Olje hydrokarboner: komponenter, sammensetning, struktur

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Hydrokarboner er den viktigste komponenten i enhver olje. Konsentrasjonen av naturlige hydrokarboner i forskjellige typer olje er ikke den samme: fra 100 (gasskondensat) til 30 %. I gjennomsnitt utgjør hydrokarboner 70 % av massen til dette drivstoffet.

Hydrokarboner i olje

Omtrent 700 hydrokarboner med en særegen struktur er identifisert i sammensetningen av oljer. Alle er forskjellige i sammensetning og struktur, men samtidig lagrer de informasjon om sammensetningen og strukturen til stoffer som danner grunnlaget for lipider fra eldgamle bakterier, alger og høyere planter.

Hydrokarbonsammensetningen til olje inkluderer:

1. Paraffins.
2. Naftener (sykloalkaner).
3. Aromatiske hydrokarboner (arener).

Alkaner (alifatiske mettede hydrokarboner)

Alkaner er de viktigste og mest studerte hydrokarboner av enhver olje. Sammensetningen av olje inkluderer hydrokarboner, alkaner fra C₁ til C₁₀₀. Antallet deres varierer fra 20 til 60 % og avhenger av typen olje. Som det molekylæremassefraksjon reduseres konsentrasjonen av alkaner i alle typer.

Hvis sykliske hydrokarboner med forskjellige strukturer er like vanlige i olje, vil strukturer med en viss struktur vanligvis dominere blant alkaner. Dessuten er strukturen som regel ikke avhengig av molekylvekten. Dette betyr at det i forskjellige typer olje er visse homologe serier av alkaner: alkaner med normal struktur, monometyl-substituert med forskjellige posisjoner i metylgruppen, sjeldnere - di- og trimetyl-substituerte alkaner, samt tetrametylalkaner av isoprenoid type. Alkaner med en karakteristisk struktur utgjør nesten 90 % av den totale massen av oljealkaner. Dette faktum gjør det mulig å studere alkaner i ulike oljefraksjoner, inkludert høytkokende.

Alkaner med forskjellige fraksjoner

Ved temperaturer fra 50 til 150 °C frigjøres fraksjon I, som inkluderer alkaner med antall karbonatomer fra 5 til 11. Alkaner har isomerer:

• pentan - 3;
• heksan – 5;
• heptane – 9;
• oktan - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Derfor kan fraksjon I teoretisk inkludere rundt 300 hydrokarboner. Selvfølgelig er ikke alle isomerer tilstede i olje, men antallet er stort.

Figuren viser et kromatogram av alkaner C₅ – C₁₁ av olje fra Surgut-feltet, der hver topp tilsvarer et bestemt stoff.

Ved en temperatur på 200-430 °С isoleres alkaner av fraksjon II av sammensetningen С₁₂ – С₂₇. Figuren viserkromatogram av alkaner av fraksjon II. Kromatogrammet viser toppene av normale og monometyl-substituerte alkaner. Tallene indikerer plasseringen av substituentene.

Ved en temperatur på >430°C, alkaner av fraksjon III av sammensetningen С₂₈ – С₄₀.

Isoprenoidalkaner

Isoprenoidalkaner inkluderer forgrenede hydrokarboner med regelmessig veksling av metylgrupper. For eksempel 2, 6, 10, 14-tetrametylpentadekan eller 2, 6, 10-trimetylheksadekan. Isoprenoidalkaner og rettkjedede alkaner utgjør størstedelen av det biologiske petroleumsråstoffet. Selvfølgelig er det mange flere alternativer for isoprenoidhydrokarboner.

