Oliekoolwaterstoffen: componenten, samenstelling, structuur

2024 Auteur: Angel Austin | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 05:37

Koolwaterstoffen zijn het belangrijkste bestanddeel van elke olie. De concentratie van natuurlijke koolwaterstoffen in verschillende soorten olie is niet hetzelfde: van 100 (gascondensaat) tot 30%. Gemiddeld vormen koolwaterstoffen 70% van de massa van deze brandstof.

Koolwaterstoffen in olie

Ongeveer 700 koolwaterstoffen met een bijzondere structuur zijn geïdentificeerd in de samenstelling van oliën. Ze zijn allemaal divers in samenstelling en structuur, maar slaan tegelijkertijd informatie op over de samenstelling en structuur van stoffen die de basis vormen van lipiden van oude bacteriën, algen en hogere planten.

De koolwaterstofsamenstelling van olie omvat:

1. Paraffines.
2. Naftenen (cycloalkanen).
3. Aromatische koolwaterstoffen (arenen).

Alkanen (alifatische verzadigde koolwaterstoffen)

Alkanen zijn de belangrijkste en best bestudeerde koolwaterstoffen van welke olie dan ook. De samenstelling van olie omvat koolwaterstoffen alkanen van C₁ tot C₁₀₀. Hun aantal varieert van 20 tot 60% en is afhankelijk van het type olie. als de moleculairemassafractie, de concentratie van alkanen wordt in alle typen verlaagd.

Als cyclische koolwaterstoffen met verschillende structuren even vaak voorkomen in olie, dan overheersen structuren met een bepaalde structuur gewoonlijk onder alkanen. Bovendien is de structuur in de regel niet afhankelijk van het molecuulgewicht. Dit betekent dat er in verschillende soorten olie bepaalde homologe reeksen alkanen zijn: alkanen met een normale structuur, monomethyl-gesubstitueerd met verschillende posities van de methylgroep, minder vaak - di- en trimethyl-gesubstitueerde alkanen, evenals tetramethylalkanen van de isoprenoïde type. Alkanen met een karakteristieke structuur vormen bijna 90% van de totale massa van olie-alkanen. Dit feit maakt een goede studie mogelijk van alkanen in verschillende oliefracties, inclusief hoogkokende fracties.

Alkanen van verschillende fracties

Bij temperaturen van 50 tot 150 °C komt fractie I vrij, waaronder alkanen met een aantal koolstofatomen van 5 tot 11. Alkanen hebben isomeren:

• pentaan - 3;
• hexaan – 5;
• heptaan – 9;
• octaan - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Daarom kan fractie I theoretisch ongeveer 300 koolwaterstoffen bevatten. Natuurlijk zijn niet alle isomeren aanwezig in olie, maar hun aantal is groot.

De figuur toont een chromatogram van alkanen C₅ – C₁₁ van olie uit het Surgut-veld, waarbij elke piek overeenkomt met een bepaalde stof.

Bij een temperatuur van 200-430 °С worden alkanen van fractie II met samenstelling С₁₂ – С₂₇ geïsoleerd. De figuur toont:chromatogram van alkanen van fractie II. Het chromatogram toont de pieken van normale en monomethyl-gesubstitueerde alkanen. De cijfers geven de positie van de substituenten aan.

Bij een temperatuur van >430°C, alkanen van fractie III met samenstelling С₂₈ – С₄₀.

Isoprenoïde alkanen

Isoprenoïde alkanen omvatten vertakte koolwaterstoffen met regelmatige afwisseling van methylgroepen. Bijvoorbeeld 2, 6, 10, 14-tetramethylpentadecaan of 2, 6, 10-trimethylhexadecaan. Isoprenoïde alkanen en alkanen met rechte keten vormen het grootste deel van de biologische grondstof voor aardolie. Natuurlijk zijn er veel meer opties voor isoprenoïde koolwaterstoffen.

Isoprenoïden worden gekenmerkt door homologie en onevenwichtigheid, dat wil zeggen dat verschillende oliën hun eigen set van deze verbindingen hebben. Homologie is een gevolg van de vernietiging van bronnen met een hoger molecuulgewicht. In isoprenoïde alkanen kunnen "gaten" in de concentraties van homologen worden gedetecteerd. Dit is een gevolg van de onmogelijkheid om hun keten te verbreken (de vorming van deze homoloog) op de plaats waar de methylsubstituenten zich bevinden. Deze functie wordt gebruikt om de bronnen van de vorming van isoprenoïden te bepalen.

