本書結合作者團隊多年的科研成果，系統介紹了近紅外光譜分析通用技術，分析了國內外研究和應用的最新進展，重點展示了近紅外光譜分析技術在煉油和化工領域中的應用實踐成果。全書主要包含兩部分內容：一是從實用性角度系統介紹了近紅外光譜分析通用技術及其進展，包括近紅外光譜解析、儀器、化學計量學方法與軟件、在線分析技術等；二是作者團隊多年來在煉油和化工領域進行應用研究和應用實踐中取得的成果，涉及的領域包括催化重整、MTBE生產、S Zorb、汽油調和、柴油分析、潤滑油基礎油生產、原油快評、蒸汽裂解、聚丙烯生產、PAO生產、雙氧水生產和成品油管道輸送等。
全書圖文并茂、通俗易懂、理論聯系實際，可作為從事近紅外光譜分析技術研究和應用的教學、科研和管理人員的參考用書，也可作為煉油和化工企事業單位運用近紅外光譜技術的培訓教材以及高校和科研院所相關專業師生的選修讀物。

褚小立，工學博士，石油化工科學研究院教授級高工，2005年在中石化石油化工科學研究院獲得博士學位。主要研究方向為光譜分析與化學計量學算法，研發用于智能工廠的石油化工品快速和在線光譜分析新技術，研制高效光譜采集附件，研究新型光譜預處理、多元定量校正和模式識別算法以及建模新策略。取得了多項富有創造性和實用性的科研成果，申請發明專利80余件，發表學術論文80余篇，出版多本專著和譯著。曾獲軍隊科技進步一等獎1項，中石化科技進步多項。曾獲侯祥麟石油加工科學技術獎、中石化閔恩澤青年科技人才獎、第十三屆中國青年科技獎、中央企業優秀共產黨員稱號。

本書一方面考慮了系統性和學術性，另一方面又突出了原創性和實用性，包含了作者團隊二十多年的研究和實踐成果。本書具有以下鮮明的特點： （1）系統性強。本書不僅全面介紹了近紅外光譜通用技術，而且是首部系統論述近紅外光譜技術在石油煉制和化工中的應用的專著，具有顯著的時代特征，填補了我國在該技術領域類圖書的空白。 （2）原創性強。本書的內容大都是作者團隊研發的新方法和新技術，包括了申請的80多項中國發明專利，其中授權的有60多項，工業實施的有40多項，提出并實踐了在石油煉制和化工領域應用近紅外光譜技術的新路徑、新方法和新策略。 （3）實用性強。基于對石油煉制和化工行業的熟悉，以及對近紅外光譜技術的深刻領悟，本書的研究內容都是以解決工業實際應用問題和難點為出發點，因此所得結論和實踐經驗具有較強的實用性。 （4）參考性強。本書的大部分內容都曾獲得過省部級或專業學會的科學技術獎，得到同行專家的認可和好評。例如，重整裝置、MTBE裝置、潤滑油加氫裝置上的研究與應用分別獲得中國分析測試協會科學技術獎二等獎、一等獎和二等獎；原油快評技術的研制與應用獲得了中石化科技進步二等獎和閔恩澤原始創新二等獎；汽油調合裝置、柴油和潤滑油分析的研究與應用分別獲得中石化科技進步二等獎和軍隊科技進步一等獎。這些成果對近紅外光譜在相關領域的研究與應用具有很強的參考價值和借鑒作用。

