試驗設計及優(yōu)選方法.ppt

1、第六節(jié) 試驗設計及優(yōu)選方法,在實驗室工藝研究、中試放大研究及生產中都涉及化學反應各種條件之間的相互影響等諸多因素。要在諸多因素中分清主次，就需要合理的試驗設計及優(yōu)選方法，為找出影響生產工藝的內在規(guī)律以及各因素間相互關系，盡快找出生產工藝設計所要求的參數和生產工藝條件提供參考。 試驗設計及優(yōu)選方法是以概率論和數理統(tǒng)計為理論基礎，安排試驗的應用技術。其目的是通過合理地安排試驗和正確地分析試驗數據，以最少的試驗次數，最少的人力、物力，最短的時間達到優(yōu)化生產工藝方案。 試驗設計及優(yōu)選方法過程包括：試驗設計、試驗實施和對實驗結果的分析三個階段。,單因素試驗 多因素試驗（正交設計、均勻設計） 一、正交試驗

2、設計及優(yōu)選方法 正交設計在全面試驗點中挑選出最具有代表性的點做試驗，挑選的點在其范圍內具有均勻分散和整齊可比的特點。 均勻分散是指試驗點均衡地分布在試驗范圍內，每個試驗點有成分的代表性。 整齊可比是指試驗結果分析方便，易于分析各個因素對目標函數的影響。,1)確定考察的因素數目和因素水平數目。,VB6,因素水平,2)選用正交表Ln（tq) L表示正交設計，t表示水平數，q表示因素數，n表示試驗次數。 選用L8(27)表,酸和氫化物濃度的極差R較大，分別為6.36和6.84。用硫酸代替鹽酸，氫化物原濃度，均使收率提高。其次水解溫度（R4.25)對收率的影響也較重要。 進一步確定硫酸代替鹽酸和催化劑

3、對收率的影響，用L4(23）正交表。,通過正交試驗，維生素B6重氮化及水解最適宜的工藝條件為： 配比：氫化物：亞硝酸鈉：硫酸1.0:2.0:1.5 氫化物濃度：原濃度 滴加亞硝酸鈉溫度：7882 水解溫度：9698,二、均勻設計及優(yōu)選方法 均勻設計為我國數學家方開泰首創(chuàng)，可適用于多因素、多水平試驗設計方法。試驗點在試驗范圍內充分均衡分散，這就可以從全面試驗中挑選更少的試驗點為代表進行試驗，得到的結果仍能反映該分析體系的主要特征。這種從均勻性出發(fā)的設計方法，稱為均勻設計試驗法。 均勻設計與正交設計一樣，也需要使用規(guī)范化的表格（均勻設計表）設計試驗。均勻設計還有使用表，設計試驗時必需將設計表與使用

4、表聯合使用。 均勻設計表用Un（tq)表示。U表示均勻設計，t表示因素的水平數，q表示因素數，n表示試驗的次數。,U5（54）表為五行四列表。行數為水平數（試驗次數），列數為安排的最大因素數。如果一個試驗按U5（54）表安排試驗，考察2因素時，依據U5（54）使用表，選取1,2列安排試驗；考察3因素選取1,2,4列安排試驗等。 均勻設計表的選用。根據水平數選用，如5水平，選用U5（54）表；7水平選用U7（76）表等.附表中均為試驗次數（水平數）為奇數的均勻設計表，當水平數為偶數時，選用比水平數大1的奇數表劃去最后一行即可。,U5(54),U5(54)表的使用,均勻設計結果分析。因為均勻設計棄

5、掉整齊可比性，所以不能用方差分析處理試驗結果。通常用多元回歸分析方法，找出影響因素與指標（或收率）之間統(tǒng)計學關系的回歸方程，或用關聯度分析方法，找出主要因素及其最佳值。,根據文獻報道及初步預試驗，確定考察的因素及范圍： A 環(huán)戊酮：甲醛（mol/mol) 1.05.4 B 反應溫度/ 560 C反應時間/h 1.06.5 D 堿量 1570,將各個因素平均分成12個等級（水平），構成因素水平表（上表），選擇U13（134）表，去掉最后一行得U12（124）。根據使用表的規(guī)定，選取1,6,8,10列，構成U12 （ 124 ）的試驗方案。,因素與水平,進行一元回歸分析： Y=-0.032+0.0

6、45A+1.1810-3B+6.0010-3C-1.4610-3D R=0.9283, F=10.88, S=0.04354, N=12 方程式（1）說明，A，B，C越大，D越小時，y的收率最高。 工藝條件：A=5.4 B=60 C=6.5 D=15 計算機優(yōu)化條件結果：29.89% 實驗結果：34.54%,三、序貫實驗設計,例：乙二胺四乙酸鈉是由乙二胺與氯乙酸鈉通過縮合反應合成，現有工藝參數條件下，反應收率75%，如何設計實驗方案，優(yōu)化反應參數。 已知工藝參數 200Kg的一氯乙酸，加入300水，用30的氫氧化鈉中和到PH=78，中和溫度控制在60C以下得到一氯乙酸鈉，將一氯乙酸鈉打入反應釜

7、，加入乙二胺28Kg，在1小時內均勻加入30%氫氧化鈉280Kg，反應溫度控制在90C以下，反應收率75%。,文獻信息： 將1摩爾的一氯乙酸用30%氫氧化鈉中和，控制中和溫度在25 30C，再加入0.24摩爾的乙二胺，控制反應溫度3840C，在3小時均勻加入30%氫氧化鈉1摩爾，再控制反應溫度在3840C反應2小時，得產品，反應收率93%。,合成原理,ClCH2COOH+ NaOH,ClCH2COONa + H2O,4ClCH2COONa + H2NCH2CH2NH 2,(NaOOCH2C)2NCH2CH2N(CH2COONa)2,問題分析 為什么收率低，副反應類型？（連串、平行？） 設計實驗

8、方案 時間對反應收率的影響,圖1 圖2其中：圖1 乙二胺/一氯乙酸=1：1.05, 其他條件相同 圖2 乙二胺/一氯乙酸=1：1.2, 其他條件相同,結論：副反應為平行副反應 A + B S A P B R A：乙二胺 B：一氯乙酸鈉,實驗設計 物料配比對收率影響 結論： B R,可能的副反應,ClCH2COONa + H2O + NaOH,HOCH2COONa + NaCl,有利于該反應的條件 反應溫度高 氫氧化鈉配比與濃度,設計實驗方案證實 中和溫度、時間對收率的影響 縮和反應過程加堿時間對收率影響,文獻信息研究 溫度低收率高 主反應活化能小于副反應活化能 設計溫度對反應收率影響實驗,堿種類的影響 氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫銨 結論 溫度、反應配比、堿種類、反應過程堿的加入方式、反應時間,生產工藝 1、 一定量的一氯乙酸，用20%的30 C以下的碳酸鈉溶液中和到PH=78，得到一氯乙酸鈉，將一氯乙酸鈉打入反應釜，加入定量的乙二胺，乙二胺/一氯乙酸=1：1.1(摩爾比)，在34小時內均勻加入定量的30%氫氧化鈉，反應溫度控制在4042C，反應收率