Cycloalkanen (naftenen)

Naftenen zijn verzadigde cyclische koolwaterstoffen van olie. In veel oliën overheersen ze over andere klassen van koolwaterstoffen. Hun inhoud kan variëren van 25 tot 75%. Gevonden in alle facties. Naarmate de fractie zwaarder wordt, neemt hun geh alte toe. Naftenen worden onderscheiden door de hoeveelheidcycli in een molecuul. Naftenen zijn onderverdeeld in twee groepen: mono- en polycyclisch. Monocyclisch zijn vijf- en zesledig. Polycyclische ringen kunnen zowel vijf- als zesledige ringen bevatten.

Fracties met een laag kookpunt bevatten voornamelijk alkylderivaten van cyclohexaan en cyclopentaan, waarbij methylderivaten overheersen in benzinefracties.

Polycyclische naftenen komen voornamelijk voor in oliefracties die wegkoken bij temperaturen boven 300 °C, en hun geh alte in fracties van 400-550 °C bereikt 70-80%.

Aromatische koolwaterstoffen (arenen)

Ze zijn verdeeld in twee groepen:

1. Alkylaromatische koolwaterstoffen die alleen aromatische ringen en alkylsubstituenten bevatten. Deze omvatten alkylbenzenen, alkylnaftalenen, alkylfenantrenen, alkylchrysepes en alkylpicenen.
2. Koolwaterstoffen met een gemengde structuur, die zowel aromatische (onverzadigde) als naftenische (beperkende) ringen bevat. Onder hen worden onderscheiden:

• monoaromatische koolwaterstoffen - indanen, di-, tri- en tetranafthenobenzenen;
• diaromatische koolwaterstoffen - mono- en dinaftenonaftalenen;
• koolwaterstoffen met drie of meer aromatische ringen - naftenofenantrenen.

Technische betekenis van de koolwaterstofsamenstelling van olie

De samenstelling van stoffen heeft een grote invloed op de kwaliteit van olie.

1. Paraffines:

• Normale paraffines (onvertakt) hebben een laag octaangetal en hoge vloeipunten. Daarom, intijdens het verwerkingsproces worden ze omgezet in koolwaterstoffen van andere groepen.
• Isoparaffinen (vertakt) hebben een hoog octaangetal, d.w.z. hoge klopvastheid (isooctaan is een referentieverbinding met een octaangetal van 100), evenals lage vloeipunten in vergelijking met normale paraffinen.

2. Naftenen (cycloparaffinen) hebben samen met isoparaffinen een positief effect op de kwaliteit van dieselbrandstof en smeeroliën. Hun hoge geh alte in de zware benzinefractie leidt tot een hoog rendement en een hoog octaangetal van producten.

3. Aromatische koolwaterstoffen verslechteren de milieu-eigenschappen van de brandstof, maar hebben een hoog octaangetal. Daarom worden tijdens olieraffinage andere groepen koolwaterstoffen omgezet in aromatische groepen, maar hun hoeveelheid, voornamelijk benzeen, in de brandstof is strikt gereguleerd.

Methoden voor het bestuderen van de koolwaterstofsamenstelling van olie

Voor technische doeleinden is het voldoende om de samenstelling van olie vast te stellen aan de hand van het geh alte aan bepaalde klassen koolwaterstoffen erin. De fractionele samenstelling van olie is belangrijk voor het kiezen van de richting van olieraffinage.

Om de groepssamenstelling van olie te bepalen, worden verschillende methoden gebruikt:

• Chemisch betekent het uitvoeren van een reactie (nitratie of sulfonering) van de interactie van een reagens met een bepaalde klasse koolwaterstoffen (alkenen of arenen). Door het volume of de hoeveelheid van de resulterende reactieproducten te veranderen, wordt het geh alte van de bepaalde klasse koolwaterstoffen beoordeeld.
• Fysisch-chemisch omvatten extractie en adsorptie. Dit is hoe arenen worden geëxtraheerdzwaveldioxide, aniline of dimethylsulfaat, gevolgd door adsorptie van deze koolwaterstoffen op silicagel.
• Fysiek omvat de bepaling van optische eigenschappen.
• Gecombineerd - de meest nauwkeurige en meest voorkomende. Combineer twee willekeurige methoden. Bijvoorbeeld het verwijderen van arenen door chemische of fysisch-chemische methoden en het meten van de fysische eigenschappen van olie voor en na hun verwijdering.

