CN1191311A - 汽油馏分族组成和辛烷值测控方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种汽油馏分族组成和辛烷值测控装置,主要由电容式传感器、电容/频率变换电路和微处理器组成,并运用统计规律,在相对介电常数与汽油馏分的族组成及辛烷值之间建立关联式。通过传感器测出汽油的相对介电常数,经微处理器处理得到并显示该汽油的族组成和辛烷值。其在线测控装置,还在产品产率和原料族组成及工艺参数之间建立关联,并通过工艺参数控制装置,对产品质量进行在线实时控制和生产优化控制。

Description

汽油馏分族组成和辛烷值测控方法及装置

本发明涉及汽油组分及品质的测定技术，具体来说是测定汽油馏分族组成和汽油辛烷值的方法及其测控装置，它是专利95117437.1和96205017.2的延续和发展。

汽油是由几百个单体烃类化合物构成的复杂混合液体。从化学组成与化学结构上来看，可以将这些化合物分成如下几类同系物或族：烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃。

汽油馏分族组成是石油加工中常用的信息。由于它提供了某种加工工艺原料与产品之间在化学结构上的变化情况，而一切产品性质又取决于其化学组成及结构，所以人们就可以根据族组成信息有目的地考虑加工条件，以便达到预期的产品性质。例如：催化裂化工艺的目的是方了经过加工获得高辛烷值汽油，那么只要提高汽油烯烃、异构烃与芳香烃含量即可；如果是为了获得更多的乙烯、丙烯，那么就需要提高温度和压力，增加裂化深度。这些加工条件的改变必须以族组成分析信息为依据。同样，重整工艺的原料精制，各反应器的过程控制，以及生成油的评价都需要族组成数据。

汽油馏分的族组成分析，过去常用吸附法。该法是将试样加入装有硅胶的吸附柱，利用顶替溶剂通过吸附柱的冲洗而得到族分离，分离后的各族被荧光指示剂标示出所占据的长度，通过测量长度计算出各族含量。但是，这种方法往往由于指示剂所形成的界限不明显而导致很大误差。

近年来，由于气液色谱分析法的发展，广泛地采用气相色谱法分离汽油组分，进而测定其族组成。概略的说，该法是让气化后的试样首先通过一支强极性的色谱柱，使烷烃与烯烃通过，但是保留芳烃。然后烷、烯组分又通过一个烯烃可逆吸附器，在此，烯烃被保留下来，烷烃通过并进入检测器，呈现出一个烷烃族峰。接着经阀切换反吹芳烃，得到芳烃族峰。最后将烯烃可逆吸附器升温，脱附烯烃，产生烯烃峰，随后积分就得到汽油的族组成。

采用吸附法或气相色谱法来测量汽油的族组成，只能是人工采样，离线测量，因此在时间上有相当的滞后。而且测试时间长，操作复杂。

辛烷值是表示汽油燃料抗爆性能的条件单位，是车用汽油重要的质量指标之一。汽油燃料的辛烷值是一个国家炼油工业和车辆设计制造水平的综合反映。故世界上多数国家均以辛烷值表示车用汽油的标号。

汽油发动机的热功效率与其压缩比有直接的关系。随着压缩比的提高，发动机的燃料比消耗率降低，功率增加，经济性亦随之提高。因此，人们总希望应用有较高压缩比的内燃机。然而，内燃机的压缩比受到所使用汽油燃料抗爆性的制约。如果汽油的辛烷值过低，汽油发动机在运转时会产生一种所谓的爆震现象。这时气缸会发出敲击声，燃烧室温度猛增，且排放黑烟，不仅大大降低了发动机的热功效率，严重时还会损坏发动机的零件。如果汽油燃料的抗爆性好，即使使用高压缩比的发动机，也不会出现爆震现象。但是，若汽油的辛烷值远远高于发动机的要求，也是一种浪费，并无多大好处。所以，一个发动机的耐用年限，功率和燃料经济性取决于是否选用具有合适辛烷值的汽油。

