精细化工工艺学-本科用1,2章

精细化工工艺学武汉工程大学化工制药学院化工工艺学部2021年3月第一章概论精细化工作为化学工业的一个重要领域，正以前所未有的速度开展着，并成为当前世界化学工业剧烈竞争的焦点，引起了世界各国的高度重视和大力开展。现在，人们往往把精细化率的上下看作某个国家、某个地区化学工业开展水平的重要标志之一。近代精细化工归属于高科技范畴，其产品可分为精细化学品、专用化学品和特制化学品，涉及范围广、品种多、专用性强，几乎渗透到国民经济和人民生活的一切领域。因此，它已成为国民经济不可缺少的工业部门，是实现四个现代化的重要组成局部。

第一章概论1.1精细化工的范畴生产精细化学品的工业，通称精细化学工业，简称精细化工。所谓精细化学品，一般指的是批量小、纯度或质量要求高，而且利润高的化学品。最早的精细化工行业，例如染料、医药、肥皂、油漆、农药等行业，在19世纪前就已出现。随着科学技术的不断开展，一些新兴的精细化工行业正在不断出现。由此可见，精细化工的范畴相当广泛。第一章概论精细化学品关于精细化工，现在还没有一个统一的定义，人们一般常用精细化工产品的特点来定义精细化工，例如小批量、多品种、技术密集、具有特定功能、附加价值高等，笔者认为如此定义不够全面．应该说；“精细化工是以高新技术为根底，以市场需求为导向，以产品具有特定功能、附加价值高、小批量、多品种、系列化为特点的化学工业。〞精细化工作为一项高新技术产业在21世纪越来越受到企业的重视，开展的速度也越来越快，市场调研，技术创新和品牌工程是开展精细化工的重要内容。预计在今后几年中精细化率将由目前的60％开展到80％，甚至超过80％，真正使精细化工成为化学工业的“龙头〞。“精细化率〞是指精细化工产品销售额占全部化工产品销售额的比例。

第一章概论定义举例：以洗衣粉的生产为例第一章概论精细化工的特点精细化学品在量和质上的根本特点是小批量、多品种、特定功能和专用性质。精细化学品的全生产过程除了化学合成〔包括前处理和后处理〕以外，还涉及到剂型〔制剂〕和商品化〔标准化〕两局部。这就导致精细化工必然要具备以下特点：一、精细化工产品的行业特性1.技术知识密集度高，资本密度小，因为精细化工涉及到各种化学的、物理的、生理的、技术的、经济的等多方面的要求和考虑。2.多品种例如，根据?染料索引?〔ColourIndex〕1976年第三版的统计，共包括不同化学结构的染料品种5232入其中，已公布化学结构的1536个。主要国家经常生产的染料品在2000个以上3.技术和产品更新换代快，商品性强，市场竞争剧烈。4.质量要求高，技术垄断性强、销售利润高、附加价值高。5.新品种开发成功率低、时间长、费用高第一章概论二、精细化工产品的研发特性研发包含二个层次：一是为科技进步而进行的根底研究，另一个是为发现产品或工艺过程的工程技术或商业目的的应用研究。研究的目的：是为了论证某种产品的设想是否合理和可能提供科学实验数据。开发的目的：将研究成果用于生产产品和工艺过程，证实研究成果经济上的可行性和实用性。三、精细化工产品的生产特性1.生产过程——精细化工产品有化学合成、制剂制备和商品化〔标准化〕来得到商品。生产工艺和技术局部是从化学工业其它移植过来的以及依靠各行业结合生产特点自行开发的。2.生产装置——综合生产流程和多用途、多功能生产设备，一机多用灵活多变；材质优良保证质量；测试设备先进3.投入产出率高;4.资金利用率高5.技术和市场的垄断性强第一章概论1.1.3精细化工工艺研究内容和产品开发按照精细化学品的习惯划分范围，精细化学品的生产方法应有两方面的内容，一方面是精细化学品的合成别离技术，另一方面那么是以满足性能要求的合成化学品为原料，运用复配增效技术，参加适当的助剂，制成满足用户要求的各种功能性化学品，即精细化学品配方技术。原材料或单体精细化学品的合成产品分离合成精细化学品主要成分的合成配方设计+添加剂生产工艺知识产品性能要求配方设计配方优化产品性能测试优化实验技术复配精细化学品第一章概论例如：化纤助剂一般都是多组分的复配产品，其成分以润滑油及外表活性剂为主，配以抗静电剂等助剂，有时配方中会涉及到十多种组分。金属清洗剂，组分中要求有溶剂、除锈剂、缓蚀剂等。化装品中常用的脂肪酸只有很少几种、而由其复配衍生出来的商品，那么是五花八门，难以作确切的统计。阿司匹林药片配制成复方阿司匹林的药片；洗涤剂是由假设干种不同结构的外表活性剂及化工产品复配而成；染料的使用必需参加各种助剂。有时为了使用户方便及平安，也可将单一产品加工成复合组分商品。如液体染料就是为了使印染工业防止粉尘污染环境及便于自动化计量而提出的，它们的组分要用到分散剂、防沉淀剂、防冻剂、防腐剂等。

第一章概论即使是一些非精细化工产品，例如塑料在制成塑料制品时，也决不是单一的。聚氯乙烯对热及光都不稳定，会分解放出氯化氢，当参加环氧大豆油后环氧基就可吸收游离基引发剂及分解出的氯化氢，这样就可使复配后的聚氯乙烯提高应用性能。环氧大豆油成为助剂或添加剂。配方研究人员的任务是根据某项具体的应用要求，以企业生产的某一种化工产品为科研对象，通过大量筛选式的复配试验，确定需要参加的助剂或添加剂的种类及数量、最正确应用工艺等。我国的精细化学品不仅品种、数量少，而且质量差。兴旺国家产品数量与商品数量之比为1：20。我国目前仅为1：1.5。关键的原因之一是复配增效技术落后。复配技术的研究将成为我国精细化工工业开展的决定性因素，也将成为企业产品走向市场成功的决定性因素，因而需要大力加强研究。第一章概论1.2世界精细化工概况及开展趋势综观20多年来世界化工开展历程，各国尤其是美国，欧洲，日本等化学工业兴旺国家机器著名的跨国公司，都十分重视开展精细化工，把精细化工作为调整化工产业结构，提高产品附加值，增强国际竞争力的有效举措，世界精细化工呈现快速开展的势态，产业集中度进一步提高。日本特别重视电子、高效光伏发电和生物质(非化石资源)转变为化学材料。这些新兴应用领域将进一步拓宽精细／特种化工的开展空间。进入21世纪后，世界精细化工开展的显著特征是：产业集群化，工艺清洁化，节能化，产品多样化，专业化，高性能化。第一章概论目前，世界上精细化学品大体可分成45～50个门类、十几万个品种。精细化工开展水平是衡量一个国家和地区化学工业技术水平的重要标志之一，世界各国都致力于提高精细化率。所谓“精细化率〞是指精细化工产品销售额占全部化工产品销售额的比例。精细化率增长情况：兴旺国家80年代为45％～55％，90年代到达55％～63％，21世纪初期将到达60％～67％。世界精细化工最兴旺的要算美国、德国和日本，其产品产量分别居世界第一、二、三位。世界精细化工主要产家是几家有名的大化工公司，如美国杜邦公司、德国拜耳集团及日本的住友化学工业公司等，这几家大化工公司的精细化率都超过了50％。第一章概论精细化学品销售和市场规模表1.1美国、西欧和日本精细与专用化学品市场规模

