化工过程强化关键技术丛书-石油分子工程

经过几十年的发展，炼油工业作为我国经济社会发展的支柱产业和实体经济的重要基石，无论在产业布局、加工规模、装置结构、质量升级，还是在炼油工艺技术与装备、工程化等方面均取得了长足的进步。但是，我们也清醒地看到，我国经济发展进入新常态后，中国炼油工业也面临着化解产能过剩、应对资源约束、做好节能减排以及可持续发展、高质量发展等问题与挑战。这些问题与挑战可以概括为“资源、能源、环境与安全”对炼油产业的约束问题，其核心原因是石油炼制与管控粗放、炼油信息化水平没能跟上产业发展的步伐。

面对经济新常态，我国的经济发展方式从追求总量经济向高质量、可持续发展转变，炼油产业也进入了“新时代”。数字化、信息化新技术、“两化融合”“互联网 ”和“智能 ”等正在改变炼油化工及其产品的市场格局和用户的消费行为。炼油化工生产、管控和营销的变革等“新变化”推动着炼油化工企业瞄准智慧炼化建设目标，实施炼油化工企业数字化发展与转型升级。炼油化工企业正在从全产业链开展系统优化，不断提高生产经营效益，使资源、能源的利用率更高，过程更加清洁化即低碳绿色化。在此背景下大力推进、实施炼油强化技术——石油分子工程可谓恰逢其时。

石油分子工程作为炼油强化技术之一，通过分析仪器表征手段和计算机辅助分子重构技术等方法，不断加深对石油资源在分子水平上的认识。深入研究石油及其分子组成的转化规律，一方面可以优化原料组成、有针对性地开发出*适合的催化剂，并设计一系列合理的反应路径和反应条件，达到原料、催化剂、工艺以及反应器的*匹配；另一方面，可以实现包括原油在内的资源敏捷优化，原油选择、加工、销售全产业链的协同优化，以及全产业链过程质量、安全、环保的监管与溯源，从而超越传统的、粗放的石油认知体系，真正实现“分子水平”石油炼制，促进炼油化工新技术取得突破性进展，推动行业的重大技术进步。

A.Von Hippel*早提出了用于解决工程问题的分子工程（Molecular Engineering）概念。根据炼油化工行业“资源高效转化、能源高效利用、过程绿色低碳”的要求，结合石油分析表征、计算机信息化、石油加工等技术的进展，借鉴能源行业分子工程相关概念，如日本学者Sanada的煤分子工程、美国学者Marshall和Rodgers的石油组学、何鸣元院士的分子炼油等，笔者提出了石油分子工程与分子管理的定义，即石油分子工程是在分子水平上研究石油及其馏分的性质、组成、结构及反应性能的相互关系，并以此为基础，遵循“资源高效转化、能源高效利用、过程绿色低碳”原则，研究石油及其馏分如何精准、高效地转化为能源或产品的一门工程学科；石油分子管理则定义为依据数字化、信息化新技术如算法技术、优化技术、可视化技术与深度学习技术等对石油分子工程进行优化利用的集成技术。

本书共分为六章：*章为绪论，介绍概念、定义以及本书主要内容与技术构架、主要应用领域；第二章为石油及其馏分的分子水平表征技术，包括石油分子组成概述、石油及其馏分的分子水平表征（如色谱法、质谱法、核磁共振法、烃指纹分析法等）技术与仪器的现状及其进展；第三章为石油分子重构技术，介绍物性与组成的估算方法、分子重构方法，如分子同系物矩阵（MTHS）法、结构导向集总(SOL)法、概率密度函数(PDF)法、蒙特卡罗（Monte Carlo）法、随机重构(SR)法与熵*化分子重构（REM）法等，并对主要的几种重构技术进行了简要分析对比；第四章为石油分子信息库，包括命名规则、石油及其馏分化合物的分子分类与信息化描述以及石油分子信息库的建立与应用；第五章为石油分子反应性与动力学模型，涉及纯化合物分子和石油混合物分子的反应机理与规律、化学反应信息化表述与反应规则库构建、分子反应网络以及动力学模型构建与求解等内容；第六章为石油分子工程的应用，包括智能炼化建设、石油分子信息应用与分子水平先进计划系统及全流程整体协同优化下的管控与决策智能一体化、汽柴油质量升级与产品分子精准调和、催化新材料与炼油化工新工艺开发等。