现行普遍采用的汽油辛烷值的评定方法发明于1927年。此法利用专门设计制造的可变压缩比单缸发动机(ASTM-C.F.R.标准爆震机)，在标准试验条件下，把试样与参比燃料(正庚烷和异辛烷)的爆燃倾向相比较而测定出来。这种沿用了近七十年的模拟对比法，既需要精密、贵重的设备和操作熟练的技术人员，又消耗参比燃料和待测油料，是一项耗资耗时的实验。此外，这种方法及测定机虽经人们的不断改进和完善，其测定工况及测量精度得到不断提高，但由于测定程序及操作相当复杂，影响测量精度的因素繁多，从而影响实际测量结果的可靠性。

随着科学技术的发展，国内外许多科研单位都开始从汽油的物理、化学特性人手，探索测定辛烷值的新方法，如光谱法、色谱法、核磁共振法、冷燃法等，但多因设备笨重、测定结果不稳定等原因未能得到推广。

美国推出了ZX101型手持式辛烷值分析仪是用固态光学系统构成的窄带光谱仪，但只能检测无铅高标号汽油，而对我国多数低标号及含铅汽油不适用。

近年来，随着汽车发动机压缩比的逐步提高，对高标号汽油的需求量越来越大，各炼油厂对出厂汽油的辛烷值要求更加严格，使分析频度增加。为此，美国生产了8154型在线辛烷值分析仪，它是ASTM-CFR标准爆震机的改进。我国也利用冷燃法生产了ZXW-12型汽油辛烷值在线分析仪。这两种在线测量设备的共同特点是将原来的测量设备集中安装于生产管线附近的测试室内，把人工取样改为自动采样，间歇测定辛烷值。其共同不足为：1)只能测定辛烷值一个参数；2)不能连续测定和显示；3)难以对生产过程进行实时控制。

本发明的目的在于针对现有测量技术的不足，提供一种同时测定汽油馏分族组成和辛烷值的方法及相应的测量仪器和在线测控设备，从而解决现有专用设备在油品测试方面的种种不便，并实现闭环质量控制及优化生产。

图1为便携式汽油馏分族组成及辛烷值测定仪结构示意图；图2为另一种便携式汽油馏分族组成及辛烷值测定仪结构示意图；图3为袖珍型汽油标号测定仪结构示意图；图4为汽油馏分族组成及辛烷值测定仪电路逻辑框图；图5为可供采用的电子线路图之一种实例；图6为汽油馏分族组成与相对介电常数的相关函数关系；

       (A)烷烃，(B)烯烃，(C)环烷烃，(D)芳香烃。图7为汽油辛烷值与相对介电常数的相关函数关系；图8为以相对介电常数为相关变量测得的辛烷值的调合特性；图9为环形同心电极电容式传感器结构图；图10为具有温度补偿性能的环形同心电极电容式传感器结构图；图11为平行极板型电容式传感器结构图；

(A)正视图，(B)侧视图，(C)顶视图。图12为另一种平行极板型电容式传感器结构图；

       (A)正视图，(B)侧视图，(C)顶视图。图13为在线检测用管道式密封型电容传感器结构图；图14为在线检测用管道密封式环形同心电极电容传感器结构图；图15为在线测控系统框图；图16为在线测控系统示意图。

本发明采用以电容式敏感元件为传感器，以相对介电常数为相关变量，间接测定汽油馏分族组成与辛烷值的方法(简称SW法)。它是一种电子技术与统计法相结合的汽油馏分族组成及辛烷值的测定新方法。

汽油是具有电气绝缘性能的液体混合物，粘度低、流动性好、挥发性强，为使用电容式传感器直接测量其相对介电常数创造了有利条件。

由理论电工学可知，平行极板间的电容为

             C＝ε₀·ε_r·S/b

        其中ε₀＝8.85415×10^-12F/M为真空的介电常数；

            ε_r为相对介电常数(在空气中ε_r0≈1)

            S为平行极板的面积；

            b为平行极板的间距。一平行极板电容式传感器在空气中的电容是

             C₀＝ε₀·ε_r0·S/b同一传感器在汽油中的电容是

             C＝ε₀·ε_r·S/b于是有

             C/C₀＝ε_r/ε_r0≈ε_r

所以，汽油的相对介电常数ε_m约等于同一传感器以汽油为介质时的电容值C与以空气为介质时的电容值C₀之比。对同一品质的汽油，该比值为一常数。于是，便可以通过测定浸入待测油品中的电容传感器的电容C值来得到待测汽油的相对介电常数ε_r。

