正交實(shí)驗(yàn)在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用Applicationoforthogonalexperimentaldesigninprocessoptimization工藝優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用舉例

目錄轉(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)是指副反應(yīng)與主反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行串聯(lián)副反應(yīng)：目標(biāo)產(chǎn)物可與某一組分繼續(xù)反應(yīng)生成副產(chǎn)物。對(duì)比選擇性:主副反應(yīng)的速度之比溫度效應(yīng)：根據(jù)對(duì)比選擇性公式，當(dāng)各組分濃度一定時(shí)，對(duì)比選擇性是溫度的單元函數(shù)。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(gè)反應(yīng)溫度下做同一合成實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)監(jiān)測(cè)主副產(chǎn)物的相對(duì)含量來(lái)判斷主副反應(yīng)活化能的相對(duì)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。濃度效應(yīng)：根據(jù)對(duì)比選擇性公式，當(dāng)溫度一定時(shí)，對(duì)比選擇性僅與各組分的濃度有關(guān)。對(duì)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(gè)實(shí)驗(yàn)：一個(gè)是將A組分一次性加入（若溫度無(wú)法控制，可將B組分改為滴加）；一個(gè)為將A組分慢慢滴加。比較兩者的對(duì)比選擇性大小。對(duì)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(duì)比選擇性的影響可分為三種情況：①a-a’>0，A組分應(yīng)一次性加入；②a-a’=0，A組分對(duì)比選擇性無(wú)影響；③a-a’<0，A組分的濃度應(yīng)盡可能低。程序升溫：在跟蹤測(cè)試的基礎(chǔ)上，采取程序升溫的辦法，往往一次實(shí)驗(yàn)即可測(cè)得反應(yīng)所適合的溫度范圍。在T1溫度下反應(yīng)一段時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間取樣c分析；若反應(yīng)仍不完全，升溫至T3反應(yīng)一段時(shí)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(wú)副產(chǎn)物，e中有副產(chǎn)物，說(shuō)明Evp<Evs，反應(yīng)的優(yōu)選溫度為T4以下，T3以上，選擇溫控范圍。若樣品b中發(fā)生的是副反應(yīng)，則應(yīng)立即升溫，并適時(shí)補(bǔ)加原料，邊升溫邊取樣f、g、h等，直至主反應(yīng)發(fā)生。若主反應(yīng)在較高溫度時(shí)發(fā)生，說(shuō)明Evp>Evs,反應(yīng)應(yīng)避開較低溫度段。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（OrthogonalDesign）是于二十世紀(jì)50年代初期，由日本質(zhì)量管理專家田口玄一（Tachugi）博士提出的在多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究開發(fā)出來(lái)的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法使用一種規(guī)范化的表格（正交表）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以用較少的試驗(yàn)次數(shù)，取得較為準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)選結(jié)論。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要可以完成：◆確定出各因素對(duì)試驗(yàn)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；◆選出各因素的一個(gè)水平組合來(lái)確定最佳生產(chǎn)條件。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念和意義

