(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点が３５０℃以上の原料から潤滑油を製造する制御方法であって、
該潤滑油の製造は、該原料を蒸留装置に張り込み、それを軽質、中間および重質の留出油に分離し、該留出油を抽出装置に張り込み、それを抽出してラフィネートを製造し、該ラフィネートを脱ロウ装置に張り込み、それを脱ロウして潤滑油を製造することによって行われ、その際、
（ａ）潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油の試料を調製する工程；
（ｂ）潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油の、物理的、化学的、知覚上あるいは性能上の性状の少なくとも一つを選択する工程；
（ｃ）参照試料を選択する工程であって、該参照試料は潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油内に存在する特性的な化合物種類を含有し、また工程（ｂ）で選択された一つあるいは複数の既知の性状を有している工程；
（ｄ）以下の工程（１）〜（１０）により訓練セットを設定する工程：
（１）質量分光分析器に連結されたガスクロマトグラフに各参照試料を注入し、これにより、炭化水素混合物を少なくとも部分的にそれを構成する化学的成分に分離する工程；
（２）各参照試料の構成化学成分を、動的なフロー条件下で、質量分光分析器に注入する工程；
（３）各参照試料に関して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る工程；
（４）保持時間を補正するために質量クロマトグラムを校正する工程；
（５）補正された一連の保持時間ウインドーを選択する工程；
（６）各保持時間ウインドー内の一連の分子イオンおよび／あるいはフラグメントイオンを選択する工程であって、該イオンは保持時間ウインドー内に存在が予測される特性的な化合物あるいは化合物タイプを代表する工程；
（７）工程ｄ（６）で選択された各々の特性的な化合物あるいは化合物タイプの全量を記録する工程；
（８）工程ｄ（６）およびｄ（７）からのデータによりＸ−ブロックのマトリックスを作成する工程；
（９）工程（ｃ）で選択された参照試料の、工程（ｂ）で選択された性状データによりＹ−ブロックのマトリックスを作成する工程；および
（１０）部分最小二乗法、主成分回帰分析法あるいはリッジ回帰分析法を含む多変量相関技法を用いて、工程ｄ（８）およびｄ（９）からのデータを分析する工程；
（ｅ）参照試料と同様に、潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの未知の試料の少なくとも一つを用いて工程ｄ（１）〜ｄ（３）を実施して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る工程；
（ｆ）工程（ｅ）により得られた質量クロマトグラムの各々に対して、工程ｄ（４）とｄ（８）を繰り返す工程；
（ｇ）工程（ｆ）で得られたマトリックスに工程ｄ（１０）で得られた係数を乗じて、少なくとも一つの潤滑油試料および／あるいは原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を得る工程；および
（ｈ）少なくとも一つの潤滑油試料および／あるいは原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を用いて、蒸留装置、抽出装置および脱ロウ装置の少なくとも一つの装置の運転を制御する工程
を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項２】
沸点が３５０℃以上の原料を利用し、および／または沸点が３５０℃以上の製品を製造する化学工場あるいは製油所内における工程を制御またはモニタリングする方法であって、
（ａ）製油所あるいは化学工場での少なくとも一つの原料あるいは製品の試料を調製する工程；
（ｂ）製油所あるいは化学工場での少なくとも一つの原料あるいは製品の、物理的、化学的、知覚上あるいは性能上の性状の少なくとも一つを選択する工程；
（ｃ）参照試料を選択する工程であって、該参照試料は製油所あるいは化学工場での原料あるいは製品の少なくとも一つに存在する特性的な化合物種類を含有し、また工程（ｂ）で選択された一つあるいは複数の既知の性状を有している工程；
（ｄ）以下の工程（１）〜（１０）により訓練セットを設定する工程：
（１）質量分光分析器に連結されたガスクロマトグラフに各参照試料を注入し、これにより、炭化水素混合物を少なくとも部分的にそれを構成する化学的成分に分離する工程；
（２）各参照試料の構成化学成分を、動的なフロー条件下で、質量分光分析器に注入する工程；
（３）各参照試料に関して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る工程；
（４）保持時間を補正するために質量クロマトグラムを校正する工程；
（５）補正された一連の保持時間ウインドーを選択する工程；
（６）各保持時間ウインドー内の一連の分子イオンおよび／あるいはフラグメントイオンを選択する工程であって、該イオンは保持時間ウインドー内に存在が予測される特性的な化合物あるいは化合物タイプを代表する工程；
（７）工程ｄ（６）で選択された各々の特性的な化合物あるいは化合物タイプの全量を記録する工程；
（８）工程ｄ（６）およびｄ（７）からのデータによりＸ−ブロックのマトリックスを作成する工程；
（９）工程（ｃ）で選択された参照試料の、工程（ｂ）で選択された性状データによりＹ−ブロックのマトリックスを作成する工程；および
（１０）部分最小二乗法、主成分回帰分析法あるいはリッジ回帰分析法を含む多変量相関技法を用いて、工程ｄ（８）およびｄ（９）からのデータを分析する工程
