Naftos angliavandeniliai: komponentai, sudėtis, struktūra

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-11 11:00

Angliavandeniliai yra svarbiausias bet kurio aliejaus komponentas. Natūralių angliavandenilių koncentracija skirtingų rūšių alyvoje nėra vienoda: nuo 100 (dujų kondensatas) iki 30 proc. Vidutiniškai angliavandeniliai sudaro 70 % šio kuro masės.

Angliavandeniliai aliejuje

Alyvų sudėtyje nustatyta apie 700 savotiškos struktūros angliavandenilių. Visi jie skiriasi savo sudėtimi ir struktūra, tačiau kartu kaupia informaciją apie medžiagų, kurios sudaro senovės bakterijų, dumblių ir aukštesniųjų augalų lipidų pagrindą, sudėtį ir struktūrą.

Alyvos angliavandenilių sudėtis apima:

1. Parafinai.
2. Naftenai (cikloalkanai).
3. Aromatiniai angliavandeniliai (arenai).

Alkanai (alifatiniai sotieji angliavandeniliai)

Alkanai yra svarbiausi ir geriausiai ištirti bet kurios naftos angliavandeniliai. Alyvos sudėtyje yra angliavandenilių alkanų nuo C₁ iki C₁₀₀. Jų skaičius svyruoja nuo 20 iki 60% ir priklauso nuo aliejaus rūšies. Kaip molekulinėmasės dalis, visų tipų alkanų koncentracija sumažėja.

Jei naftoje vienodai paplitę skirtingų struktūrų cikliniai angliavandeniliai, tai tarp alkanų dažniausiai vyrauja tam tikros struktūros struktūros. Be to, struktūra, kaip taisyklė, nepriklauso nuo molekulinės masės. Tai reiškia, kad skirtingose aliejaus rūšyse yra tam tikros homologinės alkanų serijos: normalios struktūros alkanai, turintys monometilo pakaitus skirtingomis metilo grupės padėtimis, rečiau - di- ir trimetilpakeisti alkanai, taip pat tetrametilalkanai. izoprenoidinis tipas. Būdingos struktūros alkanai sudaro beveik 90% visos naftos alkanų masės. Šis faktas leidžia gerai ištirti alkanus įvairiose aliejaus frakcijose, įskaitant labai verdančias.

Įvairių frakcijų alkanai

Esant temperatūrai nuo 50 iki 150 °C, išsiskiria I frakcija, kuri apima alkanus, kurių anglies atomų skaičius yra nuo 5 iki 11. Alkanai turi izomerų:

• pentanas – 3;
• heksanas – 5;
• heptanas – 9;
• oktaninis skaičius – 18;
• nonan – 35;
• Dekanas – 75;
• undekanas – 159.

Todėl I frakcija teoriškai gali apimti apie 300 angliavandenilių. Žinoma, aliejuje yra ne visi izomerai, tačiau jų yra daug.

Paveikslėlyje parodyta alkanų chromatograma C₅ – C₁₁ naftos iš Surguto lauko, kur kiekviena smailė atitinka tam tikrą medžiagą.

Esant 200-430 °С temperatūrai, išskiriami С₁₂ – С₂₇ sudėties II frakcijos alkanai. Paveikslėlyje parodytaII frakcijos alkanų chromatograma. Chromatograma rodo normalių ir monometilu pakeistų alkanų smailes. Skaičiai rodo pakaitų padėtį.

430°C temperatūroje С_{28 sudėties III frakcijos alkanai} – С₄₀.

Izoprenoidiniai alkanai

Izoprenoidiniai alkanai apima šakotus angliavandenilius su reguliariu metilo grupių kaita. Pavyzdžiui, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadekanas arba 2, 6, 10-trimetilheksadekanas. Izoprenoidiniai alkanai ir tiesios grandinės alkanai sudaro didžiąją dalį biologinės naftos žaliavos. Žinoma, yra daug daugiau izoprenoidinių angliavandenilių variantų.

Izoprenoidai pasižymi homologija ir pusiausvyros sutrikimu, tai yra, skirtingi aliejai turi savo šių junginių rinkinį. Homologija yra didesnės molekulinės masės š altinių sunaikinimo pasekmė. Izoprenoidiniuose alkanuose galima aptikti bet kokių homologų koncentracijų „spragus“. Tai yra neįmanoma nutraukti jų grandinės (šio homologo susidarymo) pasekmė toje vietoje, kur yra metilo pakaitai. Ši funkcija naudojama izoprenoidų susidarymo š altiniams nustatyti.

