Ugljikovodici nafte: komponente, sastav, struktura

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

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

Ugljikovodici u ulju

Oko 700 ugljikovodika posebne strukture identificirano je u sastavu ulja. Svi su raznoliki po sastavu i strukturi, ali u isto vrijeme pohranjuju podatke 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. Aromatski ugljikovodici (areni).

Alkani (alifatski zasićeni ugljikovodici)

Alkani su najvažniji i dobro proučeni ugljikovodici svih ulja. Sastav ulja uključuje ugljikovodike alkane od C₁ do C₁₀₀. Njihov se broj kreće od 20 do 60% i ovisi o vrsti ulja. Kao molekularnimaseni udio, koncentracija alkana je smanjena u svim vrstama.

Ako su ciklički ugljikovodici različite strukture jednako česti u nafti, tada među alkanima obično prevladavaju strukture određene strukture. 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 s različitim položajima metilne skupine, rjeđe - di- i trimetil-supstituirani alkani, kao i tetrametilalkani izoprenoidnog tipa. Alkani karakteristične strukture čine gotovo 90% ukupne mase naftnih alkana. Ova činjenica omogućuje dobro proučavanje alkana u raznim frakcijama ulja, uključujući one s visokim ključanjem.

Alkani različitih frakcija

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

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

Stoga, frakcija I teoretski može uključiti oko 300 ugljikovodika. Naravno, nisu svi izomeri prisutni u ulju, ali je njihov broj velik.

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

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

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

Izoprenoidni alkani

Izoprenoidni alkani uključuju razgranate ugljikovodike s redovitom izmjenom metilnih skupina. Na primjer, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadekan ili 2, 6, 10-trimetilheksadekan. Izoprenoidni alkani i alkani ravnog lanca čine većinu biološke sirovine nafte. Naravno, postoji mnogo više opcija za izoprenoidne ugljikovodike.

Izoprenoide karakterizira homologija i neravnoteža, odnosno različita ulja imaju svoj skup ovih spojeva. Homologija je posljedica uništenja izvora veće molekularne mase. 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 značajka se koristi za određivanje izvora formiranja izoprenoida.

cikloalkani (nafteni)

Nafteni su zasićeni ciklički ugljikovodici 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 molekuli. Nafteni se dijele u dvije skupine: mono- i policikličke. Monociklički su petero- i šesteročlani. Policiklički prstenovi mogu uključivati i petero i šesteročlane prstenove.

Frakcije niskog vrenja sadrže pretežno alkil derivate cikloheksana i ciklopentana, s metilnim derivatima koji prevladavaju u frakcijama benzina.

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

Aromatski ugljikovodici (areni)

Podijeljeni su u dvije grupe:

1. Alkilaromatski ugljikovodici koji sadrže samo aromatične prstenove i alkilne supstituente. To uključuje alkilbenzene, alkilnaftalene, alkilfenantrene, alkilkrizepe i alkilpicene.
2. Ugljikovodici mješovitog tipa strukture, koji sadrže i aromatične (nezasićene) i naftenske (ograničavajuće) prstenove. Među njima se ističu:

• monoaromatski ugljikovodici - indani, di-, tri- i tetranaftenobenzeni;
• dijaromatski ugljikovodici - mono- i dinaftenonaftaleni;
• ugljikovodici s tri ili više aromatičnih prstenova - naftenofenantreni.

Tehnički značaj ugljikovodika u nafti

Sastav tvari značajno utječe na kvalitetu ulja.

1. Parafini:

• Normalni parafini (nerazgranati) imaju nizak oktanski broj i visoke točke stinjavanja. Stoga, uu procesu prerade pretvaraju se u ugljikovodike drugih skupina.
• Izoparafini (razgranati) imaju visoki oktanski broj, tj. visoka svojstva antidetonacije (izooktan je referentni spoj s oktanskim brojem od 100), kao i niske točke stinjavanja u usporedbi s normalnim parafinima.

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

3. Aromatični ugljikovodici pogoršavaju ekološka svojstva goriva, ali imaju visoki oktanski broj. Stoga se tijekom rafiniranja nafte druge skupine ugljikovodika pretvaraju u aromatične, ali je njihova količina, prvenstveno benzena, u gorivu strogo regulirana.

Metode za proučavanje sastava ugljikovodika nafte

Za tehničke svrhe, dovoljno je utvrditi sastav nafte prema sadržaju pojedinih klasa ugljikovodika u njemu. Frakcijski sastav ulja važan je za odabir smjera prerade nafte.