第一章概论全球销售额领先的产品依次为原料药、农药、电子化学品、陶瓷材料和专用聚合物，这5种产品合计约占全球市场份额的40％。按地区分见表2。表1.2全球精细与专用化学品市场份额第一章概论1.2.2.加强创新，优化产品结构1.2.3.联合兼并重组，增强核心竞争力全球经济一体化进程的加快使国际竞争日益剧烈，跨国公司将继续进行资产重组、兼并、收购、联合等，使主管业务更突、生产更集中、更专业化。如Dystar垄断了纺织用染料；罗氏、巴斯夫、罗一纳三家公司垄断了医药、食品和饲料工业等大量使用的维生素；诺华、孟山都、杜邦等垄断着农药；法国SNF成为世界上专门生产聚丙烯酰胺的最大生产厂，其产量占世界的36％；FLE×LBLE成为世界最大的橡胶助剂生产厂商；诺华、阿凡堤、克来恩等成为世界最大的精细化工公司。第一章概论1.2.4.增加研发投入，缩短投产周期各国普遍加大精细化工产品的科研开发和应用研究力度，增加研发的资金、人员投入，增加售后技术效劳的投入，掌握自主知识产权和市场占有率，以获取最大的利益。尤其在生命科学方面(包括生物技术工程、农药、医药、营养品等)和信息化学品方面的研发投入，增加速度更快。如美国的孟山都公司从70年代开始已投入25亿美元用于生命科学的研究与开发。为了使精细化工的投产缩短，广泛利用计算机进行有机合成，试验速度大大加快，本钱降低，能把过去需要l0年开发出一个产品的时间缩短为l～2年，大大节省了开发费用。同时，利用模拟放大工程技术，能缩短成果投产时间。因此，今后世界上精细化工产品的新门类和新品种将出现更多、更快的现象。1.2.5.技术高新化，生产绿色化2l世纪，人类将面临资源与能源、环境与健康、食品与营养等重大问题，精细化工的开展也将围绕这些主题。现代生物工程技术、新材料技术、信息技术将为精细化工的开展提供条件。精细化工将向绿色化方向开展。第一章概论高新技术的采用是当今世界化学工业剧烈竞争的焦点，也是21世纪综合国力的重要标志之一。精细化工高新化是必然趋势。如生物工程技术将更多地应用于医药、农药、营养品中；利用计算机技术和组合化学技术进行分子设计；膜别离技术；超临界萃取技术；纳米技术；分子蒸馏技术等将进一步得到应用。高新技术的广泛应用将大大加快精细化工的开展。1.2.6.市场需求将稳健增长，形势可喜预计未来几年，全球精细和专用化学品的市场将以年均3％-4％的速度增长，2021年市场规模到达4500亿美元以上。预计2021年市场将以6％的平均速度增长。〔是否实现还未见报道〕开展较快的领域有：原料药、酶制剂、特殊聚合物、纳米材料、别离膜、特种涂料、电子化学品和催化剂等，但农药、染料和纺织化学品将呈下降趋势。第一章概论1.3中国精细化工现状经过50多年的开展，特别是近20多年的快速开展，我国的精细化工已取得了巨大的进步，形成了科研、生产和应用根本配套的工业体系。2003年我国化学工业的精细化率已经超过40％，精细化工销售收入约3800亿元。精细化学品品种有25个门类，近3万个品种。表1.3中国化学工业精细化率统计表(以化学工业总产值为100)％

第一章概论1.3.1我国传统精细化工开展迅速一些门类的产量已跃居世界前列，如染料，2004年产量已到达59．8万吨，占世界总产量的一半以上，染料的出口量22．7万吨，也占世界第一位；农药，2003年产量达86．3万吨，居世界第二位；涂料，2003年产量为241．5万吨，居世界第二位。我国染料生产企业原有l000余家，现在约500多家，产品品种超过l200种，常规品种700～800种。染料、颜料产量居世界第一位，并已成为世界上最大的染料和颜料出口国。2001年和2002年分别出口染料18.8万吨和21.6万吨，分别创汇5.8亿美元和6.3亿美元。2001年和2002年分别出口颜料32.6万吨和36.9万吨，分别创汇4.2亿美元和5.1亿美元。2004年染料出口22.7万吨，进口6.5万吨；有机染料出口10.6万吨，进口33万吨。我国化学农药生产企业近2000家，其中原药生产的企业400第一章概论多家(其中大中型企业50家)，加工和分装企业约1600家。原药品种约250种，各类制剂l000种以上。2002年产能达82.2万吨，其中杀虫剂49.5万吨、杀菌剂7.5万吨、除草剂20.2万吨、农药乳油27.2万吨。农药生产顺应农业生产开展的需要，实现持续高速增长，而且出口前景很好。2001年和2002年分别出口19.7万吨和22.2万吨，分别创汇5.5亿美元和5.9亿美元。我国涂料生产企业近9000家，2001年和2002年产能分别为181.2万吨和201.6万吨，成为世界第二大生产国。两年出口分别为10.2万吨和l1.7万吨，创汇分别为1.6亿美元和1.9亿美元。1.3.2新领域精细化工已初具规模目前，我国已建成新领域精细化工技术开发中心10个，见表1.4。我国已有生产新领域精细化工的企业约4500家，年生产能力1500多万吨，产品品种11000多个，年产值1200多亿元，见表1.5。第一章概论我国精细化工取得了许多重大成果：中国农科院饲料研究所和生物技术研究所联合研制开发成功植酸酶，比原始菌株产量高3000倍以上，比外国工程菌产酶高50倍以上，到达国际领先水平。上海市农药研究所采用气升式发酵培养沉降的产酶细胞和游离细胞水合催化工艺，使我国现有的生物法丙烯酰胺生产获得了重大突破，已居于世界领先地位。我国生物法长链二元酸生产技术也获得重大进展，其生产量居世界第一，生产技术也比国外先进。在稀土深加工利用方面，已开发了一些新材料，其中长余辉萤光材料是一种新型的光能储藏材料。在白天吸收太阳光或夜晚吸收其他光照如日光灯光，紫外光后，可以在暗处或夜晚自动放出明亮的荧光，并可循环使用。所用稀土材料比传统的硫化物材料，发射波性能优异，余晖时间达15H以上或更长，具有化学稳定性高，无放射性，耐候性好，亮度强等特点。此外，我国已成功开发了发光纤维、发光陶瓷、发光玻璃、发光塑料、发光涂料、发光油墨等系列产品90余种，在大连高新工业园区已形成世界最大生产基地。类似成果不胜枚举。第一章概论表1.4中国新领域精细化工技术开发中心第一章概论表1.5中国新领域精细化工各门类现状

