Naftni ogljikovodiki: sestavine, sestava, struktura

2024 Avtor: Angel Austin | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 05:41

Ogljikovodiki so najpomembnejša sestavina katerega koli olja. Koncentracija naravnih ogljikovodikov v različnih vrstah nafte ni enaka: od 100 (plinski kondenzat) do 30%. V povprečju ogljikovodiki predstavljajo 70 % mase tega goriva.

Ogljikovodiki v olju

V sestavi olj je bilo ugotovljenih približno 700 ogljikovodikov posebne strukture. Vsi so po sestavi in zgradbi raznoliki, a hkrati hranijo podatke o sestavi in zgradbi snovi, ki so osnova lipidov starodavnih bakterij, alg in višjih rastlin.

Sestava ogljikovodikov olja vključuje:

1. parafini.
2. Nafteni (cikloalkani).
3. Aromatski ogljikovodiki (areni).

Alkani (alifatski nasičeni ogljikovodiki)

Alkani so najpomembnejši in dobro raziskani ogljikovodiki vseh olj. Sestava olja vključuje ogljikovodike alkane od C₁ do C₁₀₀. Njihovo število se giblje od 20 do 60 % in je odvisno od vrste olja. Kot molekularnomasni delež, koncentracija alkanov je zmanjšana pri vseh vrstah.

Če so v olju enako pogosti ciklični ogljikovodiki različnih struktur, potem med alkani običajno prevladujejo strukture določene strukture. Poleg tega struktura praviloma ni odvisna od molekulske mase. To pomeni, da v različnih vrstah olja obstajajo določene homologne serije alkanov: alkani normalne strukture, monometil-substituirani z različnimi položaji metilne skupine, redkeje - di- in trimetil-substituirani alkani, pa tudi tetrametilalkani izoprenoidnega tipa. Alkani značilne strukture predstavljajo skoraj 90 % celotne mase oljnih alkanov. To dejstvo omogoča dobro preučevanje alkanov v različnih frakcijah olja, vključno s tistimi z visokim vreliščem.

Alkani različnih frakcij

Pri temperaturah od 50 do 150 °C se sprosti frakcija I, ki vključuje alkane s številom ogljikovih atomov od 5 do 11. Alkani imajo izomere:

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

Zato lahko frakcija I teoretično vključuje približno 300 ogljikovodikov. Seveda v olju niso prisotni vsi izomeri, vendar je njihovo število veliko.

Slika prikazuje kromatogram alkanov C₅ – C₁₁ olja iz Surgutskega polja, kjer vsak vrh ustreza določeni snovi.

Pri temperaturi 200-430 °С se izolirajo alkani frakcije II sestave С₁₂ – С₂₇. Slika prikazujekromatogram alkanov frakcije II. Kromatogram prikazuje vrhove normalnih in monometil-substituiranih alkanov. Številke označujejo položaj substituentov.

Pri temperaturi >430°C, alkani frakcije III sestave С₂₈ – С₄₀.

Izoprenoidni alkani

Izoprenoidni alkani vključujejo razvejane ogljikovodike z rednim menjavanjem metilnih skupin. Na primer, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadekan ali 2, 6, 10-trimetilheksadekan. Izoprenoidni alkani in alkani ravne verige predstavljajo večino bioloških naftnih surovin. Seveda obstaja veliko več možnosti za izoprenoidne ogljikovodike.

Za izoprenoide je značilna homologija in neravnovesje, to pomeni, da imajo različna olja svoj nabor teh spojin. Homologija je posledica uničenja virov z večjo molekulsko maso. V izoprenoidnih alkanih je mogoče zaznati "vrzeli" v koncentracijah kakršnih koli homologov. To je posledica nezmožnosti prekinitve njihove verige (tvorba tega homologa) na mestu, kjer se nahajajo metilni substituenti. Ta lastnost se uporablja za določanje virov tvorbe izoprenoidov.

cikloalkani (nafteni)

Nafteni so nasičeni ciklični ogljikovodiki nafte. V mnogih oljih prevladujejo nad drugimi razredi ogljikovodikov. Njihova vsebnost se lahko giblje od 25 do 75%. Najdeno v vseh frakcijah. Ko frakcija postane težja, se njihova vsebnost poveča. Nafteni se razlikujejo po količinicikli v molekuli. Nafteni so razdeljeni v dve skupini: mono- in policiklične. Monociklični so pet- in šestčlenski. Policiklični obroči lahko vključujejo tako pet- kot šestčlenske obroče.

