История развития человечества - это прежде всего история изобретения, создания и совершенствования различных изделий и технологий, другими словами - процесса инженерного творчества (ИТ). Результатами ИТ чаще всего являются новые, более совершенные и эффективные технические объекты и технологии.

Техническим объектом (ТО) называется созданное человеком или автоматом реально существующее устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности.

Каждый ТО может быть представлен определенным иерархически соподчиненными описаниями. На самой нижней ступени данной иерархической структуры стоит потребность, или функция ТО. Это понятие должно рассматриваться достаточно подробно, иначе ошибка на уровне постановки потребности может привести к созданию невостребованного технического проекта.

Выявление потребности в ТО.

Для получения сведений о данном техническом решении и об его аналогах был произведен информационный поиск, который позволил получить сведения о новейших достижениях в требуемой предметной области и исключить дублирование исследований и разработок. На его основании можно сделать вывод о том, что все предыдущие исследования были посвящены реакциям фосфорилирования других органических веществ.

Таким образом, поставленная цель исследования и синтеза фосфорсодержащих метакрилатов на основе диметилового эфира в-цианоэтилфосфоновой кислоты является актуальной и востребованной.

1. Информационный поиск

1) Недостаток - большое время реакции;

2) Элемент системы, ответственный за этот недостаток - водяной холодильник;

3) Параметры этого элемента - длина, форма теплопередачи водяного холодильника;

4) Ввести в систему водяной холодильник большей длины и более сложной формы (например, шариковый, змеевиковый, многоходовой или другой), для того, чтобы эффективнее “уходили” из реактора пары метанола, который сдвигает равновесие в обратную сторону и тормозит процесс.

5) Конфликт между показателями качества: улучшение отвода теплоты паров метанола за счет увеличения поверхности теплообмена в холодильнике приводит к возрастанию гидравлического сопротивления холодильника, и, как следствие, к затруднению отвода метанола.

6) Функциональный конфликт: чтобы улучшить теплоотвод от паров метанола, необходимо использовать холодильник, не создающий повышенного гидравлического сопротивления.

7) Конфликт свойств: холодильник должен быть таким, чтобы при максимальном теплоотводе сопротивление движению метанола было минимальным.

8) Таким образом, для решения этих конфликтов, необходимо использовать не один длинный холодильник сложной формы, а систему нескольких n коротких холодильников более сложной формы, например, так:

При этом используется прием №5: изменить условия, в которых находится узловой элемент таким образом, чтобы его различные части имели различные значения параметра, указанного в формуле конфликта свойств - то есть применение шарикового холодильника, различные части которого имеют бомльшую поверхность теплообмена и пониженное гидравлическое сопротивление.

Показатель эффективности ТС, улучшаемый при этом - увеличение скорости конденсации и количества сконденсированного метанола, и, как следствие, сокращение времени реакции.

Для процесса:

1) Недостаток - низкий выход процесса;

2) Элемент системы, ответственный за этот недостаток - моноэтиленгликольметакрилат (МЭГ);

3) Один из параметров этого элемента - склонность этого вещества к побочной реакции полимеризации;

4) Необходимо понизить активность элемента системы - моноэтиленгликольметакрилата.

5) Конфликт между показателями качества: со снижением активности МЭГ в побочной реакции полимеризации, падает также его активность и в основной реакции переэтерификации.

6) Функциональный конфликт: необходимо избирательно понизить активность МЭГа в побочной реакции, и повысить (или оставить прежней) в основной реакции.

7) Химический конфликт свойств: необходимо придать моноэтиленгликолю свойства низкой полимеризуемости, и одновременно реакционоспособность при взаимодействии с эфиром.

8) Необходимо применить прием № 9: включить узловой элемент в состав системы, которая характеризуется одним значением параметра, указанного в формуле конфликта свойств, а узловой элемент - другим значением, то есть, ввести МЭГ в систему, придающую МЭГу низкую способность к полимеризации (содержащую ингибиторы полимеризации).

9). Показатель эффективности ТС, который при этом увеличился - выход реакции, за счет снижения доли побочной реакции.

7. Синтез с помощью эвристических приемов

Таблица 10 Оценка вариантов технических решений (1)

Таблица 11Оценка вариантов технических решений (2)

9. Морфологический синтез

Для реактора получено 216 комбинаций.