第一章概论1.3.3我国精细化工存在的差距和问题专家分析指出虽然几十年来我国精细化工开展迅速，但由于受到诸多客观条件的制约，尤其是一些新领域精细化工尚处于起步阶段，因此，与国外兴旺国家相比差距较大，主要表达在以下几个方面：(1)生产技术水平低，产品技术含量低。受综合实力和科技水平的制约，我国精细化工生产技术普遍低下。甚至还存在一些作坊式生产；在生产路线、单元操作、产品后处理等方面仍停留在70年代世界水平。而且在许多领域，如功能树脂、信息化学品、磁记录材料、精细陶瓷等方面尚处于起步阶段，有的根本空白。产品技术含量低，高精尖产品少，中低档产品多，出口根本上是以量取胜。(2)产品品种少、总量缺乏、质量差、更新换代慢。我国精细化工行业起步晚，至今品种少，世界有十几万个品种，我国近3万个品种。即使在传统的行业中如染料产品品种仅满足第一章概论50％。在许多新兴行业中品种更缺；在总量上，许多重要的产品一直依靠进口；产品质量普遍与外国有明显差距，缺乏系列化；产品更新换代慢，例如饲料添加剂中的氨基酸、维生素类产品，食品添加剂中的黄原胶、B—胡罗卜素，胶粘剂中汽车行业用胶。再如外表活性剂，目前世界上每年有100多个新品种投入市场，而我国产品总数仅为700～800种。(3)企业集中度低、生产规模小、资源配置效率低。我国精细化工行业总数有几万家，总产值仅3800亿元左右(其中新领域精细化工占一半左右)，生产规模普遍偏小，而且低水平重复建设严重，因此资源配置效率低。第一章概论(4)科技开发投入力度不够，科技创新体系仅处于初创阶段。在精细化工行业中，严重存在科技与经济脱节的问题：科技资源大多数集中在科研院所和高等院校，科技成果转化率仅10％；企业科技研发费用提取率仅2％左右，大多数企业没有自己的技术开发机构；为中小企业提供技术效劳的机构不够健全。(5)市场开发和应用开发力度不够。我国精细化工开展过程中，应用开发、技术效劳极为薄弱，严重制约我国精细化开展。往往是先上装置再开发市场，造成装置能力不能发挥，影响投资收益。衍生产品开发力度不够，产品应用技术薄弱，配方应用技术差距更大。(6)环境污染已成为精细化工开展的重要制约因素。我国精细化工企业规模小，资金缺乏，布局分散，造成生产过程中产生大量“三废〞且治理难度大，效果差，已对环境造成了一定影响，制约了行业开展。第一章概论1.3.4我国精细化工开展展望一．中国精细化工开展趋势近十多年来，我国也十分重视精细化工的开展，把精细化工特别是新领域的精细化工作为化学工业开展的战略重点之一和新材料的重要组成局部，并列入多项国家方案中，从政策和资金上予以重点支持。目前精细化工也已成为我国化学工业中一个重要的独立分支和新的经济效益增长点。我国的?十一五化学工业科技开展纲要?又将精细化工列为十一五期间优先开展的六大领域之一，并将功能涂料和水性涂料，染料新品种及其产业化技术，重要化工中间体绿色合成技术及新品种，电子化学品，高性能水处理化学品，造纸化学品，油田化学品，功能型食品添加剂，高性能环保型阻燃剂，外表活性剂，高性能橡胶助剂等列为十一五精细第一章概论化工技术开发和产业化的重点，因此，随着我国石油化工的开展和化学工业由粗放型向精细化方向开展，以及高新技术的广泛应用，我国精细化工自主创新能力和产业技术能级将得到显著的提高，成为世界精细化学品生产和消费大国。1.向集聚化方向开展随着我国对精细化工需求的迅速增长，推动了我国化工企业和外商在华投资力度加大。近十年来，各省市相继建设了大量化工园区，许多化工园区都将精细化工列为园区主要开展工程。从而在布局上形成了向化工园区集聚的态势。目前，我国有国家级化工园区3个：上海化学工业区、南京化学工业区和齐鲁化学工业区。三个工业园区都以石油化工为龙头，开展下游产品，如根本化工原料、精细化工、高分子材料等。规模最大的要算南京化学工业区，它将形成100平方公里的沿江化工产业带。江苏省是我国化工园建设力度最大第一章概论的省份，目前已形成规模的有张家港的江苏杨子江国际化学工业园区，占地13．8平方公里；泰兴的中国精细化学工业泰兴园区，园区现面积为20平方公里，规划最终面积将达40平方公里；常州的中国精细化工(常州)开发园，已有72家中外化工企业落户，累计投资达200亿元；泰州的中国石油化学(泰州)开发园区，规划面积为60平方公里，方案投资200亿元。尚在建设和招商的还有南通的海门化工园区、如东化工园、启东化工园区、杨州化工园区等一批沿江、沿海化工园。此外，浙江省的上虞化工园区，规划面积60平方公里；河北省正在建设我国北方最大的化工园区—沧州临港化工园区，规划面积100平方公里，规划投资300亿元；辽宁省的抚顺石化工业园区，占地10.24平方公里；重庆市规划建设长寿化工园区，成为我国最重要的天然气化工和精细化工基地；广东省的珠海海港工业区、茂名石化工业区等等。第一章概论目前，武汉的80万吨乙烯工程及武汉化工新区以启动，预计2021-2021年投产。这是武汉开展的新契机，也是我们的好时机，我校提出环氧乙烷和丙稀下游产品开发的建议书〕这些化学工业园区将成为我国化学工业的亮点和新的增长点，也是我国精细化工集聚开展的基地，见表1.6。2.向绿色化方向开展我国精细化工开展历程中，已明显地受到了环境保护的制约，很多品种难以做大做强，甚至呈萎缩状态，促使我国开展精细化工必须走绿色化道路。在绿色化方向上，今后将围绕三个环节：(1)探寻绿色原料尽可能选用无毒无害的化工原料进行精细化工的合成，如以碳酸二甲酯替代硫酸二甲酯进行甲基化有机合成，以二氯化碳代替光气合成异氰酸酯，苄氯羰基化合成苯乙酸，用羰基氧化法取代光气法生产碳酸二甲酯和碳酸二苯酯〔做光盘，光学仪器和汽车玻璃等〕等。第一章概论(2)开发绿色工艺利用全新的化工技术，如新催化技术、电化学技术、声化学技术、光化学技术、微波化学技术、膜技术和生物化工技术，开发绿色工艺，从工艺上去除有毒有害物质的产生，做到清洁生产，最终实现废物的零排放。(3)生产绿色产品，绿色产品是根据绿色化学的新概念、新技术和新方法，采用环境友好的生态材料，研究开发无公害的传统化学用品的替代品，合成更平安的化学品，实现人类和自然环境的和谐。