Za određivanje grupnog sastava ulja koriste se različite metode:

• Kemijska znači provođenje reakcije (nitriranje ili sulfoniranje) interakcije reagensa s određenom klasom ugljikovodika (alkeni ili areni). Promjenom volumena ili količine nastalih reakcijskih produkata, prosuđuje se sadržaj određene klase ugljikovodika.
• Fizičko-kemijski uključuju ekstrakciju i adsorpciju. Ovako se ekstrahiraju arenisumpor dioksid, anilin ili dimetil sulfat, nakon čega slijedi adsorpcija ovih ugljikovodika na silika gelu.
• Fizičko uključuje određivanje optičkih svojstava.
• Kombinirano - najtočnije i najčešće. Kombinirajte bilo koje dvije metode. Na primjer, uklanjanje arena kemijskim ili fizikalno-kemijskim metodama i mjerenje fizikalnih svojstava ulja prije i nakon njihovog uklanjanja.

Za znanstvene svrhe, važno je točno odrediti koji su ugljikovodici prisutni ili prevladavajući u nafti.

Za identifikaciju pojedinačnih molekula ugljikovodika koristi se plinsko-tekućinska kromatografija pomoću kapilarnih kolona i kontrole temperature, kromatografija-masena spektrometrija s računalnom obradom i izgradnja kromatograma za pojedinačne karakteristične ione fragmenata (masena fragmentografija ili masovna kromatografija). Također se koriste NMR spektri na jezgrama ¹³C.

Moderne sheme za analizu sastava naftnih ugljikovodika uključuju preliminarnu separaciju u dvije ili tri frakcije s različitim točkama vrelišta. Nakon toga, svaka od frakcija se odvaja na zasićene (parafin-naftenske) i aromatske ugljikovodike tekućinskom kromatografijom na silika gelu. Zatim, aromatske ugljikovodike treba razdvojiti na mono-, bi- i poliaromatske pomoću tekućinske kromatografije pomoću aluminijevog oksida.

Izvori ugljikovodika

Prirodni izvori ugljikovodika nafte i plina su bioorganske molekule različitih spojeva, uglavnom njihovih lipidnih komponenti. Imimože biti:

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

Lipidne komponente biljaka vrlo su slične po kemijskom sastavu, međutim, određene varijacije molekula omogućuju određivanje dominantnog sudjelovanja određenih tvari u stvaranju ovog ulja.

Svi biljni lipidi podijeljeni su u dvije klase:

• spojevi koji se sastoje od molekula s ravnim (ili blago razgranatim) lancem;
• spojevi na temelju izoprenoidnih jedinica alicikličkog i alifatskog niza.

Postoje spojevi koji se sastoje od elemenata koji pripadaju objema klasama, kao što je vosak. Molekule voska su esteri viših zasićenih ili nezasićenih masnih kiselina i cikličkih izoprenoidnih alkohola - sterola.

Tipični predstavnici lipidnih prirodnih izvora naftnih ugljikovodika su sljedeći spojevi:

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 metilne supstituente na kraju lanca suprotno od karboksilne skupine, na primjer, izo- i antiizokiseline.
4. Zanimljive tvari su suberin i kutin, koji su uključeni urazličitih dijelova biljaka. Tvore ih polimerizirane vezane masne kiseline i alkoholi. Ovi spojevi su otporni na enzimske i mikrobne napade, što štiti alifatske lance od biološke oksidacije.

Relikvija i pretvoreni ugljikovodici

Svi naftni ugljikovodici podijeljeni su u dvije skupine:

1. Transformiran - izgubivši strukturne značajke karakteristične za izvorne bioorganske molekule.
2. Relikt, ili kemofosili - oni ugljikovodici koji su zadržali karakteristične značajke strukture izvornih molekula, bez obzira na to jesu li ti ugljikovodici bili u izvornoj biomasi ili su nastali kasnije od drugih tvari.

Reliktni ugljikovodici koji čine ulje podijeljeni su u dvije skupine:

• izoprenoidni tip - aliciklička i alifatska struktura, s do pet ciklusa u jednoj molekuli;
• neizoprenoid - uglavnom alifatski spojevi koji imaju n-alkil ili blago razgranate lance.

Relikti izoprenoidne strukture mnogo su brojniji od ne-izoprenoidnih.

Identificirano je preko 500 reliktnih uljanih ugljikovodika, a njihov se broj povećava svake godine.