1、第六節(jié) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法,在實(shí)驗(yàn)室工藝研究、中試放大研究及生產(chǎn)中都涉及化學(xué)反應(yīng)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(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法，為找出影響生產(chǎn)工藝的內(nèi)在規(guī)律以及各因素間相互關(guān)系，盡快找出生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)和生產(chǎn)工藝條件提供參考。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，安排試驗(yàn)的應(yīng)用技術(shù)。其目的是通過合理地安排試驗(yàn)和正確地分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以最少的試驗(yàn)次數(shù)，最少的人力、物力，最短的時(shí)間達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)工藝方案。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法過程包括：試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)實(shí)施和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析三個(gè)階段。,單因素試驗(yàn) 多因素試驗(yàn)（正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)） 一、正交試驗(yàn)

2、設(shè)計(jì)及優(yōu)選方法 正交設(shè)計(jì)在全面試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出最具有代表性的點(diǎn)做試驗(yàn)，挑選的點(diǎn)在其范圍內(nèi)具有均勻分散和整齊可比的特點(diǎn)。 均勻分散是指試驗(yàn)點(diǎn)均衡地分布在試驗(yàn)范圍內(nèi)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)有成分的代表性。 整齊可比是指試驗(yàn)結(jié)果分析方便，易于分析各個(gè)因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。,1)確定考察的因素?cái)?shù)目和因素水平數(shù)目。,VB6,因素水平,2)選用正交表Ln（tq) L表示正交設(shè)計(jì)，t表示水平數(shù)，q表示因素?cái)?shù)，n表示試驗(yàn)次數(shù)。 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(duì)收率的影響也較重要。 進(jìn)一步確定硫酸代替鹽酸和催化劑

3、對(duì)收率的影響，用L4(23）正交表。,通過正交試驗(yàn)，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(shè)計(jì)及優(yōu)選方法 均勻設(shè)計(jì)為我國數(shù)學(xué)家方開泰首創(chuàng)，可適用于多因素、多水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)充分均衡分散，這就可以從全面試驗(yàn)中挑選更少的試驗(yàn)點(diǎn)為代表進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)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(shè)計(jì)方法，稱為均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法。 均勻設(shè)計(jì)與正交設(shè)計(jì)一樣，也需要使用規(guī)范化的表格（均勻設(shè)計(jì)表）設(shè)計(jì)試驗(yàn)。均勻設(shè)計(jì)還有使用表，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)必需將設(shè)計(jì)表與使用

4、表聯(lián)合使用。 均勻設(shè)計(jì)表用Un（tq)表示。U表示均勻設(shè)計(jì)，t表示因素的水平數(shù)，q表示因素?cái)?shù)，n表示試驗(yàn)的次數(shù)。,U5（54）表為五行四列表。行數(shù)為水平數(shù)（試驗(yàn)次數(shù)），列數(shù)為安排的最大因素?cái)?shù)。如果一個(gè)試驗(yàn)按U5（54）表安排試驗(yàn)，考察2因素時(shí)，依據(jù)U5（54）使用表，選取1,2列安排試驗(yàn)；考察3因素選取1,2,4列安排試驗(yàn)等。 均勻設(shè)計(jì)表的選用。根據(jù)水平數(shù)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(yàn)次數(shù)（水平數(shù)）為奇數(shù)的均勻設(shè)計(jì)表，當(dāng)水平數(shù)為偶數(shù)時(shí)，選用比水平數(shù)大1的奇數(shù)表劃去最后一行即可。,U5(54),U5(54)表的使用,均勻設(shè)計(jì)結(jié)果分析。因?yàn)榫鶆蛟O(shè)計(jì)棄

5、掉整齊可比性，所以不能用方差分析處理試驗(yàn)結(jié)果。通常用多元回歸分析方法，找出影響因素與指標(biāo)（或收率）之間統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系的回歸方程，或用關(guān)聯(lián)度分析方法，找出主要因素及其最佳值。,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道及初步預(yù)試驗(yàn)，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(yīng)溫度/ 560 C反應(yīng)時(shí)間/h 1.06.5 D 堿量 1570,將各個(gè)因素平均分成12個(gè)等級(jí)（水平），構(gòu)成因素水平表（上表），選擇U13（134）表，去掉最后一行得U12（124）。根據(jù)使用表的規(guī)定，選取1,6,8,10列，構(gòu)成U12 （ 124 ）的試驗(yàn)方案。,因素與水平,進(jìn)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(shí)，y的收率最高。 工藝條件：A=5.4 B=60 C=6.5 D=15 計(jì)算機(jī)優(yōu)化條件結(jié)果：29.89% 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：34.54%,三、序貫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),例：乙二胺四乙酸鈉是由乙二胺與氯乙酸鈉通過縮合反應(yīng)合成，現(xiàn)有工藝參數(shù)條件下，反應(yīng)收率75%，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)。 已知工藝參數(shù) 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(yīng)釜

7、，加入乙二胺28Kg，在1小時(shí)內(nèi)均勻加入30%氫氧化鈉280Kg，反應(yīng)溫度控制在90C以下，反應(yīng)收率75%。,文獻(xiàn)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(yīng)溫度3840C，在3小時(shí)均勻加入30%氫氧化鈉1摩爾，再控制反應(yīng)溫度在3840C反應(yīng)2小時(shí)，得產(chǎn)品，反應(yīng)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(yīng)類型？（連串、平行？） 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

8、方案 時(shí)間對(duì)反應(yīng)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(jié)論：副反應(yīng)為平行副反應(yīng) A + B S A P B R A：乙二胺 B：一氯乙酸鈉,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 物料配比對(duì)收率影響 結(jié)論： B R,可能的副反應(yīng),ClCH2COONa + H2O + NaOH,HOCH2COONa + NaCl,有利于該反應(yīng)的條件 反應(yīng)溫度高 氫氧化鈉配比與濃度,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案證實(shí) 中和溫度、時(shí)間對(duì)收率的影響 縮和反應(yīng)過程加堿時(shí)間對(duì)收率影響,文獻(xiàn)信息研究 溫度低收率高 主反應(yīng)活化能小于副反應(yīng)活化能 設(shè)計(jì)溫度對(duì)反應(yīng)收率影響實(shí)驗(yàn),堿種類的影響 氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸氫銨 結(jié)論 溫度、反應(yīng)配比、堿種類、反應(yīng)過程堿的加入方式、反應(yīng)時(shí)間,生產(chǎn)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(yīng)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(shí)內(nèi)均勻加入定量的30%氫氧化鈉，反應(yīng)溫度控制在4042C，反應(yīng)收率