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ASTM E1655：红外多变量定量分析标准规程
本规程涵盖了用于测定材料物理或化学特性的红外光谱仪的多变量校准指南，适用于近红外（NIR)光谱区域（约780-2500nm）到中红外（MIR）光谱区域（约4000-400 cm-1）进行的分析。
石化和炼油行业介绍
全球几乎每个角落都在生产用作燃料的石油和天然气，从每天产量约100桶的小型私人油井，到产量高达其40倍的大口径油井。尽管尺寸差异很大，但精炼过程的许多部分都非常相似。
图 1.
用于将原油提炼成多种所需最终产品的分馏塔示意图
从石油或天然气中提取的化学品，即所谓的“石化产品”，是当代化学工业的重要组成部分。20世纪40年代初，在第二次世界大战期间，石化领域变得越来越受欢迎。因为当时对合成产品的需求不断增长，这是石化产品发展的巨大动力。
炼油的目的是根据商定的规格提供一系列产品。一般炼油厂通过蒸馏塔（图1）根据原油的化学性质将其分离成不同的馏分，其相对数量直接取决于所用原油。因此，有必要获得一系列可以混合成合适原料的原油，以生产所需数量和质量的终端产品。
分馏的基本产物如图1所示。
近红外（NIR）光谱技术是一种特别适合于制造商对这些终端产品进行更高效、更具成本效益的质量控制技术，美国材料实验协会（ASTM）认可并接受近红外光谱作为其他技术的替代方法。本文后面将介绍专门用于方法开发、方法验证和结果验证的ASTM方法。
本文剩余部分，先是对近红外光谱的简要概述，然后是通过石化和炼油行业的应用示例，了解石化生产商和炼油厂如何从近红外光谱中获益。
近红外光谱技术简介
光与物质间的相互作用是一个众所周知的过程。光谱法中使用的光通常不是用能量来描述，而是用波长或波数来描述。
图 2.
近红外光与各样品相互作用产生的柴油光谱
近红外光谱仪（如：瑞士万通DS2500近红外油品分析仪）通过测量这种光与物质间的相互作用，可生成如图2所示的光谱。近红外光谱对某些官能团的存在尤其敏感，如-CH、-NH、-OH和-SH。因此，近红外光谱是一种可以量化不同质量控制参数的理想方法，如：水含量、十六烷指数、RON/MON（研究法和马达法辛烷值）、闪点、冷滤点（CFPP）等。此外，这种相互作用还取决于样品本身的基质，这也使得近红外光谱亦可检测物理参数和流变参数，如：密度和粘度。
所有这些信息都包含在一张光谱中，因此该方法适用于快速多参数分析。将油等液体样品置于适当的容器或样品瓶内（图3），然后原样放置在智能样品瓶适配器上。
图 3.
用于近红外光谱测量的液体样品放置在瑞士万通智能样品瓶适配器上
图 4.
A.液体测量通常使用一次性样品瓶。B.这种近红外光谱测量模式称为透射，光在被吸收的同时穿过样品（图中从左到右）。
这种测量模式称为透射，通常是分析液体的合适方法。对于透射测量（图4），近红外光在被吸收的同时穿过样品，未被吸收的近红外光则到达检测器。不到60秒的时间即可完成测量并显示结果。
与其他分析技术相比，获取近红外光谱的过程已经突出了其两大优势：样品测量的简单性和快速性：
- 快速技术——不到一分钟即可获得结果。
- 无需样品前处理——样品原样测量即可。
- 单个样品成本低——无需任何化学品或溶剂。
- 环保技术——不产生废弃物。
- 无损技术——珍贵样品在分析后可重复使用。
- 易于操作——没有经验的用户也可快速上手。
可阅读我们之前的博文，了解关于近红外光谱作为一种辅助技术的更多信息。
在精炼过程的哪些环节可以使用近红外光谱？
精炼过程
可分为三个不同的部分：
- 上游
- 中游
- 下游
上游是指将原油转化为中间产品的过程。炼油厂通常是包含几个危险爆炸区域的大型建筑群。因此，操作人员不愿意将不同工艺流程中的样品运送到实验室。即使是在外部质量控制实验室获取样品进行分析的过程也很费力，因为需要大量的文书工作和认证的运输服务。出于显而易见的原因，在大多数情况下，首选在线测量。这类型的测量通常由在线近红外光谱分析仪完成。
可查阅我们之前的博文，了解atline（旁线）、online（在线）、inline（在线）分析的区别。
对用于在线过程测量（甚至是在爆炸性区域）的近红外光谱分析仪感兴趣？可点击下方了解更多信息。
中游，如图5所示，为瑞士万通DS2500近红外油品分析仪提供了更多协助进行质量控制的机会。
图 5.
