基于近红外光谱的混合流体组分测定方法研究

孔笋+沈阳+尤国平+张小康+褚晓冬

【摘 要】应用近红外光谱技术实现了两种混合溶液的组分分析。对27组乙醇和水混合溶液进行光谱扫描，用9个样本建模，并验证。经过变量标准化处理后，建立了主成分回归模型。以标准均方差，相关系数及绝对误差作为模型评价指标。实验结果表明，该溶液的预测效果产生的平均绝对误差为0.0241。对不同比例配制的柴油和水混合溶液进行相同的光谱测量实验，由于该溶液的不互溶，介质不均匀的特点，增加了辨识的难度，数据分析采用了主成分分析法，预测模型的平均绝对误差为0.0409，实验结果说明了采用近红外光谱测量技术结合化学计量学分析方法测量油水比是可行。

【关键词】近红外；光谱；主成分分析；组分；油水比

0 引言

近红外光谱分析由于其快速，准确，无损，稳定性好的优点，在石油化工行业受到了广泛的关注和应用。目前在国内，油水比的测量还存在一定的难度，其主要原因是由于井下流体的成分复杂性及高温高压下的状态未知性。作为基础性研究，首先从简单的混合溶液着手，验证几种常用的化学计量学方法的有效性，并将其用于计算油水混合物中油水比的测量，从中总结相关的规律，为以后的研究做铺垫。

3 水和柴油混合溶液组分分析

3.1 试验材料及样品配制

在常温常压下，准备足量的纯净水和纯柴油，以水含量为10%，柴油含量为90%的混合溶液为起始点，每隔0.1，配制一次两者的混合溶液，直到水含量为90%，即柴油含量为10%。易挥发油密度多在0.73～0.85g/cm3之间，因此柴油的密度比水轻。通常，两者无法混合。为了模拟井下高温高压下的油水混合状态，我们在溶液中加入乳化剂来促成油水混合，乳化剂采用司班80。在高速乳化机的搅拌下，转速为5000～7000转，油水混合，并呈现乳白色。待油水尚未分离，需要在短时间里完成试验，以保证实验结果的有效性。实验中的每个样品配制三次，光谱数据取三次的平均值。

3.2 光谱扫描及组分分析

由于油水混合物呈现乳状，光谱的透射程度大大减弱，与酒精和水溶液相比，则需要更大光强增益，使得有透射光能够被感知。与此同时，乳状液中存在大量的悬浮颗粒，从而导致一部分光因为散射而损耗的。

对于这组实验，实际上是可以得到水和柴油的纯光谱曲线，然后通过多元线性回归的方法来求解组分百分比，但是由于纯水和纯柴油与混合液的状态不同，仪器测量吸光度并不是在相同的参数设置下完成的，因此我们采用主成分分析的方法来实现该混合液的组分分析。

油水混合物经过主成分分析法得到的实验值与真值具有一定偏差，这是由于乳液中散射现象导致的。绝对误差的最大值7.41%，最小为0.7%，平均绝对误差为4.08%。

4 结论

为了对酒精和水混合溶液的成分进行了组分分析，基于不同的实验条件约束，本文采用了主成分分析法来对酒精和水任意配比的混合溶液进行建模。从实验结果可以看出，在可互溶的流体里，并且介质分布均匀的情况下，采用主成分分析法可以取得比较精确的测量结果。与之相反的不互溶的混合溶液，也可以通过主成分分析的方法来完成组分百分比的测量，但其精度明显低于互溶溶液的测量值，这跟溶液本身的性质密切相关。当然从实际出发，对组分比精度的要求往往是基于应用的需求，在不同的行业中，要求不尽相同。

在石油行业中，油水比的测量对预测原油污染起着至关重要的作用，在流体识别这一方面，未来还有很长的一段路需要走，例如如何提高油水混合溶液的均匀性，如何保持溶液的稳定性以免分层，如何提高油水比的测量精度。

【参考文献】

[1]陆婉珍.现代近红外光谱分析技术[M].北京：中国石化出版社，2006.

[2]杜一平，潘铁英，张玉兰，等.化学计量学应用[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]褚小立.化学计量学方法与分子光谱分析技术[M].北京：化学工业出版社，2011.

[责任编辑：王楠]