正交實驗在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

1、正交實驗設(shè)計在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用工藝優(yōu)化工藝優(yōu)化正交實驗正交實驗正交實驗在工藝正交實驗在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用優(yōu)化中的應(yīng)用舉例舉例目錄轉(zhuǎn)化率，選擇性和收率轉(zhuǎn)化率，選擇性和收率平行副反應(yīng)和串聯(lián)副反應(yīng)平行副反應(yīng)和串聯(lián)副反應(yīng)升高溫度有利于活化能高的反應(yīng)，降低溫度有利于活化能低的反應(yīng)。在兩個反應(yīng)溫度下做同一合成實驗時，可以根據(jù)監(jiān)測主副產(chǎn)物的相對含量來判斷主副反應(yīng)活化能的相對大小，由此判斷是低溫還是高溫有利于主反應(yīng)，從而縮小了溫度選擇的范圍。對于串聯(lián)副反應(yīng)，A組分和B組分應(yīng)一次性加入，C組分則應(yīng)滴加，并盡可能的分出產(chǎn)物P。為了求取a-a的正負(fù)，可在同一溫度下做兩個實驗：一個是將A組分一次性加入（若溫度無法控制，

2、可將B組分改為滴加）；一個為將A組分慢慢滴加。比較兩者的對比選擇性大小。對于平行副反應(yīng)，由上式可知B組分應(yīng)一次性加入，C組分應(yīng)除盡為好。A組分對比選擇性的影響可分為三種情況：a-a0，A組分應(yīng)一次性加入；a-a=0，A組分對比選擇性無影響；a-a0，A組分的濃度應(yīng)盡可能低。在T1溫度下反應(yīng)一段時間，取樣a分析；若未發(fā)生反應(yīng)，則升溫至T2后反應(yīng)一段時間后，取樣b分析；若發(fā)現(xiàn)反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生，但不完全，則此時應(yīng)鑒別發(fā)生的是否是主反應(yīng)；若在T2溫度下先發(fā)生的是主反應(yīng)，則繼續(xù)反應(yīng)一段時間取樣c分析；若反應(yīng)仍不完全，升溫至T3反應(yīng)一段時間取樣d分析；若仍不完全則升溫至T4，取樣e直到反應(yīng)結(jié)束。若樣品d中無副

3、產(chǎn)物，e中有副產(chǎn)物，說明EvpEvs,反應(yīng)應(yīng)避開較低溫度段。正交試驗設(shè)計正交試驗設(shè)計正交試驗設(shè)計（正交試驗設(shè)計（Orthogonal Design）是于二十世紀(jì)）是于二十世紀(jì)50年代初期，由日本質(zhì)量管年代初期，由日本質(zhì)量管理專家田口玄一（理專家田口玄一（Tachugi）博士提出的在多因素試驗設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)）博士提出的在多因素試驗設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)出來的一種試驗設(shè)計技術(shù)。一步研究開發(fā)出來的一種試驗設(shè)計技術(shù)。正交試驗設(shè)計法使用一種規(guī)范化的表格（正交表）進(jìn)行試驗設(shè)計，可以用較少正交試驗設(shè)計法使用一種規(guī)范化的表格（正交表）進(jìn)行試驗設(shè)計，可以用較少的試驗次數(shù)，取得較為準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)選

4、結(jié)論。的試驗次數(shù)，取得較為準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)選結(jié)論。正交試驗設(shè)計主要可以完成：正交試驗設(shè)計主要可以完成： 確定出各因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律，得知哪些因素的影響是主要的、哪確定出各因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律，得知哪些因素的影響是主要的、哪些因素的影響是次要的、哪些因素之間存在相互影響；些因素的影響是次要的、哪些因素之間存在相互影響； 選出各因素的一個水平組合來確定最佳生產(chǎn)條件。選出各因素的一個水平組合來確定最佳生產(chǎn)條件。 正交試驗設(shè)計的概念和意義正交試驗設(shè)計的概念和意義 正交試驗設(shè)原理正交試驗設(shè)原理 3因素3水平的全面試驗水平組合數(shù)為33=27，4因素3水平的全面試驗水平組合數(shù)為34=81，5因素3水

5、平的全面試驗水平組合數(shù)為35=243，這在科學(xué)試驗中是有可能做不到的。正交設(shè)計就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗點來進(jìn)行試驗。正交試驗法就是從全實驗點（水平組合）中挑選出有代表性的部分實驗點（水平組合）來進(jìn)行實驗。圖1中標(biāo)有實驗號的九個“”，就是利用正交表L9(34)從27個實驗點中挑選出來9個實驗點。即:圖1正交實驗法是用科學(xué)地設(shè)計多因素實驗的一種方法。它利用一套規(guī)格化的正交表安排實驗，得到的實驗結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行處理，使之得出科學(xué)結(jié)論。正交表是實驗設(shè)計的基本工具，它是根據(jù)均衡分布的思想，運用組合數(shù)學(xué)理論構(gòu)造的一種數(shù)學(xué)表格，均衡分布性是正交表的核心。正交表是一

