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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学试验设计,张普敦,序言,1,）这门课的由来,2,）自我介绍,3,）这门课的意义,4,）关于这门课的学习,5,）关于考核,6,）关于与其他学过的课程的联系,7,）拟采用的教学方法,8,）本课程包括以下内容：,第一章 绪论,第二章正交试验的基本方法,第一节 单因素试验设计法,第二节,2,k,、,3,k,因子设计法,第三节 正交试验设计法,第四节 有交互作用的正交试验设计法,第五节 混合水平的正交试验设计法,第六节 正交试验设计法总结,第三章 正交试验设计中的方差分析,第四章 均匀试验设计法,第五章 单纯形优化设计法,第六章 化学试验设计法中的回归分析,9,）预修课程：无机化学，分析化学，有机化学，物理化学，高等数学，线性代数,10,）参考书目：,试验设计与分析,，陈魁，清华大学出版社，,1996,年,8,月出版,试验的设计与分析,，王万中，茆诗松，华东师范大学出版社，,1997,年,5,月出版,试验设计与分析,，杨德，中国农业出版社，,2002,年出版,优化试验设计法及其在化学中的应用,，何为，电子科技大学出版社，,2004,年出版（第二版）,分析化学手册第二分册,，杭州大学分析化学教研室编，中国化工出版社,分析化学手册第十分册,，俞汝勤，梁逸增，中国化工出版社，,化学计量学在分析化学中的应用,，倪永年，科学出版社，,2004,年,1,月出版,分析化学中的数理统计方法,，郑用熙，科学出版社，,1986,年,10,月出版,第一章 绪论,先看个实际问题：,我们同学有的毕业会进入宝洁、联合利华这样的大公司。那么你的上司让你开发一个新的洗涤剂时你怎么做呢？,我给个建议：,即使当时你还不清楚如何做，也要战战兢兢、硬着头皮接下这个工作。,譬如说具体一点，现在给你个任务，希望你在很短的时间里（,2,个星期），开发出一个液体洗发水。你怎么办？,接下工作后怎么办呢？,唉声叹气？,骂领导？,还得干，食人俸禄，替人干活！,这个产品开发的大体步骤？,第一步，首先要了解最终产品要达到的指标；,第二步，要查资料；,第三步，对文献资料进行分析，确定因素及水平；,第四步，设计试验方案，通过试验确定最终的配方；,第五步，用配方得到的产品进行实际的洗涤试验；,最核心的部分是在第三、第四步，这两步就是试验设计要涉及的主要内容。,第六步，如果未达到指标，查找原因，并返回进行配方调整。,1.1,试验设计方法的起源、发展状况,当我们在做一个试验时，我们肯定不会盲目的去做，总有一个想法，这个想法就是如何才能完成这个试验，从而得到一个相对满意的结果。那么这个在做实验前的思想过程实际上就是一个试验设计的过程。,本课程讲的就是如何通过一个科学的方法合理地安排试验，从而以较少的人力、物力、财力和时间的投入，取得一个最满意的效果。,现代试验设计方法起源于,1930,年代，迄今已由,80,多年的历史了。其整个发展过程分为五个阶段：,第一阶段：早期的方差分析法。,由于农业试验的需要，,1930,年代英国统计学家和数学家费歇,(R.A.Fisher),（,英国洛萨姆司太特试验农场的工程师,）提出了方差分析法，并将其用于农业、遗传等领域的研究，取得丰硕的成果。,“试验设计”的名称就是,Fisher,命名的,。,1930,40,年代，在战争年代，由于军方的需求，该试验方法在美国、英国、苏联等得到了广泛的推广。,随后，,F.Yates,R.C.Bose,O.Kempthome,W.G.Cochran,D.R.Cox,和,G.E.P.Box,对试验设计都作出了杰出贡献，使该分支在理论上日趋完善，在应用上日趋广泛。,第二阶段：传统的正交试验设计法。,产生的背景：,二战以后，日本面临着恢复发展的实际问题，他们把,Fisher,等人的试验设计方法作为质量管理技术的重要手段从英、美引进。