Frakcije z nizkim vreliščem vsebujejo pretežno alkilne derivate cikloheksana in ciklopentana, pri čemer v bencinskih frakcijah prevladujejo metilni derivati.

Policiklične naftene najdemo predvsem v frakcijah olja, ki vrejo pri temperaturah nad 300 °C, njihova vsebnost v frakcijah 400-550 °C pa doseže 70-80%.

Aromatični ogljikovodiki (areni)

Razdeljeni so v dve skupini:

1. Alkilaromatski ogljikovodiki, ki vsebujejo samo aromatske obroče in alkilne substituente. Sem spadajo alkilbenzeni, alkilnaftaleni, alkilfenantreni, alkilkrizepi in alkilpiceni.
2. Ogljikovodiki mešane strukture, ki vsebujejo tako aromatične (nenasičene) kot naftenske (omejujoče) obroče. Med njimi se razlikujejo:

• monoaromatski ogljikovodiki - indani, di-, tri- in tetranaftenobenzeni;
• diaromatski ogljikovodiki - mono- in dinaftenonaftaleni;
• ogljikovodiki s tremi ali več aromatičnimi obroči - naftenofenantreni.

Tehnični pomen sestave ogljikovodikov nafte

Sestava snovi pomembno vpliva na kakovost olja.

1. Parafini:

• Normalni parafini (nerazvejani) imajo nizko oktansko število in visoke točke tečenja. Zato vv procesu predelave se pretvorijo v ogljikovodike drugih skupin.
• Izoparafini (razvejani) imajo visoko oktansko število, to je visoke protidetonske lastnosti (izooktan je referenčna spojina z oktanskim številom 100), pa tudi nizke točke tečenja v primerjavi z običajnimi parafini.

2. Nafteni (cikloparafini) skupaj z izoparafini pozitivno vplivajo na kakovost dizelskega goriva in mazalnih olj. Njihova visoka vsebnost v težki bencinski frakciji vodi do visokega donosa in visokega oktanskega števila izdelkov.

3. Aromatični ogljikovodiki poslabšajo okoljske lastnosti goriva, vendar imajo visoko oktansko število. Zato se pri rafiniranju nafte druge skupine ogljikovodikov pretvorijo v aromatične, vendar je njihova količina, predvsem benzena, v gorivu strogo urejena.

Metode za preučevanje sestave ogljikovodikov nafte

Za tehnične namene zadostuje določitev sestave nafte po vsebnosti določenih razredov ogljikovodikov v njej. Frakcijska sestava olja je pomembna za izbiro smeri rafiniranja nafte.

Za določitev skupinske sestave olja se uporabljajo različne metode:

• Kemična pomeni izvajanje reakcije (nitriranja ali sulfoniranja) interakcije reagenta z določenim razredom ogljikovodikov (alkeni ali areni). S spreminjanjem volumna ali količine nastalih reakcijskih produktov se presoja vsebnost določenega razreda ogljikovodikov.
• Fizikalno-kemijske vključujejo ekstrakcijo in adsorpcijo. Tako se pridobivajo arenižveplov dioksid, anilin ali dimetil sulfat, čemur sledi adsorpcija teh ogljikovodikov na silikagel.
• Fizični vključuje določanje optičnih lastnosti.
• Kombinirano - najbolj natančno in najpogostejše. Kombinirajte kateri koli dve metodi. Na primer odstranjevanje arenov s kemičnimi ali fizikalno-kemijskimi metodami in merjenje fizikalnih lastnosti olja pred in po odstranitvi.

