Olajszénhidrogének: összetevők, összetétel, szerkezet

2024 Szerző: Angel Austin | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-11 10:59

A szénhidrogének minden olaj legfontosabb összetevői. A természetes szénhidrogének koncentrációja a különböző típusú olajokban nem azonos: 100-tól (gázkondenzátum) 30%-ig. A szénhidrogének átlagosan ennek az üzemanyagnak a tömegének 70%-át teszik ki.

Szénhidrogének az olajban

Körülbelül 700 sajátos szerkezetű szénhidrogént azonosítottak az olajok összetételében. Mindegyik változatos összetételű és szerkezetű, ugyanakkor információkat tárolnak az ősi baktériumok, algák és magasabb rendű növények lipidjeinek alapját képező anyagok összetételéről és szerkezetéről.

Az olaj szénhidrogén-összetétele a következőket tartalmazza:

1. Paraffins.
2. Naftének (cikloalkánok).
3. Aromás szénhidrogének (arének).

Alkánok (alifás telített szénhidrogének)

Az alkánok minden olaj közül a legfontosabb és legjobban tanulmányozott szénhidrogének. Az olaj összetétele szénhidrogén-alkánokat tartalmaz a C₁-tól C₁₀₀-ig. Számuk 20 és 60% között van, és az olaj típusától függ. Ahogy a molekuláristömegrész, az alkánok koncentrációja minden típusban csökken.

Ha a különböző szerkezetű ciklikus szénhidrogének egyformán gyakoriak az olajban, akkor az alkánok között általában egy bizonyos szerkezetű szerkezetek vannak túlsúlyban. Ezenkívül a szerkezet általában nem függ a molekulatömegtől. Ez azt jelenti, hogy a különböző típusú olajokban vannak bizonyos homológ alkánok: normál szerkezetű, a metilcsoport különböző helyzeteivel monometil-szubsztituált alkánok, ritkábban - di- és trimetil-szubsztituált alkánok, valamint tetrametil-alkánok. izoprenoid típusú. A jellegzetes szerkezetű alkánok az olajalkánok össztömegének közel 90%-át teszik ki. Ez a tény lehetővé teszi az alkánok alapos tanulmányozását különböző olajfrakciókban, beleértve a magas forráspontúakat is.

Különböző frakciójú alkánok

50 és 150 °C közötti hőmérsékleten az I. frakció szabadul fel, amely 5 és 11 közötti szénatomszámú alkánokat tartalmaz. Az alkánok izomerjeik:

• pentán - 3;
• hexán – 5;
• heptán – 9;
• oktánszám - 18;
• nonan - 35;
• Dékán – 75;
• undekán – 159.

Ezért az I. frakció elméletileg körülbelül 300 szénhidrogént tartalmazhat. Természetesen nem minden izomer van jelen az olajban, de számuk nagy.

Az ábra a szurguti mezőből származó olaj C₅ – C₁₁ alkánok kromatogramját mutatja, ahol minden csúcs egy bizonyos anyagnak felel meg..

200-430 °С hőmérsékleten a С₁₂ – С₂₇ összetételű II. frakció alkánjai izolálódnak. Az ábra mutatjafrakció alkánjainak kromatogramja. A kromatogram a normál és a monometil-szubsztituált alkánok csúcsait mutatja. A számok a szubsztituensek helyzetét jelzik.

430°C hőmérsékleten a С₂₈ – С₄₀.

összetétel III. frakciójának alkánjai

Izoprenoid alkánok

Az izoprenoid alkánok közé tartoznak az elágazó szénhidrogének, a metilcsoportok szabályos váltakozásával. Például 2, 6, 10, 14-tetrametil-pentadekán vagy 2, 6, 10-trimetil-hexadekán. Az izoprenoid alkánok és az egyenes szénláncú alkánok adják a biológiai kőolaj alapanyag többségét. Természetesen sokkal több lehetőség van az izoprenoid szénhidrogénekre.

Az izoprenoidokat homológia és egyensúlyhiány jellemzi, vagyis a különböző olajoknak megvan a saját készletük ezekből a vegyületekből. A homológia a nagyobb molekulatömegű források pusztulásának következménye. Az izoprenoid alkánokban bármely homológ koncentrációjában "rések" észlelhetők. Ez annak a következménye, hogy a metil-szubsztituensek elhelyezkedésének helyén lehetetlen megszakítani a láncukat (ez a homológ kialakulása). Ez a funkció az izoprenoid képződés forrásainak meghatározására szolgál.