汽油馏分的相对介电常数介于1.8～2.4之间，而不同品质的汽油，其相对介电常数也不相同。

通过对大量实测数据的统计分析，得出汽油馏分族组成--烷烃Y_P、烯烃Y_O、环烷烃Y_N、芳香烃Y_A--及辛烷值Y_n与其相对介电常数ε_r之间的相关函数关系，即Y_P＝f_P(ε_r)、Y_O＝f_O(ε_r)、Y_N＝f_N(ε_r)、Y_A＝f_A(ε_r)、Y_n＝f_n(ε_r)。

将待测汽油的相对介电常数ε_r值及上述函数关系输入微处理器进行处理，并通过显示器用模拟信号或数码直接显示或读出待测汽油的族组成和辛烷值。

通过对大量试验数据及催化裂化、加氢裂化、催化重整、油品调合等炼油工艺的分析，对于不同的生产工艺，分别建立原料油族组成及反应温度、压力、流量、空速、气油比等主要工艺参数与产品产率之间的关联式。根据产品产率最高或经济效益最佳的要求，运用运筹学方法求出所需控制的工艺参数值。将所要求的工艺参数值通过数字输出控制接口或模拟量输出控制接口输出，并与闭环控制系统相连，以实现闭环实时控制的目的。

实施例一.本发明的便携式汽油馏分族组成与辛烷值测定仪(图1)包括：显示器101、键盘102，在气密闭式外壳100中装有印刷线路板103、内下部装有电池104，上侧面有微型打印机接口105和通过屏蔽线107与活动接口106相连的传感器200。

传感器200采用环形同心电极电容式传感器(图9)，主要有由非磁性金属材料加工制成的环形电极201、2011、202、2021，其上均开有2～6个气孔203、2031、204、2041，在测量时用来排出内腔中的空气。若环形电极201、2011接正极，则环形电极202、2021接负极；反之亦可。环形电极201、2011通过螺纹与相同材质制成的极板骨架205连接，环形电极202、2021则分别通过螺纹与用尼龙(或聚四氟乙烯、电木、耐油塑料等)制成的用于分隔正、负极板的绝缘套206和绝缘连接件207相连。在极板骨架205顶部中心有一根据需要拧入的外接手柄或标准微波插头210，并通过中心孔208引入一导线A，该导线通过位于极板骨架205和绝缘套206同一位置的孔209与环形电极202相连，同时也与环形电极2021相连。

为了消除由于温度的变化对测试准确度的影响，传感器200还可采用具有温度补偿性能的环形同心电极电容式传感器(图10)。该传感器有由非磁性金属材料加工制成的同心环形负极211、2111和环形主电极(正极)212，其上均开有2～6个气孔213、2131、214，在测量时用来排出内腔中的空气。环形电极211、2111通过螺纹与相同材质制成的极板骨架215连接，环形电极212则通过螺纹与用尼龙(或聚四氟乙烯、电木、耐油塑料等)制成，用于分隔正、负极板的绝缘套216相连。在极板骨架215顶部中心有一根据需要拧入的外接手柄或标准微波插头220。标准微波插头220上的二个接线柱2201、2202与温度传感器217由导线连接，另一接线柱亦由导线通过位于极板骨架215和绝缘套216同一位置的孔218与环形电极212相连。

印刷线路板103上的电路逻辑框图如图4所示。当将电容传感器200浸入待测油样中后，信号便由采样电路131传送至电容/频率变换电路132。电容/频率变换电路132由无稳态振荡电路组成，它可以是LC振荡电路，其振荡频率为 $f_{\mathrm{LC}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