本书由中国海洋石油集团有限公司吴青编著，是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册，在此特别感谢中国工程院曹湘洪院士、舒兴田院士和陈建峰院士以及中国科学院费维扬院士的认可，也十分感谢化学工业出版社相关编辑为本书出版付出的辛勤劳动，并提出了很好的修改建议。本书大部分内容和应用案例来自于中国海洋石油集团有限公司支持的重大项目的研究与应用成果、经验总结。中国石油大学史权教授通读了全书并提出了修改意见，华东理工大学刘纪昌教授对第五章第四节进行了审改。此外，还得到了吴晶晶、黄少凯、易军、何恺源等几位博士的帮助，在此一并表示感谢。

本书首次阐述了石油分子工程理念，内容新颖，体系完整，理论与实践结合紧密，既可供石油化工、能源、计算机等领域的科研、工程技术人员参考，也可作为高等院校化学、化工、计算机等专业本科生、研究生的教学参考书。

限于笔者的学识与能力，本书难免存在不妥之处，敬请专家、读者批评指正！

　　

2020年3月　

《石油分子工程》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。本书介绍了石油分子工程概念的起源、定义、技术框架与构成、内容以及应用，包括石油分子信息获取技术即石油分子表征技术、石油分子重构技术，石油分子信息加工技术如石油分子信息库、石油分子反应性与动力学模型，包括石油炼制过程化学反应规则库、分子动力学模型构建与求解等，以及石油分子工程的应用，包括智能炼化建设、原油分子信息应用与分子级先进计划系统及全流程整体协同优化下的管控与决策智能一体化、汽柴油质量升级与产品（如汽柴油、润滑油和沥青等）的分子精准调和、催化新材料与炼油化工新工艺开发等。《石油分子工程》对进一步“认识石油、利用石油、用好石油”，实现“资源高效转化、能源高效利用、过程绿色低碳”目标，深化和推动炼化产业高质量发展具有重要的参考、借鉴和促进作用。本书可供石油化工领域从事研究、开发和生产、管理的人员参考，也可供高校化工及相关专业研究生、本科生学习参考。

吴青，中国海洋石油集团有限公司资深专家，集团公司科技发展部总工程师，工学博士，教授级高工，广东省劳动模范，国务院政府特殊津贴专家。从事石油化工行业的计划、技术、生产、安全、信息化等方面工作30余年，提出石油分子工程及其管理理论并应用于智能炼化建设、海洋油气绿色高效转化与分子级精细管理，以实现海洋油气资源价值*化目标。曾获国际项目管理协会国际卓越项目管理（特大型项目类）金奖1项，国家科技进步二等奖1项，中国专利优秀奖3项，侯德榜化工科技成就奖1项，侯祥麟石油加工科学技术奖1项，省部级一等奖12项、二等奖9项，获授权专利41件（其中发明专利38件），发表论文150余篇，出版《智能炼化建设——从数字化迈向智慧化》等专著4部。兼任中国化学会第29届理事，中国石油学会石油炼制分会第9届副主任委员，中国化工学会第1届化工过程强化专业委员会委员，中国石油化工信息学会第5届理事会常务理事，全国石油产品和润滑剂标准化技术委员会副主任委员，国际项目管理协会委员兼国际评估师等。

