汽油组分及汽油辛烷值预测方法研究进展_仇爱波

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梁 英 华[15]根 据 基 团 的 静 电 量 为 零 的 原 则 将 化 合 物分为了第一水平基团和第二水平基团,分别利用 这些基团对辛烷值的贡献值与辛烷值建立构效关 系,并对 5 种物质的辛烷值进行预测,结果表明利 用第二水平基团贡献法得到的预测值的相对偏差 较小。 Albahri T A[16]根据是直链和异链,环的大小及 环上的烷基取代将基团分为两类,依靠这些基团对 辛烷值的贡献值提出了预测纯碳氢类化合物的辛 烷值的理论模型, 结果为直链和小环基团对 RON 和 MON 的相关系数为 0.96 和 0.94, 异链和大环基 团对 RON 和 MON 的相关系数为 0.978 和 0.87。 表 明该模型在缺少理论知识时也能很好的预测纯物 质的辛烷值,此外,该方法也可用于总和各部分结 构对爆震性的测定。 Golombok M[17]提出了含有羰基
第2期
仇爱波等:汽油组分及汽油辛烷值预测方法研究进展
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Smolenskii[10]等 根 据 从 数 值 到 化 合 物 的 理 化 性 质 的 拓扑当量(TES)的转变建立 QSAR 的 新 方 法 ,利 用 TES 化 学 结 构 矩 阵 建 造 一 个 最 优 的 拓 扑 指 数 作 为 参数与链烷烃和环烷烃的辛烷值进行构效关系研 究,得到的模型具有较好的统计意义。 高丽[11]根据汽 油中烃结构的 C 节点-C 连接数,C 节点-H 连接数以及 它们的平方根自相关拓扑指数与辛烷值进行了相 关性研究, 建立了相关系数在 0.9 以上及平均误差 较低的预测模型。 Smolenskii[12]利用拓扑指数对烯烃 的 辛 烷 值 进 行 建 模 , 得 到 的 模 型 相 关 系 数 R2= 0.99952。 Ryzhov[13]又利用反函数法将拓扑指数和烯 烃辛烷值进行相关建模, 并利用模型对 68 种未知 烯烃辛烷值进行了预测。
由于拓扑指数很容易获得并且能够完善的表 示分子结构特性,现被广泛用于辛烷值预测模型的 建立, 利用该方法获得的相关系数较其他方法都 高,具有较好的预测能力。 1.2 基团贡献法
基团贡献法是一类以化学官能团为基础, 将分 子结构片段(基团)对物性的贡献值加和来预测化 合物的性质的方法[14]。 根据热力学原理推出各种基 团与物质物性之间的关联式;利用已有的大量实测 数据再进行拟合,得到关联式中的基团参数以及相 应的关联常数;再根据所得到的基团参数与关联的 数学模型来对大量纯物质及混合物的物性进行估 算。 基团贡献法的意义在于它能够通过少量实验数 据拟合出来的官能团参数来计算多数体系的未知 性质。
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天然气化工(C1 化学与化工)
2014 年第 39 卷
专论综述
汽油组分及汽油辛烷值预测方法研究进展
仇爱波 1,2, 周如金 2*, 邱松山 2, 曾兴业 2
(1.江苏科技大学生物与化学工程学院,江苏 镇江 212000;2.广东石油化工学院,广东 茂名 525000)
摘 要 :介 绍 了 汽 油 组 分 及 汽 油 辛 烷 值 预 测 方 法 ,重 点 阐 述 拓 扑 指 数 法 、基 团 贡 献 法 对 汽 油 组 分 辛 烷 值 的 定 量 结 构-性 质 相
Estrada 和 Gutierrez[8]根 据 向 量-矩 阵-向 量 多 维 法获得的 8 个参数与 16 个 辛 烷 异 构 体 的 MON 进 行相关联得到最优的 Balaban 指数 J**, 其计算公式

,其中

, 经回归分析得到 MON 和最
优化的 Balaban 指数 J** 模型。 Hosoya[9]提取了不同 的拓扑指数:反映烷烃分子 C-C 键的旋转自由度的 Z,反映几何尺度的 Wiener 指数 w,反映支化程度的 中心指数 B 以及极化率 p 作为参数研究了庚烷与 辛烷异构体辛烷值的构效关系,通过对各模型的分 析要想得到更好的 ON, 则化合物应该具有多分枝 结构,即 Z 越 小 或 沸 点 越 低 ,B 越 大 ,且 密 度 越 大 。
