Öljyhiilivedyt: komponentit, koostumus, rakenne

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Hiilivedyt ovat minkä tahansa öljyn tärkein komponentti. Luonnollisten hiilivetyjen pitoisuus eri öljytyypeissä ei ole sama: 100:sta (kaasukondensaatti) 30 prosenttiin. Hiilivedyt muodostavat keskimäärin 70 % tämän polttoaineen massasta.

Hiilivedyt öljyssä

Öljyjen koostumuksesta on tunnistettu noin 700 omituisen rakenteen omaavaa hiilivetyä. Kaikki ne ovat koostumukseltaan ja rakenteeltaan erilaisia, mutta samalla ne tallentavat tietoa muinaisten bakteerien, levien ja korkeampien kasvien lipidien perustana olevien aineiden koostumuksesta ja rakenteesta.

Öljyn hiilivetykoostumus sisältää:

1. Parafiinit.
2. Nafteenit (sykloalkaanit).
3. Aromaattiset hiilivedyt (areenit).

Alkaanit (alifaattiset tyydyttyneet hiilivedyt)

Alkaanit ovat kaikkien öljyjen tärkeimmät ja parhaiten tutkitut hiilivedyt. Öljyn koostumus sisältää hiilivetyalkaaneja C₁ - C₁₀₀. Niiden määrä vaihtelee 20 - 60 % ja riippuu öljytyypistä. Kuten molekyylimassaosuus, alkaanien pitoisuus vähenee kaikissa tyypeissä.

Jos eri rakenteelliset sykliset hiilivedyt ovat yhtä yleisiä öljyssä, niin alkaanien joukossa ovat yleensä tietyn rakenteen omaavat rakenteet. Lisäksi rakenne ei pääsääntöisesti riipu molekyylipainosta. Tämä tarkoittaa, että eri tyyppisissä öljyissä on tiettyjä homologisia alkaanisarjoja: alkaanit, joilla on normaali rakenne, monometyylisubstituoitu metyyliryhmän eri asemilla, harvemmin - di- ja trimetyylisubstituoidut alkaanit sekä tetrametyylialkaanit. isoprenoidityyppi. Alkaanit, joilla on ominaisrakenne, muodostavat lähes 90 % öljyalkaanien kokonaismassasta. Tämä seikka mahdollistaa eri öljyjakeiden alkaanien hyvän tutkimuksen, mukaan lukien korkealla kiehuvat.

Eri fraktioiden alkaanit

Lämpötiloissa 50 - 150 °C vapautuu fraktiota I, joka sisältää alkaaneja, joiden hiiliatomien lukumäärä on 5 - 11. Alkaaneilla on isomeereja:

• pentaani - 3;
• heksaani – 5;
• heptaani – 9;
• oktaaniluku - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undekaani – 159.

Siksi fraktioon I voi teoriassa sisältyä noin 300 hiilivetyä. Kaikkia isomeerejä ei tietenkään ole öljyssä, mutta niiden määrä on suuri.

Kuvassa on kromatogrammi alkaanien C₅ – C₁₁ öljystä Surgutin kentästä, jossa jokainen piikki vastaa tiettyä ainetta.

Lämmössä 200-430 °С koostumuksen С₁₂ – С₂₇ alkaanit fraktiosta II eristetään. Kuvassa näkyyfraktion II alkaanien kromatogrammi. Kromatogrammi näyttää normaaleiden ja monometyylisubstituoitujen alkaanien piikit. Numerot osoittavat substituenttien sijainnin.

Lämmössä >430°C koostumuksen fraktion III alkaanit С₂₈ – С₄₀.

Isoprenoidialkaanit

Isoprenoidialkaaneja ovat haaroittuneet hiilivedyt, joissa metyyliryhmät vaihtelevat säännöllisesti. Esimerkiksi 2, 6, 10, 14-tetrametyylipentadekaani tai 2, 6, 10-trimetyyliheksadekaani. Isoprenoidialkaanit ja suoraketjuiset alkaanit muodostavat suurimman osan biologisesta raakaöljystä. Isoprenoidihiilivedyille on tietysti monia muita vaihtoehtoja.

Isoprenoideille on ominaista homologia ja epätasapaino, eli eri öljyillä on oma sarja näitä yhdisteitä. Homologia on seurausta korkeamman molekyylipainon lähteiden tuhoutumisesta. Isoprenoidialkaaneissa voidaan havaita "aukoja" minkä tahansa homologin pitoisuuksissa. Tämä on seurausta mahdottomuudesta katkaista niiden ketjua (tämän homologin muodostuminen) paikassa, jossa metyylisubstituentit sijaitsevat. Tätä ominaisuutta käytetään määrittämään isoprenoidien muodostumisen lähteet.

