Kolväten är den viktigaste komponenten i all olja. Koncentrationen av naturliga kolväten i olika typer av olja är inte densamma: från 100 (gaskondensat) till 30 %. I genomsnitt utgör kolväten 70 % av detta bränsles massa.
Kolväten i olja
Omkring 700 kolväten med en speciell struktur har identifierats i sammansättningen av oljor. Alla är olika i sammansättning och struktur, men samtidigt lagrar de information om sammansättningen och strukturen av ämnen som ligger till grund för lipider från forntida bakterier, alger och högre växter.
Oljans kolvätesammansättning inkluderar:
- Paraffins.
- Naftener (cykloalkaner).
- Aromatiska kolväten (arener).
Alkaner (alifatiska mättade kolväten)
Alkaner är de viktigaste och mest välstuderade kolvätena av alla olja. Oljans sammansättning inkluderar kolväten, alkaner från C1 till C100. Deras antal varierar från 20 till 60 % och beror på typen av olja. Som den molekyläramassfraktion reduceras koncentrationen av alkaner i alla typer.
Om cykliska kolväten med olika strukturer är lika vanliga i olja, så dominerar vanligtvis strukturer med en viss struktur bland alkaner. Dessutom är strukturen som regel inte beroende av molekylvikten. Detta betyder att det i olika typer av olja finns vissa homologa serier av alkaner: alkaner med normal struktur, monometyl-substituerade med olika positioner i metylgruppen, mer sällan - di- och trimetyl-substituerade alkaner, samt tetrametylalkaner av isoprenoid typ. Alkaner med en karakteristisk struktur utgör nästan 90 % av den totala massan av oljealkaner. Detta faktum möjliggör en bra studie av alkaner i olika oljefraktioner, inklusive högkokande sådana.
Alkaner av olika fraktioner
Vid temperaturer från 50 till 150 °C frigörs fraktion I, som inkluderar alkaner med antalet kolatomer från 5 till 11. Alkaner har isomerer:
- pentan - 3;
- hexan – 5;
- heptane – 9;
- oktan - 18;
- nonan - 35;
- Dean – 75;
- undecan – 159.
Därför kan fraktion I teoretiskt inkludera cirka 300 kolväten. Naturligtvis finns inte alla isomerer i olja, men deras antal är stort.
Figuren visar ett kromatogram av alkaner C5 – C11 av olja från Surgutfältet, där varje topp motsvarar en viss substans.
Vid en temperatur på 200-430 °С isoleras alkaner av fraktion II av sammansättningen С12 – С27. Bilden visarkromatogram av alkaner av fraktion II. Kromatogrammet visar topparna för normala och monometyl-substituerade alkaner. Siffrorna anger substituenternas position.
Vid en temperatur av >430°C, alkaner av fraktion III av sammansättningen С28 – С40.
Isoprenoidalkaner
Isoprenoidalkaner inkluderar grenade kolväten med regelbunden växling av metylgrupper. Till exempel 2, 6, 10, 14-tetrametylpentadekan eller 2, 6, 10-trimetylhexadekan. Isoprenoidalkaner och rakkedjiga alkaner utgör majoriteten av den biologiska petroleumråvaran. Naturligtvis finns det många fler alternativ för isoprenoidkolväten.
Isoprenoider kännetecknas av homologi och ojämvikt, det vill säga olika oljor har sin egen uppsättning av dessa föreningar. Homologi är en följd av förstörelsen av källor med högre molekylvikt. I isoprenoidalkaner kan "luckor" i koncentrationerna av alla homologer detekteras. Detta är en konsekvens av omöjligheten att bryta deras kedja (bildningen av denna homolog) på den plats där metylsubstituenterna finns. Den här funktionen används för att fastställa källorna till isoprenoidbildning.
Cycloalkaner (naftener)
Naftener är mättade cykliska kolväten av olja. I många oljor dominerar de över andra klasser av kolväten. Deras innehåll kan variera från 25 till 75 %. Finns i alla fraktioner. När fraktionen blir tyngre ökar deras innehåll. Naftener kännetecknas av kvantitetencykler i en molekyl. Naftener delas in i två grupper: mono- och polycykliska. Monocykliska är fem- och sexledade. Polycykliska ringar kan innehålla både fem- och sexledade ringar.
Lågkokande fraktioner innehåller övervägande alkylderivat av cyklohexan och cyklopentan, med metylderivat som dominerar i bensinfraktioner.
Polycykliska naftener finns främst i oljefraktioner som kokar bort vid temperaturer över 300 °C, och deras innehåll i fraktioner av 400-550 °C når 70-80%.
Aromatiska kolväten (arener)
De är indelade i två grupper:
- Alkylaromatiska kolväten som endast innehåller aromatiska ringar och alkylsubstituenter. Dessa inkluderar alkylbensener, alkylnaftalener, alkylfenantrener, alkylchrysepes och alkylpicener.
- Kolväten av en blandad typ av struktur, som innehåller både aromatiska (omättade) och nafteniska (begränsande) ringar. Bland dem märks:
- monoaromatiska kolväten - indaner, di-, tri- och tetranaftenobensener;
- diaromatiska kolväten - mono- och dinaftenonaftalener;
- kolväten med tre eller fler aromatiska ringar - naftenofenantrener.
Teknisk betydelse av oljans kolvätesammansättning
Sammensättningen av ämnen påverkar oljans kvalitet avsevärt.
1. Paraffiner:
- Normala paraffiner (ogrenade) har ett lågt oktantal och höga flytpunkter. Därför, iunder bearbetningsprocessen omvandlas de till kolväten från andra grupper.