关键词:辛烷值;汽油;汽油组分;拓扑指数法;基团贡献法
中 图 分 类 号 :TE62
文 献 标 识 码 :A
文 章 编 号 :1001-9219(2014)02-62-05
辛烷值是在内燃机的燃烧室中未燃混合气受已 燃气压缩和热传递时汽油抑制过早燃烧的表现数 值,是汽油性能最重要的指标之一,过早燃烧不仅过 度消耗了汽油资源, 还可能会在发动机工作时产生 爆炸性威胁,并且对发动机有所损害。汽油辛烷值是 用 ASTM-CFR 内 燃 机 在 相 同 测 试 条 件 下 与 测 试 汽 油达到相同爆震强度时异辛烷和正庚烷混合物的异 辛烷的体积分数表示的, 根据发动机的转速及进气 温 度 分 为 研 究 法 辛 烷 值 (RON) 和 马 达 法 辛 烷 值 (MON)。 随着汽车发动机压缩比的增加,对汽油辛 烷值的要求也越来越高, 如对每一个可能提高辛烷 值的物质进行合成, 再利用仪器对其辛烷值进行测 定, 这不仅花费大量的时间, 更花费大量的研究经 费, 因此通过各种算法来建立辛烷值的预测模型受 到广泛的关注,在早期一些文献[1]只报道了辛烷值与 化合物结构之间的一些定性关系, 随着各种计算软 件的研究开发,各种定量计算的方法才逐步被提出。
经过对表征分子图的矩阵实施某种数字运算而获 得,可反映分子的形状、大小、支化度等结构特征,它 是直接产生于分子结构矩阵图的不变量, 很好的反 映物质的结构特征[2]。由于拓扑指数计算简单,不受实 验和经验限制,能很好地反映分子结构特征,现已被 广泛使用。 至今已有百余种拓扑指数被提出, 其中 1947 年 Horald Wiener 提 出 了 第 一 个 拓 扑 指 数 Wiener 指数 W 表示了几何尺度[3],Hosaya[4]提出了 Z 指数反映了烷烃分子 C-C 键旋转自由度,Randic [5]提 出的烷烃支链指数 x 指数反映了支化度和分子连接 性,Kier 和 Hall[6]在 Randic 的基础上添加了不饱和程 度、 键和杂原子的处理方法又提出了分子连接性指 数,Balaban[7]提出了表示支化程度的中心指数 B,又 提出了指数 J 能很好的表示几何尺度和分子连接性。
等利用了近红外光谱仪对汽油的近红外光谱数据 进行提取,选取一定波长范围内的数据作为构建模 型的参数。 Myers[24]根据 NMR 对各组分进行分析得 到异链烷烃指数,利用 X 射线荧光仪和原子吸收光 谱对铅和硫含量进行测定, 建立了 77 种汽油组分 的特性与辛烷值之间的相关模型。 烷基铅的溶度被 显示是影响辛烷值的最重要因数,然后是异链烷烃 指 数 。 分 析 获 得 的 相 关 指 数 值 对 RON 为 0.87,对 MON 为 0.90,表明选择的变量具有符合要求的相关 性。
2 辛烷值构效关系的建立方法
2.1 非线性模型的建立方法 2.1.1 人工神经网络法(ANN)
人工神经网络技术是根据所掌握的生物神经 网络机理的基本知识,按照一定的思路和数学描述 方法,建立相应的数学模型,并采用适当算法,有针 对性地确定数学模型的参数(如连接权值、阈值等), 以便获得所需问题的解。 误差反传网络(BP)[25]是目 前应用最广泛的网络,是一种多层前馈网络,采用 最小均方差的学习方式,由信号的正向传播和误差 的反向传播组成, 若正向传播的输出误差较大,则 将输出误差反传回输入层,对各层单元权值进行修 正,进行周而复始的过程,直到输出误差减小到所 需要求或进行了预先设定的学习次数。
光谱法主要是通过近红外光谱, 核磁共振光 谱,原子吸收光谱对样品进行分析以此对汽油辛烷值 进行相关研究, 得到辛烷值的预测值。 Kardamakis[22] 根据样品的近红外光谱与研究法辛烷值进行相关 研究,得到预测值的均方根误差只有 0.3。 史月华[23]
