第2章精細(xì)化工工藝學(xué)基礎(chǔ)2009

1、第二章第二章 精細(xì)化工工藝學(xué)基礎(chǔ)精細(xì)化工工藝學(xué)基礎(chǔ)一、精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā)的一般步驟一、精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā)的一般步驟（一）技術(shù)開發(fā)的重要性：（一）技術(shù)開發(fā)的重要性：n由于精細(xì)化工的技術(shù)密集度高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)由于精細(xì)化工的技術(shù)密集度高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)，為了捷足先登或跟上發(fā)展的潮流，性強(qiáng)，為了捷足先登或跟上發(fā)展的潮流，必須有一定的技術(shù)儲(chǔ)備。必須有一定的技術(shù)儲(chǔ)備。n守一看二望三守一看二望三n一個(gè)拳頭產(chǎn)品，二個(gè)儲(chǔ)備產(chǎn)品，三個(gè)在研一個(gè)拳頭產(chǎn)品，二個(gè)儲(chǔ)備產(chǎn)品，三個(gè)在研產(chǎn)品產(chǎn)品（二）研發(fā)步驟（二）研發(fā)步驟n從一個(gè)新的設(shè)計(jì)思想的從一個(gè)新的設(shè)計(jì)思想的提出提出，經(jīng)過，經(jīng)過小試小試、中試中試到實(shí)現(xiàn)到實(shí)現(xiàn)工業(yè)化工業(yè)化生產(chǎn)取得

2、經(jīng)濟(jì)效益并形生產(chǎn)取得經(jīng)濟(jì)效益并形成一套技術(shù)資料的過程。成一套技術(shù)資料的過程。n簡(jiǎn)單的：簡(jiǎn)單的：“理想理想”變成變成“現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)”的過程的過程n分為：新產(chǎn)品開發(fā)、新技術(shù)開發(fā)、新設(shè)備分為：新產(chǎn)品開發(fā)、新技術(shù)開發(fā)、新設(shè)備開發(fā)、老技術(shù)、設(shè)備的改造。開發(fā)、老技術(shù)、設(shè)備的改造。n實(shí)驗(yàn)室研究、中間試驗(yàn)階段、工業(yè)化階段實(shí)驗(yàn)室研究、中間試驗(yàn)階段、工業(yè)化階段（二）研發(fā)步驟（二）研發(fā)步驟1 開題文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)研選擇研究課題開題文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)研選擇研究課題n題目來源：國家下達(dá)（預(yù)研、攻關(guān)、國產(chǎn)題目來源：國家下達(dá)（預(yù)研、攻關(guān)、國產(chǎn)化），用戶要求，自選?；?，用戶要求，自選。n設(shè)計(jì)思想：設(shè)計(jì)思想：戰(zhàn)略意義戰(zhàn)略意義，非常重要，市

3、場(chǎng)性先非常重要，市場(chǎng)性先進(jìn)性進(jìn)性 根據(jù)基本理論、試驗(yàn)現(xiàn)象、情報(bào)資料出根據(jù)基本理論、試驗(yàn)現(xiàn)象、情報(bào)資料出發(fā)通過分析，提出新的技術(shù)思路，匯總形成發(fā)通過分析，提出新的技術(shù)思路，匯總形成“研究的可行性報(bào)告研究的可行性報(bào)告”一般包括：目的意義（國內(nèi)外現(xiàn)狀，別人的工作，一般包括：目的意義（國內(nèi)外現(xiàn)狀，別人的工作，有何不足，意義）有何不足，意義）技術(shù)路線（方案、難點(diǎn)）、技術(shù)路線（方案、難點(diǎn)）、合合理性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益、承擔(dān)優(yōu)勢(shì)、條件、風(fēng)險(xiǎn)、理性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益、承擔(dān)優(yōu)勢(shì)、條件、風(fēng)險(xiǎn)、人員組成、預(yù)算。人員組成、預(yù)算。2 實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn)室小試n通過探索性試驗(yàn)，確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包通過探索性試驗(yàn)，確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括：括：

