Oliekulbrinter: komponenter, sammensætning, struktur

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Hydrocarboner er den vigtigste komponent i enhver olie. Koncentrationen af naturlige kulbrinter i forskellige typer olie er ikke den samme: fra 100 (gaskondensat) til 30%. I gennemsnit udgør kulbrinter 70 % af dette brændstofs masse.

Hydrocarboner i olie

Omkring 700 kulbrinter med en ejendommelig struktur er blevet identificeret i sammensætningen af olier. Alle er de forskellige i sammensætning og struktur, men samtidig gemmer de information om sammensætningen og strukturen af stoffer, der danner grundlag for lipider fra gamle bakterier, alger og højere planter.

Kulbrintesammensætningen af olie omfatter:

1. Paraffiner.
2. Naphthenes (cycloalkaner).
3. Aromatiske kulbrinter (arener).

Alkaner (alifatiske mættede kulbrinter)

Alkaner er de vigtigste og mest velundersøgte kulbrinter af enhver olie. Oliens sammensætning omfatter carbonhydrider, alkaner fra C₁ til C₁₀₀. Deres antal varierer fra 20 til 60% og afhænger af typen af olie. Som det molekylæremassefraktion reduceres koncentrationen af alkaner i alle typer.

Hvis cykliske kulbrinter med forskellige strukturer er lige almindelige i olie, så dominerer strukturer med en bestemt struktur norm alt blandt alkaner. Desuden afhænger strukturen som regel ikke af molekylvægt. Dette betyder, at der i forskellige typer olie er visse homologe serier af alkaner: alkaner med normal struktur, monomethylsubstituerede med forskellige positioner i methylgruppen, sjældnere - di- og trimethylsubstituerede alkaner, samt tetramethylalkaner af isoprenoid type. Alkaner med en karakteristisk struktur udgør næsten 90 % af den samlede masse af oliealkaner. Dette faktum muliggør en god undersøgelse af alkaner i forskellige oliefraktioner, herunder højtkogende.

Alkaner af forskellige fraktioner

Ved temperaturer fra 50 til 150 °C frigives fraktion I, som omfatter alkaner med antallet af carbonatomer fra 5 til 11. Alkaner har isomerer:

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

Derfor kan fraktion I teoretisk inkludere omkring 300 kulbrinter. Selvfølgelig er ikke alle isomerer til stede i olie, men deres antal er stort.

Figuren viser et kromatogram af alkaner C₅ – C₁₁ af olie fra Surgut-feltet, hvor hver top svarer til et bestemt stof.

Ved en temperatur på 200-430 °С isoleres alkaner af fraktion II af sammensætningen С₁₂ – С₂₇. Figuren viserkromatogram af alkaner fra fraktion II. Kromatogrammet viser toppene af normale og monomethyl-substituerede alkaner. Tallene angiver substituenternes position.

Ved en temperatur på >430°C, alkaner af fraktion III af sammensætning С₂₈ – С₄₀.

Isoprenoidalkaner

Isoprenoidalkaner inkluderer forgrenede carbonhydrider med regelmæssig veksling af methylgrupper. For eksempel 2, 6, 10, 14-tetramethylpentadecan eller 2, 6, 10-trimethylhexadecan. Isoprenoidalkaner og ligekædede alkaner udgør størstedelen af det biologiske råolieråmateriale. Selvfølgelig er der mange flere muligheder for isoprenoide kulbrinter.

Isoprenoider er karakteriseret ved homologi og uligevægt, det vil sige, at forskellige olier har deres eget sæt af disse forbindelser. Homologi er en konsekvens af ødelæggelsen af kilder med højere molekylvægt. I isoprenoidalkaner kan "huller" i koncentrationerne af enhver homolog påvises. Dette er en konsekvens af umuligheden af at bryde deres kæde (dannelsen af denne homolog) på det sted, hvor methylsubstituenterne er placeret. Denne funktion bruges til at bestemme kilderne til isoprenoiddannelse.