正交試驗(yàn)設(shè)原理

在試驗(yàn)安排中，每個(gè)因素在研究的范圍內(nèi)選幾個(gè)水平，就好比在選優(yōu)區(qū)內(nèi)打上網(wǎng)格，如果網(wǎng)上的每個(gè)點(diǎn)都做試驗(yàn)，就是全面試驗(yàn)。如3個(gè)因素的選優(yōu)區(qū)可以用一個(gè)立方體表示（圖1），3個(gè)因素各取3個(gè)水平，把立方體劃分成27個(gè)格點(diǎn)。反映在圖1上就是立方體的27個(gè)“·”。若27個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都試驗(yàn)，就是全面試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。3因素3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為33=27，4因素3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為34=81，5因素3水平的全面試驗(yàn)水平組合數(shù)為35=243，這在科學(xué)試驗(yàn)中是有可能做不到的。正交設(shè)計(jì)就是從選優(yōu)區(qū)全面試驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）中挑選出有代表性的部分試驗(yàn)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。表13因素3水平全面實(shí)驗(yàn)方案正交試驗(yàn)法就是從全實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）中挑選出有代表性的部分實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（水平組合）來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1中標(biāo)有實(shí)驗(yàn)號(hào)的九個(gè)“·”，就是利用正交表L9(34)從27個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中挑選出來(lái)9個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。即:圖1正交實(shí)驗(yàn)法是用科學(xué)地設(shè)計(jì)多因素實(shí)驗(yàn)的一種方法。它利用一套規(guī)格化的正交表安排實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果再用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理，使之得出科學(xué)結(jié)論。正交表是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本工具，它是根據(jù)均衡分布的思想，運(yùn)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。正交表正交表是一整套規(guī)則的設(shè)計(jì)表格，現(xiàn)在廣泛使用的Ln（tc）表示，用L為正交表的代號(hào)，n為試驗(yàn)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(gè)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(shí)。正交表例如L9（34），表2（左圖），它表示需作9次實(shí)驗(yàn)，最多可觀察4個(gè)因素，每個(gè)因素均為3水平。表2L9（34）非標(biāo)準(zhǔn)表（混合水平正交表）一個(gè)正交表中也可以各列的水平數(shù)不相等，我們稱它為混合型正交表，如L8（41×24），表3

，此表的5列中，有1列為4水平，4列為2水平。表3L8（41×24）

●試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段——明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定考核指標(biāo)，挑因素，選水平，選擇合適的正交表，確定實(shí)驗(yàn)方案；

●試驗(yàn)實(shí)施階段——按計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)（包括試驗(yàn)操作、收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)等）；

●試驗(yàn)分析階段——核查試驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、解釋試驗(yàn)結(jié)果、獲取試驗(yàn)結(jié)論等。正交實(shí)驗(yàn)基本步驟：例1乙酸和環(huán)己醇制備乙酸環(huán)己酯1.明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定考核指標(biāo)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，就是通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)要解決什么問(wèn)題。我們做實(shí)驗(yàn)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(wèn)題的原因。2.挑因素，選水平需根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)條件來(lái)確定，挑選出對(duì)指標(biāo)可能影響較大，但又沒(méi)有把握的因素進(jìn)行考察。在實(shí)驗(yàn)前分析影響反應(yīng)的可能因子為：催化劑種類（A），反應(yīng)溫度（B/℃），反應(yīng)時(shí)間（C/h），帶水劑用量（D/ml），及投料比（E）5個(gè)因素。該實(shí)驗(yàn)中每個(gè)因素取4個(gè)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，因素水平表中的因素個(gè)數(shù)要小于或等于正交表中的列數(shù)。例1為5因素4水平實(shí)驗(yàn)，可選用L16(45)（若全面實(shí)驗(yàn)則要45=1024次實(shí)驗(yàn)）。3.選出合適的正交表表3L16（45）4.作表頭設(shè)計(jì)把五個(gè)因素A,B,V,D,E分別列在正交表L16(45)表頭的任意五列上。這一步通常叫做“表頭設(shè)計(jì)”.表4按因素水平表把A,B,C,D,E占有的各列中隊(duì)中的“1”，“2”，“3”，“4”，“5”換成因素的具體水平?？偣?6個(gè)實(shí)驗(yàn)（如表5）5.列出實(shí)驗(yàn)方案表56.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6：計(jì)算綜合平均值計(jì)算結(jié)果如表7用Ⅰa表示因素A第一水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅱa示因素A第二水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅲa示因素A第三水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅳa示因素A第四水平時(shí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。即畫出指標(biāo)與因素關(guān)系圖催化劑種類對(duì)收率的影響反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響溶劑用量對(duì)收率的影響原料投料比對(duì)收率的影響7.分析因素主次從上述圖可看出，當(dāng)因素去不同水平時(shí)，點(diǎn)子散步的范圍大，即點(diǎn)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