（ｅ）参照試料と同様に、製油所あるいは化学工場のプロセス用の原料あるいはプロセス試料の少なくとも一つの未知の試料を用いて工程ｄ（１）〜ｄ（３）を実施して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る工程；
（ｆ）工程（ｅ）により得られた質量クロマトグラムの各々に対して、工程ｄ（４）とｄ（８）を繰り返す工程；
（ｇ）工程（ｆ）で得られたマトリックスに工程ｄ（１０）で得られた係数を乗じて、製油所あるいは化学工場のプロセス用の原料あるいはプロセス試料の少なくとも一つに関して一つあるいは複数の性状の予測値を得る工程；および
（ｈ）製油所あるいは化学工場の原料あるいは製品の一つあるいは複数の試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を用いて、製油所あるいは化学工場のプロセスを制御する工程
を含むことを特徴とする制御またはモニタリング方法。
【請求項３】
ガスクロマトグラフがキャピラリー型ガスクロマトグラフであり、質量分光分析器が四重極型質量分光分析器であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
ガスクロマトグラフおよび質量分光分析器は、繰り返しが可能な条件下で作動することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項５】
化合物又は化合物種の一連の分子イオンおよび／又はフラグメントイオン特性の選択は、「炭化水素化合物のタイプ分析」を用いて成しとげられることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項６】
ガスクロマトグラフおよび質量分光分析器からのデータがコンピューターに蓄えられることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項７】
工程（ｃ）および工程（ｇ）からのデータがコンピューターで処理されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項８】
炭化水素混合物の他の化学的な性能、知覚上又は物理的な性状が選択されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項９】
データが共線性であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項１０】
多重相関方法が部分最小二乗法であることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１.発明の分野
本発明は、ガスクロマトグラフと質量分光分析法を併用して、潤滑油製造プロセスに流入あるいはそれから流出するストリームの性能上、知覚上、化学的あるいは物理的な性状を予測することによる潤滑油の製造方法に関する。
２.関連技術の説明
製油所および化学工場は、典型的には、オンライン分析器による分析と試験室での分析を併用して品質上の情報を得ることにより、各種の成分ストリームおよびある種の添加剤の処理を制御している。これらの品質パラメーター（化学組成、物理的あるいは知覚上あるいは性能上の性状）は、次いで、製油所あるいは化学工場のハードウエア（蒸留塔あるいは流量比例制御用の調節弁）を制御するソフトウエアあるいはアルゴリズムを含むプロセス制御用コンピューターにフィードバックされる。制御プログラムは、典型的には１時間に４回以上実行され、そのアウトプットは、タンクに貯蔵されるか、あるいは直接的にパイプラインとターミナル、トラックあるいは船積用設備に送られる最終製品の量を変更するために、プロセスを制御しあるいは流量比例制御用弁を制御する目的で使用される。このプロセス制御のためには、典型的には、各種のオンライン分析器が必要である。
ガスクロマトグラフは、ガソリン沸点範囲にある炭化水素混合物の物理的および性能上の性状を予測するために使用されてきている。クロウフォードとヘルムースは、製油所内の異なったストりームをブレンドして得られるガソリンのオクタン価を予測するためのガスクロマトグラフと主成分の回帰分析の使用を述べている（Fuel、1990、69、443〜447）。日本公開特許公報（JP 03-100463）は、ガスクロマトグラフを用いて燃料油試料を各成分に分離し、質量スペクトルにおける特性的質量でのイオン強さの信号強度を測定し、多重回帰分析を施してこれらのイオン強さをセタン価に関連付けることにより、該燃料油のセタン価を推定する方法に関している。
ガスクロマトグラフと質量分光分析を組み合わせた分析方法（ＧＣ／ＭＳ）は原油の分析に用いられている。米国特許第5,119,315は、質量クロマトグラムのような試料データを既知の物質の参照データに当てはめる方法を開示している。ウイリアム他は、ＧＣ／ＭＳ分析によって得られる原油の生分解性を議論している（第１２回European Assoc. Organic Geochem., Int. Mtg.（ドイツ、８５年９月１６〜２０日）；オーガニック  ジオケミストリー（１９８６年、第１０巻（１−３）４５１〜４６１）。
製造プロセスでの中間ストリームおよび／あるいは潤滑油製品の化学的、物理的な性状を速やかに測定し、これらの性状を用いて該製造プロセス内の装置および／あるいは該製品品質を制御するためには、単独の分析器による方法を用いることが望ましい。
本発明の要約
本発明は、沸点が約３５０℃以上の原料油を蒸留塔に張り込み、それを軽質、中間および重質の留出油に分離し、該留出油を抽出装置に張り込み、それを抽出してラフィネートを製造し、該ラフィネートを脱ロウ装置に張り込み、それを脱ロウして潤滑油を製造する複数のステップによる該原料油からの潤滑油の製造を制御するプロセスに関し、該プロセスは以下により構成される：
（ａ）潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油の試料を調製する；