4、原料選擇、催化劑體系、工藝、最佳原料選擇、催化劑體系、工藝、最佳反應(yīng)條件、中控指標(biāo)反應(yīng)條件、中控指標(biāo)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)傳質(zhì)、傳熱熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)傳質(zhì)、傳熱毒性分析、質(zhì)量分析方法毒性分析、質(zhì)量分析方法3 中試試驗(yàn)中試試驗(yàn)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)試驗(yàn)的實(shí)用性、工試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)試驗(yàn)的實(shí)用性、工藝的合理性藝的合理性原料變化的影響原料變化的影響傳遞變化傳遞變化中試試驗(yàn)是消耗人、財(cái)、物最多的環(huán)節(jié)中試試驗(yàn)是消耗人、財(cái)、物最多的環(huán)節(jié)4 工業(yè)化設(shè)計(jì)、成本核算工業(yè)化設(shè)計(jì)、成本核算5 工業(yè)化生產(chǎn)：中試的工業(yè)化生產(chǎn)：中試的1050倍倍精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā)精細(xì)化工的技術(shù)開發(fā)n開發(fā)步驟開發(fā)步驟數(shù)學(xué)模擬數(shù)學(xué)模擬n對(duì)試驗(yàn)結(jié)果、過程

5、的物理和化學(xué)規(guī)律通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果、過程的物理和化學(xué)規(guī)律通過計(jì)算機(jī)建立初級(jí)模型（通常是一組微分方計(jì)算機(jī)建立初級(jí)模型（通常是一組微分方程和代數(shù)方程），程和代數(shù)方程），n對(duì)數(shù)學(xué)模型校算、修正，使之符合試驗(yàn)結(jié)對(duì)數(shù)學(xué)模型校算、修正，使之符合試驗(yàn)結(jié)果果n對(duì)放大設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。對(duì)放大設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。二、精細(xì)化工工藝學(xué)基礎(chǔ)二、精細(xì)化工工藝學(xué)基礎(chǔ)n合成路線合成路線: :選什么原料選什么原料, ,經(jīng)由哪些單元反應(yīng)制經(jīng)由哪些單元反應(yīng)制備目的產(chǎn)品備目的產(chǎn)品n工藝路線工藝路線: :原料的預(yù)處理原料的預(yù)處理, ,產(chǎn)物的后處理產(chǎn)物的后處理, ,化化工過程工過程n反應(yīng)條件反應(yīng)條件: :摩爾比，轉(zhuǎn)化率，濃度，溫度，摩爾比，轉(zhuǎn)化率，濃

6、度，溫度，壓力，時(shí)間，助劑，溶劑等壓力，時(shí)間，助劑，溶劑等n合成技術(shù)合成技術(shù): :是否采用相轉(zhuǎn)移催化，均相絡(luò)合是否采用相轉(zhuǎn)移催化，均相絡(luò)合催化，電解有機(jī)合成等催化，電解有機(jī)合成等n完成反應(yīng)的方法：完成反應(yīng)的方法：間歇、連續(xù)、反應(yīng)器選擇間歇、連續(xù)、反應(yīng)器選擇（一）（一）. 化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究反應(yīng)物系組成改變關(guān)系的化學(xué)計(jì)量學(xué)是研究反應(yīng)物系組成改變關(guān)系的科學(xué)科學(xué)反應(yīng)物的摩爾比反應(yīng)物的摩爾比：反應(yīng)物之間的摩爾數(shù)之比，：反應(yīng)物之間的摩爾數(shù)之比，一般并不等于化學(xué)計(jì)量比一般并不等于化學(xué)計(jì)量比n限制反應(yīng)物：限制反應(yīng)物：若化學(xué)反應(yīng)物的加入不按化若化學(xué)反應(yīng)物的加入不按化學(xué)計(jì)量比投料時(shí)，其中以學(xué)計(jì)

7、量比投料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物存在的反應(yīng)物n過量反應(yīng)物：過量反應(yīng)物：超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的理論量的反應(yīng)物理論量的反應(yīng)物1 1提高關(guān)鍵物料的轉(zhuǎn)化率提高關(guān)鍵物料的轉(zhuǎn)化率2 2分離、提純方便分離、提純方便3 3 賦予產(chǎn)物功能性賦予產(chǎn)物功能性1、過量百分?jǐn)?shù)、過量百分?jǐn)?shù)n過量百分?jǐn)?shù)過量百分?jǐn)?shù)(Ne-Nt)/Nt 100Ne：過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)過量反應(yīng)物的摩爾數(shù):實(shí)際投料量實(shí)際投料量Nt：與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的摩爾數(shù)與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的摩爾數(shù)理論反應(yīng)理論反應(yīng)量量CH3+2HNO3CH3NO2NO22H2O+125 10.7過量過量=(Ne-Nt)/N

