油分子工程及其管理的研究与应用
1、概念提出
石油加工（炼制）工业一直是国民经济的支柱产业。一方面，石油资源总量逐渐减少，现有资源和可利用资源又呈现不断重质化、劣质化趋势；另一方面，人类社会进步和生活水平的提高要求石油炼制者提供满足更严格环保法规排放需要的、更多的轻质油品和其他高质量清洁产品，而石油炼制者还要适应降低成本、清洁生产和不断提升竞争力的内部需要。在这些大趋势和要求下，如何充分利用好宝贵的石油资源，在超越传统石 油炼制认知体系下来重新认识并匹配好原料、催 化剂、加工工艺与产品之间的关系，进而做到绿色、高效和高选择性地实现资源价值最大化和成 本最小化，提出“石油分子工程及其管理”可谓机遇巧合正当时。
石油分子工程及其管理的概念，是笔者在综合分析了化学与化学工程学科关于分子工程、分子管理相关概念、结合石油加工与相关工业领域有关技术的进展后提出的。简单地说，石油分子工程是在分子水平上研究石油及其馏分组成、结构及反应性能的相互关系，并以此为基础如何将石油及其馏分精准和高效地转化为当今技术所能使用的能源或石化产品的一门工程学科；石油分子管理则定义为对石油分子工程的优化利用的技术与工艺。
石油分子工程及其管理属于新兴的工程学科，通过对石油及其馏分的分析表征、模拟与识别，获得石油及其馏分在分子水平上的各种信息；将这些分子信息和石油及其馏分的性质、反应性相关联，从而建立分子动力学模型，并模拟石油炼 制加工反应过程；预测、关联反应产物分布及其产物性质；为原料优化，催化剂开发、表征、设计、筛 选、使用，石油炼制工艺过程操作管理与优化，以及新的工艺过程开发等提供有益的指导与帮助，提升石油炼制的效率与效益。
因此，为了实现石油资源价值最大化和加工成本最小化，石油分子工程及其管理概念一方面需要具备“分子水平—变换过程—目的产品—循环利用”的全局思维与集成解决方案；另一方面又随着石油及其馏分的分析表征、模拟与识别技术水平，先进控制信息化技术水平以及催化剂与石油炼制新工艺等技术的进步而不断进步与完善。
2、核心技术
2.1 石油及其馏分的分析表征技术
对石油及其馏分的科学认知、优化加工和利用离不开原料的分析表征。对于石油分析而言，已经从最初古人对石油的感性认识即古代石油分析（主要是对颜色、气味、黏稠性、流动性和粘结性与可燃性等的认识）、问题导向型的近代石油分析（主要包括对石油的馏程、密度、折光率、黏度、凝固点等宏观物性的测试），发展到如今系统严谨的学科体系为特点的现代石油分析（主要包括物性测试、元素组成、化合物组成、结构族组成及快速分析等）。现代石油分析的研究手段以石油化学结合现代仪器分析为主，研究对象也已经涵盖石油及其馏分和某些单体化合物。
对石油分子工程及其管理而言，要实现从分子水平上认识石油及其馏分并予以绿色高效转化、利用，最高境界是把原油及其馏分油中的单个分子分别予以分离、鉴别，至少也要尽可能详细地获得分子组成的碳数、结构等信息。与分子工程及其管理相关的部分分析表征技术简要介绍如下：
（1）元素组成分析
从元素角度来看，组成石油的主要元素有碳、氢、硫、氮、氧，而微量元素则主要包括镍、钒、铜、铁、钙、镁、砷等。其中，碳、氢是最主要的元素组成，两者之和占总数的85%乃至95%以上，因此碳氢比是表征石油平均结构的重要指标；硫、氮、氧这三种杂原子的含量直接影响石油加工工艺设备与产品性质；而微量元素则对石油加工过程催化剂以及环保等产生较大影响。
目前，有机元素碳、氢基本上用传统燃烧法测定，硫、氮含量分析广泛采用微库伦法、X射线法、紫外荧光法、化学发光法等，而微量元素则通常采用原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体原子发射光谱等方法测定。
（2）烃类与非烃类的组成分析
石油分子由烃类与非烃类化合物组成，目前主要完成了干气、液化石油气、石脑油、汽油的单体化合物组成分析，以及煤油和柴油馏分部分化合物的鉴别与分析，更重的馏分（如蜡油、常渣、减渣以及沥青等）的组成、化合物还无法逐一鉴定出来，在目前的技术水平下也没有必要进行全部鉴别。
在石油馏分中，随碳原子数目的增加，同一个化学式的同分异构体数量也呈指数级上升，如石油馏分不同碳数的链烷烃可能存在的异构体数量如下：
因此，鉴别石油中单体化合物的数量和难度是极其巨大和空前的。所以采取其他表征方法进行归类分析是完全必要的，并更加具有应用价值。
受仪器和技术水平的限制，早期对于石油单体烃进行分析的方法和步骤较复杂，费时又耗力，但随着高分辨毛细管气相色谱技术的出现以及不断完善，对于石脑油、汽油等低沸点馏分的单体烃组成分析已经较为完善，且已成为标准分析方法。对于比汽油更重的馏分，如原油、柴油及以上馏分，结合其他先进的分析手段，也能部分获得某些特征单体化合物的分子信息。