Voor wetenschappelijke doeleinden is het belangrijk om precies te bepalen welke koolwaterstoffen aanwezig of overheersend zijn in olie.

Om individuele moleculen van koolwaterstoffen te identificeren, wordt gas-vloeistofchromatografie gebruikt met behulp van capillaire kolommen en temperatuurregeling, chromatografie-massaspectrometrie met computerverwerking en chromatogramopbouw voor individuele karakteristieke fragmentionen (massafragmentografie of massachromatografie). NMR-spectra op kernen ¹³C.

worden ook gebruikt

Moderne schema's voor het analyseren van de samenstelling van oliekoolwaterstoffen omvatten voorlopige scheiding in twee of drie fracties met verschillende kookpunten. Daarna wordt elk van de fracties gescheiden in verzadigde (paraffine-naftenische) en aromatische koolwaterstoffen met behulp van vloeistofchromatografie op silicagel. Vervolgens moeten aromatische koolwaterstoffen worden gescheiden in mono-, bi- en polyaromatische met behulp van vloeistofchromatografie met aluminiumoxide.

Bronnen van koolwaterstoffen

Natuurlijke bronnen van olie- en gaskoolwaterstoffen zijn bio-organische moleculen van verschillende verbindingen, voornamelijk hun lipidecomponenten. Imikan zijn:

• hogere plantaardige lipiden,
• algen,
• fytoplankton,
• zoöplankton,
• bacteriën, vooral celmembraanlipiden.

De lipidecomponenten van planten lijken qua chemische samenstelling sterk op elkaar, maar bepaalde variaties van de moleculen maken het mogelijk om de overheersende deelname van bepaalde stoffen aan de vorming van deze olie te bepalen.

Alle plantaardige lipiden zijn onderverdeeld in twee klassen:

• verbindingen bestaande uit moleculen met een rechte (of licht vertakte) keten;
• verbindingen gebaseerd op isoprenoïde eenheden van alicyclische en alifatische reeksen.

Er zijn verbindingen die bestaan uit elementen die tot beide klassen behoren, zoals was. Wasmoleculen zijn esters van hogere verzadigde of onverzadigde vetzuren en cyclische isoprenoïde alcoholen - sterolen.

Typische vertegenwoordigers van lipide natuurlijke bronnen van petroleumkoolwaterstoffen zijn de volgende verbindingen:

1. Verzadigde en onverzadigde vetzuren met samenstelling C₁₂-C₂₆ en hydroxyzuren. Vetzuren zijn opgebouwd uit een even aantal koolstofatomen, omdat ze worden gesynthetiseerd uit C₂-acetaatcomponenten. Ze maken deel uit van triglyceriden.
2. Natuurlijke was - in tegenstelling tot vetten bevat het geen glycerol, maar hogere vetalcoholen of sterolen.
3. Zwak vertakte zuren met methylsubstituenten aan het einde van de keten tegenover de carboxylgroep, bijvoorbeeld iso- en anteisozuren.
4. Interessante stoffen zijn suberine en cutine, die zijn opgenomen inverschillende delen van planten. Ze worden gevormd door gepolymeriseerde gebonden vetzuren en alcoholen. Deze verbindingen zijn bestand tegen enzymatische en microbiële aanvallen, die alifatische ketens beschermen tegen biologische oxidatie.

Relikwie en geconverteerde koolwaterstoffen

Alle oliekoolwaterstoffen zijn onderverdeeld in twee groepen:

1. Getransformeerd - de structurele kenmerken die kenmerkend zijn voor de oorspronkelijke bio-organische moleculen hebben verloren.
2. Relikwie of chemofossielen - die koolwaterstoffen die de karakteristieke kenmerken van de structuur van de oorspronkelijke moleculen hebben behouden, ongeacht of deze koolwaterstoffen in de oorspronkelijke biomassa zaten of later uit andere stoffen zijn gevormd.

Overblijfselen van koolwaterstoffen waaruit olie bestaat, worden in twee groepen verdeeld:

• isopreentype - alicyclische en alifatische structuur, met maximaal vijf cycli in één molecuul;
• niet-isoprenoïde - meestal alifatische verbindingen met n-alkyl of licht vertakte ketens.

Relikwieën van isoprenoïde structuur zijn veel talrijker dan niet-isoprenoïde.

Er zijn meer dan 500 relic-oliekoolwaterstoffen geïdentificeerd en hun aantal neemt elk jaar toe.