8、t 100=(10.7-10)/10100=72、轉(zhuǎn)化率：、轉(zhuǎn)化率：n某反應(yīng)物某反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分反應(yīng)掉的量占其輸入量的百分?jǐn)?shù)。數(shù)。xa= NAR / NA,in = (NA,in- NA,out)/ NA,in100有多少用于了反應(yīng)，一般反應(yīng)物是關(guān)鍵組份有多少用于了反應(yīng)，一般反應(yīng)物是關(guān)鍵組份NAR-反應(yīng)物反應(yīng)物A（關(guān)鍵組分）反應(yīng)掉的（關(guān)鍵組分）反應(yīng)掉的mol數(shù)數(shù)NA,in-輸入量輸入量NA,out-輸出量（未反應(yīng)的量）輸出量（未反應(yīng)的量）3、選擇性、選擇性某反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物時(shí)，某反應(yīng)物轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物時(shí)，理論消耗的摩理論消耗的摩爾數(shù)爾數(shù)占占該反應(yīng)物實(shí)際消耗該反應(yīng)物實(shí)際消耗的

9、百分?jǐn)?shù)，即消的百分?jǐn)?shù)，即消耗的原料有多少轉(zhuǎn)化成了目標(biāo)產(chǎn)品。耗的原料有多少轉(zhuǎn)化成了目標(biāo)產(chǎn)品。S=(NPa/p)/ (NA,in- NA,out)NP表示生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)表示生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)a反應(yīng)物反應(yīng)物A的化學(xué)計(jì)量系數(shù)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)p目的產(chǎn)物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)目的產(chǎn)物的化學(xué)計(jì)量系數(shù)4、理論收率、理論收率n生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占輸入的反應(yīng)物占輸入的反應(yīng)物的摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)，有多少生成了目的產(chǎn)的摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)，有多少生成了目的產(chǎn)物。物。 y=Sx=(NPa/p)/ NA,in100%n5 質(zhì)量收率質(zhì)量收率（y質(zhì)質(zhì)目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量/反應(yīng)物反應(yīng)物的質(zhì)量的質(zhì)量10

10、0）關(guān)鍵物料純度產(chǎn)品純度反應(yīng)物產(chǎn)品/M/Myzy反應(yīng)物產(chǎn)品關(guān)鍵物料純度產(chǎn)品純度M/M/zyy例題例題n100mol苯胺用濃硫酸磺化，反應(yīng)產(chǎn)物中含苯胺用濃硫酸磺化，反應(yīng)產(chǎn)物中含87mol的對(duì)氨基苯磺酸，的對(duì)氨基苯磺酸，2mol未反應(yīng)的苯未反應(yīng)的苯胺，另外有一定數(shù)量的焦油物。胺，另外有一定數(shù)量的焦油物。n求：苯胺的轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率求：苯胺的轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率NH2+H2SO4NH2HO3Sn苯胺的轉(zhuǎn)化率：苯胺的轉(zhuǎn)化率：n生成對(duì)氨基苯磺酸的選擇性生成對(duì)氨基苯磺酸的選擇性%98%1001002100 x%78.8821001187s生成對(duì)氨基苯磺酸的理論收率：生成對(duì)氨基苯磺酸的理論收率：

11、n質(zhì)量收率質(zhì)量收率%871001/ 187%100%87%78.88%98,inApNpaNyxsy或%8 .1941/931/2 .20887/M/Myz關(guān)鍵物料純度產(chǎn)品純度反應(yīng)物產(chǎn)品y6 消耗定額消耗定額n生產(chǎn)生產(chǎn)1噸產(chǎn)品消耗的某反應(yīng)物的質(zhì)量噸產(chǎn)品消耗的某反應(yīng)物的質(zhì)量n質(zhì)量收率的倒數(shù)質(zhì)量收率的倒數(shù)n對(duì)氨基苯磺酸的消耗定額：對(duì)氨基苯磺酸的消耗定額：n100/194.8=0.513tn即：生產(chǎn)即：生產(chǎn)1噸產(chǎn)品，消耗噸產(chǎn)品，消耗0.513噸的苯胺噸的苯胺（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)n合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)又稱有機(jī)合成方法論，即在有機(jī)又稱有機(jī)合成方法論，即在有機(jī)合成中對(duì)擬采用

