Способ идентификации многокомпонентных углеводородных систем по статистическим параметрам сигнала электронного абсорбционного спектра
METHOD OF IDENTIFYING MULTICOMPONENT HYDROCARBON SYSTEMS BY STATISTICAL PARAMETERS OF ELECTRON ABSORPTION SPECTRUM SIGNAL

Изобретение относится к способам идентификации многокомпонентных углеводородных систем, в частности нефти, битумов и битуминозных материалов, гудронов, мазутов, нефтяных остатков термических процессов, бензинов и газойлей термических процессов, дизельного топлива, асфальто-смолистых веществ, продуктов процессов пиролиза углеводородов, а также групп углеводородов нефти и каменноугольной смолы.
Известно, что нефть и нефтепродукты подвергаются транспортировке на большие расстояния и длительному хранению в резервуарах, что приводит к изменению их качественных показателей. Кроме того, часто при транспортировке сырье и продукты нефтепереработки фальсифицируются, что приносит большой ущерб экономике страны. В связи с этим к разработке экспресс методов идентификации, а соответственно, контролю качества проявляется повышенный интерес.
Наиболее распространенные методы идентификации нефти и нефтепродуктов суть которых заключается:
1) в сопоставлении физико-химических свойств нефти с нормативными показателями по ГОСТ [ГОСТ 4.25-83. Система показателей качества продукции. Нефтепродукты. Топлива жидкие. Номенклатура показателей - М.: Стандартинформ, 2010]. Недостатком данного метода является трудоемкость и длительность определения физико-химических свойств.
2) в накоплении данных по инфракрасным спектрам и их оптических плотностей в диапазонах характеристических полос поглощения, определенных ИК-Фурье-спектроскопией, которые в последующем используются для идентификации объектов [Патент RU №2075062. Автоматизированный способ идентификации и определения кондиционности нефтепродуктов. Опубл. 10.03.1997, Бюл. №7]. Недостатком метода является сложность, а зачастую и невозможность определения характеристических полос поглощения в углеводородных молекулярных смесях.
3) в использовании цветовых и флуоресцентных маркеров, которыми маркируют нефтепродукт для их идентификации. Маркер растворяется в жидкости и затем распознается с помощью простых физических или химических тестов [Патент RU №2149887. Флуоресцентный маркер для нефтепродуктов. Опубл. 27.05.2000].
Недостатком этого метода является:
- возможность разбавления маркированного продукта продуктом более низкого качества. Поскольку концентрация маркера мала, то отличить разбавление продуктами более низкого качества слишком трудно;
- некоторые маркеры утрачивают со временем свои цветовые свойства, в результате чего значительно затрудняется их идентификация.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ идентификации многокомпонентных углеводородных систем по параметрам экспоненциального распределения интенсивности поглощения в ближней УФ- и видимой области спектра [АС №152208. Способ идентификации нефтей и нефтепродуктов. Опубл. 15.11.1989, бюл. №42]. В данном способе идентификация нефти и нефтепродуктов производится путем аппроксимации электронного абсорбционного спектра поглощения в виде зависимости:
λ
exp
K=Q(-pλ)+ТС,
λ
где K - удельный или молярный коэффициент поглощения;
Q - фактор интенсивности;
p - вероятность светопоглощения;
р
э
ТС - вклад в поглощение за счет отклонения от экспоненциального распределения. Вклад тонкой структуры при любой длине волны был рассчитан как относительное отклонение реального распределения К от экспоненциального распределения К с последующим суммированием по всем длинам волн.
Учитывая различие параметров Q, p, TC' электронного абсорбционного спектра поглощения растворов нефти и нефтепродуктов, был предложен метод идентификации изучаемых объектов.
Недостатками этого способа является:
1. Идентификация объектов только по непрерывному экспоненциально распределенному спектру, без возможности идентифицировать объекты, имеющие другой закон распределения.
2. Регистрация спектра как в ультрафиолетовой, так и в видимой областях электромагнитного спектра.
3. Известный способ использует исключительно разбавленные образцы.
Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка способа идентификации многокомпонентных углеводородных систем по статистическим параметрам сигнала электронного абсорбционного спектра в видимой области, который подходит как для разбавленных в растворителе, так и для неразбавленных многокомпонентных углеводородных систем и не зависит от закона распределения электронного абсорбционного спектра.
Поставленная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе идентификации многокомпонентных углеводородных систем по статистическим параметрам сигнала электронного абсорбционного спектра, включающем отбор и регистрацию спектров растворов в видимой области электромагнитного излучения, объекты идентифицируются по статистическим параметрам сигнала электронного абсорбционного спектра: математическое ожидание, дисперсия, автоковариационная и автокорреляционная функции распределения спектра и последующим сравнением этих параметров с параметрами эталонов. Сущность способа заключается в том, что в качестве идентификационных характеристик выбраны: математическое ожидание, дисперсия, автоковариационная и автокорреляционная функции распределения спектра, которые хорошо описывают динамику взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, т.е. процесс поглощения им энергии потока электромагнитного излучения. Расчет этих параметров проводят по показателям удельного коэффициента поглощения, зарегистрированного в видимой области спектра, по формулам:
где k(λ) - удельный коэффициент интенсивности поглощения, л/г*см;
μ(λ) - математическое ожидание, л/г*см;
D(λ) - дисперсия, л/г*см;
cor
R - автокорреляционная функция;
cov
R - автоковариационная функция;
λ - длина волны, нм;
Δλ - шаг регистрации спектра, нм;
Т - количество измерений на заданном интервале.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:
1. Во взвешенную колбочку объемом 50 мл берется навеска пробы 0,1-0,2 г. Если анализируемый продукт твердый, то его необходимо предварительно разогреть в сушильном шкафу до размягчения и тщательно перемешать.