6、整套規(guī)則的設(shè)計表格，現(xiàn)在廣泛使用的Ln（tc）表示，用 L為正交表的代號，n為試驗的次數(shù)，t為水平數(shù)，c為列數(shù)，也就是可能安排最多的因素個數(shù)。正交表的構(gòu)造需要用到組合數(shù)學(xué)和概率學(xué)知識。正交表例如L9（34），表2（左圖）， 它表示需作9次實驗，最多可觀察4個因素，每個因素均為3水平。表2 L9（34）表3 試驗設(shè)計階段試驗設(shè)計階段明確實驗?zāi)康?，確定考核指標(biāo)，明確實驗?zāi)康?，確定考核指標(biāo)，挑因素挑因素 ，選水平，選擇合適的正交表，確定實驗方案，選水平，選擇合適的正交表，確定實驗方案； 試驗實施階段試驗實施階段按計劃進(jìn)行試驗（包括試驗操按計劃進(jìn)行試驗（包括試驗操作、收集試驗數(shù)據(jù)等）；作、收集試驗數(shù)據(jù)

7、等）； 試驗分析階段試驗分析階段核查試驗數(shù)據(jù)、進(jìn)行統(tǒng)計分析、核查試驗數(shù)據(jù)、進(jìn)行統(tǒng)計分析、解釋試驗結(jié)果、獲取試驗結(jié)論等解釋試驗結(jié)果、獲取試驗結(jié)論等。OH+OHOOO環(huán)己烷催化劑，1. 1. 明確實驗?zāi)康?，確定考核指標(biāo)明確實驗?zāi)康?，確定考核指標(biāo)實驗?zāi)康模褪峭ㄟ^正交實驗要解決什么問題。我們做實驗的目的（1）提高產(chǎn)品質(zhì)量（純度）；（2）提高收率；（3）降低成本；（4）查找生產(chǎn)中出現(xiàn)問題的原因。2. 2. 挑因素，選水平挑因素，選水平需根據(jù)以往的經(jīng)驗和實驗條件來確定，挑選出對指標(biāo)可能影響較大，但又沒有把握的因素進(jìn)行考察。在實驗前分析影響反應(yīng)的可能因子為：催化劑種類（在實驗前分析影響反應(yīng)的可能因子為：催

8、化劑種類（A），），反應(yīng)溫度（反應(yīng)溫度（B/），反應(yīng)時間（），反應(yīng)時間（C/h），帶水劑用量），帶水劑用量（D/ml），及投料比（），及投料比（E）5個因素。該實驗中每個因素取個因素。該實驗中每個因素取4個水平。個水平。因素水平表中的水平數(shù)與所選正交表中的水平數(shù)要完全一致，因素水平表中的因因素水平表中的水平數(shù)與所選正交表中的水平數(shù)要完全一致，因素水平表中的因素個數(shù)要小于或等于正交表中的列數(shù)。素個數(shù)要小于或等于正交表中的列數(shù)。例例1 為為5因素因素4水平實驗，可選用水平實驗，可選用L16(4 45 5) )（若全面實驗則要（若全面實驗則要45 5=1024=1024次實驗）。次實驗）。表表3 L

9、16（45）把五個因素把五個因素A,B,V,D,E分別列在正交表分別列在正交表L16(4L16(45 5) )表頭的任表頭的任意五列上。這一步通常叫做意五列上。這一步通常叫做“表頭設(shè)計表頭設(shè)計”. .表表4按因素水平表把按因素水平表把A,B,C,D,EA,B,C,D,E占有的各列中隊中的占有的各列中隊中的“1”“1”，“2”“2”，“3”“3”，“4”“4”，“5”“5”換成因素的具體水平。換成因素的具體水平?？偣部偣?616個實驗（如表個實驗（如表5 5）表表 5實驗結(jié)果如表6：用用a表示因素表示因素A第一水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和，第一水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和，a示因素示因素A第二水第二水平

10、時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和，平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和，a示因素示因素A第三水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之第三水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和，和，a示因素示因素A第四水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和。即第四水平時相應(yīng)的實驗結(jié)果之和。即催化劑種類對收率的影響催化劑種類對收率的影響反應(yīng)溫度對收率的影響反應(yīng)溫度對收率的影響反應(yīng)時間對收率的影響反應(yīng)時間對收率的影響溶劑用量對收率的影響溶劑用量對收率的影響原料投料比對收率的影響原料投料比對收率的影響從上述圖可看出，當(dāng)因素去不同水平時，點子散步的范圍大，從上述圖可看出，當(dāng)因素去不同水平時，點子散步的范圍大，即點子上升（或下降）的幅度達(dá)，該因素就是影響指標(biāo)的主即點子上升（或下降）的幅度達(dá)，該因素就是影響指標(biāo)的主要因素，反之，即為次要因素。我們用一個數(shù)要因素，反之，即為次要因素。我們用一個數(shù)“極差極差”來描來描述分散程度的大小，用述分散程度的大小，用R表示。因素表示。