也可以是555时基振荡电路，其振荡频率为 $f_{555}=\frac{k}{(R_a+2R_b)C}$ 其中k为常数

由于C/C₀＝ε_r/ε_r0＝ε_r，故待测油样相对介电常数的增加，将导致振荡频率的降低，因而电容增大；反之亦然。图5为可供采用的一种电子线路。

通过对大量实测数据的回归分析，得到相对介电常数与汽油辛烷值之间的相关函数关系Y_n＝f_n(ε_r)(图7)，即

           Y_n＝a_n+b_nε_r，其中b_n＝30～50。

对于不同的生产工艺，汽油馏分族组成与相对介电常数之间的函数关系不尽相同。图6(A)～(D)给出了催化裂化工艺(1)、催化重整工艺(2)、常减压直馏工艺(3)汽油馏分族组成与相对介电常数的相关关系，即烷烃含量Y_P＝f_P(ε_r)、烯烃含量Y_O＝f_O(ε_r)、环烷烃含量Y_N＝f_N(ε_r)和芳烃含量Y_A＝f_A(ε_r)。

就催化重整生成油而言，馏分中几乎不含烯烃，故其族组成为：

其中

将按上述各相关函数关系编写的运算程序存储在微处理器133内。由电容/频率变换后得到的电容值传送至微处理器133后，经运算便可得到汽油馏分族组成及辛烷值，并将之通过显示器接口134和/或微型打印机接口135输出。此外，还有键盘接口136。如需要，可增加温度补偿电路137和计算机互联接口138。

实施例二.本发明的另一种便携式汽油馏分族组成与辛烷值测定仪(图2)包括：显示器111、键盘112，在气密闭式外壳100中装有印刷线路板113、内下部装有电池114，上侧面有微型打印机接口115，以及由传感器罩116罩住的传感器200。在使用时，将传感器杆柄117向下转动，并将传感器200插入油样杯119内，不用时向上转动收起。传感器杆柄117通过外壳100上的销柱118铰接在外壳100上。

传感器200可采用实施例一中所述的环形同心电极电容式传感器(图9)或具有温度补偿性能的环形同心电极电容式传感器(图10)。此外，传感器200还可采用如图11和图12所示的平行极板式电容传感器。

图11(A)～(C)所示的平行极板式电容传感器200，其正极板组221和负极板组222分别由非磁性金属材料制成，厚度为0.2～1.0mm。为扩大极板面积，分成两组呈梳状互相插空。两组极板221和222分别用通过气密闭式外壳100上的密封隔板与电子线路板相连的集电极223和224连在一起。

图12(A)～(C)所示的平行极板式电容传感器200与图10(A)～(C)所示之不同点在于，在用注塑绝缘材料制成底座230的过程中，将两组极板231和232预先插入并与底座注塑在一起。

实施例三.本发明的袖珍型汽油标号测定仪(图3)包括：显示器121、键盘122，在气密闭式外壳100中装有印刷线路板123、内下部装有钮扣电池124，以及密封隔板125和由传感器罩126罩住的传感器200。

传感器200可采用实施例一、二中所述的四种电容式传感器中的任何一种。

在程序设计中，可根据需要只显示一个或几个汽油标号，而不显示具体的辛烷值。因而，适用于汽车司机的一般性测试。

实施例四.本发明的在线汽油馏分族组成及辛烷值测控装置(图15)是装在石油化工厂、油库等生产集中管理的仪表盘上，把电容式传感器安装在现场的管道上进行集中测试和控制。主要包括：工业测控微机或仪表板型汽油馏分族组成及辛烷值测控仪300、电容式传感器200和安装于其内的电容/频率变换器301、记录/控制仪表盘302、在线工艺参数测控器303及工艺参数控制装置304。

电容式传感器200采用管道式密封型电容传感器(图13)，包括：由非磁性金属材料制成的外壳240和与油路管道相连接的法兰盘244、位于外壳240上部的传感器密封座242内装有与绝缘基座243注塑成一体的电容式传感器之平行极板241，平行极板241可采用图11或图12所示的结构，其正、负极板分别由导线与密封接线盒245内的电容/频率变换器301相连，经电容/频率变换器301处理后的信号由导线从同轴电缆接口246引出并通过同轴屏蔽电缆299传送至工业测控微机或仪表板型测控仪300。在外壳240、密封座242及密封接线盒245之间有耐油橡胶圈247和耐油橡胶垫248进行密封。

