均匀设计法在催化剂制备中的应用
北京燕山石化公司研究院 史建公 华东理工大学催化所 朱晓苓如何安排实验，是一个十分重要和值得研究的问题。通常采用的实验设计方法有全面实验法和正交实验法（1）。全面实验法是让每个因素的每个水平都有配合的机会，并且配合的次数一样多，其优点是结论较精确，缺点是实验次数太多。正交实验法是使用一套规格化的正交表，排出最有代表性的实验，合理节省实验次数，并从实验数据中充分提取所需信息，特点是具有均匀分散、整齐可比性。
在催化剂研究中，活性组份的选择及组份间的配比、沉淀的
PH值及温度、陈化时间、焙烧温度；气氛等都是影响催化剂性能的重要因素，如何在较短的时间内，以较少的人力和物力，找到催化剂的最佳元素配比和制备条件在催化剂研究中显得日益重要。采用全面实验法和正交实验法有时显得力不从心。如3因素10水平实验，用正交法需要100次。另外正交表为了照顾“整齐可比”的特点，往往无法做到充分“均匀分散”。这启示我们在实验时，可以不考虑“整齐可比”，而让实验点在其范围内充分“均匀分散”，这种从均匀性出发的实验设计，称为“均匀设计法”（2）。１.实验设计与优化
丙烯氨氧化制丙烯晴（
AN）催化剂为M0-Bi-w-O系多组份复合氧化物结构，根据对催化剂制备条件的分析，选用沉淀的PH值、陈化时间（T）、沉淀温度（T1）和焙烧温度（T2）4个因素，每个因素取5个水平。由于考察因素的范围较广，水平较多，故采用均匀设计，对于4因素5水平，可用U5（54）安排5次实验即可，但考虑到5次实验次数太少。所得结论可靠性差，因此采用U9（94），做9次试验，以增加结论的可靠性，实验安排如表1、表2所示。 表l AN催化剂制备选用的因素和水平| 水平
因素 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
PH |
n |
n+1 |
n+2 |
n+3 |
n+4 |
T(min) |
t |
t+30 |
t+60 |
t+90 |
t+150 |
T1 （温度） |
I |
I+20 |
I+40 |
I+60 |
I+80 |
T2 （温度） |
m |
m+50 |
m+100 |
m+150 |
m+220 |
催化剂的制备过程及评价方法见文献（
3） 按表2中pH、T、T1和T2进行操作表
2 催化剂制备试验方案| 因素
试验号 |
PH |
T(min) |
T1 （温度） |
T2 （温度） |
E1 |
n |
t+30 |
I+60 |
m+50 |
E2 |
n+1 |
t+90 |
I+40 |
m+220 |
E3 |
n+2 |
t |
I+40 |
m+100 |
E4 |
n+3 |
t+60 |
I+20 |
m |
E5 |
n+4 |
t |
I+20 |
m+100 |
E6 |
n |
t+60 |
I |
m |
E7 |
n+1 |
t+150 |
I |
m+150 |
E8 |
n+2 |
t+30 |
I+80 |
m+50 |
E9 |
n+3 |
t+90 |
I+80 |
m+150 |
表
3 Y随反应温度（RT）的变化实验号 收 率 温 度 |
E1 |
E2 |
E3 |
E4 |
E5 |
E6 |
E7 |
E8 |
E9 |
E10 |
400 |
40.8 |
47.9 |
47.5 |
38.5 |
35.4 |
42.1 |
45.4 |
28.4 |
34.9 |
49.5 |
420 |
50.6 |
61.3 |
75.4 |
56.6 |
56.3 |
67.1 |
66.7 |
41.9 |
50.6 |
79.3 |
440 |
52.0 |
62.5 |
77.5 |
66.1 |
59.1 |
67.5 |
66.7 |
59.3 |
63.1 |
82.0 |
460 |
43.6 |
40.5 |
58.9 |
43.8 |
38.4 |
50.6 |
36.7 |
47.0 |
52.3 |
69.6 |
480 |
24.7 |
19.8 |
29.9 |
18.9 |
16.6 |
22.0 |
21.6 |
11.1 |
30.5 |
41.5 |
由表
3可见，每一催化剂的最佳反应温度均为440℃，因此以440℃各催化剂的单收为函数，对实验因素作二次非线性回归（3），得到如下方程：Y=
-1055.89-15.6919PH+0.4092T+0.05354T1+4.0226T2+3.9240PH2-1.4483*10T2+3.8919T12-3.6561×10T22复相关系数
K=0.9999，标准差S=0.1178说明回归方程是显著的。以收率作为约束条件，用复形法进行优化计算。获得最佳条件：
PH=n+4,T=t+150,T1=I+80,T2=m+100。以该条件制备催化剂E10。结果见表32.
结果与讨论（一） 均匀设计法在催化剂制备中的应用未见任何国内外文献报道。本文第一次将该法用于催化剂制备条件的优化，获得了初步成功。王宏巨（4）将该法应用于AN催化剂组份配比的优化，也取得了较好效果，表明该法可以用于催化剂研究领域。
（二）对本实验，如采用其它实验方法，实验的次数将大大增加，而均匀设计仅做9次， 既使水平数增加到9，实验次数也不增加，可见均匀设计在考察多因素、多水平实验时是非常优越的。3.对实验数据进行统计调优，效果明显，表3中调优前收率最高是77.5％，而调优后达到82．0％，足见统计调优是寻找最佳条件的好方法。
（三）由于均匀设计法放弃了整齐可比的特性，因此数据处理比较困难，必须采用回归分析。 参考文献 （1）汪锡孝编著，《试验研究方法》，湖南科学出版社， 1989 （2）任露泉主编，《试验优化技术》，机械工业出版社， p113-120.1987 ( 3 ) 史建公，华东化工学院硕士论文，15（1990）。 ( 4 ) 王宏巨，华东化工学院硕士论文， 90-99（1991）。