在線近紅外光譜分析技術在潤滑油加氫異構裝置上的應用

許育鵬， 劉 丹， 褚小立， 章群丹， 陳 瀑， 吳 梅

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

近年來，隨著中國汽車制造業和機械工業的迅猛發展以及環保節能要求的日漸嚴苛，對潤滑油產品的質量要求愈加嚴格，同時直接導致對高品質基礎油的需求大增。目前中國高品質基礎油以進口為主，國產能力較低。為了更多地占據市場，獲得更大收益，迫切需要提高國內高品質基礎油的生產能力。目前國內高品質基礎油的生產工藝主要是全加氫工藝，加工過程簡要為將煉油廠常減壓裝置得到的蠟油餾分進行加氫處理得到加氫裂化尾油，然后繼續對其進行加氫異構處理得到加氫異構基礎油[1]。整個加工過程涉及的工藝復雜、物料和產品種類多，任何一個環節的變化都可能給整個基礎油的生產帶來影響。

實時優化技術RTO(Real time optimization)是智能化煉油廠的重要支撐，可以為企業生產帶來更大的效益[2]。通過在線實時對潤滑油加氫異構裝置中間產物和最終產品的指標進行跟蹤監測，快速得到相關信息，可以及時為工藝參數的調整進行指導，更好地控制基礎油質量、增加產品收率以及節約分析成本。目前國內企業都是基于定期取樣送化驗室離線檢測的方式，對基礎油生產過程中中間產物和最終產品的黏度和傾點等重要性質進行分析。這種傳統分析方法耗時長、效率低，不能滿足持續穩定高效生產高品質基礎油的需求，也不滿足智能化煉油廠對數據快速感知的需求。因此，引入新的快速分析技術非常必要，具有快速特點的在線近紅外光譜分析技術顯示出巨大的優勢。

近紅外光譜是一種電磁波譜，其波長處于780～2500 nm，是一種分子振動光譜，主要反映含氫基團(C—H、N—H、O—H等)合頻和倍頻的分子振動信息，由于這些信息復雜豐富，不能直接用于測定樣品的含量和性質，因此需要采用化學計量學方法建立光譜與性質之間的函數關系(或稱模型)，進而測定所需的性質[3-4]。近年來，近紅外光譜分析技術在石化領域的過程控制中得到了一定應用，如用于催化柴油加氫-催化組合生產高辛烷值汽油(LTAG)裝置對加氫單元的原料和產品組成進行快速分析[5]；用于加氫裂化尾油裂解裝置對裂解進料加氫裂化尾油烴族組成進行快速分析[6]；用于共氧化法環氧丙烷工藝對中間產物乙苯氫過氧化物(EBHP)進行監測[7]；用于乙烯裂解爐先進過程控制和實時優化[8]。

近紅外光譜分析技術在基礎油實驗室分析方面也得到一定的應用，如利用近紅外光譜技術建立了基礎油黏度指數和族組成的預測模型，對其進行快速分析[9-10]；還有將近紅外光譜技術用于減壓餾分油(VGO)黏度指數快速預測的文獻報道，其以70個VGO樣品的近紅外光譜及黏度指數數據為基礎，利用隨機森林回歸算法建立了黏度指數的近紅外預測模型[11]；此外，還有以市場上常見的國內外潤滑油為研究對象，采用近紅外光譜技術和化學計量學相結合建立潤滑油的預測和分類模型，以實現快速檢測識別潤滑油品質與品種[12]。

目前國內尚未有將在線近紅外光譜分析技術應用于潤滑油加氫異構裝置的實例。黏度是衡量基礎油質量的一項重要指標，為了更好地滿足基礎油生產時對于過程控制的需求，筆者基于大量有代表性的高檔基礎油生產過程的中間產物(加氫裂化尾油)和最終產物(基礎油)的樣品與其物化性質建立了近紅外分析模型，通過配置在線近紅外分析系統，將在線近紅外光譜分析技術應用于潤滑油加氫異構裝置，對6路物料(包含加氫裂化尾油、6 mm2/s基礎油、10 mm2/s基礎油和5#精制白油)的餾程、黏度、黏度指數和傾點進行在線分析。

1 在線近紅外分析系統配置

1.1 系統概述

在線近紅外分析系統對潤滑油加氫異構裝置6路物料，包括異構進料加氫裂化尾油、6 mm2/s基礎油、10 mm2/s基礎油和5#精制白油的烴類餾程、傾點、黏度和黏度指數進行在線檢測。在線檢測按以下步驟進行：(1)待測物料在進入預處理系統前先經過水冷換熱初步降溫；(2)降溫后的樣品進入水浴箱保持恒溫，然后樣品進入流通池恒溫的預處理系統，經過濾器去除雜質及氣泡后進入到流通池中進行測量，每個測量流路都有獨立的樣品預處理系統，從而保證每路物料都能確保進樣恒溫；(3)在線近紅外分析系統每5 min通過切換通道的方式在線采集一路樣品的近紅外光譜，然后應用加氫裂化尾油和基礎油多性質近紅外分析模型快速預測各路物料性質。