Cikloalkánok (naftének)

A naftének az olaj telített ciklikus szénhidrogénei. Sok olajban túlsúlyban vannak a szénhidrogének más osztályaival szemben. Tartalmuk 25-75% között változhat. Minden frakcióban megtalálható. Ahogy a frakció nehezebbé válik, tartalmuk növekszik. A nafténeket a mennyiség különbözteti megciklusok egy molekulában. A naftének két csoportra oszthatók: mono- és policiklusosak. A monociklusok öt- és hattagúak. A policiklusos gyűrűk öt- és hattagú gyűrűket is tartalmazhatnak.

Az alacsony forráspontú frakciók túlnyomórészt ciklohexán és ciklopentán alkilszármazékait tartalmazzák, a benzinfrakciókban pedig a metil-származékok vannak túlnyomóan.

A policiklusos naftének főként azokban az olajfrakciókban találhatók, amelyek 300 °C feletti hőmérsékleten kiforrnak, és tartalmuk a 400-550 °C-os frakciókban eléri a 70-80%-ot.

Aromás szénhidrogének (arének)

Két csoportra oszthatók:

1. Alkilaromás szénhidrogének, amelyek csak aromás gyűrűket és alkilszubsztituenseket tartalmaznak. Ide tartoznak az alkilbenzolok, alkil-naftalinok, alkilfenantrének, alkilkrizepek és alkilpicének.
2. Vegyes szerkezetű szénhidrogének, amelyek aromás (telítetlen) és nafténes (korlátozó) gyűrűket is tartalmaznak. Közülük megkülönböztethető:

• monoaromás szénhidrogének - indánok, di-, tri- és tetranaftenobenzolok;
• diaromás szénhidrogének – mono- és dinaftenonaftalinok;
• három vagy több aromás gyűrűs szénhidrogének – naftenofenantrének.

Az olaj szénhidrogén-összetételének műszaki jelentősége

Az anyagok összetétele jelentősen befolyásolja az olaj minőségét.

1. Paraffinok:

• A normál (elágazás nélküli) paraffinoknak alacsony oktánszámuk és magas dermedéspontjuk van. Ezért bea feldolgozás során más csoportok szénhidrogénjévé alakulnak.
• Az izoparaffinok (elágazó láncú) magas oktánszámmal, azaz magas kopogásgátló tulajdonsággal rendelkeznek (az izooktán 100-as oktánszámú referenciavegyület), valamint a normál paraffinokhoz képest alacsony a dermedéspontja.

2. A naftének (cikloparaffinok) az izoparaffinokkal együtt pozitív hatással vannak a dízel üzemanyag és kenőolajok minőségére. Magas tartalmuk a nehézbenzinfrakcióban nagy hozamot és magas oktánszámú termékeket eredményez.

3. Az aromás szénhidrogének rontják az üzemanyag környezeti tulajdonságait, de magas oktánszámuk van. Ezért az olajfinomítás során a szénhidrogének más csoportjai is aromás csoportokká alakulnak, de mennyiségük, elsősorban a benzol, az üzemanyagban szigorúan szabályozott.

Módszerek az olaj szénhidrogén-összetételének tanulmányozásához

Műszaki célokra elegendő az olaj összetételét a benne lévő bizonyos szénhidrogénosztályok tartalmával meghatározni. Az olaj finomítási irányának megválasztásához fontos az olaj frakcionált összetétele.

Az olaj csoportösszetételének meghatározására különféle módszereket alkalmaznak:

• A kémiai kifejezés egy reagens és a szénhidrogének egy bizonyos osztályával (alkének vagy arénok) való kölcsönhatásának reakciójának (nitrálásának vagy szulfonálásának) végrehajtását jelenti. A keletkező reakciótermékek térfogatának vagy mennyiségének változtatásával a meghatározott szénhidrogénosztály-tartalom kerül megállapításra.
• A fizikai-kémiai elemek közé tartozik az extrakció és az adszorpció. Így nyerik ki az aréneketkén-dioxid, anilin vagy dimetil-szulfát, majd ezeknek a szénhidrogéneknek adszorpciója szilikagélen.
• A fizikai magában foglalja az optikai tulajdonságok meghatározását.
• Kombinált – a legpontosabb és leggyakoribb. Kombináljon két módszert. Például az arének eltávolítása kémiai vagy fizikai-kémiai módszerekkel, valamint az olaj fizikai tulajdonságainak mérése eltávolításuk előtt és után.