12、的合成中對(duì)擬采用的種種路線方法種種路線方法進(jìn)行評(píng)價(jià)進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。從而確定最經(jīng)濟(jì)有效的合成路線。和比較。從而確定最經(jīng)濟(jì)有效的合成路線。n有機(jī)合成：有機(jī)合成：利用化學(xué)的方法從簡(jiǎn)單有機(jī)物利用化學(xué)的方法從簡(jiǎn)單有機(jī)物制備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的有機(jī)化合物的過程，制備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的有機(jī)化合物的過程，按照生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分為：按照生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分為：基基本有機(jī)合成本有機(jī)合成和和精細(xì)有機(jī)合成精細(xì)有機(jī)合成。（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)n精細(xì)化學(xué)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過一系列的單精細(xì)化學(xué)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過一系列的單元反應(yīng)如氧化、鹵代、縮合、消除等達(dá)到元反應(yīng)如氧化、鹵代、縮合、消除等

13、達(dá)到目的，目的，不同的組合形成不同的合成路線不同的組合形成不同的合成路線。n合成路線的確定原則：合成路線的確定原則：原料易得、中間步原料易得、中間步驟少、產(chǎn)品易于純化、轉(zhuǎn)化率高、選擇性驟少、產(chǎn)品易于純化、轉(zhuǎn)化率高、選擇性好好n合成設(shè)計(jì)是精細(xì)化工產(chǎn)品的合成設(shè)計(jì)是精細(xì)化工產(chǎn)品的核心、關(guān)鍵技核心、關(guān)鍵技術(shù)術(shù)（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)n同一種原料經(jīng)過不同的系列單元反應(yīng)可同一種原料經(jīng)過不同的系列單元反應(yīng)可得到同一精細(xì)化學(xué)品。得到同一精細(xì)化學(xué)品。C4H9C4H9HO3SC4H9HOC4H9O2NC4H9H2N磺化磺化羥基化羥基化硝化硝化還原還原重氮化羥基取代重氮化羥基取代（二

14、）精細(xì)化工產(chǎn)品的（二）精細(xì)化工產(chǎn)品的合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)n不同原料可得到同一精細(xì)化學(xué)品。羥基不同原料可得到同一精細(xì)化學(xué)品。羥基取代反應(yīng)取代反應(yīng)OHC4H9HO+CH3CH3CH2烷基取代烷基取代合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)n19671967年年CoreyCorey首先提出合成設(shè)計(jì)的概念首先提出合成設(shè)計(jì)的概念正向合成：正向合成：起始原料起始原料 中間體中間體 目標(biāo)分子目標(biāo)分子 如表面活性劑的制備：如表面活性劑的制備：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：原料，系列產(chǎn)品把握性大，設(shè)備通用原料，系列產(chǎn)品把握性大，設(shè)備通用缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：盲目性大，性能評(píng)價(jià)復(fù)雜盲目性大，性能評(píng)價(jià)復(fù)雜逆向合成：逆向合成：目標(biāo)分子目標(biāo)分子 中間體中間體 起始原料起始原

15、料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：目標(biāo)產(chǎn)物是天然存在的已知的有效成分目標(biāo)產(chǎn)物是天然存在的已知的有效成分 逆向合成法逆向合成法retrosynthesisn官能團(tuán)方面的轉(zhuǎn)換：官能團(tuán)方面的轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換Functing group interconversionn除去除去Removaln增加增加AdditionalNH2NO2FGISO3HCH3CH3BrBrBrNH2BrBrBrFGAFGR逆向合成法逆向合成法retrosynthesisn碳鏈部分：碳鏈部分：切斷、連接、重排切斷、連接、重排合成子（合成元）：逆向合成法中拆開目標(biāo)分子所合成子（合成元）：逆向合成法中拆開目標(biāo)分子所得的結(jié)構(gòu)單元，得的結(jié)構(gòu)單元，碳負(fù)離子單

16、元稱為碳負(fù)離子單元稱為“電子供給體合成子，電子供給體合成子，d合成合成子子 碳正離子單元成為碳正離子單元成為“電子接受體合成子，電子接受體合成子，a合成合成子子 H5C2CCH3OHH5C6C2H5H5C6C+CH3OH+合成等效劑合成等效劑合成等效劑合成等效劑:起合成子作用的試劑起合成子作用的試劑如如C2H5-合成子的合成等效劑是合成子的合成等效劑是C2H5MgX, C2H5Li等等R的等效劑是：的等效劑是：RX、R2SO4等等逆向合成法：反合成分析逆向合成法：反合成分析合成子合成子na合成子合成子nd合成子合成子n合成等效劑合成等效劑n合成中間體合成中間體CCH3H5C6OHC2H5C2H

