Ugljovodonici nafte: komponente, sastav, struktura

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Ugljovodonici su najvažnija komponenta svakog ulja. Koncentracija prirodnih ugljikovodika u različitim vrstama nafte nije ista: od 100 (gasni kondenzat) do 30%. U prosjeku, ugljovodonici čine 70% mase ovog goriva.

Ugljovodonici u ulju

Oko 700 ugljovodonika posebne strukture identifikovano je u sastavu ulja. Svi su raznoliki po sastavu i strukturi, ali u isto vrijeme pohranjuju informacije o sastavu i strukturi tvari koje čine osnovu lipida drevnih bakterija, algi i viših biljaka.

Sastav ugljikovodika ulja uključuje:

1. Parafini.
2. Nafteni (cikloalkani).
3. Aromatični ugljovodonici (areni).

Alkani (alifatski zasićeni ugljovodonici)

Alkani su najvažniji i dobro proučeni ugljovodonici bilo koje nafte. Sastav ulja uključuje ugljovodonike alkane od C₁ do C₁₀₀. Njihov broj se kreće od 20 do 60% i zavisi od vrste ulja. Kao molekularnimaseni udio, koncentracija alkana je smanjena u svim vrstama.

Ako su ciklični ugljovodonici različite strukture podjednako česti u nafti, onda strukture određene strukture obično prevladavaju među alkanima. Štoviše, struktura, u pravilu, ne ovisi o molekularnoj težini. To znači da u različitim vrstama ulja postoje određeni homologni nizovi alkana: alkani normalne strukture, monometil-supstituirani sa različitim pozicijama metil grupe, rjeđe - di- i trimetil-supstituirani alkani, kao i tetrametilalkani izoprenoidnog tipa. Alkani karakteristične strukture čine skoro 90% ukupne mase naftnih alkana. Ova činjenica omogućava dobro proučavanje alkana u raznim frakcijama ulja, uključujući i one sa visokim ključanjem.

Alkani različitih frakcija

Na temperaturama od 50 do 150 °C oslobađa se frakcija I, koja uključuje alkane sa brojem atoma ugljika od 5 do 11. Alkani imaju izomere:

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

Dakle, frakcija I teoretski može uključiti oko 300 ugljovodonika. Naravno, nisu svi izomeri prisutni u ulju, ali je njihov broj veliki.

Slika prikazuje hromatogram alkana C₅ – C₁₁ nafte iz Surgutskog polja, gdje svaki vrh odgovara određenoj supstanci.

Na temperaturi od 200-430 °S izoluju se alkani II frakcije sastava S₁₂ – S₂₇. Slika pokazujehromatogram alkana frakcije II. Kromatogram pokazuje pikove normalnih i monometil-supstituiranih alkana. Brojevi označavaju položaj supstituenata.

Na temperaturi od >430°C, alkani III frakcije sastava S₂₈ – S₄₀.

Izoprenoidni alkani

Izoprenoidni alkani uključuju razgranate ugljovodonike sa redovnom izmjenom metilnih grupa. Na primjer, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadekan ili 2, 6, 10-trimetilheksadekan. Izoprenoidni alkani i ravnolančani alkani čine većinu biološke sirovine nafte. Naravno, postoji mnogo više opcija za izoprenoidne ugljovodonike.

Izoprenoide karakterizira homologija i neravnoteža, odnosno različita ulja imaju svoj skup ovih spojeva. Homologija je posljedica uništenja izvora veće molekularne težine. U izoprenoidnim alkanima mogu se otkriti "praznine" u koncentracijama bilo kojeg homologa. To je posljedica nemogućnosti prekida njihovog lanca (formiranje ovog homologa) na mjestu gdje se nalaze metilni supstituenti. Ova karakteristika se koristi za određivanje izvora formiranja izoprenoida.

