Eļļas ogļūdeņraži: sastāvdaļas, sastāvs, struktūra

2024 Autors: Angel Austin | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-11 11:00

Ogļūdeņraži ir jebkuras eļļas vissvarīgākā sastāvdaļa. Dabisko ogļūdeņražu koncentrācija dažādu veidu eļļās nav vienāda: no 100 (gāzes kondensāts) līdz 30%. Vidēji ogļūdeņraži veido 70% no šīs degvielas masas.

Ogļūdeņraži eļļā

Eļļu sastāvā ir identificēti aptuveni 700 savdabīgas struktūras ogļūdeņraži. Tās visas ir daudzveidīgas pēc sastāva un struktūras, taču tajā pašā laikā tiek glabāta informācija par vielu sastāvu un struktūru, kas veido seno baktēriju, aļģu un augstāko augu lipīdu pamatu.

Eļļas ogļūdeņražu sastāvs ietver:

1. Parafīni.
2. Naftēni (cikloalkāni).
3. Aromātiskie ogļūdeņraži (arēni).

Alkāni (alifātiski piesātināti ogļūdeņraži)

Alkāni ir vissvarīgākie un labi izpētītie ogļūdeņraži no jebkuras eļļas. Eļļas sastāvā ir ogļūdeņraži alkāni no C₁ līdz C₁₀₀. To skaits svārstās no 20 līdz 60% un ir atkarīgs no eļļas veida. Kā molekulārāmasas daļa, alkānu koncentrācija tiek samazināta visos veidos.

Ja eļļā vienlīdz bieži sastopami dažādu struktūru cikliskie ogļūdeņraži, tad starp alkāniem parasti dominē noteiktas struktūras struktūras. Turklāt struktūra, kā likums, nav atkarīga no molekulmasas. Tas nozīmē, ka dažāda veida eļļās ir noteiktas homologas alkānu sērijas: normālas struktūras alkāni, monometilaizvietoti ar dažādām metilgrupas pozīcijām, retāk - di- un trimetilaizvietotie alkāni, kā arī alkānu tetrametilalkāni. izoprenoīda tips. Raksturīgas struktūras alkāni veido gandrīz 90% no kopējās eļļas alkānu masas. Šis fakts ļauj labi izpētīt alkānus dažādās eļļas frakcijās, tostarp tajās, kurām ir augsta viršanas temperatūra.

Dažādu frakciju alkāni

Temperatūrā no 50 līdz 150 °C izdalās I frakcija, kurā ietilpst alkāni ar oglekļa atomu skaitu no 5 līdz 11. Alkāniem ir izomēri:

• pentāns - 3;
• heksāns – 5;
• heptāns – 9;
• oktānskaitlis - 18;
• nonan - 35;
• Dīns – 75;
• undekāns – 159.

Tāpēc I frakcijā teorētiski var ietilpt aptuveni 300 ogļūdeņražu. Protams, ne visi izomēri ir eļļā, taču to skaits ir liels.

Attēlā parādīta alkānu hromatogramma C₅ – C₁₁ naftas no Surgutas lauka, kur katra virsotne atbilst noteiktai vielai..

Temperatūrā 200-430 °С izdalās С₁₂ – С₂₇ sastāva II frakcijas alkāni. Attēlā redzamsII frakcijas alkānu hromatogramma. Hromatogramma parāda normālo un monometilaizvietoto alkānu maksimumus. Cipari norāda aizvietotāju atrašanās vietu.

430°C temperatūrā sastāva С₂₈ – С₄₀.

III frakcijas alkāni.

Izoprenoīdu alkāni

Izoprenoīdu alkāni ietver sazarotus ogļūdeņražus ar regulāru metilgrupu maiņu. Piemēram, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadekāns vai 2, 6, 10-trimetilheksadekāns. Izoprenoīdu alkāni un taisnās ķēdes alkāni veido lielāko daļu bioloģiskās naftas izejvielas. Protams, izoprenoīdu ogļūdeņražiem ir daudz vairāk iespēju.

Izoprenoīdiem ir raksturīga homoloģija un nelīdzsvarotība, tas ir, dažādām eļļām ir savs šo savienojumu kopums. Homoloģija ir augstākas molekulmasas avotu iznīcināšanas sekas. Izoprenoīdu alkānos var konstatēt "nepilnības" jebkuru homologu koncentrācijās. Tas ir sekas tam, ka nav iespējams pārraut to ķēdi (šī homologa veidošanās) vietā, kur atrodas metilaizvietotāji. Šo funkciju izmanto, lai noteiktu izoprenoīdu veidošanās avotus.

