Институт Инновационного Проектирования | Задача об измерении количества озона
 
Гл
Пс
Кс
 
Изобретателями не рождаются, ими становятся
МЕНЮ
 
   
ВХОД
 
Пароль
ОПРОС
 
 
    Слышали ли Вы о ТРИЗ?

    Хотел бы изучить.:
    Нет, не слышал.:
    ТРИЗ умер...:
    Я изучаю ТРИЗ.:
    Я изучил, изучаю и применяю ТРИЗ для решения задач.:

 
ПОИСК
 
 



 


Все системы оплаты на сайте








ИННОВАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сертификация инноваторов
инновационные технологии
БИБЛИОТЕКА ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
Это интересно
ПРОДУКЦИЯ
 

 


Инновационное
обучение

Об авторе

Отзывы
участников

Программа
обучения

Вопрос
Ю.Саламатову

Поступить на обучение

Общественное
объединение



Молодому инноватору

FAQ
 

Сертификация
специалистов

Примеры заданий

Заявка на
сертификацию

Аттестационная
комиссия

Список
аттестованных
инноваторов

Инновационное
проектирование

О компании

Клиенты

Образцы проектов

Заявка
на проект

Семинары

Экспертиза проектов

   

Книги и статьи Ю.Саламатова

Теория Решения Изобретательских Задач

Развитие Творческого Воображения

ТРИЗ в нетехнических областях

Инновации 
в жизни науке и технике

Книги по теории творчества

Архивариус РТВ-ТРИЗ-ФСА

Научная Фантастика
 
 
Статьи о патентовани
   

Наука и Техника

Политика

Экономика

Изобретательские блоги 

Юмор 
 
Полигон задач

ТРИЗ в виртуальном мире
медиатехнологий
       

Книги для
инноваторов

CD/DVD видеокурсы для инноваторов

Програмное обеспечение
инноваторов

Покупка
товаров

Отзывы о
товарах
           

Задача об измерении количества озона

 

М.М. Ксенофонтова

Московский общественный институт технического творчества
2005/2006
Выпускная работа Часть 1

Разбор задачи по АРИЗ-85В
Окисление растворов лигнина газообразным озоном обычно проводят в барботажном реакторе. Часть технологической линии процесса его окисления изображена на рисунке 1:

Рис.1. Схема барботажного реактора.
Озоно-воздушная смесь поступает в реакционную камеру, где находится водный раствор лигнина. Далее остаточный (непрореагировавший) озон поступает по соединительной трубке в измерительную кювету озонометра, где его концентрация фиксируется оптическим способом по поглощению озона на определенной длине волны.
При окислении лигнина образуются летучие соединения, которые выносятся озоно-воздушным потоком из реакционной камеры и попадают в измерительную кювету озонометра. Поскольку эти соединения поглощают в той же области, что и озон, это приводит к ошибочным показаниям озонометра.
Как повысить точность работы озонометра?
ЧАСТЬ 1. АНАЛИЗ ЗАДАЧИ
Шаг 1.1. Условия мини-задачи
Рассмотрим элементы данной системы. Техническая система для озонирования лигнина (ГПФ - озонировать лигнин) включает: "
реакционную камеру; водный раствор лигнина; соединительную трубку (далее просто трубка); озонометр; газообразный озон; летучие вещества (ЛВ); воздух.
В системе существуют следующие основные противоречия:
ТП-1: Если уменьшить концентрацию лигнина, то уменьшится количество ЛВ на выходе из реакционной камеры, мешающих детектированию озона, но уменьшится и скорость процесса озонирования, а это недопустимо.
ТП-2: Если увеличить концентрацию лигнина, то увеличится скорость процесса озонирования, но увеличится и количество ЛВ на выходе из реактора, а следовательно уменьшится точность измерения озона.
Необходимо при минимальных изменениях системы повысить точность измерения озона.
Примечание.
При более детальном рассмотрении задачи можно выделить три системы (зоны) с соответствующими ГПФ (рисунок 2):
I. Реакционная: реакционная камера, водный раствор лигнина, озон, ЛВ, воздух (ГПФ - озонировать лигнин). Изделие - лигнин, инструмент - озон (озон окисляет лигнин).
II. Измерительная: озонометр, озон, ЛВ, воздух (ГПФ - измерять озон). Изделие - озон, инструмент - луч озонометра (луч озонометра "нагревает" озон).
III. Транспортная: трубка, озон, ЛВ, воздух (ГПФ - перемещать озон). Изделие - озон, инструмент - воздух (воздух перемещает озон).