По экономичности:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Силиконовая баня: 6 Силиконовая баня: 6

Тюрингское стекло: 8 Тюрингское стекло: 8

Круглый: 6 Круглый: 6

Система шариковых: 8 Шариковый: 6

У=28 У=26

По простоте конструкции:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Силиконовая баня: 7 Силиконовая баня: 7

Тюрингское стекло: 7 Тюрингское стекло: 7

Круглый: 8 Круглый: 8

Обратный: 8 Шариковый: 5

У=30 У=27

По надежности:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Силиконовая баня: 8 Силиконовая баня: 8

Иенское стекло разотерм: 7 Иенское стекло разотерм: 7

Круглый: 6 Круглый: 6

Система шариковых: 7 Шариковый: 6

У=28 У=27

Для процесса: 32 комбинаций

По селективности:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Эфир с конц. не менее 98%: 5 Эфир с конц. не менее 98%: 5

МЭГ ХЧ: 6 МЭГ ХЧ: 6

Cu: 5 Cu: 5

Гидрохинон: 8 Гидрохинон : 8

Гомофазная ж-ж: 6 Гомофазная ж-ж: 6

150⁰С: 7 130⁰С: 4

У=37 У=34

По времени пребывания:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Эфир с конц. не менее 98%: 6 Эфир с конц. не менее 98%: 6

МЭГ ХЧ: 6 МЭГ ХЧ: 6

Cu: 5 Cu: 5

Гидрохинон: 6 Гидрохинон: 6

Гомофазная ж-ж: 5 Гомофазная ж-ж: 5

150⁰С: 7 130⁰С: 3

У=35 У=31

По степени конверсии:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Эфир с конц. не менее 98%: 6 Эфир с конц. не менее 98%: 6

МЭГ ХЧ: 5 МЭГ ХЧ: 5

Cu: 5 Cu: 5

Гидрохинон: 6 Гидрохинон: 6

Гомофазная ж-ж: 5 Гомофазная ж-ж: 5

150⁰С: 5 130⁰С: 2

У=32 У=29

Расчет К_и. Для реактора: По первому критерию:

л=0.3 л=0.4 л=0.3

К_и=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(8·0.3+7·0.4+1·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=27

По второму критерию:

л=0.3 л=0.4 л=0.3

К_и=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(8·0.3+7·0.4+1·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=27

По третьему критерию:

л=0.3 л=0.4 л=0.3

К_и=(6·0.3+7·0.4+8·0.3)+(3·0.3+6·0.4+7·0.3)+(6·0.3+8·0.4+6·0.3)+(8·0.3+8·0.4+7·0.3)=26.9

Для процесса: По первому критерию:

л=0.2 л=0.5 л=0.3

К_и=(5*0.2+6*0.5+6*0.3)+(6*0.2+6*0.5+5*0.3)+(5*0.2+5*0.5+5*0.3)+(8*0.2+6*0.5+6*0.3)++(6*0.2+5*0.5+5*0.3)+(7*0.2+7*0.5+6*0.3)=34.8

По второму критерию:

л=0.2 л=0.5 л=0.3

К_и=(5*0.2+6*0.5+6*0.3)+(6*0.2+6*0.5+5*0.3)+(5*0.2+5*0.5+5*0.3)+(8*0.2+6*0.5+6*0.3)+(6*0.2+5*0.5+5*0.3)+(7*0.2+7*0.5+6*0.3)=34.8

По третьему критерию:

л=0.2 л=0.5 л=0.3

К_и=(5*0.2+6*0.5+6*0.3)+(6*0.2+6*0.5+5*0.3)+(5*0.2+5*0.5+5*0.3)+(8*0.2+6*0.5+6*0.3)+(6*0.2+5*0.5+5*0.3)+(7*0.2+7*0.5+6*0.3)=34.8

Выводы

1. На основе системного подхода проведен функционально-физический анализ процесса переэтерификации диметилового эфира в-цианоэтилфосфоновой кислоты моноэтиленгликоль(мет)акрилатом и реактора для его проведения.

В результате были выявлены следующие недостатки:

а) низкий выход продукта реакции;

б) большое время синтеза.

2. Для разрешения конфликтов в технических и химических системах предложены решения:

а) для реактора: введение системы водяных шариковых холодильников меньшей длины.

б) для процесса: использование в качестве ингибитора побочной реакции смеси меди и гидрохинона.

3. Массив проектных решений для реактора составил 216 комбинаций, для процесса- 32 комбинации.

Определены лучшие варианты по критериям экономичности, простоты конструкции, надежности (для реактора), селективности, времени пребывания, степени конверсии (для процесса).

На основе аддитивной свертки критериев для реактора определен наиболее оптимальный проектный вариант по аппарату: круглый реактор, изготовленный из тюрингского стекла, снабженный системой водяных шариковых холодильников, в качестве теплопередающего устройства используется силиконовая баня.

На основе аддитивной свертки критериев определен наиболее проектный вариант по процессу: использование в качестве исходных реагентов “чистых” эфира и МЭГа, в качестве ингибитора - смесь Сu и гидрохинона, синтез ведут при температуре 150 ⁰С в гомофазной системе ж-ж.

4. Произведена постановка задачи синтеза нового технического решения для реактора. Введение системы водяных шариковых холодильников небольшой длины.

5. Произведена постановка задачи синтеза нового технического решения для процесса. Использование в качестве ингибитора смеси меди и гидрохинона.