论近红外光谱分析技术及其在油品分析中的应用

梁　红

摘要：近红外光谱分析技术已成为上个世纪90年代以来发展最快的分析测试技术之一，当前，该技术被广泛应用在炼油厂的油品分析中，主要用来测定油品的许多物性参数近红外光谱在线分析方法是一种间接测定方法，使用先进的光谱统计技术和光缆技术，能快速准确地测定油品的辛烷值等物性参数，可以说，近红外光谱分析技术是分析油品质量的一种有效而便利的方法，具有相当的工业应用价值。

关键词：近红外光谱分析技术；油品分析应用；价值

近红外光谱分析技术已成为上世纪90年代以来发展最快的分析测试技术之一，近年来，近红外光谱作为快速分析技术已成功应用于许多领域，其优越性是快速，低耗，无污染，能在线分析，更适合于生产和控制的需要，是典型的绿色分析技术，在石油化工领域，近红外光谱的最早也是最成功的应用是测定汽油的辛烷值，此后多年中，近红外光谱几乎用于石油化工的各个环节，并取得了良好的应用效果和经济效益，

一、近红外光谱分析技术概论

近红外光谱(NIR)分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的重视，该技术给分析技术带来了一次新的革命。上个世纪90年代以来，近红外光谱在工业领域中的应用金面展开，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。因为近红外光谱采用光纤测量技术，实现了对处于危险和苛刻环境的对象的遥测，广泛用于过程分析。所以，近红外光谱分析技术对快速分析或实时检测是非常理想的技术手段，是大型石油化工等工业生产优化所必须依靠的重要分析技术之一。近红外光谱分析技术由近红外光谱仪器，化学计量学软件和各种校正模型等组成。近红外光谱仪器作用为提供被测样品的近红外光谱，作为分析的信息载体。化学计量学软件是用于关联光谱和性质的软件工具。而模型则是已经建立的定量或定性的工作曲线，反映样品光谱与性质之间的对应关系。

国际上，自上世纪90年代初，在线近红外光谱在炼油和化工过程中的应用发展得很快，广泛用于油品调合、原油蒸馏、催化裂化、催化重整、润滑油、乙烯裂解、加氢裂化和石油化工等主要工艺。根据近红外光谱实时提供的原料、各馏出口产物及中间产物性质，即时诟整和优化操作条件，实现对于生产装置的控制和优化。

二、近红外光谱分析技术的典型特点

首先，近红外光谱是一种间接分析技术，必须通过建立校正模型来实现对未知样品的定性或定量分析。近红外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分，并且三者的有机结合，缺一不可。其次，该技术能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次近红外光谱的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定。再次，样品无须预处理可直接测量。近红外光谱测量方式有透射、反射和漫反射多种形式，适合测量液体、固体和浆状等形式的样品，因此，用途很广。最大的优点就是无须对样品进行任何预处理，如汽油可直接倒入测量杯中或将光纤探头直接插入汽油中进行测量，操作非常方便，几秒钟内完成光谱扫描。最后，该技术可以进行光纤远距离测量。近红外光可以通过光纤进行远距离传输，可以实现距光谱仪以外的远距离测量，可将测量探头或流通池直接安装到生产装置的管线，实现在线测量，或环境苛刻以及危险的地方的现场测量。

三、近红外光谱分析技术在油品分析中的应用

石油是一种主要由碳氢化合物组成的复杂混合物，通过近红外光谱分析技术对石油及其产品的组成和质量指标的测试，有利于有效地利用石油资源、选择合理加工条件和提高石油产品质量。近红外光谱分析技术在汽油分析中运用较多，如近红外光谱快速测定汽油详细族组成、测定汽油辛烷值、测定汽油中乙醇、对汽油模糊聚类分析、在汽油调和中的运用等等，