第一章概论3.向高新化方向开展高新化有两个含义：一是研究开发、生产、应用技术的高新化，二是产品自身技术含量、附加值的高新化。精细化工属于高科技范畴。对于技术密集型的精细化工行业，大力采用高新技术是剧烈竞争的焦点。目前，以生物工程、信息科学和新材料为主的三大前沿科学的新技术革命，必将对精细化工的开展产生重大的影响。分子设计技术、膜别离技术、超临界萃取技术、新化学合成技术、分子蒸馏技术等将广泛应用于精细化工产品的研究和开发。利用计算机进行有机合成可大大加快研发速度、缩短研发周期，降低研发本钱，把过去需要10年开发出一个产品的周期缩短为1—2年。值得注意的是化学工程中高新技术的采用，化学工程经过100多年的开展，已作为一个包括单元操作、反响工程、控制工程、系统工程在内的完整学科，可以改变物质结构、改善物质性能、合成新的物质，对于多品种的精细化工来说，这一点更显得重要。世界主要从事精细化工生产的公司都十分重视第一章概论化学工程新技术的开发和应用。还要着重提到的是生物工程技术，它是由基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程组成的新技术，它不仅可为精细化工提供更为广阔的新技术，其对精细化工的研究开发十分重要，而且可为精细化工提供更为广阔的原料和产品，同时还将引起已有精细化工传统工艺的革新，出现少污染、省能源的新工艺。国际上许多知名的化学公司投入大量资金和人力进行生物工程技术的研究，并取得了许多重要成果。生物工程技术将更多地应用于医药、农药、营养品等中。医药是精细化工中最大的一个门类，目前世界医药产品中有60％左右是采用生物技术生产的。此外，纳米技术在改造传统精细化工产品中将发挥十分重要的作用。除了采用高新技术外，重视精细化工产品自身技术含量、附加值的高新化很重要，要注重产品功能的延伸和系列化。还要着重提到的是，要花大力气开展专用化学品。从世界精细化工开展的趋势分析，近年来，专用化学品即复配品比精细化学品的附加值高、增长速度快、市场容量大。第一章概论可以预测，专用化学品是精细化工开展的主潮流，必然引起我国化工界的特别关注。还需要提到的是，今后精细化工研发的投入将大大增加，不但是在新产品、新技术的研发上，而且在产品应用的开发上，都将投入更大更多的人力和财力。第一章概论4.传统精细化工的开展方向(1)染料我国染料工业在保持产量和出口为世界第一的根底上，要实施总量控制。今后将重点开展分散染料、活性染料、功能染料和天然染料。逐步淘汰含有芳香胺的染料，禁止118种禁用染料的生产。大力开发中国适销对路的纤维素纤维用的复原染料、直接染料、硫化染料和酸性染料的新品种。重视功能性染料的开发和生产，功能性染料包括热敏染料、压敏染料、激光染料、液晶染料等，主要用于电子及信息领域，是迅速开展的朝阳工业，而且这类染料附加值较高。第一章概论(2)涂料：开展水溶性、环保型内墙和木器家具涂料、丙烯酸系列等防污染外墙涂料以及道路标志涂料。重点开展中高档汽车涂料、船舶涂料、卷材涂料、工业和民用的防腐和防火涂料等。涂料的水性化、粉末化、高固含量、低污染、〔必须大力解决溶剂型涂料剩余总挥发分(VOC)高、对环境污染、影响人体健康的问题。〕节能型和环保型是当今世界的开展方向，也是我国涂料工业的开展方向。(3)农药为适应农业绿色、环保的要求，根据高效(单位用药量低)、平安(对人畜、环境平安，即低毒或无毒及低残留或无残留)、经济(用药本钱低)和使用方便(高效剂型)的农药工业的总体开展方向，今后我国农药行业开展的中心任务是实施总量(包括生产能力、产量及生产厂点)控制，淘汰高毒、高残留农药。大力开展生物农药，用酶催化技术、手性化合物的拆分、转位和定向异构技术，以及定向合成等新技术，提高农药企业生产的技术水平和产品质量，降低生产本钱，以满足市场利益增长的需求增强在国际市场的竞争力。第一章概论(4)医药重点开展生物芯片，转基因动、植物，基因治疗药物，基因工程疫苗，基因工程药物及新剂型等生物技术与产品；心脏血管疾病防治药物，抗肿瘤药物，抗感染药物(含抗菌、抗真菌、抗病毒药物)等新型化学合成药、半合成药；天然资源的人工培良技术和产品、天然资源的良种选育、天然药材代用品等中药现代化技术；缓、控释放制剂技术(包括固体、液体和复方)、控制释放药膜、缓释释放系统、微胶束释放系统、口服或舌下缓释给药系统等新型制剂技术与产品；生物医学材料及体内植入物和人造器官等其他新药技术和产品。(5)中间体精细化工：中间体是生产化学医药、农药、染料、颜料、橡塑和化纤助剂、水处理剂、香料香精等精细化工产品的重要原料，有较好的国内市场和出口前景。目前我国需用的精细化工中间体约3000种以上，年需求量约1200万吨，而生产能力仅为750万吨，供需缺口较大。第一章概论(6)助剂：橡胶助剂的生产将重点开展防老剂4020，使之逐步形成主导产品，加快淘汰防老剂甲、防老剂丁等有致癌毒性的苯胺类防老剂的速度；采用新工艺和新技术以减少橡胶助剂生产时三废对环境的污染，以及产品在应用时的二次污染。塑料助剂的生产主要品种有增塑剂、热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂、阻燃剂、发泡剂、偶联剂、抗冲改性剂、抗静电剂和润滑剂等。助剂大类产品增塑剂将重点开展柠檬酸酯类无毒增塑剂，苯甲酸酯类耐污染增塑剂，N—烷基取代的脂肪酰胺类耐寒增塑剂。热稳定剂将向无镉低铅无尘化方向开展。阻燃剂应向低毒、低烟(或抑烟)、低腐蚀、无毒化方向开展，微细或超细的高流动易分散活性氢氧化镁等无机阻燃剂、P—N类磷系无机阻燃剂将有较好的市场。迅速开发聚苯硫醚(PPS)等耐高温特种工程塑料及高分子合金的加工以及塑料制品屡次回收利用所需的助剂。总之，高效、特效、无毒、无公害的复配、多功能化是塑料助剂开展的总趋势。第一章概论(7)纳米材料超细超微细的粉体工程已将无机和高分子材料推向了新的开展阶段。将无机和高分子制成了粉体材料，从而成为高性能的精细化学品。