Za znanstvene namene je pomembno natančno določiti, kateri ogljikovodiki so prisotni ali prevladujoči v olju.

Za identifikacijo posameznih molekul ogljikovodikov se uporablja plinsko-tekočinska kromatografija z uporabo kapilarnih kolon in nadzora temperature, kromatografija-masna spektrometrija z računalniško obdelavo in izdelava kromatograma za posamezne karakteristične fragmentne ione (masna fragmentografija ali masna kromatografija). Uporabljajo se tudi NMR spektri na jedrih ¹³C.

Sodobne sheme za analizo sestave naftnih ogljikovodikov vključujejo predhodno ločitev na dve ali tri frakcije z različnimi vreliščemi. Nato vsako od frakcij ločimo na nasičene (parafin-naftenske) in aromatske ogljikovodike s tekočinsko kromatografijo na silikagelu. Nato je treba aromatske ogljikovodike ločiti na mono-, bi- in poliaromatske s tekočinsko kromatografijo z aluminijevim oksidom.

Viri ogljikovodikov

Naravni viri ogljikovodikov nafte in plina so bioorganske molekule različnih spojin, predvsem njihove lipidne komponente. Imilahko:

• višji rastlinski lipidi,
• alge,
• fitoplankton,
• zooplankton,
• bakterije, zlasti lipidi celične membrane.

Lipidne sestavine rastlin so si po kemični sestavi zelo podobne, vendar je zaradi določenih variacij molekul mogoče ugotoviti prevladujočo udeležbo določenih snovi pri tvorbi tega olja.

Vsi rastlinski lipidi so razdeljeni v dva razreda:

• spojine, sestavljene iz molekul z ravno (ali rahlo razvejano) verigo;
• spojine na osnovi izoprenoidnih enot aliciklične in alifatske serije.

Obstajajo spojine, sestavljene iz elementov, ki spadajo v oba razreda, kot je vosek. Molekule voska so estri višjih nasičenih ali nenasičenih maščobnih kislin in cikličnih izoprenoidnih alkoholov – sterolov.

Tipični predstavniki lipidnih naravnih virov naftnih ogljikovodikov so naslednje spojine:

1. Nasičene in nenasičene maščobne kisline v sestavi C₁₂-C₂₆ in hidroksi kisline. Maščobne kisline so sestavljene iz sodega števila ogljikovih atomov, saj so sintetizirane iz C₂-acetatnih komponent. So del trigliceridov.
2. Naravni vosek - za razliko od maščob ne vsebuje glicerola, temveč višje maščobne alkohole ali sterole.
3. Slabo razvejene kisline z metilnimi substituenti na koncu verige nasproti karboksilne skupine, na primer izo- in antiizokisline.
4. Zanimivi snovi sta suberin in cutin, ki sta vključeni vrazlični deli rastlin. Tvorijo jih polimerizirane vezane maščobne kisline in alkoholi. Te spojine so odporne na encimske in mikrobne napade, kar ščiti alifatske verige pred biološko oksidacijo.

relikvije in pretvorjeni ogljikovodiki

Vsi naftni ogljikovodiki so razdeljeni v dve skupini:

1. Preoblikovan - izgubil strukturne značilnosti, značilne za originalne bioorganske molekule.
2. Relikt ali kemofosili - tisti ogljikovodiki, ki so ohranili značilne lastnosti strukture prvotnih molekul, ne glede na to, ali so bili ti ogljikovodiki v prvotni biomasi ali so nastali kasneje iz drugih snovi.

Reliktni ogljikovodiki, ki sestavljajo olje, so razdeljeni v dve skupini:

• izoprenoidni tip - aliciklična in alifatska struktura, z do petimi cikli v eni molekuli;
• neizoprenoidne - večinoma alifatske spojine z n-alkilnimi ali rahlo razvejanimi verigami.

Ostanki izoprenoidne strukture so veliko številčnejši od ne-izoprenoidnih.

Ugotovljenih je bilo več kot 500 reliktnih oljnih ogljikovodikov, njihovo število pa se vsako leto povečuje.