Sykloalkaanit (nafteenit)

Nafteenit ovat tyydyttyneitä syklisiä öljyn hiilivetyjä. Monissa öljyissä ne hallitsevat muita hiilivetyluokkia. Niiden pitoisuus voi vaihdella välillä 25-75%. Löytyy kaikista ryhmistä. Kun fraktio tulee raskaammaksi, niiden pitoisuus kasvaa. Nafteenit erottuvat määrästäsykliä molekyylissä. Nafteenit jaetaan kahteen ryhmään: mono- ja polysyklisiin. Monosykliset ovat viisi- ja kuusijäsenisiä. Polysykliset renkaat voivat sisältää sekä viisi- että kuusijäsenisiä renkaita.

Matalalla kiehuvat jakeet sisältävät pääasiassa sykloheksaanin ja syklopentaanin alkyylijohdannaisia, ja metyylijohdannaiset ovat vallitsevia bensiinijakeissa.

Polysyklisiä nafteeneja löytyy pääasiassa öljyjakeista, jotka kiehuvat pois yli 300 °C:n lämpötiloissa, ja niiden pitoisuus 400-550 °C:n fraktioissa on 70-80%.

Aromaattiset hiilivedyt (areenit)

Ne on jaettu kahteen ryhmään:

1. Alkyyliaromaattiset hiilivedyt, jotka sisältävät vain aromaattisia renkaita ja alkyylisubstituentteja. Näitä ovat alkyylibentseenit, alkyylinaftaleenit, alkyylifenantreenit, alkyylikrysepit ja alkyylipikeenit.
2. Sekatyyppiset hiilivedyt, jotka sisältävät sekä aromaattisia (tyydyttymättömiä) että nafteenisia (rajoittavia) renkaita. Niistä erotetaan:

• monoaromaattiset hiilivedyt - indaanit, di-, tri- ja tetranaftenobentseenit;
• diaromaattiset hiilivedyt - mono- ja dinaftenonaftaleenit;
• hiilivedyt, joissa on vähintään kolme aromaattista rengasta - naftenofenantreenit.

Öljyn hiilivetykoostumuksen tekninen merkitys

Aineiden koostumus vaikuttaa merkittävästi öljyn laatuun.

1. Parafiinit:

• Normaaleilla (haarautumattomilla) parafiineilla on alhainen oktaaniluku ja korkeat jähmettymispisteet. Siksi sisäänkäsittelyprosessissa ne muuttuvat muiden ryhmien hiilivedyiksi.
• Isoparafiineilla (haarautuneilla) on korkea oktaaniluku eli korkeat iso-oktaaniominaisuudet (isooktaani on vertailuyhdiste, jonka oktaaniluku on 100), sekä alhaiset jähmettymispisteet verrattuna normaaleihin parafiineihin.

2. Nafteenit (sykloparafiinit) yhdessä isoparafiinien kanssa vaikuttavat positiivisesti dieselpolttoaineen ja voiteluöljyjen laatuun. Niiden korkea pitoisuus raskaassa bensiinijakeessa johtaa korkeaan saantoon ja korkeaan oktaanilukuihin.

3. Aromaattiset hiilivedyt huonontavat polttoaineen ympäristöominaisuuksia, mutta niillä on korkea oktaaniluku. Siksi öljynjalostuksen aikana muut hiilivetyryhmät muuttuvat aromaattisiksi, mutta niiden, pääasiassa bentseenin, määrää polttoaineessa säännellään tiukasti.

Menetelmät öljyn hiilivetykoostumuksen tutkimiseksi

Teknisiä tarkoituksia varten riittää, että öljyn koostumus määritetään sen sisältämien tiettyjen hiilivetyluokkien pitoisuuden perusteella. Öljyn fraktiokoostumus on tärkeä öljynjalostussuunnan valinnassa.

Öljyn ryhmäkoostumuksen määrittämiseksi käytetään erilaisia menetelmiä:

• Kemiallinen tarkoittaa reagenssin ja tietyn hiilivetyluokan (alkeenien tai areenien) vuorovaikutuksen reaktion (nitraus tai sulfonointi) suorittamista. Muuttamalla tuloksena olevien reaktiotuotteiden tilavuutta tai määrää, määritetään määritetyn hiilivetyluokan pitoisuus.
• Fysikaalis-kemiallisia ovat uutto ja adsorptio. Näin areeneja puretaanrikkidioksidia, aniliinia tai dimetyylisulfaattia, minkä jälkeen näiden hiilivetyjen adsorptio silikageelillä.
• Fysiikka sisältää optisten ominaisuuksien määrittämisen.
• Yhdistetty – tarkin ja yleisin. Yhdistä mitkä tahansa kaksi menetelmää. Esimerkiksi areeenien poistaminen kemiallisilla tai fysikaalis-kemiallisilla menetelmillä ja öljyn fysikaalisten ominaisuuksien mittaaminen ennen niiden poistamista ja sen jälkeen.