Cycloalkanes (naphthenes)

Nafteni su zasićeni ciklični ugljovodonici nafte. U mnogim uljima prevladavaju nad drugim klasama ugljikovodika. Njihov sadržaj može varirati od 25 do 75%. Nalazi se u svim frakcijama. Kako frakcija postaje teža, njihov sadržaj se povećava. Nafteni se razlikuju po količiniciklusa u molekulu. Nafteni se dijele u dvije grupe: mono- i policiklične. Monociklični su peto- i šestočlani. Policiklični prstenovi mogu uključivati i peto- i šestočlane prstenove.

Frakcije niskog ključanja sadrže pretežno alkil derivate cikloheksana i ciklopentana, dok metil derivati dominiraju u frakcijama benzina.

Policiklički nafteni se nalaze uglavnom u frakcijama nafte koje ključaju na temperaturama iznad 300 °C, a njihov sadržaj u frakcijama od 400-550 °C dostiže 70-80%.

Aromatični ugljovodonici (areni)

Podijeljeni su u dvije grupe:

1. Alkilaromatski ugljovodonici koji sadrže samo aromatične prstenove i alkil supstituente. To uključuje alkilbenzene, alkilnaftalene, alkilfenantrene, alkilkrizepe i alkilpicene.
2. Ugljovodonici mešovitog tipa strukture, koji sadrže i aromatične (nezasićene) i naftenske (ograničavajuće) prstenove. Među njima se ističu:

• monoaromatični ugljovodonici - indani, di-, tri- i tetranaftenobenzeni;
• dijaromatski ugljovodonici - mono- i dinaftenonaftaleni;
• ugljovodonici sa tri ili više aromatičnih prstenova - naftenofenantreni.

Tehnički značaj ugljovodoničkog sastava nafte

Sastav supstanci značajno utiče na kvalitet ulja.

1. Parafini:

• Normalni parafini (nerazgranati) imaju nizak oktanski broj i visoke tačke stinjavanja. Stoga, uu procesu prerade se pretvaraju u ugljovodonike drugih grupa.
• Izoparafini (razgranati) imaju visok oktanski broj, tj. visoka svojstva protiv detonacije (izooktan je referentno jedinjenje sa oktanskim brojem od 100), kao i niske tačke tečenja u poređenju sa normalnim parafinima.

2. Nafteni (cikloparafini) zajedno sa izoparafinima pozitivno utiču na kvalitet dizel goriva i ulja za podmazivanje. Njihov visok sadržaj u teškoj benzinskoj frakciji dovodi do visokog prinosa i visokog oktanskog broja proizvoda.

3. Aromatični ugljovodonici pogoršavaju ekološka svojstva goriva, ali imaju visok oktanski broj. Zbog toga se prilikom prerade nafte druge grupe ugljovodonika pretvaraju u aromatične, ali je njihova količina, prvenstveno benzena, u gorivu strogo regulisana.

Metode za proučavanje sastava ugljovodonika nafte

Za tehničke svrhe, dovoljno je utvrditi sastav nafte po sadržaju određenih klasa ugljovodonika u njemu. Frakcijski sastav ulja važan je za odabir smjera prerade nafte.

Da bi se odredio grupni sastav ulja, koriste se različite metode:

• Hemijska znači izvođenje reakcije (nitriranje ili sulfoniranje) interakcije reagensa sa određenom klasom ugljovodonika (alkeni ili areni). Promjenom zapremine ili količine nastalih produkta reakcije procjenjuje se sadržaj određene klase ugljikovodika.
• Fizičko-hemijski uključuju ekstrakciju i adsorpciju. Ovako se ekstrahuju arenisumpor dioksid, anilin ili dimetil sulfat, nakon čega slijedi adsorpcija ovih ugljovodonika na silika gelu.
• Fizičko uključuje određivanje optičkih svojstava.
• Kombinirano - najpreciznije i najčešće. Kombinirajte bilo koje dvije metode. Na primjer, uklanjanje arena hemijskim ili fizičko-hemijskim metodama i mjerenje fizičkih svojstava ulja prije i nakon njihovog uklanjanja.

Za naučne svrhe, važno je tačno odrediti koji su ugljovodonici prisutni ili preovlađujući u nafti.

