Õli süsivesinikud: komponendid, koostis, struktuur

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 05:24

Süsivesinikud on iga õli kõige olulisem komponent. Looduslike süsivesinike kontsentratsioon erinevat tüüpi õlides ei ole sama: 100-st (gaasi kondensaat) kuni 30%. Keskmiselt moodustavad süsivesinikud 70% selle kütuse massist.

Süsivesinikud õlis

Õlide koostises on tuvastatud umbes 700 omapärase struktuuriga süsivesinikku. Kõik need on koostiselt ja struktuurilt mitmekesised, kuid samas salvestavad nad teavet iidsete bakterite, vetikate ja kõrgemate taimede lipiidide aluseks olevate ainete koostise ja struktuuri kohta.

Õli süsivesinike koostis sisaldab:

1. Parafiinid.
2. Nafteenid (tsükloalkaanid).
3. Aromaatsed süsivesinikud (areenid).

Alkaanid (alifaatsed küllastunud süsivesinikud)

Alkaanid on kõigist õlidest kõige olulisemad ja paremini uuritud süsivesinikud. Õli koostis sisaldab süsivesinikke alkaane alates C₁ kuni C₁₀₀. Nende arv on vahemikus 20–60% ja sõltub õli tüübist. Nagu molekulaarnemassiosa, väheneb alkaanide kontsentratsioon kõigis tüüpides.

Kui erineva struktuuriga tsüklilised süsivesinikud on õlis võrdselt levinud, siis alkaanide hulgas on enamasti ülekaalus kindla struktuuriga struktuurid. Pealegi ei sõltu struktuur reeglina molekulmassist. See tähendab, et erinevat tüüpi õlides on teatud homoloogsed alkaanide seeriad: normaalse struktuuriga alkaanid, monometüülasendatud metüülrühma erinevate positsioonidega, harvemini - di- ja trimetüülasendatud alkaanid, samuti tetrametüülalkaanid. isoprenoidne tüüp. Iseloomuliku struktuuriga alkaanid moodustavad ligi 90% õli alkaanide kogumassist. See asjaolu võimaldab hästi uurida alkaane erinevates õlifraktsioonides, sealhulgas kõrge keemistemperatuuriga fraktsioonides.

Erinevate fraktsioonide alkaanid

Temperatuuril 50–150 °C vabaneb fraktsioon I, mis sisaldab alkaane süsinikuaatomite arvuga 5 kuni 11. Alkaanidel on isomeerid:

• pentaan - 3;
• heksaan – 5;
• heptaan – 9;
• oktaanarv – 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undekaan – 159.

Seetõttu võib fraktsioon I hõlmata teoreetiliselt umbes 300 süsivesinikku. Muidugi ei esine õlis kõiki isomeere, kuid nende arv on suur.

Joonis näitab alkaanide kromatogrammi C₅ – C₁₁ Surguti väljast pärit nafta kromatogrammi, kus iga tipp vastab teatud ainele..

Temperatuuril 200-430 °С isoleeritakse alkaanid II fraktsioonist С₁₂ – С₂₇. Joonis näitabII fraktsiooni alkaanide kromatogramm. Kromatogramm näitab normaalsete ja monometüülasendatud alkaanide piike. Numbrid näitavad asendajate asukohta.

Temperatuuril >430°C, С₂₈ – С₄₀.

III fraktsiooni alkaanid

Isoprenoidalkaanid

Isoprenoidalkaanide hulka kuuluvad hargnenud ahelaga süsivesinikud, mille metüülrühmad vahelduvad korrapäraselt. Näiteks 2, 6, 10, 14-tetrametüülpentadekaan või 2, 6, 10-trimetüülheksadekaan. Isoprenoidalkaanid ja sirge ahelaga alkaanid moodustavad suurema osa bioloogilisest nafta lähteainest. Muidugi on isoprenoidsete süsivesinike jaoks palju rohkem võimalusi.

Isoprenoide iseloomustab homoloogia ja tasakaalutus, see tähendab, et erinevatel õlidel on nende ühendite komplekt. Homoloogia on suurema molekulmassiga allikate hävitamise tagajärg. Isoprenoidalkaanides võib tuvastada "lünki" mis tahes homoloogide kontsentratsioonides. See on tingitud nende ahela katkemise võimatusest (selle homoloogi moodustumisest) kohas, kus metüülasendajad asuvad. Seda funktsiooni kasutatakse isoprenoidide moodustumise allikate määramiseks.