（ｂ）潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油の、物理的、化学的、知覚上あるいは性能上の性状の少なくとも一つを選択する；
（ｃ）参照試料を選択する、ここで該参照試料は潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの油内に存在する特性的な化合物種類を含有し、またステップ（ｂ）で選択された一つあるいは複数の既知の性状を有している；
（ｄ）以下のステップから成る訓練セットを設定する：
（１）質量分光分析器に連結されたガスクロマトグラフに各参照試料を注入し、これにより、該炭化水素混合物を少なくとも部分的にそれを構成する化学的成分に分離する；
（２）各参照試料の構成化学成分を、動的なフロー条件下で、質量分光分析器に注入する；
（３）各参照試料に関して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る；
（４）保持時間を補正するために質量クロマトグラムを校正する；
（５）補正された一連の保持時間ウインドーを選択する；
（６）各保持時間ウインドー内の一連の分子イオンおよび／あるいはフラグメントイオンを選択する、ここで該イオンは保持時間ウインドー内に存在が予測される特性的な化合物あるいは化合物タイプを代表する；
（７）ステップｄ（６）で選択された各々の特性的な化合物あるいは化合物タイプの全量を記録する；
（８）ステップｄ（６）およびｄ（７）からのデータによりＸ−ブロックのマトリックスを作成する；
（９）（ａ）で選択された参照試料の（ｂ）で選択された性状データによりＹ−ブロックのマトリックスを作成する；
（１０）部分最小二乗法、主成分回帰分析法あるいはリッジ回帰分析法を含む多変量相関技法を用いて、ステップｄ（８）およびｄ（９）からのデータを分析する；
（ｅ）参照試料と同様に、潤滑油、原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの未知の試料の少なくとも一つを用いてステップｄ（１）〜ｄ（３）を実施して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る；
（ｆ）ステップ（ｅ）により得られた質量クロマトグラムの各々に対して、ステップｄ（４）とｄ（８）を繰り返す；
（ｇ）ステップ（ｆ）で得られたマトリックスにステップｄ（１０）で得られた係数を乗じて、少なくとも一つの潤滑油試料および／あるいは原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を得る；および
（ｈ）少なくとも一つの潤滑油試料および／あるいは原料油、留出油およびラフィネートの少なくとも一つの試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を用いて、蒸留装置、抽出装置および脱ロウ装置の少なくとも一つの装置の運転を制御する。
本発明の他の実施例は、沸点が約３５０℃以上の原料油を処理するか、同等の沸点範囲を有する製品を製造するための化学工場あるいは製油所内のプロセスを制御あるいはモニタリングする方法に関し、この方法は以下により構成される：
（ａ）製油所あるいは化学工場での少なくとも一つの原料あるいは製品の試料を調製する；
（ｂ）製油所あるいは化学工場での少なくとも一つの原料あるいは製品の、物理的、化学的、知覚上あるいは性能上の性状の少なくとも一つを選択する；
（ｃ）参照試料を選択する、ここで該参照試料は製油所あるいは化学工場での原料あるいは製品の少なくとも一つに存在する特性的な化合物種類を含有し、またステップ（ｂ）で選択された一つあるいは複数の既知の性状を有している；
（ｄ）以下のステップから成る訓練セットを設定する：
（１）質量分光分析器に連結されたガスクロマトグラフに各参照試料を注入し、これにより、該炭化水素混合物を少なくとも部分的にそれを構成する化学的成分に分離する；
（２）各参照試料の構成化学成分を、動的なフロー条件下で、質量分光分析器に注入する；
（３）各参照試料に関して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る；
（４）保持時間を補正するために質量クロマトグラムを校正する；
（５）補正された一連の保持時間ウインドーを選択する；
（６）各保持時間ウインドー内の一連の分子イオンおよび／あるいはフラグメントイオンを選択する、ここで該イオンは保持時間ウインドー内に存在が予測される特性的な化合物あるいは化合物タイプを代表する；
（７）ステップｄ（６）で選択された各々の特性的な化合物あるいは化合物タイプの全量を記録する；
（８）ステップｄ（６）およびｄ（７）からのデータによりＸ−ブロックのマトリックスを作成する；
（９）（ａ）で選択された参照試料の（ｂ）で選択された性状データによりＹ−ブロックのマトリックスを作成する；
（１０）部分最小二乗法、主成分回帰分析法あるいはリッジ回帰分析法を含む多変量相関技法を用いて、ステップｄ（８）およびｄ（９）からのデータを分析する；
（ｅ）参照試料と同様に、製油所あるいは化学工場のプロセス用の原料あるいはプロセス試料の少なくとも一つの未知の試料を用いてステップｄ（１）〜ｄ（３）を実施して、一連の時間に対して分離された質量クロマトグラムを得る；
（ｆ）ステップ（ｅ）により得られた質量クロマトグラムの各々に対して、ステップｄ（４）とｄ（８）を繰り返す；
（ｇ）ステップ（ｆ）で得られたマトリックスにステップｄ（１０）で得られた係数を乗じて、製油所あるいは化学工場のプロセス用の原料あるいはプロセス試料の少なくとも一つに関して一つあるいは複数の性状の予測値を得る；および
（ｈ）製油所あるいは化学工場の原料、中間製品あるいは最終製品の一つあるいは複数の試料に関する一つあるいは複数の性状の予測値を用いて、製油所あるいは化学工場のプロセスを制御する。