我们知道日本人的模仿拓展能力是世界一流，这种试验设计思想在日本人手里得到了极大的推广应用。,1950,年代田口玄一等人在日本电讯研究所工作时对此法进行了较大的改进，发明了正交试验设计法，即用正交表安排试验的方法。并在方法解释方面更为深入浅出，通俗易懂。,第三阶段：信噪比设计和三阶段设计法。,这也是,1957,年由田口玄一提出的。就是将正交表设计和方差分析相结合，使这种方法得到更广泛的应用。,三阶段设计指系统设计、参数设计和容差设计的总称。事实上就是稳健及可靠性设计。,第四阶段：均匀设计法和单纯形优化法。,1962,年，数学家,Spendly,首先提出单纯形优化法，后来该方法又不断经过改良。事实上单纯形优化是一个循序（序惯，,sequential,）寻优的过程，该方法的完成通常要和化学计量学结合使用。,1981,年，这是我国数学家方开泰和王元两位院士为解决导弹设计中的问题提出了均匀设计法，他们将华罗庚在,50,年代末发展的数论方法应用于试验设计。,第五阶段：化学计量学方法在试验设计中的应用。,方差分析、一元和多元线性回归、聚类分析、模式识别以及人工神经网络等在正交设计、均匀设计中的成功使用等。,试验设计方法在中国的发展：,1950,年代，开始涉足这一领域，尝试将其应用于工农业生产中；,1960,年代末，中科院系统所的科研人员提出很多简单易行的正交设计方法；,1970,年代中后期，正交试验设计法在中国得到很好推广；,1981,年，王元等发明均匀设计法，并于,1993,年得到国际上的认可；,试验设计方法在化学化工中的应用,化学试验的条件选择；,复配物的配方研制；,催化剂的研制；,1.2,试验设计工作的任务和作用,本章开始的例子说明，一个完整的化学试验应该包括以下几个方面：,1,）试验前期的设计。即要明确试验的目的，明确试验要考查的因素，如温度、反应时间、加入比例等，以及这些因素的变动范围，然后根据试验目的编制合理的化学试验方案。,2,）化学试验实施过程。,3,）试验结果分析。确定最佳试验条件，即得到最优的试验方案。,可见试验设计是完成化学试验的第一步，也是非常重要的一步。它直接决定试验的效率和试验的成败。,那么什么是,试验设计,？,试验设计的任务,是什么？,试验设计,是指在试验域（因素可取值的区域）内，最有效地选择试验点，科学地安排试验，进而通过数据解析确定指标最优值时的试验条件的一种方法。也就是说，,试验设计研究的是如何设计试验条件使指标取得最优值。,化学试验设计，,顾名思义就是研究如何将这种方法用到化学试验中，从而以最小的人力、物力和财力取得最好结果的一种方法。,化学试验设计的任务,简单说就是通过科学的安排试验，并对结果进行科学分析，以较少的试验次数、较短的试验时间、较低的费用，得到比较或非常满意的试验结果。,本课程的目的：,通过本课程的学习，希望各位同学能够掌握化学试验设计中的一些主要方法，如正交设计、均匀设计等，并会运用数据处理方法对试验数据进行分析，从而得出满意的结论，取得正确的试验结果。,第二章 正交试验的基本方法,先看一个实际的例子。,例,1,：,丁苯橡胶是用途最为广泛的合成橡胶。它是由丁二烯和苯乙烯乳液共聚合而成的高分子化合物。乳液共聚就是采用表面活性剂将不溶于水的有机物溶解在水中，然后采用引发剂引发聚合。其中引发剂、表面活性剂以及反应温度对最终产品的收率、性能有很大影响。,其生产过程可如下表示：,为了说明问题，在这里我们将一些组分固定：,通常，高分子乳液聚合时考察的产品性能包括：,转化率（尽可能高）；,分子量（达到几十万，根据产品性能设计）；,粒径（达到,200,300 nm,）。,在这里，我们以转化率作为试验指标，对三个影响因素：,SDS,量、过硫酸铵量以及反应温度进行研究。,丁二烯,苯乙烯,70,30,反应时间,6 hrs,压力,0.4 MPa,假定各考察三个不同的用量（水平）：,SDS,：,1,，,3,，,5,；过硫酸铵：,0.5,，,1.0,，,1.5,；温度：,40,o,C,，,50,o,C,，,60,o,C,。,因素水平表,因素,水平,SDS,(NH,4,),2,S,2,O,8,Temp.