石油分析化學是獲得石油化學組成和結構信息的科學，石油分析測試是石油煉制和石油化工科技與生產的眼睛，也是衡量一個國家石油煉制和石油化工發展水平的主要標志之一。縱觀石油分析科學與技術的發展，其大致是沿著兩條主線展開的：一條主線是在原有的油品族組成和結構族組成分析基礎上，通過當代更為先進的分離和檢測方法，對油品的化學組成進行更為詳細的表征，即分子水平表征技術，其主要目的是為開發煉油和化工新技術提供理論和數據支持，以求索研發變革性的煉油和化工新技術；另一條主線則是采用新的分析手段，快速甚至實時在線測定煉油和化工工業過程各種物料的關鍵物化性質，這即是現代工業過程分析技術，其主要目的是為先進過程控制和優化技術提供更快、更全面的分析數據，從而實現煉油和化工裝置的平穩、優化運行。
我國正處于從煉油和化工大國向強國轉變時期，智能化是煉油和化工企業發展的必然趨勢。智能工廠的三大核心特性包括對信息深層次的自動感知、智能化的自主決策優化以及精確的自動執行控制，而信息的深層次自動感知構成了智能工廠的基石。在智能工廠中，對原材料、中間產品以及最終產品的化學成分和物理性質進行分析的數據是實現信息自動感知的關鍵部分。以近紅外光譜技術為代表的現代過程分析技術為化學信息的自動感知提供了一種高效且強有力的工具。近紅外光譜因其自身特點和技術優勢在煉油和化工領域有著廣泛的應用，與先進過程控制和實時優化控制技術相結合，可為企業帶來可觀的經濟和社會效益，也因此成為現代煉油和化工企業標志性的技術之一。
本書作者長期致力于光譜尤其是近紅外光譜分析技術在煉油和化工領域的研究和應用工作，在探索研究近紅外光譜分析技術的同時，重點圍繞其在煉油和化工領域中的應用進行技術研發，取得了一些研究進展和應用成果，積累了較為厚實的工作基礎和實踐經驗。結合作者團隊多年來的科研成果，本書從實用性角度系統介紹了近紅外光譜分析通用技術，分析了國內外研究和應用的最新進展，其中包含有作者的思索和領悟，重點展示了近紅外光譜分析技術在煉油和化工領域中的應用實踐成果，并對這一技術領域的發展方向進行探析。盡管書中有些成果是10年前取得的，但對現在本領域的相關科學研究和應用仍具有參考意義和借鑒價值。
作者團隊是由陸婉珍院士于20世紀90年代中期在中國石化石油化工科學研究院組建成立的，自創建起一直從事近紅外光譜儀器的研制、化學計量學方法的研究和軟件的開發以及在煉油和化工領域中的應用研究。本書的大部分研究和應用成果是在陸婉珍院士的布局和指導下取得的，2024年9月29日是陸婉珍院士誕辰100周年，撰寫本書是紀念這個特殊日子最好的方式。每當找不到存在的意義，每當迷失在黑夜里，是先生這顆閃亮的星，照耀我們前行。感謝袁洪福教授，本書的一些成果，例如重整裝置的在線分析、MTBE裝置的在線分析、聚丙烯專用分析儀的研制、汽油調和項目的前期工作等，是在袁洪福教授帶領下完成的。感謝田松柏教授，本書很多工作是在田松柏教授直接領導和鼓勵下完成的，書中的不少成果含有他的科研創新思想。除了本書的署名作者外，王艷斌博士、孫巖峰博士、楊玉蕊高工、劉丹高工等同事參與了本書相關的研究和應用工作。
本書的研究受到國家自然科學基金、國家科技部重點研發項目和中國石化科技項目的資助，對以上項目和相應主管部門提供的各方面支持表示衷心的感謝。另外，作者團隊的碩士研究生、博士研究生和博士后參與了本書很多內容的研究工作，他們所完成的學位論文和期刊論文都為本書提供了堅實的支撐。工業在線近紅外光譜項目的實施是一個復雜的系統工程，每一項目的成功應用都與中國石化系統內外相關合作單位的鼎力相助密不可分，合作單位發揮了重要的協同攻關作用。此外，近紅外光譜的研究和應用依賴大量的基礎數據測試，本書一些樣本和基礎數據取自中國石化石油化工科學研究院分析研究室的相關課題組。在此一并表示感謝。
本書見證了我國近紅外光譜分析技術在石油煉制和化工領域的研究和應用歷程，期望它的出版能促進我國這一領域技術的積累與傳承，進一步推動相關的基礎研究、技術創新和工程實踐，將近紅外光譜分析技術的研究和應用推向新的高度。
近紅外光譜還是一門比較新的多學科交叉技術，尤其是近些年隨著新原理、新材料、新加工制作工藝以及人工智能、云計算和大數據的發展，其理論和技術尚需進一步充實和完善。加之作者水平和能力所限，書中難免存在不足，敬請專家和讀者提出寶貴建議并指正。
中國科學院院士、中國石化股份有限公司謝在庫總工程師在百忙之中為本書作序，謝院士的鼓勵和期望是我們繼續奮進的強大動力，在此向謝院士表示誠摯的感謝。