电容式传感器200还可采用环形同心三极式电容传感器(图14)，包括：由非磁性金属材料制成的同心环形负极251、253和环形正极252，以及由同样材料制成的外壳250所形成的第三个电极-接地极。接地极的引入可以防止外界电磁波的干扰，因而有灵活的应用条件，可以安装在生产工艺管道的任何位置进行检测。当管路中的待测油料流入传感器200时，首先由过滤网254将渣滓滤掉，从而可以延长维护周期。环形电极251、252、253通过螺纹与用尼龙(或聚四氟乙烯、电木、耐油塑料等)制成的绝缘骨架255连接，并由导线2511、2521、2531经引线孔2512、2522、2532与电容/频率变换器301相连，经电容/频率变换器301处理后的信号由导线从同轴电缆接口256引出并通过同轴屏蔽电缆299传送至工业测控微机或仪表板型测控仪300。外壳250的上、下两部分由密封胶垫257进行密封，其内有压块258以使该传感器可承受50kg/cm²的内部压力。绝缘骨架255的中心孔259用绝缘密封添充物充添。

电容/频率变换器301的电子线路可采用实施例一中所述的LC振荡电路或555时基振荡电路等无稳态振荡电路。它安装在电容传感器200之内的目的在于，将电容传感器200所测到的模拟信号转换成数字信号后进行传输，从而可以避免长距离传输模拟信号时经常出现的信号损失或错误。

参见图16，原料油A流经电容式传感器200、流量计311进入加热炉305，加热后的原料油经温度测控器312和压力测控器313流入反应塔306。电容式传感器200测出的原料油的频率值，经安装于其内的电容/频率变换器301变换成电容信号后由同轴屏敝电缆299传送至位于控制室内的工业测控微机或仪表板型测控仪300进行处理，从而可得到原料油的组成特性。

通过对大量试验数据及直馏，催化裂化、加氢裂化、催化重整等炼油工艺的分析，对于不同的生产工艺，分别得到原料族组成-烷烃P₀、烯烃O₀、环烷烃N₀、芳烃A₀-及反应温度T、压力p、流量Q、空速V、气油比R等主要工艺参数与产品产率G_i之间的关联式：

           G_i＝g(P₀，O₀，N₀，A₀，T，p，Q，V，R)

根据产品产率最高或经济效益最佳的要求，运用运筹学方法求出所需控制的反应温度、压力、空速及气油比等工艺参数。测控仪300将计算所得工艺参数值传送至常规工艺参数控制装置304，该装置则通过标准数字输出接口或模拟量输出控制接口，用常规技术方法分别对流量Q、温度T和压力P，进行实时控制。

由反应塔306得到的生成油包括汽油馏分B，煤油馏分C和柴油馏分D等，它们分别流经电容式传感器2001、2002、2003和流量计3111、3112、3113，并将测量到的信号由电缆299传至测控仪300。测控仪300将该信号按实施例一中所详述的相关函数关系处理后便可得到汽油馏分族组成及辛烷值，并可将结果由显示屏308显示或由打印机309打印出来。如果生成油的族组成或辛烷值不符合质量要求，则测控仪300可按预先设计的程序自动修改所需控制的工艺参数值，并通过工艺参数控制装置304将控制信号反馈至流量计311、压力测控器313、温度测控器312，以及通过重沸器3071、3072、3073控制反应塔306各层床温度的温度测控器3121、3122和3123，从而实现闭环实时质量控制。

对于调合油生产工艺，其目的是由辛烷值分别为Y₁、Y₂的两种汽油馏分调合为具有特定辛烷值Y的成品汽油。由于以相对介电常数为相关变量测得的辛烷值具有可加性(图8)，因而有： $Y=\frac{V_1{Y}_1+V_2{Y}_2}{V_1+V_2}$ 式中V₁和V₂分别为两种汽油馏分的体积或重量，即对于已知辛烷值的两种汽油馏分，只要控制其调合的体积比，或者说流量比，便可得到特定辛烷值的成品汽油。

Claims (6)