目前，烃类和非烃类化合物组成的常用或流行分析手段包括色-质联用技术（GC-MS）、全二维气相色谱技术（GC×GC），并通过配备各种选择性检测器（如原子发射光谱检测器AED、脉冲火焰光度检测器PFPD、硫化学发光检测器SCD、氮化学发光检测器NCD等）和飞行时间质谱（TOFMS），来获得柴油、蜡油馏分中更多的单体烃组成。
（3）烃族组成及结构族组成
石油的化学组成可以用族组成的方式表达，“族”的概念是指化学结构类似的一类化合物。当仅限于烃类化合物的表述时称之为烃族组成。根据原料轻重情况、分析表征手段的不同以及实际需要的差异，烃族组成的表述可以是饱和烃、链烷烃（可以按正构、异构进行细分）、环烷烃（可以按环数细分）、烯烃、芳烃（可按环数或轻、中、重组分进行细分）、胶质、沥青质中的部分或全部。
汽油的烃族组成有PIONA（正构烷烃、异构 烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃）、PONA（烷烃、烯烃、环烷烃、芳烃）和SOA（饱和烃、烯烃、芳烃）等几种表示方法。采取的分析手段包括荧光指示剂吸附法、多维气相色谱法等。
煤油、柴油和某些重油馏分的族组成有多种表示方法，如液相色谱分析的表达为饱和烃、芳烃（轻芳烃、中芳烃、重芳烃）和胶质；质谱分析如果 是煤油、柴油馏分则表达为链烷烃、环烷烃（一至三环环烷烃）、芳烃（一至三环芳烃）和胶质，如果是重馏分油则表达为链烷烃、环烷烃（一至六环环烷烃）、芳烃（一至五环芳烃）、噻吩类（苯并噻吩、二苯并噻吩和萘苯并噻吩）和胶质。
更重的馏分，如减压渣油，其烃族组成基本上采取饱和分（Sa）、芳香分（Ar）、胶质（Re）、沥青质（As）的四组分表述法（SARA）。为了进一步研究的需要，也可将芳烃、胶质进一步细分为轻、中、重三个细组分，采取的分析方法均为溶剂处理的液相色谱法。
结构族组成是描述更为复杂石油烃类结构组成的一种方法，它可以给出同族化合物的详细分子类型和碳数分布，以及关键单体化合物的信息。例如，不同碳数分布的链烷碳（CP）、环烷碳（CN）和芳香碳（CA）情况，以及总环数（RT）、环烷环数（RN）和芳香环数（RA）。结构族组成描述的是石油组成的平均结构参数，一般采取n-d-M法、红外光谱法和核磁共振法测定。
在实际工作中，可能还需要更多的分子信息，这就需要更加高端、精密的仪器和各种预处理手段、解析方法，或者采取组合的方式。例如，采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICRMS）技术，依靠其超高质量分辨能力，进一步获得渣油中 芳烃化合物、含硫芳烃的碳数分布等，以满足对加氢过程组成变化的探索。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICRMS）技术是目前石油重油组成分析方面应用最多、最广的一类技术，它可以获 取原油中各种元素（及其同位素）组成的化合物 的精确组成，并将原油中的化合物按照环和双键数目之和（DBE值）划分成不同的组；按照原子类型和数量划分为不同的类；按照化合物中所含有的亚甲基数量的不同给出碳数分布信息。
2.2 石油及其馏分性质与分子信息的信息化描述
要实现石油馏分的分子工程与管理，首先需要建立石油分子信息库。利用先进的分析仪器等表征手段，获得石油资源分子水平组成与结构信 息后，结合石油馏分的其他性质如密度、沸点、辛烷值等宏观性质以及热焓、比热等热力学性质，通过一定的分子分类方法与分子的编码规则，形成石油的分子信息库。
石油分子信息库的建设是一个十分重要的基础工作，是石油分子工程与管理的基础。通过整理、收集石油及其馏分、石油产品（低碳烃、石脑油、汽油、煤油、柴油、芳烃、润滑油等）中的主要分子，采取特定的分类方法以及对分子骨架结构等的信息化编码规则，辅以单个物料数据（如密度、沸点等基本物性以及辛烷值、十六烷值等使用性质）的收集与计算、单体热力学数据（如热焓H、吉布斯自由能G、比热CP）的收集与计算，通过相应的分子信息维护形成石油分子信息库。
分子结构的信息化描述或表达，可以有多种方法。例如，戊烷分子的键-电子（BOND-ELEC-TRON，BE）图论（GRAPH-THEORY）矩阵法表达如图1所示。
图 1 戊烷分子的 BE 图论矩阵表达
采用结构导向（SOL）向量法
一些化合物的分子信息化表示方式如图 2 所示。
图 2 结构导向向量法的化合物分子信息化描述
分子信息库的建设，要以方便信息的存储、检索，特别是方便建立分子动力学模型以及产品调合模型使用为前提。
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