作者
2024年5月18日

第1章概述 001
1.1近紅外光譜的發展歷程001
1.2近紅外光譜產生機理003
1.3近紅外光譜吸收譜帶的解析007
1.3.1C—H的吸收譜帶008
1.3.2O—H的吸收譜帶014
1.3.3N—H的吸收譜帶018
1.3.4C=O、P—H和S—H的吸收譜帶019
1.3.5復雜物質的吸收譜帶021
1.4近紅外光譜定量分析原理023
1.5近紅外光譜分析技術的特點025
1.6近紅外光譜在石油煉制和化工領域中的應用現狀026
1.6.1引言026
1.6.2油氣分析029
1.6.3化工品分析040
1.7近紅外光譜標準方法043
參考文獻045

第2章近紅外光譜儀器 052
2.1儀器的基本構成052
2.2分光類型053
2.2.1濾光片型053
2.2.2發光二極管型054
2.2.3光柵色散型054
2.2.4傅里葉變換型054
2.2.5聲光可調濾光器型055
2.2.6陣列檢測器型056
2.2.7其他類型056
2.3測樣附件057
2.3.1透射和透反射附件058
2.3.2漫反射測樣附件058
2.3.3漫透射和漫透反射附件060
2.4儀器的性能指標061
2.4.1波長范圍061
2.4.2分辨率061
2.4.3波長準確性062
2.4.4波長重復性062
2.4.5吸光度準確性062
2.4.6吸光度重復性062
2.4.7噪聲063
2.4.8雜散光063
2.5儀器的應用類型063
2.5.1實驗室型儀器063
2.5.2便攜式儀器063
2.5.3在線型儀器064
2.6微小型近紅外光譜儀器應用進展065
2.6.1農業與林業065
2.6.2食品與藥品067
2.6.3煉油與化工069
2.6.4刑偵安全070
2.6.5其他070
2.6.6展望071
參考文獻072

第3章化學計量學方法與軟件 080
3.1引言080
3.2常用的化學計量學方法081
3.2.1光譜預處理方法081
3.2.2波長篩選方法082
3.2.3異常樣本的識別方法084
3.2.4樣本的選擇方法086
3.2.5定量建模方法087
3.2.6定量模型評價方法090
3.2.7模型傳遞方法094
3.3定量模型建立與驗證流程094
3.3.1樣本的收集095
3.3.2代表性樣本的挑選095
3.3.3光譜測定096
3.3.4基礎數據的測定097
3.3.5定量校正模型的建立097
3.3.6定量校正模型的驗證097
3.3.7校正模型適用性判據的建立098
3.3.8常規分析與模型的更新098
3.4RIPP化學計量學軟件100
3.5化學計量學方法新進展104
3.5.1光譜預處理方法104
3.5.2變量選擇和數據降維方法106
3.5.3多元定量和定性校正方法108
3.5.4模型傳遞與模型維護方法111
3.5.5多光譜融合方法112
3.6化學計量學方法在石油分析中的應用進展114
3.6.1色譜115
3.6.2質譜116
3.6.3核磁共振譜117
3.6.4其他分析技術117
3.6.5小結118
參考文獻118

第4章近紅外光譜在線分析技術 132
4.1概述132
4.2在線分析系統的構成134
4.2.1硬件134
4.2.2軟件及模型139
4.3在線分析系統的性能評價141
4.4在線分析項目的實施143
4.5在線分析項目的管理與維護145
4.5.1管理145
4.5.2驗證和維護146
參考文獻147

第5章近紅外光譜在重整裝置中的研究與應用 149
5.1應用基礎研究149
5.1.1重整生成油詳細烴組成的預測分析149
5.1.2石腦油單體烴的預測分析研究153
5.1.3基礎數據準確性對預測結果影響的研究155
5.1.4遺傳算法用于波長篩選的研究159
5.1.5樣品溫度穩健校正模型的建立162
5.1.6小波變換提取定量建模信息的研究170
5.1.7小波變換結合多維校正方法的研究176
5.1.8普魯克分析用于不同儀器光譜傳遞的研究180
5.1.9基于目標因子分析的模型傳遞方法研究185
5.1.10消除在線多通道光譜間差異的研究189
5.2一種新型在線近紅外光譜分析儀的研制197
5.2.1引言197
5.2.2分析儀構造設計與光學原理197
5.2.3主要技術指標與特征199
5.2.4幾個關鍵實驗結果200
5.2.5工業應用203
5.2.6小結204
5.3在重整中型裝置上的應用204
5.3.1儀器系統及其安裝204
5.3.2分析模型的建立207
5.3.3準確性和重復性209
5.3.4在線應用210
5.3.5小結211
5.4在重整工業裝置上的應用211
5.4.1在線近紅外光譜分析系統211
5.4.2分析模型的建立與評價213
5.4.3在線分析運行效果216
5.4.4小結216
參考文獻217

