石油產(chǎn)品理化性能和使用性能的近紅外光譜法預(yù)測
石油產(chǎn)品是烴的復(fù)雜混合物，無論那種石油產(chǎn)品，歸根到底都是由甲基、亞甲基、次甲基、芳基及烯基等官能團組成的。如果能通過某種實驗技術(shù)求得各功能團的量，就可以預(yù)測油品的性能。因此，出現(xiàn)了應(yīng)用波譜分析法預(yù)測油品性質(zhì)的技術(shù)，如核磁共振譜和紅外光譜。這些方法雖不能像色譜法那樣給出油品中各組分的量，但能準(zhǔn)確地鑒別各種功能團，快速地給出定量結(jié)果。
Meyer[4]采用汽油組分各功能團線性加合法，根據(jù)100M ^H NMR譜對汽油辛烷值進行了預(yù)測，結(jié)果表明汽油組分與辛烷值有相關(guān)關(guān)系，但不是嚴格的線性關(guān)系，為此依直覺所獲的啟示在估計時采用了權(quán)重系數(shù)。研究表明如果系統(tǒng)地應(yīng)用多元統(tǒng)計分析對振動光譜數(shù)據(jù)進行處理，同樣可建立適當(dāng)?shù)念A(yù)測油品性能的方法，這點已由Honigs[5]等的研究結(jié)果所證實。
1 石油產(chǎn)品的密度和折光率
對石油產(chǎn)品的密度和折光率的測定，有助于人們了解石油產(chǎn)品的組成及其貯存過程中質(zhì)量
的變化。在生產(chǎn)過程中，有助于對加工過程的調(diào)節(jié)。
石油產(chǎn)品的密度和折光率與油品的結(jié)構(gòu)組成有關(guān)。甲基的含量愈
高，密度和折光率愈小；亞甲基和芳基的含量愈高，密度和折光率愈大；次甲基含量升高，油品的密度和折光率隨之減小。甲基數(shù)目的增加意味著組成油品的烴的異構(gòu)化程度增大，使烴分子間的距離增大。用甲基、亞甲基和芳基在近紅外光譜區(qū)的泛頻譜帶，借助于多元統(tǒng)計分析方法對烷烴密度和折光率的預(yù)測相對誤差分別小于0.25%和0.67%[12]。
2 石油產(chǎn)品的蒸發(fā)性能
石油產(chǎn)品的蒸發(fā)性能通常用飽和蒸汽壓及餾程來表示。石油烴燃料的餾程及飽和蒸汽壓大致給出了液體燃料的沸點范圍及其中輕重組分的大體含量。不同油品，用途不同，對餾程和飽和蒸汽壓的要求也不同。
對于純物質(zhì)，在一定壓力下的沸點及一定溫度下的蒸汽壓均為定值，蒸汽壓是由物質(zhì)結(jié)構(gòu)所決定的。對烴類化合物，碳原子數(shù)相同時，以芳香烴的沸點為zui高，環(huán)烷烴和正構(gòu)烷烴次之，烯烴和異構(gòu)烷烴的沸點zui低。在同類烴中，沸點隨碳原子數(shù)的增加而升高。影響烴類蒸發(fā)性能的主要因素是液體分子間的范德華力。液體分子只有克服分子間范德華引力才能脫離液面。不同烴的結(jié)構(gòu)不同，分子間引力也就不同。分子間作用力愈大，液體愈不易蒸發(fā)，沸點愈高，飽和蒸氣壓愈低。有機同系物中，分子的偶極矩近似相等，電離能大致相等，所以分子間力主要取決于極化率的大小。同系物的極化率有加合性，因此分子量愈大，極化率愈大，沸點也就愈高[13]。
石油產(chǎn)品飽和蒸汽壓有一定值，但沒有固定沸點，而是存在一個沸騰范圍——餾程?；旌衔锏恼舭l(fā)性能取決于組成該混合物的各種烴的蒸發(fā)性能，是各種烴的蒸發(fā)性的線性組合。Zilberman[14]作了這方面的工作,并將其應(yīng)用于實時控制。油品甲基含量越高，組成油品的烴的異構(gòu)化程度高，各餾分點的溫度越低；亞甲基含量高，表明烴的分子量大，對應(yīng)餾分點的溫度也就高；芳烴的含量也對各餾分點的溫度呈現(xiàn)出“正”效應(yīng)。