1.2 在線近紅外光譜儀

在FTPA 2000-260在線傅里葉變換近紅外光譜儀(Asea Brown Boveri Ltd.ABB公司生產)上采用專用近紅外樣品池對潤滑油加氫異構裝置各流路物料進行檢測。

1.3 采樣和預處理系統

溫度對樣品的近紅外光譜測量影響極大，同時雜質(散射)、氣泡(流動狀態)等因素也會影響近紅外光譜采集，這些不利因素都可以通過配置預處理系統進行消除。潤滑油加氫異構裝置在線分析系統的采樣和預處理系統由快速回路、過濾、冷卻、恒溫以及流量控制等功能組件組成。預處理系統中配有加熱器的恒溫箱，所有管線都做保溫處理，通過對樣品的進一步預處理，使樣品狀態最終滿足在線近紅外分析儀的要求，快速回路和分析后的樣品返回工藝管線，避免外排污染。工藝管線中的待測物料經預留采樣口引至分析小屋外，并分為2路：1路經由快速回路返回原管線預留采樣回路；另1路通過采樣泵引出，經換熱后進入預處理系統。待測物料在進入預處理系統前需先經過水冷換熱降溫；降溫后的樣品進入恒溫箱，保持恒溫進入預處理系統，經過濾器去除雜質及氣泡后進入到流通池中進行測量。圖1是潤滑油加氫異構裝置在線近紅外分析系統采集的加氫裂化尾油和基礎油的近紅外光譜圖。

圖1 潤滑油加氫異構裝置加氫裂化尾油和基礎油的近紅外光譜圖Fig.1 NIR spectra of hydrocracked tail oil and base oil inlubricating oil hydroisomerization unit

2 近紅外分析模型建立

采集所收集的潤滑油加氫異構裝置加氫裂化尾油和基礎油樣品的近紅外光譜，基于實驗室方法所測基礎性質數據，利用中國石化石油化工科學研究院的專利算法和自行研制的化學計量學軟件，建立了預測加氫裂化尾油和基礎油多性質的近紅外分析儀模型，用于快速測定各路物料的餾程、黏度、黏度指數和傾點。

2.1 建模樣品收集

從潤滑油加氫異構裝置收集加氫裂化尾油樣品136個，基礎油樣品125個，樣品各個性質統計信息見表1。

表1 加氫裂化尾油和基礎油建模樣品統計Table 1 Statistics of modeling samples of hydrocracked tail oil and base oil

2.2 基礎數據測定

加氫裂化尾油和基礎油餾程采用GB/T 9168—1997石油產品減壓蒸餾測定法測定，標準壓力1.3 kPa下，初餾點測定重復性為15 ℃，再現性為49 ℃；終餾點測定重復性為7.1 ℃，再現性為27 ℃。基礎油傾點采用GB/T 3535—2006石油產品傾點測定法測定，測定重復性不大于3 ℃，再現性不大于6 ℃。加氫裂化尾油和基礎油黏度采用GB/T 265—1988石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法測定，測定重復性不大于2次結果平均值的1.0%，測定再現性不大于2次結果平均值的2.2%。

2.3 光譜采集

FTPA 2000-260在線傅里葉變換近紅外光譜儀；InGaAs檢測器,掃描光譜范圍12000～4000 cm-1；分辨率8 cm-1，掃描次數64次。

2.4 模型建立

采用偏最小二乘方法建立加氫裂化尾油和基礎油的餾程、黏度、黏度指數和傾點的近紅外分析模型。基礎油近紅外分析模型覆蓋了Ⅱ類和Ⅲ類基礎油的生產范圍，加氫裂化尾油和基礎油多性質近紅外分析模型建模參數見表2。從表2的交互驗證標準偏差可以看出，近紅外分析模型預測餾程、黏度、黏度指數和傾點的準確性滿足現行方法規定的再現性要求，其結果和現行方法有很好的一致性。

表2 加氫裂化尾油和基礎油近紅外分析模型分析參數Table 2 Parameters of NIR analysis model for hydrocracked tail oil and base oil