Cycloalkaner (naftener)

Naphthener er mættede cykliske kulbrinter af olie. I mange olier dominerer de over andre klasser af kulbrinter. Deres indhold kan variere fra 25 til 75%. Findes i alle fraktioner. Efterhånden som fraktionen bliver tungere, stiger deres indhold. Naftener er kendetegnet ved mængdenkredsløb i et molekyle. Naphthener er opdelt i to grupper: mono- og polycykliske. Monocykliske er fem- og seksleddede. Polycykliske ringe kan omfatte både fem- og seksleddede ringe.

Lavtkogende fraktioner indeholder overvejende alkylderivater af cyclohexan og cyclopentan, med methylderivater overvejende i benzinfraktioner.

Polycykliske naphthener findes hovedsageligt i oliefraktioner, der koger væk ved temperaturer over 300 °C, og deres indhold i fraktioner på 400-550 °C når 70-80%.

Aromatiske kulbrinter (arener)

De er opdelt i to grupper:

1. Alkylaromatiske carbonhydrider, der kun indeholder aromatiske ringe og alkylsubstituenter. Disse omfatter alkylbenzener, alkylnaphthalener, alkylphenanthrener, alkylchrysepes og alkylpicener.
2. Hydrocarboner af en blandet type struktur, der indeholder både aromatiske (umættede) og naphtheniske (begrænsende) ringe. Blandt dem skelnes:

• monoaromatiske kulbrinter - indaner, di-, tri- og tetranaphthenobenzener;
• diaromatiske kulbrinter - mono- og dinaphthenonaphthalener;
• kulbrinter med tre eller flere aromatiske ringe - naphthenophenanthrenes.

Teknisk betydning af carbonhydridsammensætningen af olie

Sammensætningen af stoffer påvirker kvaliteten af olie væsentligt.

1. Paraffiner:

• Normale paraffiner (uforgrenede) har et lavt oktantal og høje flydepunkter. Derfor iunder forarbejdning omdannes de til kulbrinter fra andre grupper.
• Isoparaffiner (forgrenede) har et højt oktantal, dvs. høje antibankeegenskaber (isooctan er en referenceforbindelse med et oktantal på 100), samt lave flydepunkter sammenlignet med normale paraffiner.

2. Naphthener (cycloparaffiner) sammen med isoparaffiner har en positiv effekt på kvaliteten af dieselolie og smøreolier. Deres høje indhold i den tunge benzinfraktion fører til højt udbytte og højt oktantal af produkter.

3. Aromatiske kulbrinter forringer brændstoffets miljøegenskaber, men har et højt oktantal. Derfor omdannes andre grupper af kulbrinter under olieraffinering til aromatiske, men deres mængde, primært benzen, i brændstoffet er strengt reguleret.

Metoder til undersøgelse af carbonhydridsammensætningen af olie

Til tekniske formål er det tilstrækkeligt at fastslå oliens sammensætning ved indholdet af visse klasser af kulbrinter i den. Oliens fraktionelle sammensætning er vigtig for at vælge retningen for olieraffinering.

For at bestemme gruppesammensætningen af olie, anvendes forskellige metoder:

• Kemisk betyder at udføre en reaktion (nitrering eller sulfonering) af interaktionen af et reagens med en bestemt klasse af carbonhydrider (alkener eller arener). Ved at ændre volumenet eller mængden af de resulterende reaktionsprodukter bedømmes indholdet af den bestemte klasse af kulbrinter
• Fysisk-kemisk omfatter ekstraktion og adsorption. Sådan udvindes arenersvovldioxid, anilin eller dimethylsulfat, efterfulgt af adsorption af disse kulbrinter på silicagel.
• Fysisk omfatter bestemmelse af optiske egenskaber.
• Kombineret - den mest nøjagtige og mest almindelige. Kombiner to vilkårlige metoder. F.eks. fjernelse af arener ved kemiske eller fysisk-kemiske metoder og måling af olies fysiske egenskaber før og efter deres fjernelse.