Tieteellisistä syistä on tärkeää määrittää tarkasti, mitkä hiilivedyt ovat öljyssä tai mitkä ovat hallitsevia.

Yksittäisten hiilivetymolekyylien tunnistamiseen käytetään kaasu-nestekromatografiaa käyttäen kapillaaripylväitä ja lämpötilan säätöä, kromatografia-massaspektrometriaa tietokonekäsittelyllä ja kromatogrammien rakentamista yksittäisille tunnusomaisille fragmentti-ioneille (massafragmentografia tai massakromatografia). Myös ytimien ¹³C.

NMR-spektrejä käytetään

Nykyaikaiset kaaviot öljyn hiilivetyjen koostumuksen analysoimiseksi sisältävät alustavan erottelun kahdeksi tai kolmeksi jakeeksi, joilla on erilaiset kiehumispisteet. Tämän jälkeen kukin fraktioista erotetaan tyydyttyneiksi (parafiini-nafteeniseksi) ja aromaattisiksi hiilivedyiksi käyttämällä nestekromatografiaa silikageelillä. Seuraavaksi aromaattiset hiilivedyt tulisi erottaa mono-, bi- ja polyaromaattisiksi nestekromatografialla käyttäen alumiinioksidia.

Hiilivetyjen lähteet

Öljyn ja kaasun hiilivetyjen luonnolliset lähteet ovat erilaisten yhdisteiden, pääasiassa niiden lipidikomponenttien, bioorgaanisia molekyylejä. Imivoi olla:

• korkeammat kasvilipidit,
• levät,
• kasviplankton,
• eläinplankton,
• bakteerit, erityisesti solukalvon lipidit.

Kasvien lipidikomponentit ovat kemialliselta koostumukseltaan hyvin samank altaisia, mutta molekyylien tietyt vaihtelut mahdollistavat tiettyjen aineiden hallitsevan osallistumisen tämän öljyn muodostumiseen.

Kaikki kasvien lipidit on jaettu kahteen luokkaan:

• yhdisteet, jotka koostuvat molekyyleistä, joissa on suora (tai hieman haarautunut) ketju;
• yhdisteet, jotka perustuvat alisyklisten ja alifaattisten sarjojen isoprenoidiyksikköihin.

On yhdisteitä, jotka koostuvat molempiin luokkiin kuuluvista alkuaineista, kuten vaha. Vahamolekyylit ovat korkeampien tyydyttyneiden tai tyydyttymättömien rasvahappojen ja syklisten isoprenoidialkoholien – sterolien – estereitä.

Tyypillisiä öljyhiilivetyjen luonnollisten lähteiden edustajia ovat seuraavat yhdisteet:

1. Tydyttyneet ja tyydyttymättömät rasvahapot, joiden koostumus on C₁₂-C₂₆ ja hydroksihapot. Rasvahapot koostuvat parillisesta määrästä hiiliatomeja, koska ne syntetisoidaan C₂-asetaattikomponenteista. Ne ovat osa triglyseridejä.
2. Luonnollinen vaha - toisin kuin rasvat, se ei sisällä glyserolia, vaan korkeampia rasva-alkoholeja tai steroleja.
3. Heikosti haarautuneet hapot, joissa on metyylisubstituentteja ketjun päässä karboksyyliryhmää vastakkaisessa päässä, esimerkiksi iso- ja antiisohapot.
4. Mielenkiintoisia aineita ovat suberiini ja kutiini, jotka sisältyvät siiheneri kasvinosat. Ne muodostuvat polymeroituneista sitoutuneista rasvahapoista ja alkoholeista. Nämä yhdisteet kestävät entsymaattisia ja mikrobien hyökkäyksiä, mikä suojaa alifaattisia ketjuja biologiselta hapettumiselta.

Relikti ja muunnetut hiilivedyt

Kaikki öljyn hiilivedyt on jaettu kahteen ryhmään:

1. Transformoitunut - on menettänyt alkuperäisille bioorgaanisille molekyyleille ominaiset rakenteelliset piirteet.
2. Relic, eli kemofossiilit - ne hiilivedyt, jotka ovat säilyttäneet alkuperäisten molekyylien rakenteen ominaispiirteet riippumatta siitä, olivatko nämä hiilivedyt alkuperäisessä biomassassa vai muodostuivatko ne myöhemmin muista aineista.

Öljyn muodostavat jäännöshiilivedyt jaetaan kahteen ryhmään:

• isoprenoidityyppi - alisyklinen ja alifaattinen rakenne, jopa viisi sykliä yhdessä molekyylissä;
• ei-isoprenoidi - enimmäkseen alifaattiset yhdisteet, joissa on n-alkyyli- tai kevyesti haarautuneita ketjuja.

Isoprenoidirakenteen jäänteitä on paljon enemmän kuin ei-isoprenoidisia.

Yli 500 jäännösöljyn hiilivetyä on tunnistettu, ja niiden määrä kasvaa joka vuosi.