上述のガスクロマトグラフィと質量分光分析を組み合わせた方法（ＧＣ／ＭＳ）は、潤滑油製造装置での中間製品や潤滑油製品のような複雑な混合物に関する広範囲にわたる知覚上、性能上、化学的あるいは物理的な性状を速やかに予測するために使用可能である。この種の性状の中には、蒸留特性、流動点、密度、アニリン点、原料品質、曇り点、曇り度、粘度およびそれと同様な性状、および特定の化学成分等が含まれる。この多重相関方法は、ＧＣ／ＭＳ分析によって得られる共線データの処理にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、潤滑油の製造プロセスのフロー図である。
本発明の詳細な説明
典型的な潤滑油製造プロセスは、蒸留装置、抽出装置、脱ロウ装置から構成され、また水素化装置が用いられる場合もある。潤滑油製品は、通常は、最終製品の基油として使用され、またトランス油や農業用の油のような特殊製品となる場合もある。
図１はフロー図であり、オンラインの製造プロセスを示している。原料１０は、原油あるいは重質留出油のストリームのような複雑な炭化水素混合物である。該原料は、配管１２により蒸留装置２０に供給される。原料は、弁１８が設置されている配管１６に連結されているサンプリング口１４を通じてサンプリングできる。
蒸留装置２０は、典型的にはパイプスチルであり、これは蒸留により原料を複数の留分に分離する。簡便のために、ここではこれら留分は装置２０から配管２２に一括して流出すると仮定する。配管２２は複数の配管により成り立っており、ｎは互いに異なる留分の数を表す。配管２２ｎの各々は、弁２８ｎを装備する配管２６ｎに連結されているサンプリング口２４ｎを通じてサンプリング可能である。
これら留分は抽出装置３０に原料として供給され、ここで、フェノール、Ｎ−メチルピロリドン等の溶剤により抽出される。該抽出プロセスにより該原料はラフィネートとボトムに分離される。再び簡便のために、ここではこれらラフィネートは装置３０から単独の配管３２ｎに一括して流出すると仮定する。配管３２は複数の配管により成り立っており、ｎは互いに異なるラフィネート抽出物の数を表す。配管３２ｎの各々は、弁３８ｎを装備する配管３６ｎに連結されているサンプリング口３４ｎを通じてサンプリング可能である。これらラフィネート抽出物は、通常はストリッピング装置（図示されていない）により溶剤を除去された後に、脱ロウ装置に供給される。
脱ロウ装置４０では、メチルエチルケトン、プロパン等の脱ロウ助剤によりロウ分が除去される。前述の装置と同様にして、ここでも簡便のために、これら脱ロウ処理されたラフィネートは装置４０から単独の配管４２ｎに一括して流出すると仮定する。ｎは脱ロウ処理されたラフィネートの数を表す。配管４２ｎの各々は、弁４８ｎを装備する配管４６ｎに連結されているサンプリング口４４ｎを通じてサンプリング可能である。
装置４０から配管４２ｎに流出する脱ロウ処理されたラフィネートは潤滑油として使用してよい（脱ロウ助剤を除去した後に）。この種の潤滑油の典型例は、ライト・ニュートラル、ヘビー・ニュートラル、ブライト・ストック等として知られている。これら潤滑油は、製品品質検査のために、弁４８ｎを装備する配管４６ｎに連結されているサンプリング口４４ｎを通じてサンプリング可能である。これら潤滑油は、水素化処理装置５０により水素化処理を受けてもよい。水素化処理装置で使用される触媒および運転条件は当業界ではよく知られている。水素化処理を受けた製品は、水素化処理装置５０から配管５２ｍに流出する。ここで、ｍは水素化処理を受けた潤滑油の数を表す。水素化処理を受けた潤滑油は、弁５８ｍを装備する配管５６ｍに連結されているサンプリング口５４ｍを通じてサンプリング可能である。
配管１６、２６ｎ、３６ｎ、４６ｎおよび５６ｍの各々は、サンプリング・マニフォールド６０に連結されている。更に、サンプリング・マニフォールド６０に、配管を通じて離れた距離に試料を送るための設備を装備してよい。この場合には、弁６６およびサンプリング口６４を装備した配管６２により、離れた場所７０がサンプリング・マニフォールド６０に連結される。サンプリング・マニフォールド６０は、分析すべき全ての試料を集めてＧＣ／ＭＳ分析を実施するための中心的な位置にある。マニフォールド６０は、不純物除去のために分析すべき試料によりパージすることが可能であり、パージされた物質は弁７４を装備する配管７２を通じて再循環される。
分析すべき試料は、配管７６を通じて試料注入弁８０に送られる。注入弁８０は、同様にして、弁８４を装備する配管８０を通じて分析すべき試料によりパージすることが可能である。サンプリング・マニフォールド６０および注入弁８０がパージされたならば、分析すべき試料はＧＣ／ＭＳ分析器に注入される。オフライン運転により得られた試料を、弁８０を通じて直接的に注入できる。オフライン試料とは、離れた場所でサンプリングされ、分析のために中央設備に送られる試料のことである。ＧＣ／ＭＳ分析器９０によって得られた生データはコンピューター１００に伝送される。使用済み試料とパージのために用いられた物質は、弁９４を装備する配管９２を通じて再循環される。コンピューター１００は、ＧＣ／ＭＳ分析によって得られた生データを数学的に処理する。コンピューター１００のアウトプットは、電子信号として配線１０２を通じて制御コンピューター１１０に伝送される。制御コンピューター１１０は、配線１１２により装置２０、３０、４０および５０に連結されており、これら装置２０、３０、４０および５０内の運転条件を制御する。これら運転条件は、次いで、装置４０および／あるいは５０からの潤滑油製品の品質を制御する。
ＧＣ／ＭＳ分析器９０およびコンピューター１００の運転を以下に更に詳細に説明する。原料、留分および潤滑油製品は、全て複雑な炭化水素混合物であり、数千の個々の化学種を含有している。このような複雑な混合物の化学的および物理的な性状を分析するためにＧＣ／ＭＳを用いる際には、膨大な量の共線データが発生する。正規線形データの処理のために、多重回帰分析が用いられることがある。しかしながら、この種の分析は共線データのためには使用不能である。