Til videnskabelige formål er det vigtigt at bestemme nøjagtigt, hvilke kulbrinter der er til stede eller overvejende i olie.

For at identificere individuelle molekyler af kulbrinter anvendes gas-væskekromatografi ved hjælp af kapillærsøjler og temperaturkontrol, kromatografi-massespektrometri med computerbehandling og kromatogramopbygning for individuelle karakteristiske fragmentioner (massefragmentografi eller massekromatografi). NMR-spektre på kerner ¹³C.

bruges også

Moderne skemaer til at analysere sammensætningen af oliecarbonhydrider omfatter foreløbig adskillelse i to eller tre fraktioner med forskellige kogepunkter. Derefter adskilles hver af fraktionerne i mættede (paraffin-naphtheniske) og aromatiske carbonhydrider ved hjælp af væskekromatografi på silicagel. Dernæst skal aromatiske kulbrinter adskilles i mono-, bi- og polyaromatiske ved hjælp af væskekromatografi med aluminiumoxid.

Kilder til kulbrinter

Naturlige kilder til olie- og gaskulbrinter er bioorganiske molekyler af forskellige forbindelser, hovedsagelig deres lipidkomponenter. Imikan være:

• højere plantelipider,
• alger,
• fytoplankton,
• zooplankton,
• bakterier, især cellemembranlipider.

Fipidkomponenterne i planter ligner meget hinanden i kemisk sammensætning, dog gør visse variationer af molekylerne det muligt at bestemme den overvejende deltagelse af visse stoffer i dannelsen af denne olie.

Alle plantelipider er opdelt i to klasser:

• forbindelser bestående af molekyler med en lige (eller let forgrenet) kæde;
• forbindelser baseret på isoprenoidenheder af alicykliske og alifatiske serier.

Der er forbindelser, der består af grundstoffer, der tilhører begge klasser, såsom voks. Voksmolekyler er estere af højere mættede eller umættede fedtsyrer og cykliske isoprenoidalkoholer - steroler.

Typiske repræsentanter for naturlige lipidkilder til petroleumscarbonhydrider er følgende forbindelser:

1. Mættede og umættede fedtsyrer med sammensætning C₁₂-C₂₆ og hydroxysyrer. Fedtsyrer er opbygget af et lige antal carbonatomer, da de er syntetiseret ud fra C₂-acetatkomponenter. De er en del af triglycerider.
2. Naturlig voks - i modsætning til fedtstoffer indeholder den ikke glycerol, men højere fedtalkoholer eller steroler.
3. Svagt forgrenede syrer med methylsubstituenter i enden af kæden modsat carboxylgruppen, f.eks. iso- og antiisosyrer.
4. Interessante stoffer er suberin og cutin, som er inkluderet iforskellige dele af planter. De dannes af polymeriserede bundne fedtsyrer og alkoholer. Disse forbindelser er resistente over for enzymatiske og mikrobielle angreb, som beskytter alifatiske kæder mod biologisk oxidation.

Relikvie og omdannede kulbrinter

Alle oliekulbrinter er opdelt i to grupper:

1. Transformeret - har mistet de strukturelle træk, der er karakteristiske for de originale bioorganiske molekyler.
2. Relikvie eller kemofossiler - de kulbrinter, der har bibeholdt de karakteristiske træk ved strukturen af de oprindelige molekyler, uanset om disse kulbrinter var i den oprindelige biomasse eller senere blev dannet af andre stoffer.

Relikviekulbrinter, der udgør olie, er opdelt i to grupper:

• isoprenoid type - alicyklisk og alifatisk struktur, med op til fem cyklusser i et molekyle;
• non-isoprenoid - for det meste alifatiske forbindelser med n-alkyl eller let forgrenede kæder.

Relikvier af isoprenoid struktur er meget mere talrige end ikke-isoprenoide.

Over 500 relikviekulbrinter er blevet identificeret, og deres antal stiger hvert år.