3 在線近紅外分析系統運行效果

在線近紅外分析系統每5 min通過切換通道的方式在線采集潤滑油加氫異構裝置一路樣品的近紅外光譜，譜圖通過在線分析軟件及對應近紅外分析模型預測相應性質，各流路物料性質在組態軟件展示并通過485通訊傳輸到潤滑油加氫異構裝置DCS進行展示，相應界面如圖2和圖3所示。表3為一段時期內加氫裂化尾油初餾點和終餾點在線分析結果和實驗室方法(GB/T 9168—1997)對比。表4為一段時期內加氫裂化尾油100 ℃黏度和黏度指數在線分析結果和實驗室方法(GB/T 256—1988)對比。表5為一段時期內基礎油初餾點和終餾點在線分析結果和實驗室方法(GB/T 9168—1997)對比。表6為一段時期內基礎油100 ℃黏度和40 ℃黏度在線分析結果和實驗室方法(GB/T 256—1988)對比。表7為一段時期內基礎油傾點和黏度指數在線分析結果和實驗室方法(GB/T 256—1988)對比。從表3～表7可以看出，加氫裂化尾油初餾點和終餾點在線近紅外分析和實驗室方法實測值之間差值一般不大于10 ℃；加氫裂化尾油100 ℃黏度和黏度指數在線分析結果和實驗室方法實測值之間差值基本不超過0.2 mm2/s和2個黏度指數單位；基礎油初餾點和終餾點在線近紅外分析和實驗室方法實測值之間差值一般不大于6 ℃；基礎油40 ℃和100 ℃黏度在線分析結果和實驗室方法實測值之間差值基本不超過0.9和0.15 mm2/s；基礎油傾點和黏度指數在線分析結果和實驗室方法實測值之間差值基本不大于3 ℃和2個黏度指數單位。從加氫尾油和基礎油各性質的預測標準偏差可以看出，在90%置信度范圍內，在線近紅外分析結果和實驗室方法所得結果之間有很好的一致性，在線近紅外分析系統在整體性能上滿足工業現場快速分析的需求。

圖2 在線近紅外分析系統六流路通道檢測切換界面Fig.2 Switch interface of six-channel detection ofon-line NIR analysis system

圖3 潤滑油加氫異構裝置6流路分析結果界面Fig.3 Interface of analysis results for six flow channels oflubricating oil hydroisomerization unit

表4 加氫裂化尾油100 ℃黏度和黏度指數在線近紅外分析和實驗室方法實測值對比Table 4 Comparison of measured values by on-line near-infrared analysis (NIR) and laboratory method forviscosity at 100 ℃ and viscosity index of hydrocracked tail oil

表5 基礎油初餾點和終餾點在線近紅外分析和實驗室方法實測值對比Table 5 Comparison of measured values by on-line near-infrared analysis (NIR) and laboratory method forinitial and final distillation points of base oil

與原料加氫裂化尾油相比，通過潤滑油加氫異構裝置處理所得產物基礎油的初餾點和終餾點均有20～30 ℃的下降，100 ℃黏度降低2～3 mm2/s，黏度指數降低10～20，基礎油的40 ℃黏度為30～36 mm2/s，傾點低于-18 ℃。結合先進過程控制系統(APC)，裝置操作人員可根據潤滑油加氫異構裝置進料加氫裂化尾油和產物基礎油黏度指數的變化對裝置操作條件進行調節。在裝置壓力、空速、氫/油比和處理量相對穩定的條件下，通過適當提高潤滑油加氫異構裝置中異構降凝反應器溫度可以減少基礎油的黏指損失，通過降低加氫精制反應器溫度，使基礎油中的芳烴能夠深度飽和加氫，提高基礎油氧化安定性，確保生產出質量合格的基礎油產品。

表6 基礎油黏度在線近紅外分析和實驗室方法實測值對比Table 6 Comparison of measured values by on-line near-infrared analysis (NIR) and laboratory method for viscosity of base oil

4 結 論

(1)采用在線近紅外光譜技術對潤滑油加氫異構裝置加氫裂化尾油和基礎油餾程、黏度、黏度指數和傾點進行在線分析，可在30 min內完成對潤滑油加氫異構裝置6路物料的一個周期分析。

(2)近紅外分析結果與實驗室標準方法分析結果具有良好的一致性，在整體性能上滿足工業現場快速分析的需求。

(3)在潤滑油加氫異構裝置應用在線近紅外光譜分析技術，除能顯著提高分析效率、降低分析成本以外，所得實時分析數據結合先進過程控制系統(APC)還可指導潤滑油生產裝置優化運行，在提高生產裝置自動化和信息化水平的同時，也可提高裝置平穩運行能力。

表7 基礎油傾點和黏度指數在線近紅外分析和實驗室方法實測值對比Table 7 Comparison of measured values by on-line near-infrared analysis (NIR) and laboratory method forpour point and viscosity index of base oil