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的含氧类化合物对辛烷值有所提高,并认为在整个 燃烧过程中自由基的形成来源于羰基结构,在燃烧 过程中影响着整个自由基的传递和终止, 确定了 α 位的 C-H 键对产生自由基起着决定性的作用。 通过 对影响分子键强度的现象分析,确定烯醇-酮的互变 异构的气象常数和形成最稳定的烯醇二聚物时烯 丙基氢的数量对自由基的传递起着决定性的作用。 基团贡献法的适用范围较广,主要注重分子结构的 拆解,要想拥有较高的相关性,则更要保证拆解的 正确性, 不过利用该方法获得的标准偏差相对较 大。 1.3 仪器分析法
拓扑指数法、基团贡献法主要用于对汽油组分 的参数提取,对汽油混合物辛烷值的预测模型建立 则需要结合仪器对汽油进行分析,如对各汽油组分 的分析,组分吸光度的分析,各组分含量的分析等, 再利用这些参数与汽油的混合辛烷值进行相关分 析。 1.3.1 色谱法
色谱法主要是通过气相色谱对汽油混合物的 组分以及含量的分析与汽油辛烷值进行相关分析, 以 此 来 得 到 辛 烷 值 的 预 测 值 。 Ghosh[18]等 利 用 各 种 不 同的气相色谱仪对 1471 个汽油进行详细的组分分 析,得到了相关模型。 该模型由于它对从不同的粗 汽油生产的 1471 种汽油燃料进行了分析, 可以适 用于任何汽油燃料, 不考虑它的起始加工过程。 Lugo H J[19]等将催化裂化汽油分为 31 种组分,利用 气相色谱仪对样品的组分进行分析, 最终得到对 RON 贡 献 最 大 的 组 分 为 烯 烃 、 异 链 烷 烃 和 苯 ,对 MON 贡献最大的组分为异链烷烃和苯。 Albahri[20]等 提出预测石油燃料辛烷值的三种分析方法,根据仪 器测定的各组分沸点和比重或体积分数对 RON 和 MON 计 算 ,根 据 平 均 沸 点 和 Waston 特 性 参 数[21]对 RON 和 MON 计算,根据平均沸点和链烷烃含量对 RON 和 MON 计算, 统计数据集得到了辛烷值的平 均误差约为 4~7。 1.3.2 光谱法
关性的研究,并综述利用仪器分析提取参数对汽油辛烷值进行构效关系研究。 综述了分别采用人工神经网络法﹑遗传算法﹑支
持向量机﹑多元线性回归法﹑偏最小二乘法对汽油及汽油组分辛烷值进行拟合的情况及优劣,由于拓扑指数计算比较简 单 ,能
较完善的表示分子结构特征,得到的辛烷值预测模型的相关性比其他方法较好,该方法是目前比较广泛使用的一种方法。
1 汽油wk.baidu.com其组分辛烷值的定量构效 关系的参数提取
1.1 拓扑指数研究法 拓扑指数是分子结构数值化的一种方式, 它是
收稿日 期 :2013-09-25;基 金 项 目 :广 东 省 部 产 学 研 结 合 项 目 (?2009B090300134), 广 东 省 高 新 区 引 导 专 项 项 目 (2011B010700060),2010 年 广 东 省 重 大 科 技 专 项 子 项 目 (911009);作 者 简 介 :仇 爱 波 (1988-),男 ,硕 士 研 究 生 ,电 话 0668-2923069, 电邮 13601499539@163.com;* 通讯作者:电 话 0668-2923672,电邮 rujinzhou@126.com。
Meusinger 和 Moros[26]通过 13CNMR 光 谱 将 所 有 化合物根据化学位移分成 28 个区域,并根据氧、烷 烃环、芳香烃、脂肪链、烯烃双键这些结构的存在与 否得到的一系列碳信号数据作为输入信号,混合研 究法辛烷值作为输出信号,利用人工神经网络法进 行分析,测定得到这些结构信息与辛烷值之间具有 非常好的相关性。 Pasadakis[27]等开发了一种 ANN 模 型来确定汽油混合物的 RON, 这个 ANN 模型利用 各组分的体积溶度作为输入变量, 各自的 RON 作 为输出变量,得到了模型,该模型对 RON 的预测均 方根误差(RMSEP)少于 0.2。 高俊[28]等利 用 三 层 误 差反向传播 BP 人工神经网络(ANN)方法将近红外 光谱仪测定的光谱吸光度与 35 个汽油辛烷值进行 了相关分析,计算得到的预测辛烷值与实际辛烷值 误差都较小, 说明利用 BP 神经网络从近红外光谱 的吸光度预测汽油的辛烷值是可行的。 利用人工神 经网络方法能够对偏差较大的模型进行自动调整,
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