Tsükloalkaanid (nafteenid)

Nafteenid on õli küllastunud tsüklilised süsivesinikud. Paljudes õlides on need ülekaalus teiste süsivesinike klasside ees. Nende sisaldus võib varieeruda 25-75%. Leitud kõigist fraktsioonidest. Kui fraktsioon muutub raskemaks, suureneb nende sisaldus. Nafteenid eristuvad koguse järgitsüklid molekulis. Nafteenid jagunevad kahte rühma: mono- ja polütsüklilised. Monotsüklilised on viie- ja kuueliikmelised. Polütsüklilised tsüklid võivad sisaldada nii viie- kui ka kuueliikmelisi ringe.

Madala keemistemperatuuriga fraktsioonid sisaldavad valdav alt tsükloheksaani ja tsüklopentaani alküülderivaate, kusjuures bensiinifraktsioonides on ülekaalus metüülderivaadid.

Polütsüklilisi nafteene leidub peamiselt õlifraktsioonides, mis keevad ära temperatuuril üle 300 °C, ja nende sisaldus fraktsioonides temperatuuril 400–550 °C ulatub 70–80%.

Aromaatsed süsivesinikud (areenid)

Need on jagatud kahte rühma:

1. Alküülaromaatsed süsivesinikud, mis sisaldavad ainult aromaatseid ringe ja alküülasendajaid. Nende hulka kuuluvad alküülbenseenid, alküülnaftaleenid, alküülfenantreenid, alküülkrüsepid ja alküülpiseenid.
2. Segatüüpi struktuuriga süsivesinikud, mis sisaldavad nii aromaatseid (küllastumata) kui ka nafteenseid (piiravaid) ringe. Nende hulgas eristatakse:

• monoaromaatsed süsivesinikud – indaanid, di-, tri- ja tetranaftenobenseenid;
• diaaromaatsed süsivesinikud – mono- ja dinaftenonaftaleenid;
• 3 või enama aromaatse tsükliga süsivesinikud – naftenofenantreenid.

Õli süsivesinike koostise tehniline tähtsus

Ainete koostis mõjutab oluliselt õli kvaliteeti.

1. Parafiinid:

• Tavalistel (hargnemata) parafiinidel on madal oktaanarv ja kõrge valamispunkt. Seetõttu sissetöötlemise käigus muudetakse need teiste rühmade süsivesinikeks.
• Isoparafiinidel (hargnenud ahelaga) on kõrge oktaanarv, st kõrge dekoputusvastased omadused (isooktaan on võrdlusühend oktaanarvuga 100), samuti madalad hangumispunktid võrreldes tavaliste parafiinidega.

2. Nafteenid (tsükloparafiinid) koos isoparafiinidega avaldavad positiivset mõju diislikütuse ja määrdeõlide kvaliteedile. Nende kõrge sisaldus raskes bensiinifraktsioonis tagab toodete suure saagise ja kõrge oktaanarvu.

3. Aromaatsed süsivesinikud halvendavad kütuse keskkonnaomadusi, kuid neil on kõrge oktaanarv. Seetõttu muudetakse nafta rafineerimisel teised süsivesinike rühmad aromaatseteks, kuid nende, eelkõige benseeni, kogus kütuses on rangelt reguleeritud.

Õli süsivesinike koostise uurimise meetodid

Tehnilistel eesmärkidel piisab, kui teha kindlaks õli koostis selles sisalduvate teatud süsivesinike klasside sisalduse järgi. Nafta rafineerimise suuna valimisel on oluline õli fraktsionaalne koostis.

Õli rühmakoostise määramiseks kasutatakse erinevaid meetodeid:

• Keemiline tähendab reaktsiooni (nitreerimine või sulfoonimine) läbiviimist reagendi vastasmõjul teatud süsivesinike klassiga (alkeenid või areenid). Saadud reaktsioonisaaduste mahtu või kogust muutes hinnatakse kindlaksmääratud süsivesinike klassi sisaldust.
• Füüsikalis-keemilised ained hõlmavad ekstraheerimist ja adsorptsiooni. Nii ekstraheeritakse areenevääveldioksiid, aniliin või dimetüülsulfaat, millele järgneb nende süsivesinike adsorptsioon silikageelil.
• Füüsika hõlmab optiliste omaduste määramist.
• Kombineeritud – kõige täpsem ja levinum. Kombineerige mis tahes kaks meetodit. Näiteks areenide eemaldamine keemiliste või füüsikalis-keemiliste meetoditega ning nafta füüsikaliste omaduste mõõtmine enne ja pärast nende eemaldamist.