17、5CCH3H5C6OHC2H5CCH3H5C6OH+H5C2MgXR XCorey最初的例子最初的例子nNickeal反應(yīng)反應(yīng)CCHOCH2CH2COOCH3COOCH3CCHOCOOCH3CCH3OCOOCH3CH2CH2COOCH3CH2CCOOCH3合成設(shè)計(jì)中的策略合成設(shè)計(jì)中的策略n官能團(tuán)的保護(hù)官能團(tuán)的保護(hù):好的保護(hù)基具有引人和出好的保護(hù)基具有引人和出去容易、對(duì)反應(yīng)無影響去容易、對(duì)反應(yīng)無影響如羥基：酯化、芐醚法、四氫呋喃醚化法如羥基：酯化、芐醚法、四氫呋喃醚化法CH2ClROHKOHCH2OR合成設(shè)計(jì)中的策略合成設(shè)計(jì)中的策略n導(dǎo)向基：導(dǎo)向基：磺基、氨基、硝基、叔丁基磺基、氨基、硝基、叔丁

18、基NH2NHCOCH3NH2NO2NHCOCH3HO3SNHCOCH3HO3SNO2硝化硝化水解水解磺化磺化（三）（三） 配方設(shè)計(jì)配方設(shè)計(jì)1 配方設(shè)計(jì)的重要性配方設(shè)計(jì)的重要性n配方的篩選是精細(xì)化工常見的工作，是配方的篩選是精細(xì)化工常見的工作，是重點(diǎn)重點(diǎn)n重要性：精細(xì)化工產(chǎn)品的應(yīng)用性很強(qiáng)、對(duì)產(chǎn)重要性：精細(xì)化工產(chǎn)品的應(yīng)用性很強(qiáng)、對(duì)產(chǎn)品性能的要求各式各樣，而原料性能有限，品性能的要求各式各樣，而原料性能有限，需要改性、復(fù)配增效。需要改性、復(fù)配增效。n科學(xué)性和經(jīng)驗(yàn)性：如涂料、香水科學(xué)性和經(jīng)驗(yàn)性：如涂料、香水2 配方設(shè)計(jì)原理配方設(shè)計(jì)原理n為了更快、更省、更合理地達(dá)到目的為了更快、更省、更合理地達(dá)到目的,

19、 , 試試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)驗(yàn)需要設(shè)計(jì). .n試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中一個(gè)較大的分支是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中一個(gè)較大的分支n原則：原則：從產(chǎn)品的用途出發(fā)從產(chǎn)品的用途出發(fā), ,在要求產(chǎn)品配方在要求產(chǎn)品配方的全部性能指標(biāo)的全部性能指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下下, ,使使得產(chǎn)品綜合性能得產(chǎn)品綜合性能, ,特別是特別是主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo), ,達(dá)達(dá)到到最優(yōu)化最優(yōu)化。n配方設(shè)計(jì)需要考慮：配方設(shè)計(jì)需要考慮：最佳配方、應(yīng)用工藝、最佳配方、應(yīng)用工藝、降低成本降低成本術(shù)語術(shù)語n試驗(yàn)指標(biāo)：試驗(yàn)指標(biāo)：試驗(yàn)研究過程的因變量，常為試驗(yàn)研究過程的因變量，常為試試驗(yàn)結(jié)果特征的量驗(yàn)結(jié)果特征的量（如產(chǎn)率、純度等）（如產(chǎn)率、純

20、度等）n因素：因素：影響試驗(yàn)指標(biāo)的條件（各個(gè)組份、溫影響試驗(yàn)指標(biāo)的條件（各個(gè)組份、溫度、壓力、時(shí)間、流量、濃度等）度、壓力、時(shí)間、流量、濃度等）n水平：水平：準(zhǔn)備考察的因素的不同狀態(tài)（各個(gè)組準(zhǔn)備考察的因素的不同狀態(tài)（各個(gè)組份的含量，時(shí)間的長(zhǎng)短等）份的含量，時(shí)間的長(zhǎng)短等）n析因分析：析因分析：全面綜合考察每個(gè)因素、水平的全面綜合考察每個(gè)因素、水平的影響，設(shè)影響，設(shè)7個(gè)影響因素，個(gè)影響因素，3個(gè)水平，試驗(yàn)個(gè)水平，試驗(yàn)37 2187次次3 3 單因素優(yōu)選單因素優(yōu)選n在在n n個(gè)因素的配方體系中，個(gè)因素的配方體系中，n-1n-1個(gè)因素固定，個(gè)因素固定，改變某個(gè)因素的水平改變某個(gè)因素的水平，根據(jù)，根據(jù)試