Рис.2. Распределение оперативных зон в системе.
Таким образом, в данной системе существует противоречие между разными зонами:
ТП-1: Если уменьшить концентрацию лигнина, то увеличится точность детектирования озона (в измерительной зоне II), но уменьшится и скорость процесса озонирования (в реакционной зоне I), а это недопустимо.
ТП-2: Если увеличить концентрацию лигнина, то увеличится скорость процесса озонирования (в реакционной зоне I), но уменьшится точность измерения озона (в измерительной зоне II).
________________________________________
Шаг 1.2. Конфликтующая пара
Конфликт возникает при контакте озонометра и ЛВ (т.е. в измерительной зоне II) .
________________________________________
Шаг 1.3. Графические схемы ТП-1 и ТП-2
ТП1 ТП2

________________________________________
Шаг 1.4. Что является главным производственным процессом
Главная функция всей системы - озонировать лигнин. Поэтому для дальнейшего решения выберем ТП-2: в этом случае скорость озонирования высокая. ________________________________________
Шаг 1.5. Усилить конфликт
Будем считать, что вместо "высокой концентрации лигнина" в ТП-2 указана "предельно высокая концентрация лигнина".
________________________________________
Шаг 1.6. Формулировка модели задачи
Предельно высокая концентрация лигнина обеспечивает высокую скорость озонирования, но приводит к образованию недопустимо большого количества ЛВ, которые создают помехи при анализе озона в озонометре (снижают точность озонометра).
Необходимо найти такой икс-элемент, который устраняет влияние ЛВ на озонометр, не мешая измерению озона ________________________________________
Шаг 1.7. Применение стандартов
Пропускаем этот шаг, продолжая решать по АРИЗ.
ЧАСТЬ 2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ
Шаг 2.1. Определить оперативную зону (ОЗ)
Если вернуться к шагу 1.1., то мы выделили три оперативных зоны в исследуемой системе:
ОЗ I - реакционная зона (зона без конфликта) - синтез ЛВ: в реакционной зоне I нет конфликта и главная функция выполняется адекватно, поэтому рассматривать зону I в дальнейшем анализе не будем, хотя можно было бы решать задачу об эффективном окислении лигнина без образования ЛВ.
ОЗ II - измерительная зона (зона конфликта): пространство в озонометре, в котором идет измерение озона. В данной задаче нет возможности работать в измерительной зоне ОЗ II (нельзя изменять озонометр - это коммерческий прибор)
ОЗ III - транспортная зона (зона без конфликта): пространство между реакционной камерой и озонометром, где проходит газовый поток, включающий озоно-воздушную смесь и ЛВ.
Поскольку запрещено работать в ОЗ I и ОЗ II, то будем работать в оперативной зоне ОЗ III - пространство до озонометра.
________________________________________
Шаг 2.2. Определить оперативное время (ОВ)
Оперативное время:
ОВ I - время окисления лигнина озоном в реакционной камере (соответственно и время образования нежелательных ЛВ)
ОВ II - конфликтное время: промежуток времени, в течение которого озон и ЛВ проходят через озонометр.
ОВ III - время до конфликта: промежуток времени до поступления озона и ЛВ в озонометр - их движение по трубке от реакционной камеры к озонометру.
Поскольку для работы выбрали ОЗ III, то и рассматриваемое оперативное время выбираем ОВ III - время до конфликта.
________________________________________
Переформулируем задачу для выбранной зоны ОЗ III и повторим шаги 1.1.-2.2.
Шаг 1.1. Условия мини-задачи
Техническая система для транспортировки газовой смеси включает:
трубку; летучие вещества; озон; воздух
В системе существуют следующие основные противоречия:
ТП-1: Если сильно уменьшить диаметр трубки (до размера молекул), то летучие вещества не будут выходить из транспортной системы (будут застревать на входе в нее), но сильно увеличится сопротивление газовому потоку, а это недопустимо; ТП-2: Если увеличить диаметр трубки, то уменьшится сопротивление газовому потоку, но и увеличится количество летучих веществ на выходе из транспортной системы
Необходимо при минимальных изменениях системы не допускать выход летучих веществ из транспортной системы
________________________________________
Шаг 1.2. Конфликтующая пара
Конфликтная пара: воздух и ЛВ.
________________________________________
Шаг 1.3. Графические схемы ТП-1 и ТП-2
ТП1 ТП2