(,o,C),1,1,0.5,40,2,3,1.0,50,3,5,1.5,60,那么这个试验方案如何设计呢？,第一节 单因素试验设计法：,这种方法又叫简单试验法。是现在化学,实验,中最常用的方法。很多发表的文章都采用这种方法进行研究。,继续看前面的例子，按照大多数发表文章的方法，这种方法的步骤是：,通常为了考察其中一个因素的影响，总是先将另两个因素固定在某一定值（水平），然后考察该因素在不同水平下的试验指标值。通常取指标值最佳者作为最终条件。,然后固定该因素的水平，用类似的方法考察其他因素，直到得到所有因素的最佳水平。,对前面的丁苯胶乳的例子，采用单因素试验设计法时，我们可以首先考察,SDS,的加入量对聚合反应的影响，按照前面讲的步骤，先将过硫酸铵和反应温度在某一定值，具体的方案如下：,SDS,加入,3,份时转化率最好。,然后考察过硫酸铵的用量，有如下方案：,过硫酸铵为,1.5,份时最好。,最后考察反应温度，方案如下：,反应温度为,50,o,C,时最好。,综合这九次试验的结果，可以得到一个试验方案：,SDS 3,份，过硫酸铵,1.5,份，反应温度,50,o,C,。,单因素试验设计法：,这种先固定其他因素，只比较一种因素在不同水平上的试验方案就叫单因素试验设计法，有些文章或书里又称作简单试验法或简单比较法。,单因素试验设计法的数据分析：,通常单因素试验设计将各因素在不同水平时得到的试验指标做曲线图，通过分析曲线的趋势而选出最佳试验条件。,单因素设计法的特点：,简单明了，易学易懂。所以仍然为大多数的科研工作者和工程技术人员使用。,单因素试验设计法 的不足：,1,）当因素间的交互作用影响比较大时，得到的试验方案往往不一定是各因素的最佳方案组合；,2,）用单因素试验法安排试验，同样的试验次数，提供的信息量不够丰富；,3,）用单因素试验法做实验，如果不做重复试验，给不出试验的误差估计。,尽管如此，单因素试验设计法仍然用的很多，特别是做基础研究工作的最常用，,这是因为单因素法可以看到各因素的变化趋势，对研究反应规律，揭示一些内在的因素很重要,。,几个基本概念：,1.,试验指标,试验设计中用来衡量试验效果的物理量称为,试验指标（简称指标）,。,试验指标按照指标个数可分为单一指标（包括综合评价指标）和多指标。,试验指标按照性质不同分为,定性指标,和,定量指标,。,定性指标,是指不能直接用数值精确表达的指标，比如污水水质分析时的恶臭程度、油漆亮度等；,定量指标,就是能用数值来表示的指标，如产率、回收率、吸光度、峰高等。,试验设计的目的就是要使这些指标最优化。,2.,因素,影响试验指标取值的物理量称为,因素,，有时也称为,因子,。,如反应物的浓度、用量、反应温度、压力等等。,3.,水平,因素在试验中所处的状态称为,水平,。在试验中有几种状态就称有几个水平。,如反应物的浓度大小、用量多少、反应温度高低、压力大小等等。,一般情况下，所选因素的水平发生变化时，都将引起试验指标的变化，否则就认为该因素对指标没有影响，可以从试验方案中删去,。,4.,交互作用,如果所考察的两个因素在试验中相互影响，这时称这两种因素之间存在交互作用。,交互作用的表示方式,：,如果因素,A,和因素,B,存在交互作用，则这种作用被记做,AB,。,第二节,2,k,、,3,k,、,4,k,因子设计法,仍以上述丁苯胶乳聚合为例。事实上在单因素试验中，九次试验组合方案中有的不能代表总的试验效果。有的因素及水平做了好几次试验，甚至多达,7,次，有的则仅做了,1,次，显然做了一次的试验不能反映其对指标的影响。而且分别有两次是重复试验的（,SDS 3,、,(NH,4,),2,S,2,O,8,1.0,、,50,o,C,和,SDS 3,、,(NH,4,),2,S,2,O,8,1.5,、,50,o,C,）。,那么，为了充分地对反应进行研究，则需要对各种可能的组合进行研究。最理想的是
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