第6章近紅外光譜在MTBE裝置中的研究與應用 220
6.1支持向量回歸建立醇烯比預測模型的研究220
6.1.1樣本與方法220
6.1.2PLS方法結果221
6.1.3SVR方法結果223
6.1.4與ANN方法比較223
6.1.5小結224
6.2在MTBE工業裝置上的應用224
6.2.1樣本與方法224
6.2.2在線分析系統的設計與集成225
6.2.3在線分析系統的實驗室考核226
6.2.4在線應用研究228
6.2.5工業應用230
6.2.6小結230
參考文獻231

第7章近紅外光譜在S Zorb裝置中的應用 232
7.1在線分析系統配置232
7.1.1系統概述232
7.1.2在線光譜儀與預處理系統233
7.2在線分析模型的建立234
7.2.1樣本與方法234
7.2.2模型的建立235
7.3在線分析運行效果237
7.4小結240
參考文獻240

第8章近紅外光譜在汽油調和裝置中的研究與應用 241
8.1汽油近紅外光譜數據庫的建立241
8.1.1建庫的實驗條件241
8.1.2催化裂化汽油數據庫242
8.1.3成品汽油數據庫246
8.1.4小結250
8.2自動檢索算法在建立汽油預測模型中的應用250
8.2.1樣本與方法251
8.2.2校正模型的建立251
8.2.3預測分析255
8.2.4小結256
8.3PLSRR-ELM建立辛烷值模型的研究256
8.3.1理論與算法257
8.3.2樣本與方法259
8.3.3光譜區間選擇260
8.3.4模型參數優化261
8.3.5方法比較263
8.3.6小結265
8.4在汽油調和裝置中的應用265
8.4.1在線分析系統開發267
8.4.2在線模型的建立與驗證270
8.4.3推廣應用272
8.4.4小結274
參考文獻275

第9章近紅外光譜在柴油分析中的研究與應用 277
9.1人工神經網絡預測柴油閃點的研究277
9.1.1原理與策略277
9.1.2樣本與方法278
9.1.3ANN模型的建立與評價278
9.1.4小結281
9.2柴油近紅外光譜數據庫的建立281
9.2.1建庫的實驗條件281
9.2.2分析模型的建立282
9.2.3預測分析284
9.2.4小結284
9.3LTAG加氫單元原料和產品組成的快速分析及應用285
9.3.1樣本與方法285
9.3.2數據處理及建模286
9.3.3準確性和重復性分析287
9.3.4在煉廠中的應用288
9.3.5小結289
9.4虛擬光譜方法預測LTAG原料與產物烴組成的研究290
9.4.1樣本與方法290
9.4.2PLS方法結果291
9.4.3虛擬光譜識別方法結果291
9.4.4小結294
9.5預測生物柴油主要組成的研究294
9.5.1樣本與方法294
9.5.2生物柴油的光譜解析295
9.5.3文冠果油單原料油模型與驗證296
9.5.4多種原料油模型與驗證297
9.5.5方法的適用性和重復性研究297
9.5.6小結299
參考文獻299

第10章近紅外光譜在潤滑油基礎油生產裝置中的研究與應用 301
10.1預測基礎油黏度及黏度指數301
10.1.1樣本與方法302
10.1.2黏度分析模型的建立302
10.1.3黏度指數分析模型的建立308
10.1.4小結309
10.2潤滑油加氫異構裝置上的應用309
10.2.1在線分析系統配置310
10.2.2在線分析模型建立311
10.2.3在線運行效果313
10.2.4小結318
參考文獻319

第11章原油快評技術的研發與應用 320
11.1原油近紅外光譜數據庫的建立321
11.1.1樣本與方法321
11.1.2原油主要性質的預測分析322
11.1.3小結325
11.2原油種類快速識別的研究325
11.2.1算法原理326
11.2.2識別參數的選擇326
11.2.3未知原油的識別328
11.2.4混兌原油的識別329
11.2.5小結331
11.3預測原油混兌比例的研究331
11.3.1算法原理331
11.3.2樣本與方法333
11.3.3混兌油的光譜分析334
11.3.4混兌比例校正模型的建立334
11.3.5預測驗證分析335
11.3.6小結336
11.4庫光譜擬合方法用于原油評價的研究336
11.4.1方法原理337
11.4.2原油光譜的擬合結果339
11.4.3性質預測分析340
11.4.4小結342
11.5原油快評技術的開發與應用342
11.6Web版原油快評技術的開發與應用344
11.7配方原油技術的研發與應用346
11.7.1配方原油技術的實施流程348
11.7.2類阿曼原油的配方設計348
11.7.3工業應用試驗352
11.7.4小結353
參考文獻353