________________________________________
Шаг 1.4. Что является главным производственным процессом
ГПФ транспортной системы - перемещать озон, поэтому выбираем ТП2, так как в этом случае озоно-воздушная смесь свободно перемещается.
ТП = ТП2: Если увеличить диаметр трубки, то уменьшится сопротивление газовому потоку, но и увеличится количество летучих веществ на выходе из транспортной системы
________________________________________
Шаг 1.5. Усилить конфликт
Диаметр трубки бесконечно большой и все летучие вещества проходят через транспортную систему.
________________________________________
Шаг 1.6. Формулировка модели задачи
Дано:
Газовая смесь, воздух;
Диаметр трубки бесконечно большой и все летучие вещества проходят через транспортную систему.
Необходимо найти такой икс-элемент, который устраняет летучие вещества из газовой смеси до выхода из транспортной системы. ________________________________________
Шаг 1.7. Применение стандартов
Пропускаем этот шаг, продолжая решать по АРИЗ.
ЧАСТЬ 2. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ
Шаг 2.1. Определить оперативную зону (ОЗ)
ОЗ - объем трубки, где происходит движение газового потока и перемешивание озона и летучих веществ
________________________________________
Шаг 2.2. Определить оперативное время (ОВ)
ОВ - время движения газовой смеси по трубке
________________________________________
Шаг 2.3. Определить вещественно-полевые ресурсы (ВПР)
ВПР выбранной транспортной системы.
1. Внутрисистемные
а) воздух
" давление;
" скорость потока;
" температура;
" направление потока;
б) летучие вещества
" состав
" температура;
в) трубка
" материал;
" форма;
" конструкция
2. Внешнесистемные
а) ВПР среды
воздух
б) "фоновые" поля
3. Надсистемные
а) озонометр
б) раствор лигнина
ЧАСТЬ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИКР И ФП
Примечание.
При формулировании ИКР рассматриваем ГПФ именно транспортной системы - перемещать озон.
Шаг 3.1. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-1)
икс-элемент, абсолютно не усложняя систему и не вызывая вредных явлений, устраняет (отделяет, преобразует и т.д.) ЛВ в течение ОВ (движения смеси озона и ЛВ от реакционной камеры к озонометру) не мешая перемещению озона (напомним, что ГПФ транспортной зоны - перемещать озон)
Примечание.
В зависимости от того, какое действие икс-элемента мы укажем в ИКР, появляются несколько направлений дальнейшего развития решения.
В данном случае считая, что устранение - это частный случай преобразования нежелательного элемента (ЛВ) будем рассматривать в дальнейшем два действия: преобразует и отделяет.
________________________________________
ВАРИАНТ 1.
Шаг 3.2. Усиление формулировки ИКР-1
В формулировке ИКР-1 вместо икс-элемента рассмотрим воздух - "воздух в ОЗ в течение ОВ
а) сам отделяет ЛВ от озона, не мешая перемещению озона
б) сам преобразует ЛВ, не мешая перемещению озона
________________________________________
Шаг 3.3. Формулировка физического противоречия (ФП) на макроуровне
а) Воздух в трубке должен иметь прямое направление движения, чтобы продвигать газовую смесь в озонометр, и должен иметь любое другое направление движения, чтобы не пускать ЛВ к выходу из системы.
б) Воздух в трубке должен быть инертным, чтобы сохранять неизменным газообразный озон, и должен иметь центры связывания, чтобы "зацеплять" ЛВ.
________________________________________
Шаг 3.4. Формулировка физического противоречия на микроуровне
а) Частицы воздуха в трубке должны двигаться упорядочено вдоль трубки, чтобы транспортировать молекулы озона в озонометр, и должны двигаться перпендикулярно к стенкам трубки, чтобы не давать молекулам ЛВ проходить в озонометр.
б) Частицы в трубке должны быть инертными, чтобы сохранять неизменными молекулы газообразного озона и должны иметь центры связывания, чтобы "зацеплять" молекулы ЛВ.
________________________________________
Шаг 3.5. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-2)
а) Частицы воздуха должны сами обеспечивать разделение потоков молекул ЛВ не мешая перемещению озона
б) Частицы воздуха должны сами преобразовывать молекулы ЛВ не мешая перемещению озона в неизменном виде
________________________________________
Шаг 3.6. Применение стандартов
Продолжаем решать по АРИЗ.
а) Разделение потоков молекул ЛВ и озона может быть основано на разнице молекулярных масс ЛВ и озона. Таким образом, можно закручивать поток воздуха, чтобы наиболее тяжелые ЛВ (которые как правило и мешают измерению поглощения озона) будут отброшены к стенкам трубки, а более легкий озон пройдет в центре трубки (рисунок 3). Это решение может быть реализовано, если система работает при высоком избыточном давлении.
Компоненты газовой смеси, различающиеся по молекулярной массе, можно разделить, если на смесь действует центробежная сила, возникающая в конусообразном вихре трубы РАНКА (http://www.high-technologies.ru/rus/index.php?option=com_content&task=view&id=117&Itemid=116).
Суть метода заключается в следующем.
При введении газовой смеси, находящейся под давлением, в вихревую трубу создаётся интенсивное вихревое движение. Под действием центробежных сил более тяжелая компонента (СО2) перемещается к стенке конусной камеры и, тем самым, обогащает периферийный поток. А осевой поток обогащается более лёгкими компонентами (О2, N2 и т.п.) и двигаясь в противоположном направлении, выходит из противоположного конца вихревой трубы.
Вихревая труба может быть разной формы, но наиболее высокая эффективность сепарации газовой смеси достигается только в конусной вихревой трубе. При этом достаточная полнота разделения достигается за счёт создания многоступенчатых схем, содержащих несколько (3 и более) вихревых труб.
Параметры (геометрическая форма, размеры и количество вихревых труб) подбираются экспериментально в каждом конкретном случае по результатам испытаний. При увеличении давления или уменьшении содержания в смеси тяжелой компоненты эффективность разделения повышается.