Isoprenoider er preget av homologi og ubalanse, det vil si at forskjellige oljer har sitt eget sett med disse forbindelsene. Homologi er en konsekvens av ødeleggelsen av kilder med høyere molekylvekt. I isoprenoidalkaner kan "hull" i konsentrasjonene til alle homologer påvises. Dette er en konsekvens av umuligheten av å bryte kjeden deres (dannelsen av denne homologen) på stedet der metylsubstituentene er lokalisert. Denne funksjonen brukes til å bestemme kildene til isoprenoiddannelse.

cykloalkaner (naftener)

Naftener er mettede sykliske hydrokarboner av olje. I mange oljer dominerer de over andre klasser av hydrokarboner. Innholdet kan variere fra 25 til 75 %. Finnes i alle fraksjoner. Etter hvert som fraksjonen blir tyngre, øker innholdet. Naftener kjennetegnes ved mengdensykluser i et molekyl. Naftener er delt inn i to grupper: mono- og polysykliske. Monosykliske er fem- og seksleddede. Polysykliske ringer kan inneholde både fem- og seksleddede ringer.

Lavtkokende fraksjoner inneholder hovedsakelig alkylderivater av cykloheksan og cyklopentan, med metylderivater dominerende i bensinfraksjoner.

Polysykliske naftener finnes hovedsakelig i oljefraksjoner som koker bort ved temperaturer over 300 °C, og innholdet i fraksjoner på 400-550 °C når 70-80%.

Aromatiske hydrokarboner (arener)

De er delt inn i to grupper:

1. Alkylaromatiske hydrokarboner som bare inneholder aromatiske ringer og alkylsubstituenter. Disse inkluderer alkylbenzener, alkylnaftalener, alkylfenantrener, alkylchrysepes og alkylpicener.
2. Hydrokarboner av en blandet type struktur, som inneholder både aromatiske (umettede) og nafteniske (begrensende) ringer. Blant dem kjennetegnes:

• monoaromatiske hydrokarboner - indaner, di-, tri- og tetranaftenobenzener;
• diaromatiske hydrokarboner - mono- og dinaftenonaftalener;
• hydrokarboner med tre eller flere aromatiske ringer - naftenofenantrener.

Teknisk betydning av hydrokarbonsammensetningen til olje

Sammensetningen av stoffer påvirker kvaliteten på oljen betydelig.

1. Parafiner:

• Vanlige parafiner (uforgrenede) har lavt oktantall og høye flytepunkter. Derfor, ii prosessen med prosessering omdannes de til hydrokarboner fra andre grupper.
• Isoparafiner (forgrenet) har et høyt oktantall, dvs. høye antibankeegenskaper (isooktan er en referanseforbindelse med et oktantall på 100), samt lave hellepunkter sammenlignet med normale parafiner.

2. Naftener (cyklopafiner) sammen med isoparaffiner har en positiv effekt på kvaliteten på diesel og smøreoljer. Deres høye innhold i den tunge bensinfraksjonen fører til høyt utbytte og høyt oktantall av produkter.

3. Aromatiske hydrokarboner forverrer drivstoffets miljøegenskaper, men har et høyt oktantall. Under oljeraffinering omdannes derfor andre grupper av hydrokarboner til aromatiske, men mengden deres, primært benzen, i drivstoffet er strengt regulert.

Metoder for å studere hydrokarbonsammensetningen til olje

For tekniske formål er det tilstrekkelig å fastslå sammensetningen av olje ved innholdet av visse klasser av hydrokarboner i den. Fraksjonssammensetningen til olje er viktig for å velge retning for oljeraffinering.

For å bestemme gruppesammensetningen av olje, brukes ulike metoder:

• Kjemisk betyr å utføre en reaksjon (nitrering eller sulfonering) av interaksjonen mellom et reagens og en viss klasse hydrokarboner (alkener eller arener). Ved å endre volumet eller mengden av de resulterende reaksjonsproduktene, bedømmes innholdet av den bestemte klassen av hydrokarboner
• Fysisk-kjemisk inkluderer ekstraksjon og adsorpsjon. Slik trekkes arener utsvoveldioksid, anilin eller dimetylsulfat, etterfulgt av adsorpsjon av disse hydrokarbonene på silikagel.
• Fysisk inkluderer bestemmelse av optiske egenskaper.
• Kombinert - den mest nøyaktige og mest vanlige. Kombiner hvilke som helst to metoder. For eksempel fjerning av arener ved kjemiske eller fysisk-kjemiske metoder og måling av de fysiske egenskapene til olje før og etter fjerning.