第12章近紅外光譜在蒸汽裂解裝置中的應用 355
12.1在線近紅外分析系統的設計與安裝356
12.1.1系統概述356
12.1.2技術規格及功能356
12.1.3現場安裝358
12.2在線分析模型的開發358
12.2.1石腦油在線分析模型的建立358
12.2.2加氫裂化尾油在線分析模型的建立360
12.3在線分析系統的運行361
12.4小結363
參考文獻363

第13章近紅外光譜在聚丙烯裝置中的研制與應用 365
13.1聚丙烯專用分析儀的研制365
13.1.1專用分析儀的設計365
13.1.2專用分析儀的主要技術參數367
13.1.3專用分析儀的應用368
13.1.4小結369
13.2聚丙烯在線分析系統的研制與應用369
13.2.1硬件系統的方案設計370
13.2.2現場安裝測試與應用371
13.2.3小結373
參考文獻374

第14章近紅外光譜在PAO分析中的應用研究 375
14.1樣本與方法375
14.1.1樣本來源375
14.1.2光譜采集376
14.1.3校正集與驗證集376
14.2單光譜模型376
14.2.1NIR光譜模型376
14.2.2FT-IR光譜模型377
14.2.3Raman光譜模型378
14.2.43種光譜模型的比較379
14.3光譜融合模型382
14.3.1低層融合模型382
14.3.2中層融合模型383
14.3.3高層融合模型385
14.3.4SO-PLS融合模型386
14.3.5N-PLS融合模型388
14.4小結389
參考文獻390

第15章近紅外光譜在雙氧水生產裝置中的應用 392
15.1偏最小二乘建模393
15.1.1建模樣品及數據集393
15.1.2光譜采集393
15.1.3模型建立與評價394
15.2隨機森林建模395
15.2.1建模樣品及數據集396
15.2.2RF校正模型的建立397
15.2.3氫效和氧效RF混合模型效果397
15.2.4萃余RF分析模型效果398
15.3在線工業應用試驗399
15.3.1在線近紅外分析系統399
15.3.2在線分析結果準確性評價401
15.3.3在線分析模型重復性評價403
15.4小結403
參考文獻404

第16章近紅外光譜在成品油管道輸送中的應用 405
16.1實驗室模擬混油界面檢測405
16.1.1硬件系統設計開發405
16.1.2混油界面檢測系統模擬裝置搭建407
16.1.3同種油品模擬407
16.1.4汽油-柴油過渡408
16.1.5柴油-汽油過渡408
16.2工業管道混油界面檢測試驗410
16.2.1硬件配置410
16.2.2試驗方法410
16.2.3混油界面檢測410
16.3小結411
參考文獻412

第17章中紅外光譜在原油及油品分析中的應用 413
17.1二維紅外相關光譜在原油快速識別中的研究413
17.1.1二維相關光譜算法414
17.1.2樣本與方法415
17.1.3識別參數的選擇417
17.1.4混合原油的識別417
17.1.5小結418
17.2中紅外光譜預測原油酸值的研究419
17.2.1樣本與方法419
17.2.2模型建立與驗證420
17.2.3方法的重復性421
17.2.4小結422
17.3中紅外光譜預測汽油二烯值的研究422
17.3.1樣本與方法422
17.3.2譜圖解析423
17.3.3模型建立與驗證424
17.3.4小結426
17.4中紅外光譜預測潤滑油新油堿值和酸值的研究426
17.4.1樣本與方法426
17.4.2校正模型的建立427
17.4.3模型的驗證429
17.4.4小結430
17.5中紅外光譜預測渣油組成和多種物化性質的研究431
17.5.1樣本與方法431
17.5.2分類與判別研究432
17.5.3渣油四組分的校正與驗證435
17.5.4渣油其他物化性質的校正與驗證436
17.5.5小結437
參考文獻438

第18章近紅外光譜分析技術展望 439
18.1硬件439
18.2化學計量學方法與軟件440
18.3應用的拓展與深入441
參考文獻443

索引 445