Hidrocarburi petroliere: componente, compoziție, structură

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 05:39

Hidrocarburile sunt cea mai importantă componentă a oricărui ulei. Concentrația de hidrocarburi naturale în diferite tipuri de petrol nu este aceeași: de la 100 (condens de gaz) la 30%. În medie, hidrocarburile reprezintă 70% din masa acestui combustibil.

Hidrocarburi în ulei

În compoziția uleiurilor au fost identificate aproximativ 700 de hidrocarburi cu o structură particulară. Toate sunt diverse ca compoziție și structură, dar în același timp stochează informații despre compoziția și structura substanțelor care stau la baza lipidelor bacteriilor antice, algelor și plantelor superioare.

Compoziția de hidrocarburi a uleiului include:

1. Parafine.
2. Naftene (cicloalcani).
3. Hidrocarburi aromatice (arene).

Alcani (hidrocarburi saturate alifatice)

Alcanii sunt cele mai importante și bine studiate hidrocarburi dintre orice ulei. Compoziția uleiului include hidrocarburi alcani de la C₁ la C₁₀₀. Numărul lor variază de la 20 la 60% și depinde de tipul de ulei. Ca molecularăfracție de masă, concentrația de alcani este redusă în toate tipurile.

Dacă hidrocarburile ciclice cu structuri diferite sunt la fel de comune în petrol, atunci structurile cu o anumită structură predomină de obicei printre alcani. În plus, structura, de regulă, nu depinde de greutatea moleculară. Aceasta înseamnă că în diferite tipuri de ulei există anumite serii omoloage de alcani: alcani cu o structură normală, monometil-substituiți cu diferite poziții ale grupării metil, mai rar - alcani di- și trimetil-substituiți, precum și tetrametilalcani ai tip izoprenoid. Alcanii cu o structură caracteristică reprezintă aproape 90% din masa totală a alcanilor petrolieri. Acest fapt permite un studiu bun al alcanilor din diverse fracțiuni de ulei, inclusiv cele cu punct de fierbere ridicat.

Alcani de diferite fracții

La temperaturi de la 50 la 150 °C, se eliberează fracția I, care include alcani cu un număr de atomi de carbon de la 5 la 11. Alcanii au izomeri:

• pentan - 3;
• hexan – 5;
• heptan – 9;
• octan - 18;
• nonan - 35;
• Decan – 75;
• undecan – 159.

De aceea, fracția I poate include teoretic aproximativ 300 de hidrocarburi. Desigur, nu toți izomerii sunt prezenți în ulei, dar numărul lor este mare.

Figura prezintă o cromatogramă de alcani C₅ – C₁₁ de petrol din câmpul Surgut, unde fiecare vârf corespunde unei anumite substanțe.

La o temperatură de 200-430 °С, sunt izolați alcanii din fracția II din compoziția С₁₂ – С₂₇. Figura aratăcromatograma alcanilor din fracția II. Cromatograma arată vârfurile alcanilor normali și substituiți cu monometil. Numerele indică poziția substituenților.

La o temperatură de >430°C, alcanii din fracția III din compoziția С₂₈ – С₄₀.

Alcani izoprenoizi

Alcanii izoprenoizi includ hidrocarburi ramificate cu alternanță regulată a grupărilor metil. De exemplu, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadecan sau 2, 6, 10-trimetilhexadecan. Alcanii izoprenoizi și alcanii cu catenă liniară reprezintă majoritatea materiei prime de petrol biologice. Desigur, există multe mai multe opțiuni pentru hidrocarburile izoprenoide.

Izoprenoizii se caracterizează prin omologie și dezechilibru, adică diferite uleiuri au propriul lor set de acești compuși. Omologia este o consecință a distrugerii surselor cu greutate moleculară mai mare. În alcanii izoprenoizi, pot fi detectate „goluri” în concentrațiile oricăror omologi. Aceasta este o consecință a imposibilității ruperii lanțului lor (formarea acestui omolog) în locul în care se află substituenții metil. Această caracteristică este utilizată pentru a determina sursele formării izoprenoidelor.