21、驗(yàn)指標(biāo)試驗(yàn)指標(biāo)（產(chǎn)（產(chǎn)品主要性能）評(píng)定該因素的最優(yōu)水平，因品主要性能）評(píng)定該因素的最優(yōu)水平，因素選取時(shí)應(yīng)根據(jù)因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度，素選取時(shí)應(yīng)根據(jù)因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度，逐次選取，逐次選取，（1 1）對(duì)分方法：適合于選）對(duì)分方法：適合于選合格點(diǎn)合格點(diǎn)。（2 2）黃金分割法黃金分割法0.6180.618適合于適合于求極值求極值：1414次次試驗(yàn)相當(dāng)于對(duì)分法試驗(yàn)相當(dāng)于對(duì)分法500500次的結(jié)果。次的結(jié)果。4 多因素優(yōu)選法多因素優(yōu)選法n等高線法：等高線法：適用于適用于2因素的優(yōu)選：首先確定因素的優(yōu)選：首先確定一個(gè)因素，單因素優(yōu)選第一個(gè)因素，單因素優(yōu)選第2個(gè)因素，找到最個(gè)因素，找到最佳點(diǎn)后，暫定，再變

22、動(dòng)第佳點(diǎn)后，暫定，再變動(dòng)第1個(gè)因素，找到最個(gè)因素，找到最佳點(diǎn)，依次逐步逼近最佳點(diǎn)佳點(diǎn)，依次逐步逼近最佳點(diǎn)n逐步提高法：逐步提高法：在配方基本確定的情況下，在配方基本確定的情況下，不能大幅度變動(dòng)時(shí)：逐漸變動(dòng)，逼近最佳不能大幅度變動(dòng)時(shí)：逐漸變動(dòng)，逼近最佳點(diǎn)。點(diǎn)。熔結(jié)型環(huán)氧粉末涂料熔結(jié)型環(huán)氧粉末涂料(長(zhǎng)慶最優(yōu)配方長(zhǎng)慶最優(yōu)配方)n酚醛改性環(huán)氧樹脂酚醛改性環(huán)氧樹脂 25-50%n環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 0-25%n固化劑固化劑 20%n甲基咪唑甲基咪唑 1%n安息香安息香 1%n流平劑流平劑 3n顏料：二氧化鈦，酞菁藍(lán)，檸黃顏料：二氧化鈦，酞菁藍(lán)，檸黃 5n填料填料:沉淀硫酸鋇沉淀硫酸鋇,滑石粉滑石粉,輕質(zhì)碳

23、酸鈣輕質(zhì)碳酸鈣 20%12因素因素選選3水平水平試驗(yàn)試驗(yàn)531441 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用“正交表正交表”進(jìn)行科學(xué)進(jìn)行科學(xué)地安排與分析地安排與分析多因素試驗(yàn)多因素試驗(yàn)的方法。的方法。其主要優(yōu)點(diǎn)是其主要優(yōu)點(diǎn)是次數(shù)少次數(shù)少 L L18183 37 7(2187),(2187),效果好、效果好、方法簡(jiǎn)單、效率高，方法簡(jiǎn)單、效率高，能在很多試驗(yàn)方案中挑能在很多試驗(yàn)方案中挑選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)方案，并且通選出代表性強(qiáng)的少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)方案，并且通過這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷過這少數(shù)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果的分析，推斷出出最優(yōu)方案，最優(yōu)方案，同時(shí)還可以作進(jìn)一步的分析，同時(shí)還可以作進(jìn)一

24、步的分析，得到得到比試驗(yàn)結(jié)果本身比試驗(yàn)結(jié)果本身給出的還要多的信息。給出的還要多的信息。5 5、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（1 1）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的發(fā)展n 1926 美國農(nóng)業(yè)科研工作開始運(yùn)用美國農(nóng)業(yè)科研工作開始運(yùn)用. n 第第 2次世界大戰(zhàn)中次世界大戰(zhàn)中, 英國軍火局英國軍火局n 戰(zhàn)后戰(zhàn)后, 英國公布了這項(xiàng)技術(shù)英國公布了這項(xiàng)技術(shù). 美國戴明教授引進(jìn)日本美國戴明教授引進(jìn)日本. n 日本日本50 年代田口玄一帶頭研究年代田口玄一帶頭研究, 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化, 并大力推廣并大力推廣 n “一個(gè)工程技術(shù)人員若不掌握正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法一個(gè)工程技術(shù)人員若不掌握正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,只能算只能算半個(gè)工程師半個(gè)工