1.一种利用电子技术并与统计法相结合的汽油馏分族组成及辛烷值测定方法及装置，其特征在于：

①通过浸入待测汽油中的电容式传感器测得该汽油的相对介电常数ε_r；

②将汽油馏分族组成(Y_P，Y_O，Y_N，Y_A)及辛烷值Y_n与相对介电常数ε_r相关联，并得到它们之间的相关函数关系，即Y_P＝f_P(ε_r)、Y_O＝f_O(ε_r)、Y_N＝f_N(ε_r)、Y_A＝f_A(ε_r)、Y_n＝f_n(ε_r)；

③将上述相关函数关系和待测汽油的相对介电常数ε_r值输入微处理器进行处理，并通过显示器用模拟信号或数码将处理结果显示出来。

2.权利要求1所述的电容式传感器，主要由非磁性金属制成并平行排放的正、负极板组成。正、负极板可以是平板形平行极板，也可以是同心环形极板或是按一定间隔平行排放的其他形状的极板。为了消除温度对待测汽油相对介电常数的影响，电容式传感器内可以增设温度传感器。

3.权利要求1所述的相对介电常数测量方法，其特征在于：当电容式传感器浸入待测汽油中时，由无稳态振荡电路产生一谐振频率。该无稳态振荡电路可以是LC振荡电路，其振荡频率为 $f_{\mathrm{LC}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

也可以是555时基振荡电路，其振荡频率为 $f_{555}=\frac{k}{(R_a+{2R}_b)C}$ 其中k为常数

于是，由无稳态振荡电路产生的谐振频率可按上述关系转换成电容值C。

由电容式传感器极板间的电容与相对介电常数之间的关系

               C/C₀＝ε_r/ε_r0≈ε_r

便得到待测汽油的相对介电常数。

4.权利要求1所述的相关函数关系Y_P＝f_P(ε_r)、Y_O＝f_O(ε_r)、Y_N＝f_N(ε_r)、Y_A＝f_A(ε_r)、Y_n＝f_n(ε_r)是在大量实测数据的基础上，运用回归分析的方法得到的，因而不是唯一的。对于不同的炼油生产工艺，其生成油的族组成与相对介电常数的相关关系也不尽相同。

5.一种利用电子技术并与统计、运筹方法相结合的汽油馏分族组成及辛烷值测控方法及在线测控装置，除具有权利要求1所述的三项特征外，其特征还在于：

④安装在原料油输入管路上的电容式传感器和温度测控器、流量计、压力测控器及其他常规工艺参数测控器将原料油的特性及炼油工艺所需控制的参数信号经同轴屏敝电缆传送至位于控制室内的测控仪；

⑤在生成油产率G_i与原料油族组成(P₀，O₀，N₀，A₀)及反应温度T、压力p、流量Q、空速V、气油比R等主要工艺参数之间建立关联式：

             G_i＝g(P₀，O₀，N₀，A₀，T，p，Q，V，R)

并根据产品产率最高或经济效益最佳的要求，运用运筹学方法求出所需控制的反应温度、压力、空速及气油比等工艺参数；

⑥工艺参数控制装置通过标准数字输出接口或模拟量输出控制接口，将测控仪计算所得工艺参数值的控制值号分别反馈至安装在管路上的流量计、温度测控器和压力测控器，对炼油过程进行控制；

⑦安装在生成油输出管路上的电容式传感器将生成油的特性信号传送至位于控制室内的测控仪进行处理，得到生成油的族组成和辛烷值；

⑧若生成油的质量特性与期望值不相符，测控仪将按预定程序自动修改工艺参数，并将修改后的工艺参数值经控制装置反馈至安装在管路上的各测控器；

⑨对于调合油生产工艺，按照以相对介电常数为相关变量的辛烷值的调合特性加以控制。

6.权利要求5所述的电容式传感器，主要由非磁性金属制成并平行排放的正、负极板组成。正、负极板可以是平板形平行极板，也可以是同心环形极板或是按一定间隔平行排放的其他形状的极板。为防止外界电磁波的干扰，可增加接地极，构成三极式电容传感器。其他在线测控器均为常规标准仪器。

Images