(一)近红外光谱分析技术的工作原理。近红外光谱波长范围为700～2500 nm。含氢基团如C—H，O—H，N—H等在近红外区都有吸收。组成不同的油品在光谱图上有明显的各自特征吸收。由于不同基团产生的光谱在吸收峰位和强度上有所不同，随着样品组成的变化其光谱特征也将发生变化，这就为近红外光谱的定性和定量分析奠定了理论基础，另外，对油品而言，石油产品主要为含有各种不同的c—H基团信息的烃类化合物，例如甲基c—H(913nm)、烯烃C=H(895nm)，亚甲基c—H(934nm)和芳烃c—H(875nm)等基团信息，油品中不同结构的烃类化合物含量变化都会导致近红外光谱的变化，尽管这种变化非常细微，但通过化学计量学方法对光谱数据的处理，便能得到样品组成变化的信息，因为样品的性质如浓度以及各种物化性质均取决于样品的组成。当组成发生变化时，样品的性质如汽油辛烷值发生相应的变化，同时样品的近红外光谱也发生相应的变化。近红外光谱分析通过对样品的性质变化和其对应的近红外光谱变化直接关联，从而建立两者之间的定量或定性关系。

(二)近红外光谱分析技术应用在油品分析中的优点

首先，样品无须预处理可直接测量。近红外光谱测量方式有透射、反射和漫反射多种肜式，适合测量液体、固体和浆状等形式的样品，最大的优点就是无须对样品进行任何预处哩，如汽油可直接倒入测量杯中或将光纤探头直接插入汽油中进行测量，操作非常方便。其次，近红外分析技术为充分利用分析数据资源提供了手段。一般炼厂化验室为生产控制年均提供几十万或上百万个分析数据，但这些数据的利用率较低，但是近红外分析可以将这些宝贵的数据资源充分利用起来。根据样品的光谱图，能很快地确定被测样品与过去测定过的样品是否相同，如果相同，直接使用资源；如果样品不能被现有模型所覆盖，则再用所谓的标准方法进行分析，并将分析得到数据再放到模型库内，这样就避免了不必要的重复分析工作，节省大量费用，不断地积累了数据资源。最后，近红外分析与常规的标准分析(如GB)方法配合使用，起到双方互补的作用，不仅能够及时向生产控制部门提供分析数据，同时也节省了大量分析化验费用。

(三)近红外光谱分析技术适合油品质量快速分析

与许多油品分析方法相比，近红外光谱分析技术不仅是最新的，而且它的分析速度和分析效率也是最高的。使用近红外光谱分析技术在很短的时间内就可以分析油品的多种质量参数如汽油的辛烷值(RON MON)、馏程、组成(PONIA)、蒸汽压、烯烃(FIA)、苯含量、MTBE含量等；柴油的十六烷值、馏程、闪点、凝点、冷滤点、密度、多环芳烃、详细族组成、苯胺点等等。

(四)近红外光谱分析技术可以广泛地用于汽油调合及测定汽油组成方面。首先，汽油产品是多种汽油调合组分调合而成。在线近红外在汽油调合生产工艺中，能够及时提供各调合组分和成品的组成、辛烷值、烯烃含量、苯含量、蒸汽压和终馏点等重要质量参数。对于最大限度降低生产成本、保证产品合格和产品及时装车出库，不堵罐都有着重要意义。其次，近红外光谱(NIR)法作为一种快速分柄方法，被广泛应用于石油产品的性质及组成分析。其优越性是快速、低消耗、无污染、能在线分析，更适合生产和控制的需要。作为一科间接测试技术，近红外光谱方法是通过已建立的校正模型和未知样品光谱的采集，预测样品的性质和组成。当然要获得准确的预测数据，必须对试样光谱进行预处理，并且具备可靠的基础数据和正确的建立校正模型的方法。

参考文献：

[1]徐广通等，近红外光谱测定柴油十六烷值[J]，石油学报，1999，15(4)：65—66

[2]俞汝勤，化学计量学导论IM]，长沙：湖南教育出版社，1991，158--163

作者简介：

梁红(1973—)，女，辽宁省昌图县人，本科，大庆炼化公司质量检验部技术工程师