Cikloalkanai (naftenai)

Naftenai yra sotieji cikliniai naftos angliavandeniliai. Daugelyje aliejų jie vyrauja prieš kitų klasių angliavandenilius. Jų kiekis gali svyruoti nuo 25 iki 75%. Rasta visose frakcijose. Frakcijai sunkėjant, jų kiekis didėja. Naftenai išsiskiria kiekiuciklai molekulėje. Naftenai skirstomi į dvi grupes: monociklinius ir policiklinius. Monocikliniai yra penkių ir šešių narių. Policikliniai žiedai gali būti penkių ir šešių narių žiedai.

Žemos virimo temperatūros frakcijose daugiausia yra cikloheksano ir ciklopentano alkilo darinių, o benzino frakcijose vyrauja metilo dariniai.

Policikliniai naftenai daugiausia randami alyvos frakcijose, kurios išverda aukštesnėje nei 300 °C temperatūroje, o jų kiekis 400–550 °C frakcijose siekia 70–80%.

Aromatiniai angliavandeniliai (arenai)

Jie skirstomi į dvi grupes:

1. Alkilaromatiniai angliavandeniliai, turintys tik aromatinius žiedus ir alkilo pakaitus. Tai apima alkilbenzenus, alkilnaftalenus, alkilfenantrenus, alkilchrizepus ir alkilpicenus.
2. Mišrios struktūros angliavandeniliai, turintys ir aromatinių (nesočiųjų), ir nafteninių (ribojančių) žiedų. Tarp jų išskiriami:

• monoaromatiniai angliavandeniliai – indanai, di-, tri- ir tetranaftenobenzenai;
• diaaromatiniai angliavandeniliai – mono- ir dinaftenonaftalenai;
• angliavandeniliai su trimis ar daugiau aromatinių žiedų – naftenofenantrenai.

Techninė alyvos angliavandenilių sudėties reikšmė

Medžiagų sudėtis daro didelę įtaką aliejaus kokybei.

1. Parafinai:

• Įprastų parafinų (neišsišakojusių) oktaninis skaičius yra mažas ir stingimo temperatūra yra aukšta. Todėl įperdirbimo procese jie paverčiami kitų grupių angliavandeniliais.
• Izoparafinai (šakotieji) turi didelį oktaninį skaičių, t. y. aukštas antidetonacines savybes (izooktanas yra etaloninis junginys, kurio oktaninis skaičius yra 100), taip pat žemas stingimo taškas, palyginti su įprastais parafinais.

2. Naftenai (cikloparafinai) kartu su izoparafinais teigiamai veikia dyzelinio kuro ir tepalinių alyvų kokybę. Dėl didelio jų kiekio sunkiojoje benzino frakcijoje gaunama didelė išeiga ir didelis produktų oktaninis skaičius.

3. Aromatiniai angliavandeniliai pablogina degalų aplinkosaugines savybes, tačiau turi didelį oktaninį skaičių. Todėl naftos perdirbimo metu kitos angliavandenilių grupės paverčiamos aromatinėmis, tačiau jų, pirmiausia benzeno, kiekis kure yra griežtai reguliuojamas.

Naftos angliavandenilių sudėties tyrimo metodai

Techniniais tikslais pakanka nustatyti naftos sudėtį pagal tam tikrų klasių angliavandenilių kiekį joje. Dalinė aliejaus sudėtis yra svarbi renkantis naftos perdirbimo kryptį.

Aliejaus grupinei sudėčiai nustatyti naudojami įvairūs metodai:

• Cheminė priemonė – reagento sąveikos su tam tikra angliavandenilių klase (alkenais arba arenais) reakcijos (nitrinimo arba sulfoninimo) vykdymas. Keičiant susidariusių reakcijos produktų tūrį arba kiekį, nustatomas nustatytos angliavandenilių klasės kiekis.
• Fizikinės ir cheminės medžiagos apima ekstrakciją ir adsorbciją. Taip išgaunamos arenossieros dioksidas, anilinas arba dimetilsulfatas, po to šių angliavandenilių adsorbcija ant silikagelio.
• Fizika apima optinių savybių nustatymą.
• Kombinuotas – tiksliausias ir dažniausiai pasitaikantis. Sujunkite bet kuriuos du metodus. Pavyzdžiui, arenų pašalinimas cheminiais arba fizikiniais-cheminiais metodais ir naftos fizinių savybių matavimas prieš ir po jų pašalinimo.