25、程師”。n 1991年年, 美國美國J. 格林姆格林姆 ：“也是當(dāng)今日本工業(yè)遙遙領(lǐng)先也是當(dāng)今日本工業(yè)遙遙領(lǐng)先的主要原因的主要原因.”n 中國數(shù)學(xué)家中國數(shù)學(xué)家張里千張里千教授發(fā)明了中國型正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法教授發(fā)明了中國型正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法 （2 2）正交表的記號(hào)及含義）正交表的記號(hào)及含義記號(hào)及含義記號(hào)及含義 SNLq正交表的列數(shù)正交表的列數(shù)（因素個(gè)數(shù)因素個(gè)數(shù)，包括交互作，包括交互作用、誤差等）用、誤差等）S正交表的行數(shù)正交表的行數(shù)（需做的試驗(yàn)次數(shù)）（需做的試驗(yàn)次數(shù)）N各因素的各因素的水平數(shù)水平數(shù)q正交表的代號(hào)正交表的代號(hào)L（3 3）正交表的特點(diǎn)正交表的特點(diǎn)均衡分散性：均衡分散性：正交表中任意一列中，不同

26、的正交表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等；表示：在試驗(yàn)安排中，所挑選出來的水平組表示：在試驗(yàn)安排中，所挑選出來的水平組合是均勻分布的（合是均勻分布的（每個(gè)因素各水平出現(xiàn)的次每個(gè)因素各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同數(shù)相同）如第一列：如第一列：1、2、3各出現(xiàn)各出現(xiàn)3次次 列號(hào) 行號(hào) 1 2 3 4 1 2 3 1 1 1 1 1 2 2 2 1 3 3 3 4 5 6 2 1 2 3 2 2 3 1 2 3 1 2 7 8 9 3 1 3 2 3 2 1 3 3 3 2 1 ABCD整齊可比性：整齊可比性：正交表中正交表中任意兩列任意兩列，把，把同行的同行的兩個(gè)數(shù)字看成有序數(shù)對(duì)兩個(gè)

27、數(shù)字看成有序數(shù)對(duì)時(shí)，所有可能的數(shù)對(duì)時(shí)，所有可能的數(shù)對(duì)對(duì)對(duì)在任意兩列中在任意兩列中出現(xiàn)的次數(shù)相同。出現(xiàn)的次數(shù)相同。表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選表示：任意兩因素的各種水平的搭配在所選試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)相等試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)相等均衡分散性和整齊可比性均衡分散性和整齊可比性是設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表的是設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表的基本準(zhǔn)則基本準(zhǔn)則 （4）常用正交表與選用）常用正交表與選用常見的正交表常見的正交表：L423、L827、L16215、L934、L1837、L27313、L1645、L2556正交表的選用正交表的選用：因素?cái)?shù)與水平數(shù)：因素?cái)?shù)與水平數(shù)等于或大于等于或大于要進(jìn)行試驗(yàn)的因素?cái)?shù)和水平數(shù)，并試驗(yàn)數(shù)要進(jìn)

28、行試驗(yàn)的因素?cái)?shù)和水平數(shù)，并試驗(yàn)數(shù)最少。最少。如三因素三水平的正交試驗(yàn)，可選如三因素三水平的正交試驗(yàn)，可選L934、L1837、L27313等，但是等，但是L934次數(shù)最少。次數(shù)最少。（5）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟n例例1：某化工廠想提高某化工產(chǎn)品的：某化工廠想提高某化工產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，對(duì)工藝中質(zhì)量和產(chǎn)量，對(duì)工藝中3個(gè)主要因素個(gè)主要因素（溫度、壓力、加堿量）溫度、壓力、加堿量）各按各按3個(gè)水個(gè)水平平進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是為提高合進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是為提高合格產(chǎn)品的產(chǎn)量（試驗(yàn)指標(biāo)為格產(chǎn)品的產(chǎn)量（試驗(yàn)指標(biāo)為合格率合格率），），尋求最適宜的操作條件。尋求最適宜的操作條件。n