Рис.3. Отделение озона от летучих веществ в трубе Ранка.
б) Устранение физического противоречия с помощью фазового перехода 4: замена однофазового вещества двухфазовым.
Свяжем ЛВ растворителем, не растворяющим озон. ЛВ имеют органическую природу, следовательно необходимо взять растворитель органической природы, инертный по отношению к озону. Одним из известных органических растворителей, инертных по отношению к озону, является декалин. Для использования этого решения необходимо исследовать способность ЛВ к растворению в декалине.
________________________________________
ВАРИАНТ 2
Шаг 3.2. Усиление формулировки ИКР-1
В формулировке ИКР-1 вместо икс-элемента рассмотрим трубку - "трубка в ОЗ в течение ОВ
а) сама отделяет ЛВ от озона, не мешая перемещению озона
б) сама преобразует ЛВ, не мешая перемещению озона
________________________________________
Шаг 3.3. Формулировка физического противоречия (ФП) на макроуровне
а) Стенки трубки должны собирать газовый поток, чтобы задерживать ЛВ, и не должны собирать газовый поток, чтобы пропускать озон в озонометр
б) Стенки трубки должны реагировать с газовым потоком, чтобы превращать ЛВ в немешающие соединения, и не должны реагировать с газовым потоком, чтобы пропускать озон в озонометр в неизменном виде
________________________________________
Шаг 3.4. Формулировка физического противоречия на микроуровне
а) Частицы внутренней поверхности трубки должны обладать высокой удельной поверхностью, чтобы поглощать молекулы ЛВ, и должны обладать низкой удельной поверхностью, чтобы не задерживать молекулы озона
б) Частицы стенки трубки должны изменять молекулы газового потока, чтобы превращать ЛВ в немешающие соединения, и не должны изменять молекулы газового потока, чтобы пропускать озон в озонометр в неизменном виде
________________________________________
Шаг 3.5. Формулировка идеального конечного результата (ИКР-2)
а) Частицы внутренней поверхности трубки сами должны присоединять молекулы ЛВ не мешая при этом свободному прохождению озона
б) Стенки трубки сами должны превращать молекулы ЛВ в немешающие соединения не мешая при этом свободному прохождению озона
________________________________________
Шаг 3.6. Применение стандартов
Продолжаем решать по АРИЗ.
а) Нанести на стенки трубки адсорбент, который бы поглощал летучие вещества, не давая им проходить в озонометр. Возникают вторичные проблемы, требующие дальнейшего решения:
" разложение озона на этом адсорбенте
" адсорбция озона на данном адсорбенте наряду с летучими веществами
" каталитическое окисление летучих веществ озоном (т.е. дополнительный расход озона).
б) Устранения физического противоречия с помощью фазового перехода 1: замена фазового состояния части системы или внешней среды.
Понизим температуру воздуха в трубке - озон останется в газообразном состоянии, а ЛВ, которые как правило имеют температуры конденсации гораздо выше, перейдут в жидкую фазу и не будут создавать помех при измерении озона в озонометре (рисунок 4).

Рис.4. Отделение озона от летучих веществ путем охлаждения трубки.
Такая схема представляется наиболее работоспособной и легковнедряемой в условиях заводской лаборатории, не имеющей возможности проводить исследования и доработки приборов.


Записаться на тренинг ТРИЗ по развитию творческого, сильного мышления от Мастера ТРИЗ Ю.Саламатова >>>

Новости RSSНовости в формате RSS

Статьи RSSСтатьи в формате RSS

Рейтинг – 756 голосов


Главная » Это интересно » Наука и техника » Задача об измерении количества озона
© Институт Инновационного Проектирования, 1989-2015, 660018, г. Красноярск,
ул. Д.Бедного, 11-10, e-mail
ysal@triz-guide.com, info@triz-guide.com
 
 

 

Хочешь найти работу? Jooble