*章 绪论 / 1

*节 分子工程与石油分子工程的概念与定义 2

一、分子工程的概念与起源 2

二、分子工程概念在能源领域的发展 3

三、石油分子工程的概念与定义 4

第二节 石油分子工程的主要内容与技术构架 5

一、主要内容 5

二、核心技术 5

三、主要构架 10

第三节 石油分子工程的主要应用领域 14

一、石油分子信息库与原油快评 14

二、分子重构与产品分子精准调和技术 16

三、分子动力学模型与优化 16

四、在新工艺开发中的应用 17

五、在催化材料研发中的应用 17

参考文献 18

第二章 石油及其馏分的分子水平表征技术 / 21

*节 概述 21

一、石油的复杂性 22

二、对石油组成与性质的认识 23

第二节 石油及其馏分的分析 24

一、石油常规性质分析 25

二、化合物组成与结构分析 27

第三节 石油分子水平表征技术进展 29

一、色谱技术进展 29

二、质谱以及相关联用技术进展 32

三、核磁共振技术进展 37

四、石油烃指纹技术进展 38

第四节 石油轻馏分分子表征研究与进展 39

一、气体组成分析 40

二、汽油（石脑油）馏分的组成分析 41

三、柴油馏分组成分析 43

第五节 石油重馏分分子表征研究与进展 49

一、概述 49

二、蜡油的分子表征研究与进展 50

三、减压渣油的分子表征研究与进展 55

四、原油组成分子水平表征 64

参考文献 67

第三章 石油分子重构技术 / 75

*节 物性估算方法概要 76

一、虚拟组分法 76

二、真组分法 77

三、分子模拟法 77

第二节 物性估算方法 78

一、纯烃的物性相关性研究 78

二、蒸馏数据转化 79

三、物性关联方法 82

四、物性估算与关联方程 86

五、烃类分子组成的数据关联 86

六、石油产品性质的关联公式 89

第三节 分子重构方法 93

一、分子同系物矩阵法 93

二、结构导向集总法 96

三、数学统计方法 103

四、熵*化分子重构法 109

五、分子重构方法分析与对比 110

参考文献 113

第四章 石油分子信息库 / 118

*节 石油及其馏分化合物的命名规则 119

一、有机化合物的国际命名规则（IUPAC法） 119

二、石油及其馏分化合物的计算机结构编码方法 119

第二节 石油及其馏分化合物的分子分类与信息化表述 121

一、石油及其馏分化合物的分子分类 121

二、石油及其馏分化合物的分子信息表示方法 122

第三节 石油分子信息库的建立 127

一、石油分子信息库的顶层设计 127

二、石油分子信息库的命名表示方法 131

三、石油分子信息库的配套系统 136

第四节 石油分子信息库的应用 137

一、蒸馏（沸点）性质 137

二、物性与产品性质计算 138

三、其他应用 140

参考文献 140

第五章 石油分子反应性与动力学模型 / 143

*节 纯化合物分子的反应性 143

一、烃类化合物分子的反应性 144

二、非烃类化合物分子的反应性 146

第二节 石油混合物分子的反应性 156

一、石脑油馏分分子组成及其对加工性能的影响 156

二、柴油馏分分子组成及其对加工性能的影响 159

三、减压蜡油馏分分子组成及其对加工性能的影响 160

四、减压渣油馏分分子组成及其对加工性能的影响 165

第三节 化学反应规则库及其反应网络构建 169

一、化学反应机理 169

二、化学反应的信息化表述 170

三、化学反应规则库的构建 171

四、复杂化合物分子反应网络的构建 174

第四节 分子水平反应动力学模型 178

一、概述 178

二、反应动力学模型的建立 180

三、分子水平反应动力学模型的参数求解 188

四、分子水平反应动力学模型的集成建模技术 193

参考文献 196

第六章 石油分子工程的应用 / 202

*节 在数字化和智能化升级中的应用 202

一、石油分子工程是智能炼化建设的基础 202

二、基于石油分子工程的智能炼化建设核心系统 206

第二节 在产品质量与产品结构转型升级中的应用 214

一、基于反应强化与分子工程理念的国VI汽油生产技术 214

二、基于石油分子工程的劣质柴油提质增效新工艺 218

第三节 石油分子重构与分子精准调和 227

一、汽油馏分的分子重构与分子精准调和 227

二、柴油馏分的分子重构 230

三、减压蜡油与渣油馏分的分子重构 231

四、原油的分子重构 236

第四节 分子水平的反应动力学模型及其计算 242

一、反应路径层面的动力学模型及其计算 242

二、反应机理层面的动力学模型及其计算 247

三、馏分水平的集总反应动力学模型的建立与应用 252

第五节 其他应用 257

参考文献 260

索引 / 264

1.石油分子工程作为炼油强化技术之一，通过分析仪器表征手段和计算机辅助分子重构技术等方法，不断加深对石油资源在分子水平上的认识；

2.石油分子工程可以优化原料组成、有针对性地开发出适合的催化剂，并设计一系列合理的反应路径和反应条件，达到原料、催化剂、工艺以及反应器的匹配；

3.石油分子工程可以实现包括原油在内的资源敏捷优化，原油选择、加工、销售全产业链的协同优化，以及全产业链过程质量、安全、环保的监管与溯源，从而超越传统的、粗放的石油认知体系，真正实现“分子水平”石油炼制，促进炼油化工新技术取得突破性进展，推动行业的重大技术进步。