Za identifikaciju pojedinačnih molekula ugljovodonika koristi se gasno-tečna hromatografija korišćenjem kapilarnih kolona i kontrole temperature, hromatografija-masena spektrometrija sa kompjuterskom obradom i građenje hromatograma za pojedinačne karakteristične jone fragmenata (masena fragmentografija ili masovna hromatografija). NMR spektri na jezgrima ¹³C.

se također koriste

Moderne šeme za analizu sastava naftnih ugljovodonika uključuju preliminarnu separaciju na dve ili tri frakcije sa različitim tačkama ključanja. Nakon toga, svaka od frakcija se tečnom hromatografijom na silika gelu razdvaja na zasićene (parafin-naftenske) i aromatične ugljovodonike. Zatim, aromatične ugljovodonike treba razdvojiti na mono-, bi- i poliaromatične pomoću tečne hromatografije koristeći aluminijum oksid.

Izvori ugljovodonika

Prirodni izvori ugljovodonika nafte i gasa su bioorganski molekuli različitih jedinjenja, uglavnom njihovih lipidnih komponenti. Imimože biti:

• viši biljni lipidi,
• alge,
• fitoplankton,
• zooplankton,
• bakterije, posebno lipidi ćelijske membrane.

Lipidne komponente biljaka su veoma slične po hemijskom sastavu, međutim, određene varijacije molekula omogućavaju da se utvrdi preovlađujuće učešće određenih supstanci u formiranju ovog ulja.

Svi biljni lipidi su podijeljeni u dvije klase:

• jedinjenja koja se sastoje od molekula s ravnim (ili blago razgranatim) lancem;
• jedinjenja na bazi izoprenoidnih jedinica alicikličke i alifatske serije.

Postoje jedinjenja koja se sastoje od elemenata koji pripadaju obema klasama, kao što je vosak. Molekuli voska su estri viših zasićenih ili nezasićenih masnih kiselina i cikličnih izoprenoidnih alkohola - sterola.

Tipični predstavnici lipidnih prirodnih izvora naftnih ugljovodonika su sljedeća jedinjenja:

1. Zasićene i nezasićene masne kiseline sastava C₁₂-C₂₆ i hidroksi kiseline. Masne kiseline se sastoje od parnog broja atoma ugljika, budući da se sintetiziraju iz C₂-acetatne komponente. Oni su dio triglicerida.
2. Prirodni vosak - za razliku od masti, ne sadrži glicerol, već više masne alkohole ili sterole.
3. Slabo razgranate kiseline koje imaju metil supstituente na kraju lanca suprotno od karboksilne grupe, na primjer, izo- i antiizokiseline.
4. Zanimljive supstance su suberin i kutin, koji su uključeni urazličitih delova biljaka. Nastaju od polimerizovanih vezanih masnih kiselina i alkohola. Ova jedinjenja su otporna na enzimske i mikrobne napade, što štiti alifatske lance od biološke oksidacije.

Relikvija i pretvoreni ugljovodonici

Svi naftni ugljovodonici su podijeljeni u dvije grupe:

1. Transformisan - izgubivši strukturne karakteristike karakteristične za originalne bioorganske molekule.
2. Relikt, ili hemofosili - oni ugljovodonici koji su zadržali karakteristične karakteristike strukture originalnih molekula, bez obzira da li su ovi ugljovodonici bili u izvornoj biomasi ili su nastali kasnije od drugih supstanci.

Reliktni ugljovodonici koji čine ulje dijele se u dvije grupe:

• izoprenoidni tip - aliciklična i alifatička struktura, sa do pet ciklusa u jednoj molekuli;
• neizoprenoid - uglavnom alifatska jedinjenja koja imaju n-alkil ili blago razgranate lance.

Relikti izoprenoidne strukture su mnogo brojniji od ne-izoprenoidnih.

Identifikovano je preko 500 reliktnih uljanih ugljovodonika, a njihov broj se povećava svake godine.