本発明によるプロセスは、原料、留分、ラフィネートおよび潤滑油の化学的、性能上、知覚上および物理的な性状を予測する方法を包含しており、これらの分析のために、ＧＣ分析により得られた保持時間とＭＳ分析により得られた目標となるフラグメントイオンおよび／あるいは分子イオンを組み合わせることにより定量的な成分同定を行なう。ＭＳ分析による情報は、訓練セットを形成する参照試料の既知の性状のセットと比較される。実験データを訓練セットのデータと数学的に比較することにより、他の原料、留分、ラフィネートおよび潤滑油の望ましい性状の予測が可能となる。
ＧＣ／ＭＳ分析においては、ガスクロマトグラフと質量分光分析器が組み合わされている。超臨界クロマトグラフ、液体クロマトグラフあるいは分子サイズ排除クロマトグラフのようなクロマトグラフは、混合物を成分あるいは成分からなる混合物に分離するために使用可能であるが、ガスクロマトグラフ（特に、キャピラリークロマトグラフ）が質量分光分析器との組み合わせに適した方法である。ＧＣおよびＭＳは、両方共、計器の制御、データの取得およびデータの削減のためにコンピューター・ソフトウエアを使用する。該コンピューターのプラットフォームは、少なくとも２０００の質量スペクトルを約７分間で取得する能力を有していなければならない。
分析すべき試料混合物は、まず最初にＧＣに注入され、そこで該混合物の成分は保持時間の関数として分離される（しばしば、沸点に基づいて）。ここでは、混合物成分のクロマトグラフによる部分的な分離だけが必要とされる。ＧＣ炉温度は、通常は、広範囲な沸点範囲を有する試料に対してプログラム化されている。分離された成分は、更に、検出器によって同定してもよい。このような検出器の中には、水素炎イオン化検出器、原子発光検出器、熱伝動度検出器、電子捕獲型検出器がある。
分離あるいは部分的に分離された成分は、次いで、動的なフローの条件下で、質量分光分析器に送られる。ＧＣは大気圧下で作動し、ＭＳは減圧条件下（約１０-3ｋＰａ）で作動するので、キャリアー・ガスの影響を最少に維持しつつ試料を効果的に移動させるためには両分析器の中間に連結装置を設置する必要がある。この種の連結装置の中には、分子分離装置（例：ジェット・メンブレン）、オープン・スプリット連結器、キャピラリー型の直接連結器がある。
試料の性質によっては、事前にＧＣによる分離ステップを踏むことなく、直接注入プローブを用いて、該混合物を直接的にＭＳに注入してもよい。質量分光分析器に試料を注入するために、その他のＧＣを使用しない形式の熱分離技術を用いてもよい。
ＭＳ分析器においては、高エネルギーの電子を試料分子に衝突させることにより分子イオンを発生させ、このイオンは関連する分子種に特徴的なパターンに分解する。この結果、少なくとも１０ダルトンから少なくとも８００ダルトンの走査範囲にわたる連続した一連の質量スペクトルが得られる。質量スペクトルのデータは、選択イオン検出（ＳＩＭ）モードによっても得られる。選択イオン検出モードを採用する場合には、関心がある成分を代表するイオンを選択し、繰り返しが可能な条件下で作動するように注意しなければならない。多種類のＭＳ分析器が使用可能である。この種の分析器の中には、低分離型、高分離型、ＭＳ／ＭＳ（ハイブリッド、三連四重極型、その他）、イオンサイクロトロン共鳴、飛行時間型ＭＳがある。イオン化技術は、分析手法の使用に適する分子イオンあるいはフラグメントイオンを発生させるものであれば、どのような方法を用いてもよい。この種の技術の中には、電子イオン化、化学イオン化、多光子イオン化、電場脱着イオン化、電界イオン化、等がある。
試料の分析結果は、ｌ（エル）個の一連の質量スペクトルである。質量スペクトルは、ｎ個の時間間隔に分けられる。ここでｎは１〜ｌ（エル）の整数である。ｍ個の時間間隔から少なくとも一つの特徴的なイオンを選択する。ここでｍは１〜ｎの整数である。「特徴的なイオン」とは、化学種である化合物、あるいはそれに関連付けられる性能上、知覚上あるいは物理的な性状を代表するイオンのことである。質量スペクトルが走査モードあるいは選択イオン検出モードいずれで得られるにせよ、これらが繰り返し可能な条件下で得られることが肝要である。
もし質量スペクトル・データを走査モードで取得する場合には、該データ取得期間中でカバーすべき質量範囲は、各質量スペクトル走査の数学的な処理期間中に特徴的なイオンとして使用可能な全てのイオンの取得に十分な程広くなければならない。選択イオン検出モードで質量スペクトルのデータを取得する場合には、検出のために使用されるイオンは、関心のある成分の測定のために使用するに適切なものでなければならない。
試料の質量スペクトルのデータは、次いで、性能上、知覚上、物理的および／あるいは化学的な性状が既知の一連の参照試料の質量スペクトルのデータと比較される。参照試料の質量スペクトルのデータを試料の質量スペクトルのデータと比較するためには、この比較の首尾一貫性の確保を促進するために試料データの時間を調整することが望ましいかもしれない。この種のデータ調整のためのコンピューター・プログラムが市販されている（例えば、ヒューレット・パッカード社製のＧＣ／ＭＣソフトウエアＤ１０３４ＣのバージョンＣ.０１.０５）。
参照試料の質量スペクトルのデータおよびそれに関連する性状データは、以下に示すように、数学的な処理のためにマトリックスの形式に並べられる。化学組成の情報の場合には、与えられた質量での参照試料のイオン強さに関する一つのマトリックスを作成し、また既知の成分の分子イオンあるいはフラグメントイオンの既知のイオン強さを含む別のマトリックスを作成する。この結果、化学組成データに関する訓練セットは、試料混合物内に存在が予測される化合物あるいは分子シリーズに特徴的な各種成分に関する質量スペクトルのデータにより構成されることになる。同様な訓練セットが、関心のある他の化学的、知覚上、性能上あるいは物理的な性状に関して作成できる。これらの訓練セットは、一つのブロックあるいはマトリックス・データ（すなわち、各々Ｙ−ブロックあるいは性状マトリックス）を形成する。実際の試料の質量スペクトルのデータ（これは、時間調整処理がなされているかもしれない）は、他のブロック（Ｘ−ブロック）あるいはデータ・マトリックスを形成する。これらの２種類のマトリックスは、部分最小二乗法（ＰＬＳ）、主成分回帰法（ＰＣＲ）あるいはリッジ回帰分析法（ＲＲ）として知られる数学的な処理を受けて、性状データと質量スペクトルのデータの間の数学的に記述が可能な関係（モデルとして知られている）を得る。このモデルにより得られる係数は、下記の目的のために、未知の望ましい性状を有する試料での適切に処理された質量スペクトルのデータの数学的な処理のために使用される：
