот вакуум? - спросил я.

Установленный специально для этой цели насос не обеспечивает нужных параметров, - веско сказал солидный дядя, главный приборист одного из производств.

- Поставьте более мощный насос, - блеснул я гениальной идеей. - Или все равно не получается?

- Не знаю, - сказала девушка в желтой кофте. - Мы еще не пробовали.

- Ну так пусть попробуют, да и дело с концом.

- А у них все равно ничего не получится, - сказал солидный дядя. - У тарелок слишком большое гидросопротивление.

Так задача снова изменилась. Теперь она была про тарелки.

Итак, ректификационная колонна - это вертикально стоящая труба, заполненная большим количеством перегородок - тарелок.

Снизу колонна подогревается, сверху охлаждается. Очищаемый продукт вводят в среднюю часть, а забирают полученные в результате разделения вещества сверху и снизу.

Если говорить очень упрощенно, то в колонне можно наблюдать два встречных потока. Снизу вверх поднимаются пары, сверху вниз спускается жидкость. Они контактируют друг с другом на тарелках. Во время контакта происходит тепло- и массообмен. Жидкость нагревается, часть ее переходит в пар и идет вверх. Пар охлаждается, часть его переходит в жидкость и спускается вниз. Так, постепенно из жидкости вымываются наиболее легкокипящие компоненты, которые и достигают верха колонны. Их отсасывают насосом, охлаждают. Часть продукта отводится, часть поступает обратно в колонну и орошает ее сверху для более качественной очистки поднимающегося пара. В нижнем охлаждаемом контуре происходит накопление другого компонента, который тоже отводится…

В задаче все ясней проступало противоречие, лежащее в принципе работы тарелки. Увеличивая гидросопротивление, мы улучшаем тепло- и массоперенос во встречных потоках жидкости и пара, но закрываем путь пару наверх. Уменьшив гидросопротивление, мы создадим равномерный перепад давления по всей высоте колонны, но ухудшим тепло- и массообмен.

В нашей колонне перепад давлений существовал только по краям, в центре колонны тарелки были заполненны жидкостью, пар не рвался вверх и продукт выходил не очищенным в нужной степени. Сложность заключалась еще и в том, что очищенный продукт имел почти ту же температуру кипения, что и примесь. В высоких инстанциях было решено, что нужно ставить вторую такую же колонну для дальнейшей очистки. А пока предприятие систематически не выполняло план по одному из продуктов.

Окончание рабочего дня прервало наши разговоры. По дороге домой я зашел в заводскую библиотеку и взял толстую книгу по технологии ректификации. До следующего занятия оставалось два дня, это время я провел читая спецальную литературу и формулируя различные варианты решений.

У меня ничего не получалось. Впереди светила хорошенькая перспектива опозориться на первой же практической задаче. Интересно, как тогда посмотрит на меня девушка в желтой кофте?

И вдруг все стало ясно и понятно. Ясно, где в рассуждениях кроется ошибка и понятно, как действовать дальше. Сам виноват - практическую задачу принялся решать как учебную - с шага 2.1. (Поясню для сегодняшнего читателя, что речь в повествовании идет о версии алгоритма - "АРИЗ-77". В этой модификации все еще была первая часть, отвечающая за обработку исходной ситуации. В последующих модификациях алгоритма эта часть была удалена, анализ начинается сразу с построения модели в форме технического противоречия - А.К.) Сбило с толку обсуждение в классе. На задачу о тарелках вышли специалисты. А что они понимают в задачах - эти специалисты? Тарелка - это же до блеска вылизанный элемент - начал я на радостях каламбурить. Противоречие, с таким трудом выявленное мной, лежит для специалистов на поверхности, именно его и пытаются разрешить конструктора. Нет, не пойду я по этому скользкому пути. А по какому идти? Начнем решать с первой стадии, а там посмотрим.

На следующем занятии мы стали решать задачу с шага 1.1. (АРИЗ-77)

Шаг 1.1.

А) Объект, характеристики которого мы будем менять - ректификационная колонна.

Мы решили, что нужно обеспечить равномерный перепад давления по всей высоте колонны.

Б) Нельзя уменьшать число тарелок, степень очистки продукта, температуру вверху и внизу, менять химический состав участвующих элементов.

В) Если задача будет решена, цех сможет дать продукцию.

Г) Установка дополнитльной колонны должна занять по расчетам не меньше 6 месяцев. За это время цех недодаст продукции на сумму в 8,1 миллиона рублей.

То есть, если бы можно было бы включить производство завтра, то завод пошел бы на расходы в 6-7 миллионов рублей.

Предположим, что решение будет отрабатываться, согласовываться и выполняться в течение четырех месяцев. Значит затраты не должны будет превышать 1 миллион рублей. Вдохновляющие цифры. (Конечно, вдохновляющие для семидесятых годов, с зарплатами в 120 -160 рублей. А.К.).

Д) Надо повысить качество очистки - выпускать продукт нужной чистоты (98%).