Cikloalkāni (naftēni)

Naftēni ir piesātināti cikliski eļļas ogļūdeņraži. Daudzās eļļās tās dominē pār citām ogļūdeņražu klasēm. To saturs var svārstīties no 25 līdz 75%. Atrasts visās frakcijās. Frakcijai kļūstot smagākai, to saturs palielinās. Naftēni atšķiras pēc daudzumacikli molekulā. Naftēnus iedala divās grupās: mono- un policikliskajos. Monocikliskie ir piecu un sešu locekļu. Policikliskie gredzeni var ietvert gan piecu, gan sešu locekļu gredzenus.

Frakcijas ar zemu viršanas temperatūru satur galvenokārt cikloheksāna un ciklopentāna alkilatvasinājumus, un benzīna frakcijās dominē metilatvasinājumi.

Policikliskie naftēni galvenokārt ir atrodami eļļas frakcijās, kas vārās virs 300 °C, un to saturs frakcijās 400-550 °C sasniedz 70-80%.

Aromātiskie ogļūdeņraži (arēni)

Tie ir sadalīti divās grupās:

1. Alkilaromātiskie ogļūdeņraži, kas satur tikai aromātiskus gredzenus un alkil-aizvietotājus. Tajos ietilpst alkilbenzoli, alkilnaftalīni, alkilfenantrēni, alkilkrizepi un alkilpicēni.
2. Jauktas struktūras ogļūdeņraži, kas satur gan aromātiskos (nepiesātinātos), gan naftēnus (ierobežojošos) gredzenus. Starp tiem izšķir:

• monoaromātiskie ogļūdeņraži - indāni, di-, tri- un tetranaftenobenzoli;
• diaromātiskie ogļūdeņraži - mono- un dinaftenonaftalīni;
• ogļūdeņraži ar trīs vai vairāk aromātiskiem gredzeniem - naftenofenantrēni.

Eļļas ogļūdeņražu sastāva tehniskā nozīme

Vielu sastāvs būtiski ietekmē eļļas kvalitāti.

1. Parafīni:

• Parafīniem (nesazarotiem) ir zems oktānskaitlis un augsts izliešanas punkts. Tāpēc iekšāpārstrādes procesā tie pārvēršas par citu grupu ogļūdeņražiem.
• Izoparafīniem (sazarotajiem) ir augsts oktānskaitlis, t.i., augstas antidetonācijas īpašības (izooktāns ir atsauces savienojums ar oktānskaitli 100), kā arī zema sasēšanās temperatūra salīdzinājumā ar parastajiem parafīniem.

2. Naftēni (cikloparafīni) kopā ar izoparafīniem pozitīvi ietekmē dīzeļdegvielas un smēreļļu kvalitāti. To augstais saturs smagajā benzīna frakcijā nodrošina augstu produktivitāti un augstu oktānskaitli.

3. Aromātiskie ogļūdeņraži pasliktina degvielas vides īpašības, bet tiem ir augsts oktānskaitlis. Tāpēc naftas pārstrādes laikā citas ogļūdeņražu grupas pārvēršas aromātiskajos, bet to, galvenokārt benzola, daudzums degvielā ir stingri regulēts.

Eļļas ogļūdeņražu sastāva izpētes metodes

Tehniskiem nolūkiem pietiek ar eļļas sastāvu noteikt pēc noteiktu ogļūdeņražu klašu satura tajā. Naftas rafinēšanas virziena izvēlei svarīgs ir eļļas frakcionētais sastāvs.

Eļļas grupas sastāva noteikšanai tiek izmantotas dažādas metodes:

• Ķīmiskais līdzeklis ir reakcijas (nitrēšanas vai sulfonēšanas) veikšana reaģenta mijiedarbībā ar noteiktas klases ogļūdeņražiem (alkēniem vai arēniem). Mainot iegūto reakcijas produktu tilpumu vai daudzumu, tiek spriests par noteiktās ogļūdeņražu klases saturu.
• Fizikāli ķīmiskās vielas ietver ekstrakciju un adsorbciju. Šādi tiek iegūtas arēnassēra dioksīds, anilīns vai dimetilsulfāts, kam seko šo ogļūdeņražu adsorbcija uz silikagela.
• Fiziskā ietver optisko īpašību noteikšanu.
• Kombinētais – visprecīzākais un visizplatītākais. Apvienojiet jebkuras divas metodes. Piemēram, arēnu noņemšana ar ķīmiskām vai fizikāli ķīmiskām metodēm un naftas fizikālo īpašību mērīšana pirms un pēc to noņemšanas.