ａ）望ましい性状を予測する、
ｂ）この種の予測のための該モデルの適切さを評価する、および
ｃ）質量スペクトルのデータを与えたプロセスの安定性と一般的な適正さを診断する。
ＰＬＳ／ＰＣＲ／ＲＲは以下の文献に記載されている；例えば、ウオルド  Ｓ.、Ａ.ルーへ、Ｈ.ウオルド、およびＷ.Ｊ.ダン、「線形回帰での共線問題、一般化された逆数に対する部分最小二乗法（ＰＬＳ）のアプローチ」、ＳＩＡＭ  Ｊ.Ｓｃｉ.Ｓｔａｔ.Ｃｏｍｐｕｔ.、１９８４  ５（３）、７３５〜７４３、あるいはゲラディ  Ｐ.、およびＢ.Ｒ.コワルキ、「部分最小二乗法：解説書」、Ａｎａｌ.Ｃｈｉｍ.Ａｃｔａ、１９８６、１８５、１〜１７、あるいはヘッケルドソン  Ａ.、「ＰＬＳ回帰方法」、Ｊ.Ｃｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓ、１９８８、２、２１１〜２２８、あるいはＪ.ＣｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓあるいはＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓのような専門雑誌に投稿された他の多くの論文；フランク  Ｉ.およびＪ.フリードマン、「化学測定法におけるいくつかの回帰分析ツールの統計学的考察」、Ｔｅｃｈｎｏｍｅｔｒｉｃｓ、１９９３、巻３５、第２号；ジャクソン  Ｊ.Ｅ.、「主成分に関するユーザー用ガイド」、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、ニューヨーク、１９９１；モントゴメリー  Ｄ.Ｃ.、およびＥ.Ａ.ペック、「線形回帰分析入門」、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、ニューヨーク、１９９０、およびマルテンス、Ｈ.およびＴ.ナエス、「多重校正」、Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、ニューヨーク、１９８９。
複雑な混合物を取り扱う場合には、特定の化合物あるいは化合物グループに関する特定の保持時間での適切な質量あるいは質量グループを選択する必要がある。この種の質量の選択は、１セットの規則を設定する際の基礎をなすものであり、その後これらの規則に基づいて訓練セットのデータが作成される。この種の選択プロセスに関するセット設定用の方法は存在しない。研究者は、関心のある化合物に関する適切な質量を選択しなければならない。例えば、原料や潤滑油は、パラフィン類、シクロパラフィン類、芳香族類およびオレフィン類といった広範囲にわたる各種化合物種を含有している。パラフィン系炭化水素は、４３、５７、７１、８５、....ダルトンの質量の点でフラグメントイオンを発生することが知られており、これらの質量はこの種の化合物種の特徴として使用可能である。更に、これらを保持時間データと共に分析したならば、このような化合物種内での特定の化合物の濃度を知ることが可能となる。同様にして、組成データを他の関心のある性状（例えば、蒸留特性、粘度、粘度指数、揮発度、屈折率、等）と関連付けることにより、他の化学的、性能上、知覚上あるいは物理的な性状に関する訓練セットの設定が可能となる。訓練セットをＰＬＳ、ＰＣＲあるいはＲＲにより数学的に処理したならば、関心のある性状に関する１セットの係数が得られる。
次いで、これらの係数を試料のデータ・マトリックスに乗じる。この結果、望ましい一つあるいは複数の性状が予測され、この情報は、蒸留装置、抽出装置、脱ロウ装置および／あるいは水素化装置の運転条件の制御、および潤滑油品質の制御のために使用可能である。更に、性状の変動は、運転員が製品品質に影響を与える可能性がある運転上のアプセットあるいは運転条件の変化を速やかに知ることの助けになる。本発明を、以下の実施例により、更に詳細に説明する。
実施例１
当実施例では、説明のための特定の性状として１５℃での密度を用いることにより、複雑な炭化水素混合物の物理的あるいは化学的な性状を予測する方法を説明する。この方法は、この種の混合物に関して、一定の幅内にある他の物理的、および性能上、知覚上あるいは化学的な性状の予測に一般的に適用できる。
最初の考慮事項は、性状予測に用いられるＧＣ／ＭＳ分析データを首尾一貫した操作条件下で得るために、１セットの標準的なＧＣ／ＭＳ操作パラメーターを設定することである。当実施例で用いられたＧＣ／ＭＳ分析器は、ヒューレット・パッカード社製の５９７２マス・サービス・ディテクターとそれに連結されたヒューレット・パッカード社製の５８９０シリーズＩＩのガスクロマトグラフ（使用のためにミクロボアのカラムが装備されている）である。
ＧＣ／ＭＳの操作条件を表１にまとめている。
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未知の炭化水素混合物の性状（当実施例では密度）を予測するためには、まず最初に関心のある一つあるいは複数の性状が既知の参照試料を選択する必要がある。一連の２７種類の１５０Ｎグレードのロウ分含有率の高いラフィネート試料を各種の原油から調製して当実施例で用いた。これらの参照試料は、下記に示すように、訓練セットおよび試験セットを調製するために用いた。