Cicloalcani (naftene)

Naftenele sunt hidrocarburi ciclice saturate ale uleiului. În multe uleiuri, ele predomină față de alte clase de hidrocarburi. Conținutul lor poate varia de la 25 la 75%. Se găsește în toate facțiunile. Pe măsură ce fracția devine mai grea, conținutul lor crește. Naftenele se disting prin cantitatecicluri într-o moleculă. Naftenele sunt împărțite în două grupe: mono- și policiclice. Monociclicii au cinci și șase membri. Inelele policiclice pot include atât inele cu cinci cât și șase atomi.

Fracțiile cu punct de fierbere scăzut conțin în principal derivați alchil ai ciclohexanului și ciclopentanului, cu derivații de metil predominând în fracțiile de benzină.

Naftenele policiclice se găsesc în principal în fracțiile petroliere care fierb la temperaturi peste 300 °C, iar conținutul lor în fracțiuni de 400-550 °C ajunge la 70-80%.

Hidrocarburi aromatice (arene)

Sunt împărțiți în două grupuri:

1. Hidrocarburi alchilaromatice care conțin numai cicluri aromatice și substituenți alchil. Acestea includ alchilbenzeni, alchilnaftalene, alchilfenantrene, alchilcrisepe și alchilpicene.
2. Hidrocarburi de tip mixt de structură, care conțin atât inele aromatice (nesaturate) cât și naftenice (limitatoare). Printre acestea se disting:

• hidrocarburi monoaromatice - indani, di-, tri- și tetranaftenobenzeni;
• hidrocarburi diaromatice - mono- și dinaftenonaftalene;
• hidrocarburi cu trei sau mai multe inele aromatice - naftenofenantren.

Semnificația tehnică a compoziției de hidrocarburi a petrolului

Compoziția substanțelor afectează în mod semnificativ calitatea uleiului.

1. Parafine:

• Parafinele normale (neramificate) au un număr octanic scăzut și puncte de curgere ridicate. Prin urmare, înîn procesul de prelucrare ele sunt transformate în hidrocarburi din alte grupe.
• Izoparafinele (ramificate) au un număr octanic ridicat, adică proprietăți antidetonante ridicate (izooctanul este un compus de referință cu un număr octanic de 100), precum și puncte de curgere scăzute în comparație cu parafinele normale.

2. Naftenele (cicloparafinele) împreună cu izoparafinele au un efect pozitiv asupra calității motorinei și uleiurilor lubrifiante. Conținutul lor ridicat în fracția grea de benzină duce la un randament ridicat și un număr octanic ridicat al produselor.

3. Hidrocarburile aromatice înrăutățesc proprietățile de mediu ale combustibilului, dar au un număr octanic ridicat. Prin urmare, în timpul rafinării petrolului, alte grupe de hidrocarburi sunt transformate în hidrocarburi aromatice, dar cantitatea acestora, în principal benzen, din combustibil este strict reglementată.

Metode pentru studiul compoziției hidrocarburi a petrolului

În scopuri tehnice, este suficient să se stabilească compoziția uleiului în funcție de conținutul anumitor clase de hidrocarburi din acesta. Compoziția fracționată a petrolului este importantă pentru alegerea direcției de rafinare a petrolului.

Pentru a determina compoziția grupului de ulei, se folosesc diverse metode:

• Chimic înseamnă efectuarea unei reacții (nitrare sau sulfonare) a interacțiunii unui reactiv cu o anumită clasă de hidrocarburi (alchene sau arene). Prin modificarea volumului sau cantității produșilor de reacție rezultați se apreciază conținutul clasei determinate de hidrocarburi.
• Fizico-chimice includ extracția și adsorbția. Așa se extrag areneledioxid de sulf, anilină sau dimetil sulfat, urmate de adsorbția acestor hidrocarburi pe silicagel.
• Fizic include determinarea proprietăților optice.
• Combinat - cel mai precis și cel mai comun. Combinați oricare două metode. De exemplu, îndepărtarea arenelor prin metode chimice sau fizico-chimice și măsurarea proprietăților fizice ale uleiului înainte și după îndepărtarea lor.

