近年来,世界能源结构发生明显变化,石油需求增速变缓、油价下跌以及石油产品质量标准越来越高等都对炼油技术提出了更高的要求。现有的炼油技术研发模式仍然是从混合物到混合物,较重视试错性探索和经验规律的积累,尚不太重视分子水平结构特征的研究。要想满足石油产品标准等新的分子水平的要求,需要探索新的炼油技术研发模式,实现炼油技术从跟跑向领跑的转变。基于此,本论文借助于分子模拟手段,采用量子力学方法,从石油的原子组成出发,研究了C、H、O、N、S原子的电子结构特征以及由这些原子组成的化学键的结构特征,并在此基础上,利用分子水平的表征信息,研究了各种不同类型的石油烃分子和含S、N、O化合物的结构特征,揭示出了不同结构石油分子的炼制行为特点,为分子水平石油炼制技术的研发提供思路。通过对各种不同结构石油烃分子的化学键键能、前线轨道分布、轨道能量、电荷分布、Fukui指数等结构特征的研究,认识到了不同结构石油烃分子的结构特征规律,并根据石油烃分子的结构特征规律,对石油烃分子的炼制行为特征进行研究后得到：正构烷烃两端C—H和C—C键较强,中间C—H和C—C键较弱,热加工易产生乙烯,酸催化加工易多产丙烯；由于取代基的影响,异构烷烃裂化活性较正构烷烃更强；环烷烃由于环状的特殊结构,环上C—C键开环较难,但供氢能力较强,与其他烃分子混合裂化时,易发生供氢反应生成芳烃；芳烃热加工时易断裂芳环β位C—C键,生成短侧链、易缩合的小分子；环烷基芳烃供氢能力强,但开环能力弱,单独加工可以促进其开环。含氧化合物石油酸中,由于羧基的吸电子作用,使得石油酸热加工脱羧难以实现,而在酸催化下能够实现高选择性脱羧。对噻吩和吡咯的结构特征进行了研究,揭示了吡咯氮比噻吩硫更难脱除的主要原因是C—N键比C—S键极性更强,并据此提出了通过引入酸中心促进脱氮的技术新思路。通过本论文的研究,为新的研发模式提供了理论基础,也初步论证了新的研发模式的可行性。