《中国化工贸易》应用田口方法设计苯酐精制的最佳控制参数_曹静.pdf.doc

化工进展976CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2015 年第 34 卷第 4 期本文来自于中国化工贸易杂志社 投稿邮箱： 应用田口方法设计苯酐精制的最佳控制参数曹静 1，林萍 2（1 盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000；2 新阳科技集团有限公司，江苏 常州 213127）摘要：采用田口品质设计方法来达到苯酐在精制过程中杂质参数的控制，找出顺酐、苯甲酸、苯酞、蒽醌及重组分的最佳控制指标，得到苯酐精制产品。首先设置可控因子水平表，由方差分析确定最佳试验条件；其次以 信噪比作为稳健性指标，采用望小设计方案，就模拟参数的稳健性进行了望小分析；最后以试验对分析结果进行了验证，确认此设计方法在本工程领域中创新应用的可行性。将此设计方法得到的参数控制结果应用于化工 生产实践，给出了精馏塔塔顶的最佳工艺控制指标，使苯酐的优等品率显著提高，对优化苯酐生产工艺具有直接指导意义。 关键词：田口方法；设计；方差分析；实验验证；生产中图分类号：TQ 2 文献标志码：A 文章编号：10006613（2015）04097605 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.04.013Designing parameters of refining phthalic anhydride by using Taguchi methodCAO Jing1，LIN Ping2（1Panjin Vocational and Technical College，Panjin 124000，Liaoning，China; 2Xinyang Technology Group Co.，Ltd.，Changzhou 213127，Jiangsu，China）Abstract：In order to find the best control indicators of benzoic acid，maleic anhydride，phthalide， anthraquinone and heavier components，the Taguchi quality design method was used to achieve control of impurities in refining phthalic anhydride. First，the controllable factors level table was set up by analysis of variance to determine the best test conditions. Second，the signal-to-noise ratio was used as an indicator of robustness to analyze simulation parameters robustness with the smaller-the-better design method. Finally，the results were verified by test. The feasibility of this design method was confirmed in this engineering field. The parameter control by the Taguchi design method was used in production practice，and the best process control indicators of the rectification tower top was recommended to achieve higher ratio of premium quality phthalic anhydride，providing guidance for optimizing phthalic anhydride production.Key words：Taguchi method; design; analysis variance; experimental validation; production苯酐，也叫邻苯二甲酸酐，是一种重要的有机号和热稳定色号两项指标偏高，尤其是热稳定色号化工原料，广泛应用于增塑剂、液体不饱和聚酯树指标，直接影响苯酐的优等品率，热稳定色号变差脂、合成纤维、塑料、制药等行业1。苯酐有多项也将影响到苯酐的下游产品的品质，使下游产品色品质指标，目前国内企业大多采用国家标准，苯酐度变差2。为解决以上问题，本文借鉴了田口品质品质主要与催化剂的性能、装置的工业设计、操作收稿日期：2014-06-24；修改稿日期：2014-11-22。条件及包装贮存条件有关。在催化剂使用后期，苯第一作者及联系人：曹静（1970），女，高级实验师。