2. В колбочку со взвешенной пробой приливается 30-40 мл толуола (плотность толуола 0,8669 г/л). Важно, чтобы оптическая плотность раствора находилась в пределах от 0,2 до 0,8.
3. После полного растворения продукта в толуоле колбочка с раствором взвешивается и определяется концентрация раствора по формуле:
с=(навеска, г * 1000) / (вес раствора, г * 0,8669).
Умножение на 1000 необходимо для выражения концентрации в г/л.
4. Раствор наливается в прозрачную кварцевую кювету. На спектрофотометре фиксируется оптическая плотность D (безразмерная величина) на длинах волн л=380-780 нм с шагом Δλ=1 нм.
5. Определяются значения удельного коэффициента поглощения k(л) (л/(г⋅см)), на тех же длинах волн по закону Бугера-Ламберта-Бера:
k(л)=Б(л)/(с⋅l),
где l - толщина поглощающего слоя;
с - концентрация раствора. В случае неразбавленного раствора, т.е. оптически прозрачного образца концентрация принимается равной 1,0 г/л.
6. Рассчитываются статистические параметры сигнала электронного абсорбционного спектра.
7. Полученные результаты сравниваются с показателями эталонного раствора или с показателями табл. 1. В таблице 1 представлены статистические параметры электронных абсорбционных спектров растворов некоторых многокомпонентных углеводородных систем, рассчитанные при концентрации 0,025 г/л (для разбавленных растворов) и Т=400.
Пример 1. Идентификация товарной нефти по месторождению на спектрофотометре СФ-2000
1. Готовят толуольный раствор вещества с концентрацией с=0,025 г/л.
2. На спектрофотометре фиксируется оптическая плотность D на длинах волн л=380-780 нм с шагом Δλ=1 нм.
3. Определяются значения коэффициента поглощения k(л) (л/(г⋅см)):
k(л)=D(л)/(0,025*1), для спектрофотометра СФ-2000 ширина кюветы l=1 см.
4. Рассчитываются статистические параметры сигнала электронного абсорбционного спектра, при условии, что Т=400.
cov
cor
5. Полученные статистические параметры электронного абсорбционного спектра μ(λ)=0,313, D(λ)=0,133, R=0,228, R=0,131 сравниваются с показателями эталонов. В результате сравнения определяется, что исследуемая нефть принадлежит Азнакаевскому месторождению.
Пример 2. Идентификация мазута на спектрофотометре СФ-2000
1. Анализируемый продукт твердый, соответственно его разогревают в сушильном шкафу до размягчения и тщательно перемешивают.
2. Готовят толуольный раствор вещества с концентрацией с=0,025 г/л.
3. На спектрофотометре фиксируется оптическая плотность D на длинах волн л=380-780 нм с шагом Δλ=1 нм.
4. Определяются значения коэффициента поглощения k(л) (л/(г⋅см)):
k(л)=D(л)/(0,025*1), для спектрофотометра СФ-2000 ширина кюветы l=1 см.
5. Рассчитываются статистические параметры сигнала электронного абсорбционного спектра, при условии, что Т=400.
cov
cor
6. Полученные статистические параметры электронного абсорбционного спектра μ(λ)=0,939, D(λ)=1,076, R=1,935, R=1,464 сравниваются с показателями эталонов. В результате сравнения определяется, что исследуемый мазут соответствует иракскому мазуту (образец №2).
Пример 3. Идентификация топлива на спектрофотометре СФ-2000
1. Анализируемый продукт является оптически прозрачным, т.е. не требует разбавления.
2. На спектрофотометре фиксируется оптическая плотность D на длинах волн л=380-780 нм с шагом Δλ=1 нм.
3. Определяются значения коэффициента поглощения k(л), при условии, что концентрация с=1 г/л (для не разбавленных растворов):
k(л)=D(л)/(1*1), для спектрофотометра СФ-2000 ширина кюветы l=1 см.
4. Рассчитываются статистические параметры сигнала электронного абсорбционного спектра, при условии, что Т=400.
cov
cor
5. Полученные статистические параметры электронного абсорбционного спектра μ(λ)=0,470, D(λ)=0,369, R=0,578, R=0,360 сравниваются с показателями эталонов. В результате сравнения определяется, что исследуемое топливо относится к фракции дизельного топлива и газойлей термокрекинга и коксования.
Таким образом, предлагаемый способ может применяться для идентификации, а также определения природы и технологической классификации многокомпонентных углеводородных систем. Рассмотренный способ не зависит от закона распределения электронного абсорбционного спектра и подходит для разбавленных в растворителе и неразбавленных объектов исследования. Кроме того, этот способ применим как для жидких, так и для твердых многокомпонентных углеводородных систем, что значительно расширяет возможности данного способа.