- Isoparaffiner (grenade) har ett högt oktantal, det vill säga höga knackningsförhindrande egenskaper (isooktan är en referensförening med ett oktantal på 100), samt låga flytpunkter jämfört med normala paraffiner.
2. Naftener (cykloparaffiner) tillsammans med isoparaffiner har en positiv effekt på kvaliteten på dieselbränsle och smörjoljor. Deras höga innehåll i den tunga bensinfraktionen leder till högt utbyte och högt oktantal av produkter.
3. Aromatiska kolväten försämrar bränslets miljöegenskaper, men har ett högt oktantal. Under oljeraffinering omvandlas därför andra grupper av kolväten till aromatiska, men deras mängd, främst bensen, i bränslet är strikt reglerad.
Metoder för att studera kolvätens sammansättning av olja
För tekniska ändamål är det tillräckligt att fastställa oljans sammansättning genom innehållet av vissa klasser av kolväten i den. Oljans fraktionella sammansättning är viktig för att välja riktning för oljeraffinering.
För att bestämma gruppsammansättningen av olja används olika metoder:
- Kemiskt innebär att man utför en reaktion (nitrering eller sulfonering) av interaktionen mellan ett reagens och en viss klass av kolväten (alkener eller arener). Genom att ändra volymen eller mängden av de resulterande reaktionsprodukterna bedöms innehållet av den bestämda klassen av kolväten
- Fysikalisk-kemiska inkluderar extraktion och adsorption. Det är så arener utvinnssvaveldioxid, anilin eller dimetylsulfat, följt av adsorption av dessa kolväten på silikagel.
- Fysisk inkluderar bestämning av optiska egenskaper.
- Combined - den mest exakta och vanligaste. Kombinera två valfria metoder. Till exempel avlägsnande av arener med kemiska eller fysikalisk-kemiska metoder och mätning av oljans fysikaliska egenskaper före och efter avlägsnandet.
För vetenskapliga ändamål är det viktigt att fastställa exakt vilka kolväten som finns eller dominerar i olja.
För att identifiera individuella molekyler av kolväten används gas-vätskekromatografi med kapillärkolonner och temperaturkontroll, kromatografi-masspektrometri med datorbearbetning och kromatogramuppbyggnad för individuella karakteristiska fragmentjoner (massfragmentografi eller masskromatografi). NMR-spektra på kärnor 13C.
används också
Moderne scheman för att analysera sammansättningen av oljekolväten inkluderar preliminär separering i två eller tre fraktioner med olika kokpunkter. Därefter separeras var och en av fraktionerna i mättade (paraffin-nafteniska) och aromatiska kolväten med vätskekromatografi på silikagel. Därefter bör aromatiska kolväten separeras i mono-, bi- och polyaromatiska med hjälp av vätskekromatografi med aluminiumoxid.
Källor till kolväten
Naturliga källor till olje- och gaskolväten är bioorganiska molekyler av olika föreningar, främst deras lipidkomponenter. Imikan vara:
- högre växtlipider,
- alger,
- växtplankton,
- zooplankton,
- bakterier, särskilt cellmembranlipider.
Lipidkomponenterna i växter är mycket lika i kemisk sammansättning, men vissa variationer av molekylerna gör det möjligt att fastställa den dominerande deltagandet av vissa ämnen i bildningen av denna olja.
Alla växtlipider är indelade i två klasser:
- föreningar som består av molekyler med en rak (eller lätt grenad) kedja;
- föreningar baserade på isoprenoidenheter av alicykliska och alifatiska serier.
Det finns föreningar som består av grundämnen som tillhör båda klasserna, såsom vax. Vaxmolekyler är estrar av högre mättade eller omättade fettsyror och cykliska isoprenoidalkoholer - steroler.
Typiska representanter för naturliga lipidkällor för petroleumkolväten är följande föreningar:
- Mättade och omättade fettsyror med sammansättning C12-C26 och hydroxisyror. Fettsyror består av ett jämnt antal kolatomer, eftersom de är syntetiserade från C2-acetatkomponenter. De är en del av triglycerider.
- Naturligt vax - till skillnad från fetter innehåller det inte glycerol, utan högre fettalkoholer eller steroler.
- Svagt grenade syror med metylsubstituenter i slutet av kedjan motsatt karboxylgruppen, till exempel iso- och antiisosyror.
- Intressanta ämnen är suberin och cutin, som ingår iolika delar av växter. De bildas av polymeriserade bundna fettsyror och alkoholer. Dessa föreningar är resistenta mot enzymatiska och mikrobiella angrepp, vilket skyddar alifatiska kedjor från biologisk oxidation.
Reliker och omvandlade kolväten
Alla oljekolväten är indelade i två grupper:
- Transformerad - efter att ha förlorat de strukturella egenskaper som är karakteristiska för de ursprungliga bioorganiska molekylerna.
- Relik, eller kemofossiler - de kolväten som har behållit de karakteristiska egenskaperna hos de ursprungliga molekylernas struktur, oavsett om dessa kolväten fanns i den ursprungliga biomassan eller bildades senare från andra ämnen.
Relikkolväten som utgör olja delas in i två grupper:
- isoprenoidtyp - alicyklisk och alifatisk struktur, med upp till fem cykler i en molekyl;
- icke-isoprenoid - mestadels alifatiska föreningar med n-alkyl eller lätt grenade kedjor.
Reliker av isoprenoidstruktur är mycket fler än icke-isoprenoida.
Över 500 relikoljekolväten har identifierats och antalet ökar varje år.