原油如何变成当地加油站汽油的流程图，以及近红外光谱在此过程中可以在哪些环节用于质量检查
在接收和供应燃油时，均会对其质量进行检查，此外，许多终端还在卸载卡车之前测试燃油质量。接收并将燃油卸载至储罐的总时间约为30分钟，因此像近红外光谱这种快速分析技术非常有利。
下游是燃油库和加油站，监管机构要求测量许多与汽油和柴油生产中相同的质量参数，这也可以通过近红外光谱来完成。如果可以使用新鲜样品在现场进行分析，无需运送至测试实验室，则具有显著优势。
图6.
使用瑞士万通DS2500近红外油品分析仪进行移动燃油测试的示例。
使用瑞士万通XDS RLA近红外光谱分析仪进行的移动近红外燃油测试已在多个国家成功实施，其汽油和柴油测试具有现场即时出具结果的优势。在XDS RLA近红外光谱分析仪上开发的校准模型可以很容易转移到DS2500近红外油品分析仪。DS2500近红外油品分析仪无需经过专业培训的分析人员，校准模型也无需经常维护，这使其成为加油站等监测不同燃油的理想方法。
可在我们的免费手册中了解更多关于瑞士万通DS2500近红外光谱分析仪进行石化分析的可能性。
近红外光谱作为符合ASTM标准的质量控制工具
ASTM D8321：基于光谱测量预测石油产品、液体燃料和润滑油性能的多变量分析的开发和验证标准规程
本规程涵盖了用于测定石油产品、液体燃料（包括生物燃料）和润滑油的物理、化学和性能特性的红外（IR)光谱仪和拉曼光谱仪的多变量校准指南，适用于近红外（NIR)光谱区域（约780-2500nm）到中红外（MIR）光谱区域（约4000-40 cm-1）进行的分析。
ASTM D6122：多变量在线、旁线、现场和实验室红外光谱仪以及基于拉曼光谱仪的分析系统性能验证标准规程
本规程涵盖了用于计算液体石油产品和燃料的物理、化学或质量参数（即特性）的实验室、现场、过程（在线或旁线）红外（近红外或中红外分析仪，或两者兼有）和拉曼分析仪的测量验证要求。
ASTM D8340：光谱分析系统性能鉴定标准规程
本规程涵盖了对振动光谱分析仪系统建立基于性能鉴定的要求，该系统用于预测基准试验方法产生的材料试验结果（前提是基准试验方法对相同材料进行了试验）。
石化和炼油行业的典型近红外光谱应用和参数
石化产品须通过标准化测试方法来确定其化学、物理和摩擦学性能。实验室测试是石化产品研发和质量控制不可或缺的一部分。在石化和炼油行业中，以下测试参数通常很重要（表1）。
参数 |
传统方法 |
ASTM 方法 | 相关近红外光谱应用报告 |
比重（API） |
重力计 |
ASTM D298 |
|
沸点 |
蒸馏 |
ASTM D2887 | |
冷滤点（CFPP） |
标准过滤装置 | ASTM D6371 | |
| 倾点 | 倾点分析仪 | ASTM D97 | |
| 浊点 | 浊点分析仪 | ASTM D2500 | |
| 闪点 | 闪点测试仪 | ASTM D93 | |
| 粘度 | 粘度计 | ASTM D445 | |
| 颜色 | 色度计 | ASTM D1500 | |
| 密度 | 密度计 | ASTM D792 | |
| 脂肪酸甲酯 | FTIR-傅里叶变换红外光谱仪 | ASTM D7806 | |
| 雷德蒸汽压 | 饱和蒸汽压测试仪（RVP） | ASTM D323 | |
| PIANO（烷烃、异构烷烃、芳香烃、环烷烃、烯烃） | 气相色谱仪 | ASTM D6729 | |
辛烷值 (RON/MON) |
CFR爆震试验机 |
ASTM D2699 ASTM D2700 |
|
| 十六烷值 | CFR爆震试验机 | ASTM D613 | |
| 二烯值/MAV指数 | 电位滴定仪 | UOP 327-17 |
本系列博文的后续几期
本文概述了近红外光谱作为石化和炼油行业理想质量控制工具的应用。后续几期将专门针对重要应用展开，并将包含更详细的信息。请不要错过我们后续关于以下主题的博文：