În scopuri științifice, este important să se determine exact ce hidrocarburi sunt prezente sau predominante în ulei.

Pentru a identifica molecule individuale de hidrocarburi, se folosește cromatografia gaz-lichid folosind coloane capilare și controlul temperaturii, cromatografie-spectrometrie de masă cu procesare computerizată și construirea cromatogramei pentru ioni de fragmente caracteristice individuale (fragmentografie de masă sau cromatografia de masă). Spectrele RMN pe nucleele ¹³C.

sunt de asemenea utilizate

Schemele moderne de analiză a compoziției hidrocarburilor petroliere includ separarea preliminară în două sau trei fracții cu puncte de fierbere diferite. După aceea, fiecare dintre fracții este separată în hidrocarburi saturate (parafină-naftenice) și aromatice folosind cromatografie lichidă pe silicagel. Apoi, hidrocarburile aromatice trebuie separate în mono-, bi- și poliaromatice folosind cromatografia lichidă folosind oxid de aluminiu.

Surse de hidrocarburi

Sursele naturale de hidrocarburi petroliere și gazoase sunt molecule bioorganice ale diverșilor compuși, în principal componentele lor lipidice. Imipoate fi:

• lipide vegetale mai mari,
• alge,
• fitoplancton,
• zooplancton,
• bacterii, în special lipidele membranei celulare.

Componentele lipidice ale plantelor sunt foarte asemănătoare ca compoziție chimică, totuși, anumite variații ale moleculelor fac posibilă determinarea participării predominante a anumitor substanțe la formarea acestui ulei.

Toate lipidele din plante sunt împărțite în două clase:

• compuși constând din molecule cu un lanț drept (sau ușor ramificat);
• compuși bazați pe unități izoprenoide din seriile aliciclice și alifatice.

Există compuși formați din elemente aparținând ambelor clase, cum ar fi ceara. Moleculele de ceară sunt esteri ai acizilor grași saturați sau nesaturați superiori și ai alcoolilor izoprenoizi ciclici - steroli.

Reprezentanții tipici ai surselor naturale de lipide de hidrocarburi petroliere sunt următorii compuși:

1. Acizi grași saturați și nesaturați din compoziția C₁₂-C₂₆ și hidroxiacizi. Acizii grași sunt formați dintr-un număr par de atomi de carbon, deoarece sunt sintetizați din componente C₂-acetat. Ele fac parte din trigliceride.
2. Ceară naturală - spre deosebire de grăsimi, nu conține glicerol, ci alcooli sau steroli grasi mai mari.
3. Acizi slab ramificati având substituenți metil la capătul lanțului opus grupării carboxil, de exemplu, izo- și anteizoacizi.
4. Substanțele interesante sunt suberina și cutina, care sunt incluse îndiferite părți ale plantelor. Sunt formați din acizi grași și alcooli legați polimerizați. Acești compuși sunt rezistenți la atacul enzimatic și microbian, care protejează lanțurile alifatice de oxidarea biologică.

Relicve și hidrocarburi convertite

Toate hidrocarburile petroliere sunt împărțite în două grupuri:

1. Transformat - a pierdut trăsăturile structurale caracteristice moleculelor bioorganice originale.
2. Relic, sau chemofosile - acele hidrocarburi care au păstrat trăsăturile caracteristice ale structurii moleculelor originale, indiferent dacă aceste hidrocarburi se aflau în biomasa inițială sau s-au format ulterior din alte substanțe.

Hidrocarburile relicve care alcătuiesc uleiul sunt împărțite în două grupe:

• tip izoprenoid - structură aliciclică și alifatică, cu până la cinci cicluri într-o moleculă;
• non-izoprenoid - majoritatea compuși alifatici având catene n-alchil sau ușor ramificate.

Relicvele structurii izoprenoide sunt mult mai numeroase decât cele non-izoprenoide.

Peste 500 de hidrocarburi de ulei relicve au fost identificate, iar numărul acestora crește în fiecare an.