E-mail gy2936723酐品质变差的趋势越来越显著，主要表现在熔融色163.com。第 4 期曹静等：应用田口方法设计苯酐精制的最佳控制参数977设计方法3在汽车4、电工5、电子6、化工7、冶2田口方法设计模拟实验步骤金8、医药9以及纳米技术10等质量工程领域中应用的实用性，将田口品质方法引入到苯酐的化工工2.1降低苯酐的热稳定色号艺生产设计中，与传统的工艺设计相比：通过较少直接降低苯酐的热稳定色号，使热稳定色号越的实验、计算与分析获取优化后的设计参数，达到小越好，以提高苯酐的优等品率。了苯酐在精制过程中杂质的最佳参数控制，得到优2.2制定可控因子水平表等品邻苯二甲酸酐。综合工艺特点，找出对热稳定色号有直接影响1 田口方法设计模拟实验原理11的 4 种杂质，即顺酐、苯甲酸、苯酞、蒽醌及重组分。通过对苯酐装置工艺流程的分析12，由邻二甲为了减少实验次数，其他参数如硫酸色度、游苯氧化生产苯酐，其中顺酐、苯甲酸、苯酞、蒽醌离酸、灰分等其他一些指标均固定不变，选取可控及重组分是精苯酐中存在的主要杂质，根据 4 项主参数水平见表 1。要杂质的含量范围选取可控参数水平，结合邻二甲表 1苯氧化生产苯酐工艺制定模拟原理流程如图 1。可控参数水平表水平 顺酐/%苯甲酸/%苯酞/%蒽醌及重组分/%1000.010.0220.0010.0030.020.0430.0050.0060.040.08表 1 中参数的水平为随机排列，参数间交换作用可以忽略，综合考虑噪声因子，对表 1 中的每个方案做两个平行试验测得数据。3田口方法设计模拟实验数据分析3.1数据直观分析（表 2）3.2寻找最佳的试验条件图 1模拟原理流程应用 Minitab 软件分析静态田口设计，实际操作如下。图 1 中可控参数水平的单位皆为质量分数，可（1）保存上述工作表。控参数水平的选取依据有二：一是根据常州新阳科表 2技集团有限公司 2010 年 10 月采用南京石油化工研实验参数及结果ABCD热稳定色号 试验结果究院设计工艺，德国 BASF 催化剂生产技术，建成并投产 10 万吨苯酐生产操作指导作业书中的杂质 含量要求为顺酐小于 0.09%，苯甲酸小于 0.01% ， 苯酞小于 0.05%，蒽醌及重组分小于 0.09%；二是 根据公司近两年苯酐装置的实际生产数据所出现的 杂质含量而定。各杂质参数的可控范围分别为：顺酐 00.005%；苯甲酸 00.006%；苯酞 0.01% 0.04%；蒽醌及重组分 0.02%0.08%。在这些可控 参数水平的范围内，随机选取了 3 组可控参数水平 数据。可见，4 项杂质可控指标将直接影响苯酐产 品的热稳定色号。为了优化工艺参数的控制指标， 使精酐中所含杂质的含量控制在最佳状态，制定了 模拟实验步骤。试验 顺酐/%苯甲酸/%苯酞/%蒽醌及Y1Y2号重组分/%1000.010.024030200.0030.020.044550300.0060.040.08606040.0100.020.08605550.010.0030.040.02505060.010.0060.010.04504570.0500.040.04556080.050.0030.010.08555590.050.0060.020.023040978化工进展2015 年第 34 卷（2）选择统计DOE田口创建田口设计 选择 3 水平 4 因子设计确定确定在响应 数据中输入热稳定色号 Y1、Y2。（3）统计方差分析一般线性模型在响应 栏中输入 Y1在模型中输入 A B C D在因 子栏中输入 A B C D确定确定。3.3 各因子对指标影响程度大小的比较图 2 很直观地显示了 4 个因子对热稳色号影响 的差异，按照纵坐标极差从大到小的顺序，各因子对指标影响由强至弱的排序是 DCAB。因子 C、因子 D 是显著影响因子，因子 A、因子 B 是不显著影响因子。3.4对均值的方差分析（表 3）表 3SS 调整表来源自由度Seq SSAdj SSAdj MSFPA252.7852.7826.391.580.258B236.1136.1118.061.080.379C2369.44369.44184.7211.080.004D2936.11936.11468.0628.080.000误差9150.00150.0016.67合计171544.44P 值小于 0.05 为显著影响因子。因子 C 对应的P 值 0.0040.05，因子 D 对应的 P 值 0.0000.05，因此 C、D 在 0.05 水平下是显著的，因子 A 对应的P 值 0.2580.05，因子 B 对应的 P 值 0.3790.05，因此 A、B 在 0.05 水平下是不显著的。因子 C、因子 D 是显著的，所以要选择其最好 的水平，因子 A、因子 B 可根据工艺控制的实际情 况，考虑降低成本、操作方便来选择水平，最佳条 件应取 A1B3C1D1。3.5望小特性设计依据稳健设计的原理，在参数设计阶段先进行 信噪比分析，以信噪比作为稳健性指标，信噪比最 大的设计方案就是抗干扰性最强、稳健性最好的设 计方案。