Zinātniskos nolūkos ir svarīgi precīzi noteikt, kuri ogļūdeņraži atrodas vai dominē eļļā.

Atsevišķu ogļūdeņražu molekulu identificēšanai izmanto gāzu-šķidruma hromatogrāfiju, izmantojot kapilārās kolonnas un temperatūras kontroli, hromatogrāfijas-masspektrometriju ar datoru apstrādi un hromatogrammas veidošanu atsevišķiem raksturīgiem fragmentu joniem (masas fragmentogrāfija vai masas hromatogrāfija). Tiek izmantoti arī KMR spektri kodoliem ¹³C.

Mūsdienu shēmas naftas ogļūdeņražu sastāva analīzei ietver iepriekšēju sadalīšanu divās vai trīs frakcijās ar atšķirīgu viršanas temperatūru. Pēc tam katru no frakcijām sadala piesātinātajos (parafīna-naftēnu) un aromātiskajos ogļūdeņražos, izmantojot šķidruma hromatogrāfiju uz silikagela. Pēc tam aromātiskie ogļūdeņraži ir jāsadala mono-, div- un poliaromātiskos, izmantojot šķidruma hromatogrāfiju, izmantojot alumīnija oksīdu.

Ogļūdeņražu avoti

Naftas un gāzes ogļūdeņražu dabiskie avoti ir dažādu savienojumu, galvenokārt to lipīdu komponentu, bioorganiskās molekulas. Imivar būt:

• augstāks augu lipīdu daudzums,
• aļģes,
• fitoplanktons,
• zooplanktons,
• baktērijas, īpaši šūnu membrānas lipīdi.

Augu lipīdu komponenti pēc ķīmiskā sastāva ir ļoti līdzīgi, tomēr noteiktas molekulu variācijas ļauj noteikt noteiktu vielu dominējošo līdzdalību šīs eļļas veidošanā.

Visi augu lipīdi ir iedalīti divās klasēs:

• savienojumi, kas sastāv no molekulām ar taisnu (vai nedaudz sazarotu) ķēdi;
• savienojumi, kuru pamatā ir alicikliskās un alifātiskās sērijas izoprenoīdu vienības.

Ir savienojumi, kas sastāv no elementiem, kas pieder abām klasēm, piemēram, vasks. Vaska molekulas ir augstāku piesātināto vai nepiesātināto taukskābju un ciklisko izoprenoīdu spirtu - sterīnu esteri.

Tipiski lipīdu dabisko naftas ogļūdeņražu avotu pārstāvji ir šādi savienojumi:

1. Piesātinātās un nepiesātinātās taukskābes ar sastāvu C₁₂-C₂₆ un hidroksiskābes. Taukskābes sastāv no pāra skaita oglekļa atomu, jo tās tiek sintezētas no C₂-acetāta komponentiem. Tie ir daļa no triglicerīdiem.
2. Dabīgais vasks - atšķirībā no taukiem, tas nesatur glicerīnu, bet gan augstākus tauku spirtus vai sterīnus.
3. Vāji sazarotas skābes ar metilaizvietotājiem ķēdes galā, kas atrodas pretī karboksilgrupai, piemēram, izo- un antiizoskābes.
4. Interesantas vielas ir suberīns un kutīns, kas ir iekļautidažādas augu daļas. Tos veido polimerizētas saistītās taukskābes un spirti. Šie savienojumi ir izturīgi pret enzīmu un mikrobu iedarbību, kas aizsargā alifātiskās ķēdes no bioloģiskās oksidācijas.

Relikvija un pārveidoti ogļūdeņraži

Visi naftas ogļūdeņraži ir sadalīti divās grupās:

1. Transformēts - zaudējis sākotnējām bioorganiskajām molekulām raksturīgās struktūras iezīmes.
2. Relikvija, jeb chemofosilijas - tie ogļūdeņraži, kas ir saglabājuši sākotnējo molekulu struktūrai raksturīgās iezīmes, neatkarīgi no tā, vai šie ogļūdeņraži atradās sākotnējā biomasā vai veidojās vēlāk no citām vielām.

Ogļūdeņraži, kas veido eļļu, ir sadalīti divās grupās:

• izoprenoīda tips - alicikliska un alifātiska struktūra, ar līdz pieciem cikliem vienā molekulā;
• neizoprenoīds - pārsvarā alifātiski savienojumi ar n-alkilķēdēm vai viegli sazarotām ķēdēm.

Izoprenoīdu struktūras relikviju ir daudz vairāk nekā neizoprenoīdu struktūru.

Ir identificēti vairāk nekā 500 reliktu eļļas ogļūdeņražu, un to skaits katru gadu palielinās.