For vitenskapelige formål er det viktig å fastslå nøyaktig hvilke hydrokarboner som er tilstede eller dominerende i olje.

For å identifisere individuelle molekyler av hydrokarboner, brukes gass-væskekromatografi ved bruk av kapillærkolonner og temperaturkontroll, kromatografi-massespektrometri med databehandling og kromatogrambygging for individuelle karakteristiske fragmentioner (massefragmentografi eller massekromatografi). NMR-spektra på kjerner ¹³C.

brukes også

Moderne ordninger for å analysere sammensetningen av oljehydrokarboner inkluderer foreløpig separering i to eller tre fraksjoner med forskjellige kokepunkter. Deretter separeres hver av fraksjonene i mettede (parafin-nafteniske) og aromatiske hydrokarboner ved bruk av væskekromatografi på silikagel. Deretter bør aromatiske hydrokarboner separeres i mono-, bi- og polyaromatiske ved hjelp av væskekromatografi ved bruk av aluminiumoksid.

Kilder til hydrokarboner

Naturlige kilder til olje- og gasshydrokarboner er bioorganiske molekyler av forskjellige forbindelser, hovedsakelig deres lipidkomponenter. Imikan være:

• høyere plantelipider,
• alger,
• fytoplankton,
• zooplankton,
• bakterier, spesielt cellemembranlipider.

Lipidkomponentene i planter er svært like i kjemisk sammensetning, men visse variasjoner av molekylene gjør det mulig å bestemme den dominerende deltakelsen av visse stoffer i dannelsen av denne oljen.

Alle plantelipider er delt inn i to klasser:

• forbindelser som består av molekyler med en rett (eller lett forgrenet) kjede;
• forbindelser basert på isoprenoidenheter av alicykliske og alifatiske serier.

Det finnes forbindelser som består av grunnstoffer som tilhører begge klasser, for eksempel voks. Voksmolekyler er estere av høyere mettede eller umettede fettsyrer og sykliske isoprenoidalkoholer - steroler.

Typiske representanter for naturlige lipidkilder til petroleumshydrokarboner er følgende forbindelser:

1. Mettede og umettede fettsyrer med sammensetning C₁₂-C₂₆ og hydroksysyrer. Fettsyrer består av et jevnt antall karbonatomer, siden de er syntetisert fra C₂-acetatkomponenter. De er en del av triglyserider.
2. Naturlig voks - i motsetning til fett inneholder den ikke glyserol, men høyere fettalkoholer eller steroler.
3. Svakt forgrenede syrer med metylsubstituenter i enden av kjeden motsatt av karboksylgruppen, for eksempel iso- og antiisosyrer.
4. Interessante stoffer er suberin og cutin, som er inkludert iulike deler av planter. De dannes av polymeriserte bundne fettsyrer og alkoholer. Disse forbindelsene er motstandsdyktige mot enzymatiske og mikrobielle angrep, som beskytter alifatiske kjeder mot biologisk oksidasjon.

Relikvie og omdannede hydrokarboner

Alle oljehydrokarboner er delt inn i to grupper:

1. Transformert - har mistet de strukturelle egenskapene som er karakteristiske for de originale bioorganiske molekylene.
2. Relikvie, eller kjemofossiler - de hydrokarbonene som har beholdt de karakteristiske egenskapene til strukturen til de opprinnelige molekylene, uavhengig av om disse hydrokarbonene var i den opprinnelige biomassen eller ble dannet senere fra andre stoffer.

Relikviehydrokarboner som utgjør oljen er delt inn i to grupper:

• isoprenoid type - alicyklisk og alifatisk struktur, med opptil fem sykluser i ett molekyl;
• ikke-isoprenoid - for det meste alifatiske forbindelser med n-alkyl eller lett forgrenede kjeder.

Relikvier av isoprenoidstruktur er mye flere enn ikke-isoprenoide.

Over 500 relikvie-hydrokarboner er identifisert, og antallet øker hvert år.