Moksliniais tikslais svarbu tiksliai nustatyti, kurie angliavandeniliai yra arba vyrauja naftoje.

Atskiroms angliavandenilių molekulėms identifikuoti naudojama dujų-skysčių chromatografija, naudojant kapiliarines kolonėles ir temperatūros kontrolę, chromatografija-masių spektrometrija su kompiuteriniu apdorojimu ir chromatogramos sudarymas atskiriems būdingiems fragmentų jonams (masės fragmentografija arba masės chromatografija). Taip pat naudojami branduolių ¹³C.

BMR spektrai

Šiuolaikinės naftos angliavandenilių sudėties analizės schemos apima preliminarų atskyrimą į dvi ar tris frakcijas, kurių virimo temperatūra skiriasi. Po to kiekviena frakcija atskiriama į sočiuosius (parafino-nafteninius) ir aromatinius angliavandenilius, naudojant skysčių chromatografiją ant silikagelio. Tada aromatiniai angliavandeniliai turėtų būti atskirti į mono-, dvi- ir poliaromatinius, naudojant skysčių chromatografiją naudojant aliuminio oksidą.

Angliavandenilių š altiniai

Natūralūs naftos ir dujų angliavandenilių š altiniai yra įvairių junginių, daugiausia jų lipidinių komponentų, bioorganinės molekulės. Imigali būti:

• didesnis augalų lipidų kiekis,
• dumbliai,
• fitoplanktonas,
• zooplanktonas,
• bakterijos, ypač ląstelių membranų lipidai.

Augalų lipidiniai komponentai yra labai panašios cheminės sudėties, tačiau tam tikri molekulių variantai leidžia nustatyti vyraujantį tam tikrų medžiagų dalyvavimą šio aliejaus formavime.

Visi augalų lipidai skirstomi į dvi klases:

• junginiai, sudaryti iš molekulių su tiesia (arba šiek tiek šakota) grandine;
• junginiai, pagrįsti aliciklinių ir alifatinių serijų izoprenoidiniais vienetais.

Yra junginių, susidedančių iš elementų, priklausančių abiem klasėms, pavyzdžiui, vaškas. Vaško molekulės yra aukštesnių sočiųjų arba nesočiųjų riebalų rūgščių esteriai ir cikliniai izoprenoidiniai alkoholiai – steroliai.

Tipiniai lipidų natūralių naftos angliavandenilių š altinių atstovai yra šie junginiai:

1. Sočiosios ir nesočiosios riebalų rūgštys, kurių sudėtis C₁₂-C₂₆ ir hidroksirūgštys. Riebalų rūgštys yra sudarytos iš lyginio skaičiaus anglies atomų, nes jos sintezuojamos iš C₂-acetato komponentų. Jie yra trigliceridų dalis.
2. Natūralus vaškas – skirtingai nei riebaluose, jame nėra glicerolio, o didesnių riebalų alkoholių arba sterolių.
3. Silpnai šakotos rūgštys, turinčios metilo pakaitus grandinės gale, priešingoje karboksilo grupei, pavyzdžiui, izo- ir antiizorūgštys.
4. Įdomios medžiagos yra suberinas ir kutinas, kurie yra įtrauktiskirtingos augalų dalys. Jas sudaro polimerizuotos surištos riebalų rūgštys ir alkoholiai. Šie junginiai yra atsparūs fermentų ir mikrobų atakai, o tai apsaugo alifatines grandines nuo biologinės oksidacijos.

Reliktas ir konvertuoti angliavandeniliai

Visi naftos angliavandeniliai skirstomi į dvi grupes:

1. Transformuotas – praradęs struktūrines savybes, būdingas pirminėms bioorganinėms molekulėms.
2. Reliktas, arba chemofosilijos – tie angliavandeniliai, kurie išlaikė būdingas pirminių molekulių sandaros ypatybes, neatsižvelgiant į tai, ar šie angliavandeniliai buvo pirminėje biomasėje, ar vėliau susidarė iš kitų medžiagų.

Reliktiniai angliavandeniliai, sudarantys aliejų, skirstomi į dvi grupes:

• izoprenoidinis tipas – aliciklinė ir alifatinė struktūra, iki penkių ciklų vienoje molekulėje;
• neizoprenoidas – dažniausiai alifatiniai junginiai, turintys n-alkilo arba lengvai šakotas grandines.

Izoprenoidinės struktūros reliktų yra daug daugiau nei neizoprenoidinių.

Nustatyta daugiau nei 500 reliktų naftos angliavandenilių, ir jų skaičius kasmet didėja.