Teaduslikel eesmärkidel on oluline täpselt kindlaks teha, millised süsivesinikud naftas esinevad või domineerivad.

Süsivesinike üksikute molekulide tuvastamiseks kasutatakse gaas-vedelik kromatograafiat, kasutades kapillaarkolonne ja temperatuuri reguleerimist, kromatograafia-massispektromeetriat koos arvutitöötlusega ja kromatogrammi koostamist üksikute iseloomulike fragmendi ioonide jaoks (massfragmentograafia või massikromatograafia). Kasutatakse ka tuumade ¹³C.

NMR spektreid

Naftasüsivesinike koostise analüüsimise kaasaegsed skeemid hõlmavad eelnevat eraldamist kaheks või kolmeks erineva keemistemperatuuriga fraktsiooniks. Pärast seda eraldatakse kõik fraktsioonid silikageelil vedelikkromatograafia abil küllastunud (parafiin-nafteensed) ja aromaatseteks süsivesinikeks. Järgmisena tuleks aromaatsed süsivesinikud eraldada mono-, bi- ja polüaromaatseks vedelikkromatograafia abil, kasutades alumiiniumoksiidi.

Süsivesinike allikad

Nafta ja gaasi süsivesinike looduslikud allikad on erinevate ühendite, peamiselt nende lipiidkomponentide bioorgaanilised molekulid. Imivõib olla:

• kõrgemad taimsed lipiidid,
• vetikad,
• fütoplankton,
• zooplankton,
• bakterid, eriti rakumembraani lipiidid.

Taimede lipiidkomponendid on keemilise koostise poolest väga sarnased, kuid molekulide teatud variatsioonid võimaldavad kindlaks teha teatud ainete ülekaaluka osaluse selle õli moodustumisel.

Kõik taimsed lipiidid jagunevad kahte klassi:

• ühendid, mis koosnevad sirge (või kergelt hargnenud) ahelaga molekulidest;
• ühendid, mis põhinevad alitsükliliste ja alifaatsete seeriate isoprenoidühikutel.

On ühendeid, mis koosnevad mõlemasse klassi kuuluvatest elementidest, näiteks vahast. Vahamolekulid on kõrgemate küllastunud või küllastumata rasvhapete ja tsükliliste isoprenoidalkoholide – steroolide estrid.

Nafta süsivesinike looduslike lipiidide allikate tüüpilised esindajad on järgmised ühendid:

1. Küllastunud ja küllastumata rasvhapped koostisega C₁₂-C₂₆ ja hüdroksühapped. Rasvhapped koosnevad paarisarvust süsinikuaatomitest, kuna need sünteesitakse C₂-atsetaadi komponentidest. Need on osa triglütseriididest.
2. Looduslik vaha – erinev alt rasvadest ei sisalda see glütserooli, vaid kõrgemaid rasvalkohole või steroole.
3. Nõrg alt hargnenud happed, mille karboksüülrühma vastas oleva ahela lõpus on metüülasendajad, näiteks iso- ja antiisohapped.
4. Huvitavad ained on suberiin ja cutin, mis sisalduvaderinevad taimeosad. Need moodustuvad polümeriseeritud seotud rasvhapete ja alkoholide poolt. Need ühendid on vastupidavad ensümaatilisele ja mikroobsele rünnakule, mis kaitseb alifaatseid ahelaid bioloogilise oksüdatsiooni eest.

Reliikvia ja muundatud süsivesinikud

Kõik nafta süsivesinikud on jagatud kahte rühma:

1. Transformeeritud – on kaotanud algsetele bioorgaanilistele molekulidele iseloomulikud struktuuriomadused.
2. Reliikvia ehk kemofossiilid – need süsivesinikud, millel on säilinud algsete molekulide struktuurile iseloomulikud tunnused, olenemata sellest, kas need süsivesinikud olid algses biomassis või tekkisid hiljem teistest ainetest.

Õli moodustavad reliikvia süsivesinikud jagunevad kahte rühma:

• isoprenoidtüüp – alitsükliline ja alifaatne struktuur, ühes molekulis kuni viis tsüklit;
• mitteisoprenoid – enamasti alifaatsed ühendid, millel on n-alküül- või kergelt hargnenud ahelad.

Isoprenoidse struktuuri säilmeid on palju rohkem kui mitteisoprenoidseid.

Tuvastatud on üle 500 jäänukõli süsivesiniku ja nende arv kasvab iga aastaga.