Tudományos célból fontos pontosan meghatározni, hogy mely szénhidrogének vannak jelen vagy vannak túlsúlyban az olajban.

Az egyes szénhidrogénmolekulák azonosítására gáz-folyadék kromatográfiát alkalmaznak kapilláris oszlopok és hőmérséklet-szabályozás alkalmazásával, kromatográfiás-tömegspektrometriát számítógépes feldolgozással és kromatogram felépítést az egyes jellegzetes fragmensionokhoz (tömegfragmentográfia vagy tömegkromatográfia). A ¹³C.

atommagok NMR-spektrumait is használják

Az olajszénhidrogének összetételének elemzésére szolgáló modern sémák magukban foglalják az előzetes szétválasztást két vagy három különböző forráspontú frakcióra. Ezt követően az egyes frakciókat szilikagélen folyadékkromatográfiával telített (paraffin-nafténes) és aromás szénhidrogénekre választják el. Ezután az aromás szénhidrogéneket mono-, bi- és poliaromásokra kell szétválasztani alumínium-oxidot használó folyadékkromatográfiával.

Szénhidrogénforrások

Az olaj- és gázszénhidrogének természetes forrásai különféle vegyületek bioorganikus molekulái, főleg lipidkomponenseik. Imilehet:

• magasabb növényi lipidek,
• alga,
• fitoplankton,
• zooplankton,
• baktériumok, különösen a sejtmembrán lipidek.

A növények lipid komponensei kémiai összetételükben nagyon hasonlóak, azonban a molekulák bizonyos változatai lehetővé teszik bizonyos anyagok túlnyomó részvételének meghatározását ennek az olajnak a képződésében.

Minden növényi lipid két osztályba sorolható:

• egyenes (vagy enyhén elágazó) láncú molekulákból álló vegyületek;
• aliciklusos és alifás sorozatok izoprenoid egységein alapuló vegyületek.

Léteznek olyan vegyületek, amelyek mindkét osztályba tartozó elemekből állnak, mint például a viasz. A viaszmolekulák magasabb telített vagy telítetlen zsírsavak és ciklikus izoprenoid alkoholok - szterolok észterei.

A kőolaj-szénhidrogének természetes lipidforrásainak tipikus képviselői a következő vegyületek:

1. C₁₂-C₂₆ telített és telítetlen zsírsavak és hidroxisavak. A zsírsavak páros számú szénatomból állnak, mivel C₂-acetát komponensekből szintetizálódnak. A trigliceridek részét képezik.
2. Természetes viasz – a zsírokkal ellentétben nem glicerint, hanem magasabb zsíralkoholokat vagy szterolokat tartalmaz.
3. Gyengén elágazó savak, amelyek a karboxilcsoporttal ellentétes lánc végén metil-szubsztituenseket tartalmaznak, például izo- és antiizosavak.
4. Érdekes anyagok a suberin és a cutin, amelyek benne vannaka növények különböző részei. Ezeket polimerizált kötött zsírsavak és alkoholok képezik. Ezek a vegyületek ellenállnak az enzimatikus és mikrobiális támadásoknak, ami megvédi az alifás láncokat a biológiai oxidációtól.

Relikvia és átalakított szénhidrogének

Minden olajszénhidrogén két csoportra osztható:

1. Átalakodott - elvesztette az eredeti bioorganikus molekulákra jellemző szerkezeti jellemzőket.
2. Reliktum, vagy kemofosszíliák - azok a szénhidrogének, amelyek megőrizték az eredeti molekulák szerkezetének jellegzetes vonásait, függetlenül attól, hogy ezek a szénhidrogének az eredeti biomasszában voltak, vagy később más anyagokból keletkeztek.

Az olajat alkotó relikvi szénhidrogéneket két csoportra osztják:

• izoprenoid típusú - aliciklusos és alifás szerkezet, akár öt ciklussal egy molekulában;
• nem izoprenoid - többnyire n-alkil- vagy enyhén elágazó láncú alifás vegyületek.

Az izoprenoid szerkezetű maradványok sokkal többen vannak, mint a nem izoprenoidok.

Több mint 500 relikvia olajszénhidrogént azonosítottak, és számuk évről évre növekszik.