Шаг 1.2.

А) Для колонны надсистемой будет вся технологическая схема. Для нее можно сформулироваь задачу: получение продукта Ф, не требующего очистки.

Б) Подсистема - мы взяли в качестве подсистемы входящее в колонну вещество Ф + загрязнения.

Задача, которую можно решать здесь - обеспечение самостоятельного отделения загрязнений от продукта.

В) Обратные задачи:

В.1. Для системы - Обеспечить резкопеременный перепад давления по высоте или вообще отсутствие перепада давления в колонне.

Для надсистсмы - получить продукт с примесями, которые невозможно удалить. Использовать эти примеси для придания конечному изделию дополнительных функций.

Для подсистемы - эта задача совпала с обратной задачей в надсистеме.

Шаг 1.3.

Мы тщательно проанализировали все поставленные задачи. Наиболее заманчиво звучала прямая задача для надсистемы. "Получить сразу чистый продукт, освободиться вообще от ректификационной колонны."

Эту задачу и выбрали для дальнейшего решения. Отдельные робкие голоса, прочившие неуспех, радовали меня. Что может больше говорить о близости решения, чем скептицизм специалиста?

Выход в надсистему потребовал новых знаний. Начался новый цикл работы. Теперь предстояло выяснить как получается "вещество Ф".

Вот итоги этого расследования:

Чтобы получить "вещество Ф" надо провести химическую реакцию.

Запишем ее так: А + В = Ф

Один из компонентов (например В) сам по себе является неустойчивым соединением. Время его существования - 3 секунды. Итак, сначала делают вещество "В". Необходимые компоненты подаются в смеситель (длинную трубу с завихрителями), где сильно турбулизуются. Двигаясь по трубе, вещества взаимодействуют друг с другом. Рассчитано, что полностью они прореагируют через две секунды. Таким образом, части "В", образовавшейся первой, останется существовать не больше секунды. За это время "В" должно прореагировать с "А" или безвозвратно разложиться на простые составляющие. Большая стоимость вещества "В" приводит к необходимости обеспечить стопроцентное взаимодействие его с "А". И вот для того, чтобы за 1 секунду все вещество "В" успело встретиться с "А", во вторую ступень смесителя подают в 20 раз больше "А", чем надо для обеспечения реакции.

И получается А (20) + В (1) = Ф (1) + А (19).

Девятнадцать частей ни с чем не прореагировавшего и прекрасно растворяющего в себе "Ф" вещества, которое затем с муками отделяют в известной нам колонне.

Наконец-то мы сформулировали задачу:

Как смешать А и В за 1 секунду без избыточного количества А?

Шаг 1.4.

Время - 1 сек.

Количество реагирующих компонентов 150 куб см *2.

Шаг 1.5.

Время остается тем же - 1 сек.

Количество компонентов может быть увеличено до 500 см сек * 2.

Шаг 1.6.

А) Должна быть возможность изготовления устройства на предприятии и эксплуатации его без переучивания персонала.

Б) Масштаб внедрения - одна установка.

Шаг 1.7.

Задача не решается прямым применением стандарта.

Шаг 1.8.

Во время решения были просмотрены учебники по химической технологии. Использовался также личный опыт решающих.

А) Основными средствами перемешивания жидкостей являются:

1. Механическое перемешивание

2. Барботаж

3. Встречные струи

Ускорение процесса перемешивания решается повсеместно так же, как и в данной нам исходной ситуации - увеличением количества одного из компонентов. Начинают использовать также и ультразвук.

Б) В ракетной технике перемешивание топлива и окислителя (в ЖРД) происходит при впрыске компонентов в камеру под давлением примерно в 200 атмосфер. В нагретой камере происходит испарение компонетов и смешение паров.

Шаг 1.9. Оператор РВС

А) Дано по 1 молекуле каждого вещества. Для того, чтобы они прореагировали, надо чтобы они встретились. Выстрелим одной молекулой в другую - задача решена.

Б) Каждого из компонентов - по многу тонн.

Распределим каждый из компонентов по поверхности в виде пленки толщиной в одну молекулу. Схлопываем эти поверхности - реакция произошла.

В) Время, отведенное на встречу = 0. Предположим, одна десятитысячная секунды. Молекулы надо соединить заранее, но оставить между ними какую -то "подпорку". В нужный момент "подпорка" выбивается. Т.е время на поиск сведено к нулю.

Г) Задача исчезает.

Д) Молекулы сами ищут друг друга (родство душ).

Е) Здесь может быть все, что угодно. Следящая система определяет, где находится еще не прореагировавшая молекула и выстреливает в нее молекулой - партнером.

По итогам применения оператора РВС можно определить направление решения. Нам нужна система, которая производила бы ориентацию молекул в пространстве или осуществляла бы их взимный поиск. Хаотичное движение здесь не годится.

На запись приведенных выше шагов ушло полтора часа. Продолжали решать задачу уже на следующем занятии.

Окончание Как выбрать задачу - 2