ＧＣ／ＭＳの生データを得る以前の段階で、データ処理方法を選択しなければならない。使用可能な２種類のデータ処理方法がある。一つは「化学者のルール」であり、他は「炭化水素化合物のタイプ分析」であり、これは例えばロビンソン  Ｃ.Ｊ.著の「低分離型質量分光分析による石油留分中の芳香族および飽和化合物の定量」（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９７１、４３（１１）、Ｐ.Ｐ.１４２５〜３４）に記載されている。
「化学者のルール」は以下の別個の２部分により構成されている：（１）保持時間を補正するための校正部分、すなわち、時間ゼロから与えられたピークが発生するまでの時間；および（２）検討中の炭化水素混合物のタイプに関して予期される顕著な化合物あるいは一連の分子に対応する選択された一連の質量に基づく実際の「ルール」。これらの化合物あるいは化合物タイプは、該化合物あるいは一連の分子に特徴的な顕著な分子イオンおよび／あるいはフラグメントイオンを有しているとの前提に基づいて選択される。「化学者のルール」の一部を表２に示している。「化学者のルール」の全セットは、実施例４の後に全て記載されている。
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次いで、各々の質量スペクトルのイオンのグループに対して参照保持時間が決められる。このイオンのグループは、表２に示される選択された分子タイプあるいは分子の各々に関して「化学者のルール」で使用するために選択されたものである。カラムの劣化、カラム圧の変動、カラムを流れるキャリアー・ガスの線速度の変動、あるいはＧＣカラム炉温度の微小な変動、等によって引き起こされ得る保持時間の微小のシフトを考えるならば、この種の補正は必要である。校正ステップにより、全てのＧＣ／ＭＳデータ・ファイルに関する一連の補正係数が得られる。保持時間の補正を実施するためのプログラムが市販されている。この種の補正を施した結果を表３に示している。
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補正係数が決められたならば、次いで実際の「ルール」が決められる。密度の予測の場合には、化合物あるいは化合物シリーズの同定に基づいて合計１７８個の「ルール」が用いられる。各々の「ルール」に関しては、１セットの特徴的な質量数が決められる。これらの特徴的な質量数は１〜ｎの整数であり、ここでｎは走査された全質量範囲を代表する整数、あるいは選択されモニターされたイオンの数である。この場合には、６個の特徴的な質量数が示されている。各々の「ルール」の質量のイオンの強さを、該「ルール」での保持時間の上下限界の範囲内で合計する。この結果を、当実施例における１７８個の「ルール」の一部に関して、表４に示している。「化学者のルール」の全セットは、実施例４の後に全て記載されている。
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全存在度の生データ（ＴＩＣ）：ＧＣ／ＭＳ分析で観察される全面積。
化学者ルール：「化学者のルール」の使用によって得られる全面積；経験に基づくもので、全存在度の生データの３０％を越えなければならない。
空気漏れ：空気による全イオン化（ｍ／ｚ２８、３２、４０、４４）、これは計器の問題の診断に有用である。
平均走査速度（最小／最大）：ＧＣ／ＭＳ分析期間中の最小、平均および最大の走査速度を示すもので、計器の問題の原因診断に有用である。
記録数：分析期間中に得られた質量スペクトルの走査数。
表４にまとめられている分析は、各々の参照試料について実施される。各々の分析での結果は、訓練セットを形成し、これは次いで数学的な処理を受ける。この目的は、今後の試料の未知の性状をそれらの質量スペクトルのデータのみから予測するために使用可能なモデルを作成することである。上記の数学的な処理は多重相関方法によって実施され、これらの方法の中には、潜在的構造への投影（ＰＬＳ）による方法、あるいは別の名前で言えば部分最小二乗（ＰＬＳ）、主成分回帰（ＰＣＲ）およびリッジ回帰（ＲＲ）として知られる方法がある。これらの方法は、Ｘ−ブロックあるいはＧＣ／ＭＳデータ・マトリックス（およびＹ−ブロックあるいはＰＬＳ分析のための性状マトリックス）での変数中の共線性を処理する能力および「化学者のルール」によって得られるデータ量を取り扱う能力において、通常の多重線形回帰法よりも優れている。通常の多重線形回帰法は、共線性変数の処理には使用不能である。
ＰＬＳ／ＰＣＲ／ＲＲは、多重目的に関連する観察結果により構成されるデータ・セット内で数学構造（モデル）を見付けかつ作成するための数値解析方法である。各々の目的は、それと多重変数に関する観察結果を関連付けており、これらの多重変数は全目的に対して共通である。これらの多重変数はＸ−ブロックおよびＹ−ブロック（この場合はＧＣ／ＭＳ分析によるデータ）として知られる２種類のカテゴリーに割り当てられる。Ｘ−ブロック内の全変数に関連する観察結果は、共通のプロセスにより得られる。Ｙ−ブロック内の変数に関連する観察結果（この場合は既知の性状）を得るためのプロセスは各変数毎に異なるかもしれない。この数学的なモデルを作成するために使用されるデータ・セットはモデル校正データ・セットと呼ばれている。
ＰＬＳ／ＰＣＲ／ＲＲの共通の使用方法は、新規目的（校正データ・セット内には存在していない）のために得られたＸ−ブロックでの観察結果に対して校正データ・セットから得られたモデルを適用することであり、この目的は、これら新規目的のために、校正データ・セット内で用いられたＹ−ブロック用プロセスを実行することなく、Ｙ−ブロック内の対応する変数のための値を予測することである。この過程で同時に得られるＰＬＳ／ＰＣＲ／ＲＲモデルによる診断法を使用して、モデルがこれら新規目的を適切に記述しているかどうか、モデルが内挿モードばかりでなく外挿モードに対しても使用されているかどうかが評価できる。