29、確定目標(biāo)、選定因素、確定水平確定目標(biāo)、選定因素、確定水平在確定因素的水平數(shù)時(shí)，主要因素宜多安排在確定因素的水平數(shù)時(shí)，主要因素宜多安排幾個(gè)水平，次要因素可少安排幾個(gè)水平幾個(gè)水平，次要因素可少安排幾個(gè)水平水平水平因素因素溫度溫度壓力壓力Pa加堿量加堿量kg符號(hào)符號(hào)Tpm123T1 (80 )T2(100)T3(120) p1(5.0) p2(6.0) p3(7.0)m 1(2.0)m2(2.5)m3(3.0)n選用合適的正交表選用合適的正交表先看水平數(shù)。若各因素全是先看水平數(shù)。若各因素全是2水平，就選用水平，就選用L2表；表；若各因素全是若各因素全是3水平，就選水平，就選L3表。若各因素的水表。若

30、各因素的水平數(shù)不相同，就選擇適用的混合水平表。平數(shù)不相同，就選擇適用的混合水平表。每一個(gè)交互作用在正交表中應(yīng)占一列或二列。每一個(gè)交互作用在正交表中應(yīng)占一列或二列。要看所選的正交表是否足夠大，能否容納得下要看所選的正交表是否足夠大，能否容納得下所考慮的因素和交互作用。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)所考慮的因素和交互作用。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析或回歸分析，還必須至少留一個(gè)空行方差分析或回歸分析，還必須至少留一個(gè)空白列，作為白列，作為“誤差誤差”列，在極差分析中要作為列，在極差分析中要作為“其他因素其他因素”列處理。列處理。要看試驗(yàn)精度的要求。若要求高，則宜取實(shí)驗(yàn)要看試驗(yàn)精度的要求。若要求高，則宜取實(shí)驗(yàn)次數(shù)多

31、的次數(shù)多的L表。表。 選擇正交表的基本原則選擇正交表的基本原則若試驗(yàn)費(fèi)用很昂貴若試驗(yàn)費(fèi)用很昂貴,或試驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)很有限或試驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)很有限,或人力或人力和時(shí)間都比較緊張，則不宜選實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多的和時(shí)間都比較緊張，則不宜選實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多的L表表按原來考慮的因素、水平和交互作用去選擇正交按原來考慮的因素、水平和交互作用去選擇正交表，若無正好適用的正交表可選，簡(jiǎn)便且可行的表，若無正好適用的正交表可選，簡(jiǎn)便且可行的辦法是適當(dāng)修改原定的水平數(shù)。辦法是適當(dāng)修改原定的水平數(shù)。對(duì)某因素或某交互作用的影響是否確實(shí)存在沒有對(duì)某因素或某交互作用的影響是否確實(shí)存在沒有把握的情況下，若條件許可，應(yīng)盡量選用大表，把握的情況下，若條

32、件許可，應(yīng)盡量選用大表，讓影響存在的可能性較大的因素和交互作用各占讓影響存在的可能性較大的因素和交互作用各占適當(dāng)?shù)牧?。某因素或某交互作用的影響是否真的適當(dāng)?shù)牧?。某因素或某交互作用的影響是否真的存在，留到方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)再做結(jié)論。存在，留到方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)再做結(jié)論。這樣既可以減少試驗(yàn)的工作量，又不致于漏掉重這樣既可以減少試驗(yàn)的工作量，又不致于漏掉重要的信息。要的信息。n設(shè)計(jì)表頭，確定試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表頭，確定試驗(yàn)方案n所謂表頭設(shè)計(jì)，就是確定試驗(yàn)所考慮的因素和所謂表頭設(shè)計(jì)，就是確定試驗(yàn)所考慮的因素和交互作用，在正交表中該放在哪一列的問題。交互作用，在正交表中該放在哪一列的問題。n有交互作用時(shí)，表頭設(shè)計(jì)則必須嚴(yán)格地按規(guī)定有交互作用時(shí)，表頭設(shè)計(jì)則必須嚴(yán)格地按規(guī)定辦事。此處不討論，請(qǐng)查閱有關(guān)書籍。辦事。此處不討論，請(qǐng)查閱有關(guān)書籍。n若試驗(yàn)若試驗(yàn)不考慮交互作用不考慮交互作用，則表頭設(shè)計(jì)可以是任，則表頭設(shè)計(jì)可以是任意的。下列各種方案都是可用的。意的。下列各種方案都是可用的。列列 號(hào)號(hào)1 12 23 34 4方方 案案1 12 23 34 4T T空空m m