Нефтени въглеводороди: компоненти, състав, структура

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Въглеводородите са най-важният компонент на всяко масло. Концентрацията на естествени въглеводороди в различните видове нефт не е еднаква: от 100 (газов кондензат) до 30%. Средно въглеводородите съставляват 70% от масата на това гориво.

Въглеводороди в масло

Около 700 въглеводорода с особена структура са идентифицирани в състава на маслата. Всички те са разнообразни по състав и структура, но в същото време съхраняват информация за състава и структурата на веществата, които са в основата на липидите на древните бактерии, водорасли и висши растения.

Въглеводородният състав на маслото включва:

1. Парафини.
2. Нафтени (циклоалкани).
3. Ароматни въглеводороди (арени).

Алкани (алифатни наситени въглеводороди)

Алканите са най-важните и добре проучени въглеводороди от всяко масло. Съставът на маслото включва въглеводородни алкани от C₁ до C₁₀₀. Техният брой варира от 20 до 60% и зависи от вида на маслото. Като молекулярнамасова фракция, концентрацията на алкани е намалена във всички видове.

Ако цикличните въглеводороди с различни структури са еднакво разпространени в петрола, тогава сред алканите обикновено преобладават структури с определена структура. Освен това структурата, като правило, не зависи от молекулното тегло. Това означава, че в различните видове масла има определени хомоложни серии от алкани: алкани с нормална структура, монометил-заместени с различни позиции на метиловата група, по-рядко - ди- и триметил-заместени алкани, както и тетраметилалкани от изопреноиден тип. Алканите с характерна структура съставляват почти 90% от общата маса на маслените алкани. Този факт позволява добро изследване на алканите в различни маслени фракции, включително висококипящи.

Алкани с различни фракции

При температури от 50 до 150 °C се отделя фракция I, която включва алкани с брой въглеродни атоми от 5 до 11. Алканите имат изомери:

• пентан - 3;
• хексан – 5;
• хептан – 9;
• октан - 18;
• нонан - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Следователно, фракция I теоретично може да включва около 300 въглеводороди. Разбира се, не всички изомери присъстват в маслото, но броят им е голям.

Фигурата показва хроматограма на алкани C₅ – C₁₁ на нефт от сургутското находище, където всеки пик съответства на определено вещество.

При температура 200-430 °С се изолират алкани от фракция II от състав С₁₂ – С₂₇. Фигурата показвахроматограма на алкани от фракция II. Хроматограмата показва пиковете на нормални и монометил-заместени алкани. Числата показват позицията на заместителите.

При температура >430°C, алкани от фракция III от състава С₂₈ – С₄₀.

Изопреноидни алкани

Изопреноидните алкани включват разклонени въглеводороди с редовно редуване на метилови групи. Например, 2, 6, 10, 14-тетраметилпентадекан или 2, 6, 10-триметилхексадекан. Изопреноидните алкани и алканите с права верига съставляват по-голямата част от биологичната петролна суровина. Разбира се, има много повече опции за изопреноидни въглеводороди.

Изопреноидите се характеризират с хомология и неравновесие, тоест различните масла имат свой собствен набор от тези съединения. Хомологията е следствие от разрушаването на източници с по-високо молекулно тегло. В изопреноидните алкани могат да бъдат открити "пропуски" в концентрациите на всякакви хомолози. Това е следствие от невъзможността да се прекъсне тяхната верига (образуването на този хомолог) на мястото, където се намират метиловите заместители. Тази характеристика се използва за определяне на източниците на образуване на изопреноиди.

Циклоалкани (нафтени)

Нафтените са наситени циклични въглеводороди на нефт. В много масла те преобладават над другите класове въглеводороди. Съдържанието им може да варира от 25 до 75%. Среща се във всички фракции. Тъй като фракцията става по-тежка, съдържанието им се увеличава. Нафтените се отличават по количествоцикли в една молекула. Нафтените се разделят на две групи: моно- и полициклични. Моноцикличните са пет- и шестчленни. Полицикличните пръстени могат да включват както пет-, така и шестчленни пръстени.

Нискокипящите фракции съдържат предимно алкилови производни на циклохексан и циклопентан, като метиловите производни преобладават в бензиновите фракции.

Полицикличните нафтени се намират главно в маслени фракции, които изпаряват при температури над 300 °C, а съдържанието им във фракции от 400-550 °C достига 70-80%.

Ароматни въглеводороди (арени)

Те са разделени на две групи:

1. Алкилароматни въглеводороди, съдържащи само ароматни пръстени и алкилови заместители. Те включват алкилбензени, алкилнафталени, алкилфенантрени, алкилхризепи и алкилпицени.
2. Въглеводороди със смесен тип структура, съдържащи както ароматни (ненаситени), така и нафтенови (ограничаващи) пръстени. Сред тях се отличават:

• моноароматни въглеводороди - индани, ди-, три- и тетранафтенобензоли;
• диароматни въглеводороди - моно- и динафтенонафталени;
• въглеводороди с три или повече ароматни пръстена - нафтенофенантрени.

Техническо значение на въглеводородния състав на петрола

Съставът на веществата значително влияе върху качеството на маслото.