ＰＬＳ／ＰＣＲは、Ｘ−ブロックおよびＹ−ブロックでの共線性の特徴を記述する；モデル作成のために、Ｘ−ブロックおよびＹ−ブロックの双方内の（ＰＬＳの場合）およびＸ−ブロック内のみの（ＰＣＲの場合）次元数を適切に減少させることにより。共線性は、ブロック自身の内部での変数間に相関性が存在することを示す用語である。ＰＬＳモデル化のアルゴリズムにおいては、Ｘ−ブロックおよびＹ−ブロック内の多くの独立次元は、各ブロック内の当初の変数に関する複数のセットの線形組み合わせで疑似変数（主成分あるいは潜在的ベクトルとして知られている）を形成することにより設定される。このような組み合わせの各セットは、独立した変数により構成される。この各セットは、１セットの係数から成り立っており、これによりそのブロック内の各変数に関連する各値が重み付けられて、その次元に関する新たな値を得る。Ｙ−ブロック内の新規かつ減少された次元に関する値は、対応するＸ−ブロックの新規かつ減少された次元に対して回帰されて、最小の次元サイズ（最小の潜在的ベクトル数）とそれに関連する加重値を得る。この作業の最終的な目標は、Ｘ−ブロック内の変数を用いてＹ−ブロック内の変数の予測を可能にする１個の線形方程式を得ることである。モデルを作成するために用いられた次元の数は、ＰＲＥＳＳ（Prediction Error Sum of Squares−平方和誤差予測）として知られる基準を最適化することによって決定される。この場合、該基準は、訓練データ・セットを用いかつ一般的なモデル節減原理に従って、クロス・バリデーション方法により累加される。
ＰＣＲに関しては、まず最初に、Ｘ−ブロック内の独立次元の数を決定し、ＰＬＳでの作業と同様な方法を用いて、主成分を設定することによりそれを確認する。次ぎに、Ｙ−ブロック内の各変数に関しては、「主成分」を「予測変数」として使用して、通常の多重線形回帰分析によりモデルを作成する。
リッジ回帰分析に関しては、ＰＬＳ／ＰＣＲ分析とは異なる方法により共線問題が取り扱われる。ここでは、「ラムダ・マトリックス」として知られる対角線マトリックスがＸ−ブロックの「分散マトリックス」に追加され、その正味の効果として、モデル係数を得るために必要とされる数値計算が安定する。「ラムダ」値の選択は、訓練セットのクロス・バリデーションを用いたＰＲＥＳＳ基準の最適化によってなされる。
このようにして、各種の参照試料をＧＣ／ＭＳ分析することによって得られた「化学者のルール」のデータはＸ−ブロックでの変数を形成する。ＰＬＳ／ＰＣＲ／ＲＲ処理には、Ｘ−ブロックのデータの予備的な再編成が必要となるかもしれない。このような操作の中には、冗長なデータあるいは定数の置き換えや除去、あるいは数学的な変換がある。Ｙ−ブロックの変数は、予測すべき一つあるいは複数の性状であり、これについても、対数変換あるいは幾何学的変換のような数学的変換や再編成が必要となるかもしれない。以下に、データ・ブロックの代表例を示す：
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Ｙ−ブロックは、上記のように、１セットの「化学者のルール」当たりの単一の観察結果の場合もあるし、また観察結果のｎ×ｍのマトリックスの場合もある（ここで、ｍは予測すべき性状の数である）。
訓練セットのデータのＰＬＳ処理の結果は、一連の係数である。未知の試料（一つあるいは複数個）でのＧＣ／ＭＳ分析の生データは、次いで「化学者のルール」により処理される；最初の保持時間の補正のため、次いでイオン総計のために。次いで、「化学者のルール」によるイオン総計結果の各々の値に対して訓練セットの係数を乗じ、これを総計することにより望ましい性状の予測値を得る。表５に、１５℃での密度に関する訓練セットおよび未知の試験セット双方の予測された密度値の質を示している。
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実施例２
ひと組の１５０Ｎグレード、高ワックス濃度のラフィネートの７５℃での屈折率を予測するために、実施例１の手順を繰り返した。同一の２２個の種類の試料を訓練セットに用い、また残りの５試料を試験セットとして用いた。７５℃での屈折率に関する結果を表６に示している。
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実施例３
１５０Ｎグレード、高ワックス濃度のラフィネートの１００℃での粘度を予測するために、実施例１の手順を繰り返した。同一の２２個の種類の試料を訓練セットに用い、また残りの５試料を試験セットとして用いた。１００℃での粘度に関する結果を表７に示している。
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実施例４
１５０Ｎグレード、高ワックス濃度のラフィネートのワックス濃度（重量）を予測するために、実施例１の手順を繰り返した。同一の２２個の種類の試料を訓練セットに用い、また残りの５試料を試験セットとして用いた。ワックス濃度に関する結果を表８に示している。
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各種グレードの潤滑油の中間ストリームあるいは最終製品のその他の性状（例えば、曇り点、引火点、粘度指数、流動点、塩基性窒素濃度、蒸留／揮発度特性、４０℃での粘度、アニリン点、硫黄濃度、等）は、本発明の方法により予測可能である。
本方法は、同様な沸点範囲にある他の種類の複雑な炭化水素混合物の性状予測のためにも使用可能である。例えば、接触分解装置の原料、抽出装置あるいは脱ロウ装置の原料、蒸留塔あるいはストリッピング塔の原料等の性状の予測のために、およびブレンドの際の考慮のために使用可能である。
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【図１】
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