功能模型与物理矛盾应用 藉由甲醇羰基化产生醋酸
ITRIZS 2020-03-25
乙酸(ethanoic acid)既是常用的名称,也是国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定的官方名称。俗称醋酸(acetic acid),该名称来自于拉丁文中表示醋的词「acetum」。无水的乙酸在略低于室温的温度下(16.7℃),能够转化为一种具有腐蚀性的冰状晶体,故常称几乎不含水的醋酸为冰醋酸(glacial acetic acid)。
乙酸的实验式(最简式)为CH2O,分子式为C2H4O2,结构简式为CH3-COOH、CH3COOH来突出其中的羧基,表明更加准确的结构。 大部分乙酸是通过甲基羰基化合成的。此反应中,甲醇和一氧化碳反应生成乙酸,方程式:CH3OH + CO → CH3COOH

这个过程是以碘代甲烷为中间体,分三个步骤完成,并且需要一个一般由多种金属构成的催化剂
(1) CH3OH + HI → CH3I + H2O
(2) CH3I + CO → CH3COI
(3) CH3COI + H2O → CH3COOH + HI
因为一氧化碳和甲醇均是常用的化工原料,所以甲基羰基化一直以来备受青睐。其中,关键的是必须要有水做反应,但是水的存在也产生了许多问题。也因为需要有水做为反应,使反应过程相当复杂,以及成本居高不下的问题。
本文章是将反应过程中,水(H2O)所扮演的角色与所衍生的问题,利用TRIZ的功能模型加以分解、结合物理矛盾的思考,为达到简化过程与降低成本的目的,提供进一步的思考方向。

整个反应过程简单示意图如下:
将反应过程转为TRIZ功能模型分析,如下:
但是水的存在,也衍生了其他的问题:
以上的功能模型分析,可以发现问题变的很单纯:水的存在本身是一个物理矛盾。
  • 有助于乙醇的产生。
  • 造成能量流失、设备受损,且会消耗CO,产生极高的成本。

藉由四大分离原则与TRIZ在化学作用的40发明原则,未来的思考有以下几个方向:
最后,原本复杂的架构,透过功能模型的分析使问题变得单纯、清晰,为简化反应过程与降低成本提供一些可行的参考方向。