1. Парафини:

• Нормалните парафини (неразклонени) имат ниско октаново число и високи точки на течливост. Следователно, вв процеса на преработка те се превръщат във въглеводороди от други групи.
• Изопарафините (разклонени) имат високо октаново число, т.е. високи антидетонационни свойства (изооктанът е референтно съединение с октаново число 100), както и ниски точки на течливост в сравнение с нормалните парафини.

2. Нафтените (циклопарафини) заедно с изопарафините имат положителен ефект върху качеството на дизеловото гориво и смазочните масла. Високото им съдържание в тежката бензинова фракция води до висок добив и високо октаново число на продуктите.

3. Ароматните въглеводороди влошават екологичните свойства на горивото, но имат високо октаново число. Следователно по време на рафинирането на нефт други групи въглеводороди се превръщат в ароматни, но тяхното количество, предимно бензен, в горивото е строго регулирано.

Методи за изследване на въглеводородния състав на петрола

За технически цели е достатъчно да се установи съставът на маслото по съдържанието на определени класове въглеводороди в него. Фракционният състав на маслото е важен за избора на посоката на рафиниране на петрола.

За да се определи груповият състав на маслото, се използват различни методи:

• Химическо означава провеждане на реакция (нитриране или сулфониране) на взаимодействието на реагент с определен клас въглеводороди (алкени или арени). Чрез промяна на обема или количеството на получените реакционни продукти се преценява съдържанието на определения клас въглеводороди.
• Физико-химични включват екстракция и адсорбция. Така се извличат аренитесерен диоксид, анилин или диметилсулфат, последвано от адсорбция на тези въглеводороди върху силикагел.
• Физически включва определяне на оптични свойства.
• Комбиниран - най-точният и най-често срещаният. Комбинирайте произволни два метода. Например отстраняване на арени чрез химични или физико-химични методи и измерване на физичните свойства на маслото преди и след отстраняването им.

За научни цели е важно да се определи точно кои въглеводороди присъстват или преобладават в петрола.

За идентифициране на отделни молекули на въглеводороди се използва газо-течна хроматография с помощта на капилярни колони и контрол на температурата, хроматография-масспектрометрия с компютърна обработка и изграждане на хроматограма за отделни характерни фрагментни йони (масова фрагментография или масова хроматография). Използват се също NMR спектри на ядра ¹³C.

Съвременните схеми за анализиране на състава на нефтените въглеводороди включват предварително разделяне на две или три фракции с различни точки на кипене. След това всяка от фракциите се разделя на наситени (парафин-нафтенови) и ароматни въглеводороди с помощта на течна хроматография върху силикагел. След това ароматните въглеводороди трябва да бъдат разделени на моно-, би- и полиароматни чрез течна хроматография с алуминиев оксид.

Източници на въглеводороди

Естествените източници на нефт и газ въглеводороди са биоорганични молекули на различни съединения, главно техните липидни компоненти. Имиможе да бъде:

• по-високи растителни липиди,
• водорасли,
• фитопланктон,
• зоопланктон,
• бактерии, особено липиди на клетъчната мембрана.

Липидните компоненти на растенията са много сходни по химичен състав, но някои вариации на молекулите позволяват да се определи преобладаващото участие на определени вещества в образуването на това масло.

Всички растителни липиди са разделени на два класа:

• съединения, състоящи се от молекули с права (или леко разклонена) верига;
• съединения, базирани на изопреноидни единици от алициклични и алифатни серии.

Има съединения, състоящи се от елементи, принадлежащи към двата класа, като восък. Восъчните молекули са естери на по-високи наситени или ненаситени мастни киселини и циклични изопреноидни алкохоли - стероли.

Типични представители на липидните природни източници на петролни въглеводороди са следните съединения:

1. Наситени и ненаситени мастни киселини от състав C₁₂-C₂₆ и хидрокси киселини. Мастните киселини се състоят от четен брой въглеродни атоми, тъй като те се синтезират от C₂-ацетатни компоненти. Те са част от триглицеридите.
2. Естествен восък - за разлика от мазнините, той не съдържа глицерол, а висши мастни алкохоли или стероли.
3. Слаборазклонени киселини с метилови заместители в края на веригата, противоположни на карбоксилната група, например изо- и антиизокиселини.
4. Интересни вещества са суберин и кутин, които са включени вразлични части на растенията. Те се образуват от полимеризирани свързани мастни киселини и алкохоли. Тези съединения са устойчиви на ензимни и микробни атаки, които предпазват алифатните вериги от биологично окисляване.

Реликти и преработени въглеводороди

Всички петролни въглеводороди са разделени на две групи:

1. Трансформиран - след като загуби структурните характеристики, характерни за оригиналните биоорганични молекули.
2. Реликт, или хемофосили - тези въглеводороди, които са запазили характерните черти на структурата на оригиналните молекули, независимо дали тези въглеводороди са били в оригиналната биомаса или са се образували по-късно от други вещества.

Реликтовите въглеводороди, които съставляват маслото, са разделени на две групи:

• изопреноиден тип - алициклична и алифатна структура, с до пет цикъла в една молекула;
• не-изопреноидни - предимно алифатни съединения с n-алкил или леко разклонени вериги.

Останките от изопреноидна структура са много по-многобройни от неизопреноидните.

Открити са над 500 реликтни маслени въглеводороди и техният брой се увеличава всяка година.