3 油品的低溫性能
石油產(chǎn)品的低溫性能，通常用凝點、濁點、傾點、冷濾點及冰點等質(zhì)量指標(biāo)來表示。油品的低溫性能與組成油品的烴類組分有關(guān)。油品的餾分越輕，低溫性能越好；油品中正構(gòu)烷烴和水分含量高，油品的低溫性能就差。從分子的觀點來看，油品的低溫性能與組成油品的烴等物質(zhì)的分子間作用力有關(guān)。在一定的溫度下，分子間作用力使油品分子不能自由移動，油品即呈固態(tài)。石油產(chǎn)品分子間的作用力主要為色散力，色散力具有加合性，并且與分子間距離有關(guān)。油品分子間的色散力與組成油品的烴分子的異構(gòu)化程度、烴的種類及分子量等有關(guān)。直鏈結(jié)構(gòu)的分子規(guī)整，分子間的距離小，色散力大，低溫性能差，對應(yīng)直鏈結(jié)構(gòu)多，亞甲基的相對含量就高；支鏈結(jié)構(gòu)的分子規(guī)整性差，分子間的距離大，色散力小，低溫性能好，對應(yīng)支鏈結(jié)構(gòu)越多，甲基和次甲基的含量就高；芳香烴的存在，也會使低溫性能變差，原因在于芳香烴分子間有較大的色散力；分子量的大小也會影響油品低溫性能。
Lysaght[14]等應(yīng)用近紅外光譜測定了噴氣燃料的組成和冰點；史永剛[15]等選用柴油在1153nm、1193nm和1208nm處芳基、甲基和亞甲基的泛頻吸收，對柴油凝點進行預(yù)測，取得令人滿意的結(jié)果。對噴氣燃料冰點的測定也是十分成功的，并與北京分析儀器廠共同研制了近紅外噴氣燃料質(zhì)量指標(biāo)測定儀。石油化工科學(xué)研究院[16]進行了類似的研究，并研制成功近紅外石油組成分析儀。
4 石油液體燃料的燃燒性能
衡量石油液體燃料燃燒性能的質(zhì)量指標(biāo)有：辛烷值(汽油)、十六烷值(柴油)和煙點(噴氣燃料)。 液體燃料的燃燒性能決定于化學(xué)組成。對于汽油，不同烴的辛烷值是不同的，以芳烴和異構(gòu)烷烴的辛烷值zui高，正構(gòu)烷烴的zui低，而且隨著烴類異構(gòu)化程度的增大，辛烷值呈上升趨勢。含異構(gòu)烷烴和芳烴多的汽油，辛烷值就高。對十六烷值，正構(gòu)烷烴的十六烷值zui高，異構(gòu)烷烴次之，環(huán)烷烴較低，而芳香烴具有zui低的十六烷。無論是環(huán)烷烴或芳香烴，側(cè)鏈愈長，分支越少，十六烷值越高。含烷烴多的燃料，其十六烷值高，含芳烴多的烴類混合物不適于作柴油。煙點(無煙火焰高度)是控制噴氣燃料化學(xué)組成，保證其正常燃燒的主要質(zhì)量指標(biāo)。燃料中芳香烴含量高，則煙點(無煙火焰高度)愈低，燃燒性能愈差。液體燃料的燃燒性能直接與油品的結(jié)構(gòu)組成有關(guān)，即燃料中甲基、亞甲基、芳烴基等功能團含量的高低決定著噴氣燃料的燃燒性能。1989年，Kelly等應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)成功地預(yù)測了無鉛汽油的辛烷值[17]。史永剛等[18]也在1987年到1990年期間，應(yīng)用近紅外光譜研究了汽油的辛烷值以及鉛對汽油辛烷值的影響。人們也對柴油的十六烷值進行了測定[19]。鎮(zhèn)海石化已將近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于汽油的在線調(diào)合過程[20]。