在制备过程中有的方法必须要添加抗凝剂或分散剂、抗静电剂等外表活性剂，通过其作用制得各种超细和超微细的粉体材料(特别是纳米材料)，这些粉体材料具有高比外表积、优异的导热和光学性能、高的耐磨性、极好的遮盖性、高吸附性、多功能性等各种特异性能。根据这些粉体材料的特性，又可将其用于精细化工产品的制备，如制备高活性的催化剂、多功能的化装品、药品、涂料、粘合剂、外表活性剂、磁性记录材料、塑料和橡胶等高分子材料合成和加工的改性剂及填料等。第一章概论(8)电子化学品电子化学品在我国属于高新精细化工产品。为满足电子工业的需要，“十五〞期间到2021年年增长率应保持在15％，预计2021年电子化学品的市场销售总额将从2000年的80亿元翻一番；总体技术水平应到达国际90年代末和21世纪初的先进水平；在集成电路和分立器件用化学品、彩电用化工材料、印刷线路板用化工材料和液晶显示器件用化工材料等方面都将有较大的开展。重点开展高纯度光刻胶、灌封料、超净试剂、超纯气体和无机精细化学品。(9)食品添加剂随着人民生活水平的提高，对食品添加剂的需求将会越来越多，预计2021年会超过450万吨。食品法规对食品添加剂的要求也越来越严格。那些档次高、营养和功能兼备的食品防腐剂、乳化增稠剂、抗氧剂、酸味剂和调味剂、食用天然色素、食用香料、低热值高甜度的甜味剂、营养强化剂等将在食品工业得到广泛应用。第一章概论(10)饲料添加剂为了提高饲料效果，节约粮食，今后我国配合饲料的比例将会得到迅速开展，预计2021年我国对饲料添加剂的需求将超过250万吨。其中，蛋氨酸、赖氨酸、丙酸及丙酸盐、烟酸及烟酰胺、双乙酸钠、维生素E、饲料磷酸盐等都将进一步得到开展。(11)皮革化学品为了进一步发挥我国猪皮、牛皮和羊皮资源丰富的优势，2021年德阳、开封及其他皮革化学品生产基地将配合制革工业研制和生产更多的高、中档鞣剂、加脂剂、涂饰剂、助剂、专用染料等皮革化学品，预计2021年我国市场需求可超过45万吨。(12)油田化学品为满足我国低渗透、非均质、稠油和石蜡基油为主油藏的特点以及早期注水开发的需要，2021年中国需勘探用化学品；钻井泥浆、采油用化学品；集输用化学品及第一章概论水处理用化学品140万吨以上，三次采油用聚丙烯酰胺、黄原胶等高分子驱油剂和外表活性剂驱油剂将得到重点开展。(13)造纸化学品随着我国科学文化和生活水平的进一步提高，对信息用纸、胶印用纸、医药用纸和各类高档生产用纸的需求将更迫切。但中国造纸用木浆短缺，主要靠草浆造纸和废纸回用，纸的质量不高，三废污染极其严重，更需配套的造纸专用精细化学品予以补强、助留、助滤、脱墨、施胶、涂布、消泡等。预计2021年我国需各类造纸专用化学品60万吨以上。(14)胶粘剂随着汽车、建筑、电子、石化等支柱产业及其他行业的迅速开展，2021年对胶粘剂的需求预计可达600万吨以上，其中合成胶粘剂将为天然胶粘剂的1.2倍以上。为满足节能和环保的要求，溶剂型环保胶粘剂、水基胶和热熔胶将得到尽快的开展。第一章概论(15)水处理化学品中国对水处理工作将更加重视，2021年对水处理化学品的需求预计超过400万吨，将重点开展高效絮凝剂、非磷类新型高效阻垢分散剂、缓蚀剂、杀生剂、微生物降解的聚天(门)冬氨酸等绿色水处理剂、复配药剂及配套的水处理技术，并将和节能、环保工作紧密结合。(16)外表活性剂我国外表活性剂在2021年的需求量预计会超过160万吨。抚顺市外表活性剂生产基地将与外表活性剂原料生产企业紧密结合，加强活性物和复配物的研究开发和生产，使阴离子、阳离子、两性离子、非离子和特种外表活性剂按市场需求的比例协调开展，烷基糖苷、N—月桂酰肌氨酸钠等可生物降解的外表活性剂将得到开展。我国外表活性剂的研究开展方向是绿色外表活性剂，及人体的温和性，平安性及环境的相容性好。目前已有的绿色外表活性剂的品种为烷基多苷〔APG〕，醇醚羧酸盐〔AEC〕，脂肪酸甲酯乙第一章概论氧基化物〔FMEE〕，葡糖酰胺〔AGA〕，脂肪酸甲酯磺酸钠〔MES〕新型二性外表活性剂，功能性外表活性剂和特种外表活性剂等。业界对于外表活性剂乃至整个精细化工的研究，开发，生产和应用达成的共识为应该遵循三E〔Efficiency效率，Ecology生态，Economy经济〕和三R〔Reduce减排，Reuse再使用，Recycle再循环〕的原那么，走绿色化和可持续开展的道路。(17)生物化工我国生物化工技术将作为高新精细化工，作为生物技术产业化的关键得到迅速开展，预计2021年其产值将超过400亿元。化工生产基地和产学研结合的全国生物化工科研生产企业将重点开展生物高科技医药产品，用生物加工技术，通过大规模过程集成，使农业、林业及其他可再生资源得以充分利用，用洁净的生物加工工艺取代传统的有污染的生产工艺以消除污染。重点开展聚丙烯酰胺、长链二元酸、糠酸、微生物多糖等，其生产技术具有优势，应用广泛，第一章概论应做大做强，形成拳头产品；植酸酶生产技术在世界上居领先地位，应迅速形成生产能力，满足市场需求；碱性蛋白酶(利用中国水产研究院黄海水产研究所863攻关成果)；海藻多糖裂解酶，高纯低聚异麦芽糖，生物法扁桃酸、脂肪酸单甘酯、丙酮酸等，都有明显的技术创新性，应不失时机地迅速实现产业化。随着环保产业的开展，聚丙烯酰胺及其衍生物将在饮用水、生活用水、钢铁、化工、印染及其他水处理中得到更广泛的应用，在油田、造纸、采矿、制糖、纺织等领域更将会发挥它絮凝、增稠、助滤等优良性能。预计2021年需求量可达l7万吨。将重点开展生物法合成的丙烯酰胺单体和不同分子量、特别是超高分子量聚丙烯酰胺。第一章概论(18)催化剂催化剂是精细化工11大类中的一个重要门类，是化工生产中的核心技术，多年来，在我国科研和生产企业对催化剂都很重视，已建立了一套研制的程序和创新方法。预计今后，我国在催化剂创新上会更上一层楼，困扰中国和世界的苯酚羟基化制邻二酚方面预计由我国创新的新型催化剂将有新的突破，这种产品受制于人的局面将被翻开。稀土资源我国最为丰富，以稀土元素的铈、镨和钕等制造催化剂用于化肥工业、有机合成工业、合成橡胶工业、涂料工业，今后将更有作为。用于聚烯烃的茂金属催化剂，今后我国将会迅速开展。2021年我国新领域精细化工需求预测见表1.7第一章概论表1.6中国化工园区总汇