此设计目标为降低苯酐的热稳定色号，为 望小特性的设计， 依据数据直观分析表， 应用 Minitab 软件确定最佳参数设计方案，具体操作如 下：统计DOE田口分析田口设计在响应数 据栏中填 Y1、Y2选项望小确定确定，得 信噪比-主效应图（图 3）、信噪比响应表（表 4）、 均值响应表（表 5）。由图 3、表 4 和表 5 可见，显著因子为因子 C、 因子 D，因子 C 的 1 水平、因子 D 的 1 水平的信噪图 2均值主效应图第 4 期曹静等：应用田口方法设计苯酐精制的最佳控制参数979图 3信噪比主效应图表 4信噪比响应表（望小）3.6 验证试验数据结果水平ABCD按工艺参数 A1B3C1D1 做 5 次验证试验，测得3035353040133.3633.7933.1131.97热稳定色号为、 、 、 、 ，均达到预期目234.2434.1133.2434.10标值，热稳定色号都在 50 号以下，其平均值为 34 号。333.6633.3634.9135.194 结 论Delta0.880.751.813.22排秩3421本文通过田口品质设计方法对苯酐在精制过程中 4 个主要杂质参数进行了模拟研究，并对模拟研表 5均值响应表究结果进行了分析与实践，得到优等品邻苯二甲酸酐。苯酐的精制是通过精馏塔来完成的，给出精馏水平ABCD塔塔顶顺酐、苯甲酸、苯酞、蒽醌及重组分 4 个杂147.5050.0045.8340.00质参数的最佳控制指标（A1B3C1D1），使苯酐的优251.6750.8346.6750.83等品率显著提高，这对优化苯酐工艺生产操作具有349.1747.5055.8357.50直接的现实指导意义。Delta4.173.3310.0017.50排秩3421参 考 文献1崔小明. 苯酐生产技术进展及国内外市场分析J. 上海化工，比最大为33.11、31.97，因子 A、因子 B 为不显 著因子。由于此设计为望小，由表 5 可见，因子 A 的 1 水平、因子 B 的 3 水平均值最小，都为 47.50， 则最佳参数设计方案为 A1B3C1D1，这与之前方差2013，38（5）：30-36.2 贠建华，王宏悦，马林，等. 苯酐品质的影响参数J. 精细石油化 工，2001，6：1-5.3 李辉煌，高立. 田口方法品质设计的原理与实务M. 台湾：高立 出版集团，2013.分析的结果一致。（下转第 1028 页）1028化工进展2015 年第 34 卷性。尤为重要的是，该体系为非均相催化氧化体系， 杂化微球催化剂能够从体系中进行简易分离，经活 化处理后可多次重复利用，而催化性能下降不大。 本文仅对杂化微球的催化氧化脱硫性能进行了初步 的模拟研究，有关杂化微球在催化深度脱硫方面应 用研究的许多细节性工作正在进行之中。但目前实 验结果已表明，担载型杂化微球在深度脱硫方面具 有独特的优势，这种非均相催化氧化体系不仅有望 实现绿色催化氧化深度脱硫，并且对构筑非均相催 化微反应器具有普遍的借鉴意义。参考文献1 US EPA. Regulatory announcement：Heavy-duty engine and vehicle standards and highway diesel fuel sulfur control requirements. EPA420-F-00-057EB/OL. 2000. http：//otaq/diesel. htm.2 李宇慧，冯丽娟，王景刚，等. MoO3/Al2O3-H2O2 体系用于柴油催 化氧化脱硫J. 化工进展，2010，29（s1）：659-661.3 Yang R T，Hernandez-Maldonado A J，Yang F H. Desulfurization of transportation fuels with zeolites under ambient conditionsJ. Science，2003，301：79-81.4 Gao X，Du Z，Ding H，et al. Kinetics of NOx absorption into (NH4)2SO3 solution in an ammonia-based wet flue gas desulfurization processJ. Energy Fuels，2010，24（11）：5876-5882.5 Chapados D，Bonde S E，Gore W L，et al. NPRA AM-00-25R. Washington D C：National Petrochemical and Refiners Association， 2008.6 Filippis P D，Liuzzo G，Scarsella M，et al. Oxidative desulfurization ：Temperature dependence of organosulfur compounds oxidationJ. Ind. Eng. Chem. Res.，2011，50（18）：10452-10457.7 Boron D J，Deever W R，Atlas R M，et al. NPRA AM-99-54R. 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