第一章概论第一章概论

第一章概论表1.72021年我国新领域精细化工需求预测“十二五〞期间．我国精细化工产品的需求将保持稳定的增长态势，特别是功能涂料及水性涂料、染料新品种及其产业化技术、重要化工中间体绿色合成技术及新品种、电子化学品、高性能水处理化学品、功能型食品添加剂、高性能环保型阻燃剂、高性能橡塑助剂等都将成为精细化工技术开发和产业化的重点。预计2015年我国精细化工的产值将超过1.6万亿元，比2021年增长一倍，跻身世界精细化工大国和强国之列。因此，精细化工的市场前景广阔，有较多的开展时机，其中新领域精细化工将是投资的重点。精细化工实验的设计方法和过程一、小试小试的目的是验证技术设想，打通工艺流程，寻求适宜的制备或应用条件，找出技术关键，为中试打根底。〔一〕实验设计精细化工的技术开发，无论是进行合成实验，还是复配实验或应用实验．一般都要考察多种影响因素，而且要找出各项因素保持什么水平〔例如用量，温度，压力等〕时，才能得到最正确或接近最正确的效果。假设要考察的因素有7个，对每种因素要考察的水平有2个，假设按常规作法，那么是使其它因素固定在某一水平上不变，而依次地改变每一个因素的每一个水平进行实验，这样就要进行128次(2的7次方)实验，消耗很多人力、财力、物力和时间。人们利用数理统计的原理，设计了一种正交表，采用正交表来安排实验，称为正交实验设计法。该法将各种因素的各个水平均衡分散，适当组合成表格．使不同因素不同水平的组合在表格中出现的次数相同，使实验条件具有整齐可比性，因而以较少的实验次数就能到达上述屡次实验的目的。如按正交表来设计上述7种因素、每种因素2个水平的实验时，一般只需要进行8次实验即可，仅为128次的1／16。这种方法在精细化工的实验设计中经常运用。用正交表安排实验，用级差分析和方差分析找出优化的工艺条件以后，还要按此条件进行2一5次重复实验，如果结果误差不大。即可定论。当然还有其他的优化实验的方法，我们在第二章作介绍，请参考有关书籍。〔二〕实验内容1．合成2．精制〔后处理〕后处理包括对产物的别离和提纯，以及对产物的外表、晶形、颗粒等作某些特殊处理。3．结构表征和分析测试4．复配复配是使产品系列化，形成产品群的主要手段。复配讲究组分之间的相容性、互补性与协合效应5．加工成型〔如不同孔径的分子筛〕6．复合〔如材料的复合〕7．应用开发新产品只有得到了用户的认可，才能占领市场。实际上进行应用开发与技术效劳所投入的一切已包括在附加价值之中，所以应该认识到精细化工产品是连同加工应用技术一起出售的商品。如果试制品在应用中接触人体或食物时，正要进行动物试验，以证实平安无害，这种试验往在需要较长时间，其结果需经卫生部门认定。二、中试中型试验的目的有5个；1.验证小试结果。观察放大效应；2.发现工程上的问题，研究工业设备的合理设计：3.提供较多的样品进行半工业化应用试验；4.考察环境污染和平安卫生状况，研究防治措施；5.培训生产人员。所以中试是将小试成果转化为生产力的重要中间环节。但如果对同类产品的工业化已经积累了足够的数据和经验，而且放大效应不大时，也可省去中试而直接进入生产性试验。〔一〕实验设计与编制进度方案中型试验的实验设计也可采用正交实验设计法。但一般在小试中应尽量找出最正确工艺条件，中试时仅予以验证或作某些必要的调整。由于中试的装置较大，消耗的人力和原料较多，故一般不再进行系统的条件试验。中试一般要编制进度方案，内客包括装置布局、设备设计、制造与安装，空运转、投料运转，必要的调整试验，按最正确条件迸行重复试验，总结并提出生产性试验方案。〔二〕实验内容1.中试应该请熟悉生产和设备的人担任组长。在小试已经确定工艺流程以后，中试组长就可以开始了解小试情况，同时提前安排设计人员进行中试装置与设备的设计。设计方案的选定要与小试人员和有关的熟练工人充分讨论。参加中试的人员最好是比较熟练的人员。小试人员也应该在运转阶段参加中试，以增强生产意识和工业化概念。在中试开始阶段，最好先不要拆掉小试装置，以便在中试过程中按需要补做小型实验。2.中试设备的设计不能按定型设计考虑，应该创造条件，以便于寻求未知的设计参数。譬如设置必要的取样口和检测点，反响釜的搅拌可变速，桨叶可更换的等。即使采用定型的设备也要考虑到如何取样，如何调节和检测流速、温度、庄力、转数等问题。不能完全模仿小试设备进行简单的放大。设备材质的选择也很重要，它不仅关系着设备的寿命，也关系着产品的质量。对于没有掌握材质性能的设备应进行挂片试验。设备必须满足工艺要求，而不能让工艺条件去迁就设备。先进的生产设备是创造产品高质量提高生产效率的根本条件之一。3.中试不仅要提供技术数据，还要提供经济数据、平安卫生和环境保护数据。所以当找出最正确条件并能稳定控制以后．要进行一定时间或一定次数的重复试验．进行物料平衡和热量平衡计算，统计人工和水、电、汽消耗量，估算生产本钱。同时还要检测车间内的易燃易爆和有毒有害物质浓度以及环境污染物质的排放浓度和排放量，以平安卫生标准和污染物排放标准为目标进行防治措施试验。4.中试的另一目的就是要提供足够的试制品进行半工业规模的应用试验，并对试制品进行商品化设计。为此中试需要保持一段时间的长期稳定运转。半工业规模的应用试验应该完全模仿用户的实际应用条件进行，一般是在用户单位与用户合作进行；如果本企业有条件，也可在本企业进行，但也要与用户合作。根据用户合理的意见进行改进定型。5.商品化设计不仅要考虑有利于发挥产品功能、使用方便、美观、经济等因素，还要仔细研究用户的心理。例如，1966年美国杜邦公司投入约6000万美元开发了一种全合成人造革，其柔韧性、耐磨性和强度都很好，但由于没对其外表进行纹理加工，看上去不像牛革．结果到1971年被日本库拉列公司的产品挤出了市场。又如．美国斯喷瑟公司曾开发出一种效果很好的除草剂，但必须用特制的喷洒器。结果农民们不愿意多花钱另买专用的喷洒器，以致影响了销路。所以不能简单地认为产品就是商品，而应该认识到产品的商品化是一门专门的学问。人们称产品的商品化设计为“工业设计〞，它是由人体工程学、经济学、技术学、生态学、人文学、社会学以及美学，甚至生理学、仿生学、生物机械学等学科组成的一门综合性的系统工程。它以人的需求为出发点，以满足人的需求为归宿．核心是为消费者效劳，使产品更具有魅力、更美好、更适销对路。此外，产品假设需要进行使用寿命试验。也要在中试阶段进行。6.在中型试验过程中要对生产人员进行培训。培训的内容包括工艺原理，仪器和设备的结构与使用方法，原料性质与规格要求，操作规程与生产控制方法．产品性质与规格要求，可能出现的事故及其预防与应急措施，废气、废水和废渣的排放标准与排放方法以及本卷须知，对试验记录的要求与记录方法，数据整理方法，本工序与上、下工序的关系等。对于分析、仪表、机修人员也要分别进行相应的培训。7.作为一个精细化工企业．最好是有一个常设的中试车间，其中装有不同大小和型号的常用设备，可以用软管任意连接起来，构成一套或几套柔性试验装置。有中试任务时，可以用它进行中试，有类似的产品订货任务时也可以用它先作试验，然后再交生产车间正式生产。8.中试结果中试最后应该提供出根本上可以工业化的开发成果，包括工艺设计，设备的主要设计参数和平面布置，原料、半成品和成品的质量标准与检验方法，产品的应用范围与效果，生产操作规程与控制方法，平安卫生标准与事故预防方法，废水、废气、废渣治理措施，本钱与效益估算，投资及其回收期估算等。各项操作规程与方法必须具体、准确而有效。三、生产性试验生产性试验是正式投入生产前的总演练。如果是新建的生产车间，就叫做试运转或简称试车。如果是利用现有的生产设备或稍加改动，而主要是换用新原料或试制新品种的试验，就叫做生产性试验，二者之间没有严格的界限．以下统称为生产性试验。生产性试验的目的是验证中试结论，取得有把握工业化的成果。在生产性试验中要注意的问题有如下几点；1.生产性试验应该在有90％以上成功的把握时进行，因为是正式的工业规模试验，投入的人力、财力，物力较多，只能搞好、不能搞坏。一般作为应用技术的开发来说，探索性实验只要有50％的成功把握即可进行；但正式立项时，小试至少要有70％成功的把握；中试至少要有80％成功的把握，才能进行，一切可能出现的偏差现象和事故，最好是在小试阶段或最迟在中试阶段让它们充分地暴露出来．并研究出防止措施，以保证生产性试验的顺利进行。如果达不到上述的有把握程度，最好不要轻易进行中试和生产性试验。2.进行生产性试验以前也必须对参加的人员进行培训，培训的工程与中试相同，但内容应结合生产装置的实际情况。培训时要在装置上进行模拟演练，特别是对于排除故障以及事故处理的紧急措施。要非常熟练，必须做到有条不紊。如果是新建的或闲置未用的设备，要先进行空车试运转，经检查无问题后，再投料进行试验。参加过小试和中试的人员都要参加生产性试验，并且要以中试人员为骨干来进行。3.在生产性试验中，除非确有必要，一般不对技术指标作大幅度的调整。但生产工序必须配套齐全，即从原料投入直到商品化包装乃至三废治理等辅助工序应有尽有。试验记录不能仅限于技术数据，还要特别注意将中试中难以确切得到的水、电、汽、人工消耗以及三废治理等经济数据和社会影响数据统计齐全，以便确切说明可能产生的经济效益和社会影响。4.如果方案在承担固定产品生产任务的车间借用设备进行生产性试验时，最好是选择试验成功后准备就在那里正式投入生产的车间，井按生产性试验所占用的时间削减该车间的生产任务。应该鼓励生产车间关心新产品和新技术的开发。5.生产性试验是完整的工业规模试验，它所提供的应该是完全有把握工业化的成果，生产性试验完成后，即可进行鉴定。如果在所开发成果的工业化方面已经积累了丰富的经验或放大倍数不大时，也可不经生产性试验而直接工业化。在鉴定中与国内外同类产品进行比照时．应该是以小试样品比小试样品，以工业产品比工业产品．而不可以小试样品比工业产品。如果在试验中发现某些设备需要调整时，那么应调整好以后再进行鉴定。在鉴定会期间，装置必须保持运转状态。生产性试验的时间不宜过长，因为它需要投入的人力，财力、物力较多。总之，精细化工的生命力来源于有远见的经营战略和依靠科技进步、提高人员素质、不失时机地开发创新。因此，第一，必须拥有强大的技术开发队伍和比较完善的试验条件．能针对市场需求及时完成新产品的开发和应用技术开发，并能及时将开发成果转化为生产力；第二，必须关心有关学科和行业的新成就，善于采用有关的先进技术；第三，要善于与高等学校、科研院所协作，加强根底研究，突破一点、开发一片；第四，要培养既了解生产技术，又了解应用技术的复合型人才，以便与用户建立共同语言．能想用户所想、急用户所急；第五、要善于消化吸收国外的先进技术，并在此根底上开发创新，不断创造自己的技术优势，提高国际竞争能力。所以经营管理人员、销售人员，技术人员、研究人员、信息人员；都要学会按国际标准来衡量事物，要熟悉国外需要的商品，开发趋势，质量标准、本钱、规模如何，以及税制、法律等。1.4本课程所讨论内容第一章.概述〔有关资料〕第二章优化实验方法及评价第三章香料及香精第四章合成材料助剂第五章粘合剂第六章感光材料第七章新技术和进展第二章优化实验方法及评价2.1正交试验设计在中国70年代,我国对日本的方法进一步加以改进,简化，并进行了推广.实践证明,正交试验设计是最受科技人员欢送的几种方法之一.用它安排各种科学试验,确实简便易学,效果显著。为什么要进行正交试验是研究与处理多因素实验的一种科学方法。全面试验：每个因素的每个水平都相互搭配进行试验例：3因素4水平的全面试验次数≥43=64次正交试验设计(orthogonaldesign)：利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法例：3因素4水平的正交试验次数：16

第二章优化实验方法及评价正交表(orthogonaltable)〔1〕等水平正交表：各因素水平数相等的正交表①记号：Ln(rm)L——正交表代号n——正交表横行数〔试验次数〕r——因素水平数m——正交表纵列数(最多能安排的因素个数)第二章优化实验方法及评价正交表符号的意义

第二章优化实验方法及评价等水平正交表举例常用正交表见有关参考书第二章优化实验方法及评价等水平正交表特点表中任一列，不同的数字出现的次数相同表中任意两列，各种同行数字对〔或称水平搭配〕出现的次数相同两性质合称为“正交性〞：使试验点在试验范围内排列整齐、规律，也使试验点在试验范围内散布均匀第二章优化实验方法及评价正交表的正交性〔以L9(34)为例〕正交表的特点：以下两点称为正交性：每个列中，“1〞、“2〞、“3〞出现的次数相同；任意两列，其横方向形成的九个数字对中，恰好〔1，1〕、〔1，2〕、〔1、3〕、〔2，1〕〔2，2〕、〔2，3〕、〔3，1〕、〔3，2〕、〔3、3〕出现的次数相同；而均衡分散，整齐可比，代表性强，效率高是正交表的特点。均衡分散：试验点在试验范围内排列规律整齐整齐可比：试验点在试验范围内散布均匀第二章优化实验方法及评价另外还有混合水平正交表：第二章优化实验方法及评价混合水平正交表性质：〔1〕表中任一列，不同数字出现次数相同〔2〕每两列，同行两个数字组成的各种不同的水平搭配出现的次数是相同的，但不同的两列间所组成的水平搭配种类及出现次数是不完全相同的第二章优化实验方法及评价正交试验设计的优点：能均匀地挑选出代表性强的少数试验方案由少数试验结果，可以推出较优的方案可以得到试验结果之外的更多信息第二章优化实验方法及评价例1某工厂想提高某产品的质量和产量，考察了工艺中三个主要因素：温度〔A〕，时间〔B〕，加碱量〔C〕，每个因素各选三个水平进行试验〔见表〕。试验的目的是为提高合格产品的产量，寻找最适宜的操作条件。〔忽略因素间的交互作用〕

第二章优化实验方法及评价本例有三种方法安排实验：〔三种试验方案的比较〕a.全面试验第二章优化实验方法及评价全面试验的优缺点优点：对各因素于试验指标之间的关系剖析得比较清楚。缺点：试验次数太多，费时、费事，当因素水平比较多时，试验无法完成。例如选六个因素，每个因素选五个水平时，全面试验的数目是56=15625。第二章优化实验方法及评价b.简单比较法第一步，先将B和C固定在某水平，只改变A，观察因素A不同水平的影响。作了如下的三次试验：B1C1A1，B1C1A2，B1C1A3。发现A=A3的那次试验的效果最好，合格产品的产量最高，因此认为在后面的试验中因素A应取A3水平。第二步，将A固定在A3水平，将C固定在某水平，改变B，作三次试验：A3C1B1，A3C1B2，A3C1B3。发现B=B2的那次试验效果最好，因此认为因素B宜取B2水平。第三步，固定A3B2，改变C，作三次试验：A3B2C1，A3B2C2，A3B2C3。最后发现，在A3B2条件下，因素C宜取C3水平。图可见试验点存在局局部布现象第二章优化实验方法及评价简单比较的优缺点优点：试验次数少缺点：考察的因素水平仅局限于局部区域，不能全面地反映因素的全面情况，找不出影响质量的主要因素，无法再在三水平外继续找更好的配比组合(水平)。如果不进行重复试验，试验误差就估计不出来，因此无法确定最正确条件的精度。第二章优化实验方法及评价C正交试验设计安排实验：本例可选用正交表L9(34)，只需要作9次试验，如果将A，B，C三个因素分别安排在正交表的1，2，3列，那么试验方案为A1B1C1，A1B2C2，A1B3C3，A2B1C2，A2B2C3，A2B3C1，A3B1C3，A3B2C1，A3B3C2可见，正交试验虽然只有9次试验，但这9个试验点分布得十分均匀〔如图2-3〕，它们是27次全面试验的很好代表。第二章优化实验方法及评价立方体上共有9个面，设对应于A1、A2、A3的是左、中、右三个面；对应于B1、B2、B3的是下、中、上三个面；对应于C1、C2、C3的是前、中、后三个面。每个面上有3个点，互不重复。第二章优化实验方法及评价正交试验的提出：考虑兼顾全面试验法和简单比较法的优点，利用根据数学原理制作好的规格化表——正交表来设计试验不失为一种上策。用正交表来安排试验及分析试验结果，这种方法叫做正交试验法。事实上，正交最优化方法的优点不仅表现在试验的设计上，更表现在对试验结果的处理上。第二章优化实验方法及评价正交实验的相关的概念试验指标：试验需要考虑的结果称为试验指标〔简称指标〕可以直接用数量表示的叫定量指标；不能用数量表示的叫定性指标。定性指标可以按评定结果打分或者评出等级，可以用数量表示，称为定性指标的定量化因素：试验中要考虑的对试验指标可能有影响的变量简称为因素，用大写字母A、B、C…表示水平：每个因素可能出的状态称为因素的水平〔简称水平〕正交试验设计的根本步骤：(1)明确试验目的，确定评价指标(2)挑选因素，确定水平(3)选正交表，进行表头设计(4)明确试验方案，进行试验，得到结果(5)对试验结果进行统计分析〔极差分析和方差分析〕(6)进行验证试验，作进一步分析2.2正交试验设计结果的直观分析法〔方差分析法〕1.单指标正交试验设计及其结果的直观分析例2-2：单指标：乳化能力因素水平：3因素3水平〔假定因素间无交互作用〕注意：为了防止人为因素导致的系统误差，因素的各水平哪一个定为1水平、2水平、3水平，最好不要简单地完全按因素水平数值由小到大或由大到小的顺序排列，应按“随机化〞的方法处理，例如用抽签的方法，将3h定为B1,2h定为B2,4h定为B3。下面我们按步骤进行：〔1〕选正交表要求：因素数≤正交表列数因素水平数与正交表对应的水平数一致选较小的表本例可选L9(34)〔2〕表头设计将试验因素安排到所选正交表相应的列中因不考虑因素间的交互作用，一个因素占有一列〔可以随机排列〕空白列〔空列〕：最好留有至少一个空白列〔方差分析需用〕〔3〕明确试验方案〔固定排列，可查表〕〔4〕按规定的方案做试验，得出试验结果注意：按照规定的方案完成每一号试验试验次序可随机决定试验条件的控制要严格〔5〕计算极差，确定因素影响的主次顺序三个符号的意义：Ki：表示任一列上水平号为i时，所对应的试验结果之和。ki：ki=Ki/s，其中s为任一列上各水平出现的次数R〔极差〕：在任一列上R=max｛K1,K2,K3｝－min｛K1,K2,K3｝，或R=max｛k1,k2,k3｝－min｛k1,k2,k3｝R越大，因素越重要，该因素为主要影响因素；本例A大于B大于C。假设空列R较大，可能原因：漏掉某重要因素；或因素之间可能存在不可忽略的交互作用。〔6〕优方案确实定优方案：在所做的试验范围内，选各因素较优的水平组合假设指标越大越好，应选取使指标大的水平假设指标越小越好，应选取使指标小的水平还应考虑：降低消耗、提高效率等在本例中，试验指标是乳化能力，指标越大越好，所以应挑选每个因素的K1,K2,K3〔或k1,k2,k3〕中最大的值对应的那个水平。即优选方案为A2B2C2但实际确定优方案时，还应区分因素的主次，对于主要因素，一定要按有利于指标的要求选取最好的水平，而对于不重要的因素，由于其水平改变对试验结果的影响较小，那么可以根据有利于降低消耗、提高效率等目的来考虑别的水平。例如，本例的C因素的重要性排在末尾，因此，假设丙种催化剂比乙种催化剂更价廉、易得，那么可以将优方案中的C2换为C3，于是优方案就变为A2B2C3，这正好是正交表中的第4号试验，它是已作过的9个试验中乳化能力最好的试验方案，也是比较好的方案。分析时可以画趋势图。〔7〕进行验证试验，作进一步的分析优方案往往不包含在正交实验方案中，应验证优方案是在给定的因素和水平的条件下得到的，假设不限定给定的水平，有可能得到更好的试验方案对所选的因素和水平进行适当的调整，以找到新的更优方案趋势图在画趋势图时要注意，对于数量因素〔如本例中的温度和时间〕，横坐标上的点不能按水平号顺序排列，而应按水平的实际大小顺序排列，并将各坐标点连成折线图，这样就能从图中很容易地看出指标随因素数值增大时的变化趋势；如果是属性因素〔如本例中的催化剂种类〕，由于不是连续变化的数值，那么可不考虑横坐标顺序，也不用将坐标点连成折线。2.多指标正交试验设计及其结果的直观分析有两种分析方法：综合平衡法综合评分法综合平衡法先对每个指标分别进行单指标的直观分析，得到每个指标的影响因素主次顺序和最正确水平组合，然后根据理论知识和实际经验，对各指标的分析结果进行综合比较和分析，得出较优方案例2：在用乙醇溶液提取葛根中有效成分的试验中，为了提高葛根中有效成分的提取率，对提取工艺进行优化试验，需要考察三项指标：提取物得率〔为提取物质量与葛根质量之比〕、提取物中葛根总黄酮含量、总黄酮中葛根素含量，三个指标都是越大越好，根据前期探索性试验，决定选取3个相对重要的因素：乙醇浓度、液固比〔乙醇溶液与葛根质量之比〕和提取剂回流次数进行正交试验，它们各有3个水平，具体数据如表例2所示，不考虑因素间的交互作用，试进行分析，找出较好的提取工艺条件。对三个指标分别进行直观分析：提取物得率：因素主次：CAB优方案：C3A2B2或C3A2B3

总黄酮含量：因素主次：ACB优方案：A3C3B3

葛根素含量：因素主次：CAB优方案：C3A3B2

综合平衡过程：因素A因素B因素C综合平衡结果：A3B2C3

趋势图综合平衡原那么：次服从主少数服从多数降低消耗、提高效率综合平衡特点：计算量大信息量大有时综合平衡难综合评分法①综合评分法含义：根据各个指标的重要程度，对得出的试验结果进行分析，给每一个试验评出一个分数，作为这个试验的总指标。进行单指标试验结果的直观分析法。确定较好的试验方案。②评分方法的类别：对每号试验结果的各个指标统一权衡，综合评价，直接给出每一号试验结果的综合分数。对每号试验的每个指标分别评分，再求综合分假设各指标重要性相同：各指标的分数总和假设各指标重要性不相同：各指标的分数加权和③如何对每个指标评出分数非数量性指标：依靠经验和专业知识给出一个分数(针对第一种情形)有时指标值本身就可以作为分数，如回收率、纯度等用“隶属度〞来表示分数：④例3：玉米淀粉改性制备高取代度的三乙酸淀粉酯的试验中，需要考察两个指标：取代度和酯化率，这两个指标都是越大越好，不考虑因素之间的交互作用，试验目的是为了找到使取代度和酯化率都高的试验方案。两个指标：取代度、酯化率两个指标重要程度不同：综合分数＝取代度隶属度×0.4＋酯化率隶属度×0.6⑤综合评分法特点将多指标的问题，转换成了单指标的问题，计算量小准确评分难。结果分析的可靠性，主要取决于评分的合理性，如果评分标准、评分方法不适宜，指标的权数不恰当，所得到的结论就不能反映全面情况。有交互作用的正交试验设计我们不作介绍。有兴趣的同学可以自己去看有关书籍。3.正交试验设计结果的统计法——方差分析法直观分析法〔方差分析〕的优点简单直观、计算量小直观分析法的缺点不能估计误差的大小，不能精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度，特别是对于水平数大于等于3且要考虑交互作用的试验。方差分析法的优点能估计误差的大小能精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度1.方差分析的根本步骤与格式用正交表Ln(rm)来安排试验试验结果为Xi〔i=1,2,…n〕〔1〕计算离差平方和①总离差平方和

②各因素引起的离差平方和第i列所引起的离差平方和：例如其中同理算出③试验误差的离差平方和方差分析时，在进行表头设计时一般要求留有空列，即误差列误差的离差平方和为所有空列所对应离差平方和之和：〔2〕计算自由度①总自由度：fT＝n－1②任一列离差平方和对应的自由度：fj＝r－1③误差的自由度：fe＝空白列自由度之和〔3〕计算均方〔离差平方和除以自由度〕以A因素为例

误差的均方：

注意：假设某因素的均方≤，那么应将它们归入误差列计算新的误差、均方〔4〕计算F值〔统计量〕各均方除以误差的均方，例如：〔5〕显著性检验例如：假设，那么因素A对试验结果有显著影响其它因素的影响分析一样。〔6〕列方差分析表〔7〕F检验和最优方案确实定计算的F值和查表中的F〔0.05〕或F0.01比较：当F值大于查表中的F〔0.05〕或F〔0.01〕时说明是显著性的影响因数，F值越大影响越大，优选时选几个水平中F值大的那个水平的因数作优选方案。如最优方案：A1B2C2，并和级差分析的结果作权衡比较，作出最后的选择。注意：Fa〔由f因和f误查表〕得到，称为F检验的临界值。a－称为F检验临界值的置信度，或显著性水平。当F因＞F0.05的值时说明有95％〔1－0.05〕的把握证明这个因素的影响是显著性的。同样：F因＞F0.01的值时说明的有99％〔1－0.01〕的把握说明这个因素的影响是显著性的。一般来说：F因＞F0.05和F0.01时为高度影响记为**；F因≤F0.05有一定得影响，记为*；F因≤F0.1无显著影响。a的选择：当实验精度很差时，a可取较大，反之取小值。某例中的方差分析的结果：因为，当a=0.05时，Fa〔2,2〕=19.0当a=0.01时，Fa〔2,2〕=99.0因此我们有99%的把握说温度A对转化率的影响是显著地，而C的影响比B要大一点。因此最正确条件也是A3B1C2，和极差分析相同。其它的实验设计方法还有优选法。回归分析，均匀设计，贯序实验等。我们不作介绍了。2.2单因素优化实验设计1.均分法均分法是最古老的实验设计方法，对只有一个影响因数的试验，首先确定试验区间与试验指标．均分法的适用条件是在整个实验区间，实验指标与因素之间的关系函数〔即指标函数〕为一连续函数。使用均分法时，因数X的取值〔实验点〕均匀地分布在整个实验区间，假设实验区间为〔a，b〕，总共方案进行n次实验，那么实验点可按下式计算：式1：均分法各实验点的分布如以下图所示：〔均匀取点，可多可少〕均分法的优点是得到的实验结果可靠、合理，可以适用于各种实验目的，缺点是实验工作量大。2.对分法对分法的目的在于求得因数取值为多少时实验结果最正确，其适用条件是根据一次实验结果就能得到下一次实验的方向。假设实验区间力〔a，b〕，那么第一次实验点为〔a+b〕/2，根据这次实验结果，实验者判断下一次实验的区间，删除整个实验区间不需要〔不好的实验结果〕的一半。第二次实验点选取仍为保存的实验区间的中点，根据第二次实验结果再删除一半的实验区间，如此一直做下去．直到找到最正确实验结果为止。例1假设某酸性