25-09-2018 13:49

Углеводороды нефти: компоненты, состав, структура

Углеводороды – важнейшая составная часть любой нефти. Концентрация природных углеводородов в нефти разного вида не одинакова: от 100 (газовый конденсат) до 30 %. В среднем углеводороды составляют 70 % массы этого топлива.

Углеводороды в составе нефти

В составе нефтей определено около 700 углеводородов своеобразного строения. Все они разнообразны по составу и строению, но при этом хранят информацию о составе и строении веществ, составляющих основу липидов древних бактерий, водорослей и высших растений.

Терпсихора - это муза танцаВам будет интересно:Терпсихора - это муза танца

Углеводородный состав нефти включает:

  • Парафины.
  • Нафтены (циклоалканы).
  • Ароматические углеводороды (арены).
  • Алканы (алифатические предельные углеводороды)

    Алканы – важнейшие и хорошо изученные углеводороды любой нефти. В состав нефти входят углеводороды алканы от С1 до С100. Их количество колеблется в пределах от 20 до 60 % и зависит от типа нефти. По мере возрастания молекулярной массы фракции, концентрация алканов снижается во всех типах.

    Если циклические углеводороды разного строения встречаются в нефти одинаково часто, то среди алканов обычно преобладают структуры определенного строения. Причем строение, как правило, не зависит от молекулярного веса. Это значит, что в разных типах нефти присутствуют определенные гомологические ряды алканов: алканы нормального строения, монометилзамещенные с разным положением метильной группы, реже – ди- и триметилзамещенные алканы, а также тетраметилалканы изопреноидного типа. Алканы характерного строения составляют почти 90 % от всей массы алканов нефти. Этот факт позволяет хорошо изучить алканы в различных, в том числе высококипящих, фракциях нефти.

    Алканы разных фракций

    Петрикор - это что такое? ЗначениеВам будет интересно:Петрикор - это что такое? Значение

    При температуре от 50 до 150 °С выделяется фракция I, в которую входят алканы с количеством углеродных атомов от 5 до 11. Алканы имеют изомеры:

    • пентан – 3;
    • гексан – 5;
    • гептан – 9;
    • октан – 18;
    • нонан – 35;
    • декан – 75;
    • ундекан – 159.

    Поэтому фракция I теоретически может включать около 300 углеводородов. Конечно, не все изомеры присутствуют в нефти, однако число их велико.

    Глоссарий - это что такое?Вам будет интересно:Глоссарий - это что такое?

    На рисунке представлена хроматограмма алканов С5 – С11 нефти сургутского месторождения, на которой каждый пик соответствует определенному веществу.

    При температуре 200-430 °С выделяются алканы фракции II состава С12 – С27. На рисунке представлена хроматограмма алканов фракции II. На хроматограмме показаны пики нормальных и монометилзамещенных алканов. Цифры указывают на положение заместителей.

    При температуре >430°С выделяются алканы фракции III состава С28 – С40.

    Изопреноидные алканы

    К изопреноидным алканам относят разветвленные углеводороды с правильным чередованием метильных групп. Например, 2,6,10,14-тетраметилпентадекан или 2,6,10-триметилгексадекан. Изопреноидные алканы и алканы с неразветвленной цепью составляют преобладающую массу биологического исходного материала нефти. Конечно, вариантов изопреноидных углеводородов гораздо больше.

    Для изопреноидов характерна гомологичность и неравновесность, то есть для разных нефтей характерен свой набор этих соединений. Гомологичность является следствием разрушения более высокомолекулярных источников. В изопреноидных алканах можно выявить «провалы» в концентрациях каких-либо гомологов. Это следствие невозможности разрыва их цепи (образования этого гомолога) в том месте, где находятся метильные заместители. Эту особенность используют для определения источников образования изопреноидов.

    Циклоалканы (нафтены)

    Нафтены – предельные циклические углеводороды нефти. Во многих нефтях они преобладают над другими классами углеводородов. Их содержание может колебаться от 25 до 75 %. Присутствуют во всех фракциях. По мере утяжеления фракции, их содержание растет. Различают нафтены количеством циклов в молекуле. Нафтены делят на две группы: моно- и полициклические. Моноциклические бывают пяти- и шестичленные. Полициклические могут включать и пяти- и шестичленные кольца.

    Низкокипящие фракции содержат преимущественно алкилпроизводные циклогексана и циклопентана, причем в бензиновых фракциях преобладают метильные производные.

    Полициклические нафтены содержатся в основном во фракциях нефти, выкипающие при температуре более 300 °С, а содержание их во фракциях 400-550 °С достигает 70-80 %.

    Ароматические углеводороды (арены)

    Псилофиты - это первые покорители суши древней ЗемлиВам будет интересно:Псилофиты - это первые покорители суши древней Земли

    Их делят на две группы:

  • Алкилароматические углеводороды, в состав которых входят только ароматические кольца и алкильные заместители. К ним относятся алкилбензолы, алкилнафталины, алкилфенантрены, алкилхризепы и алкилпицены.
  • Углеводороды смешанного типа строения, содержащие как ароматические (непредельные), так и нафтеновые (предельные) кольца. Среди них различают:
    • моноароматические углеводороды - инданы, ди-, три- и тетранафтенобензолы;
    • диароматические углеводороды - моно- и динафтенонафталины;
    • углеводороды с тремя и более ароматическим кольцами - нафтенофенантрены.

    Техническое значение углеводородного состава нефти

    Состав веществ существенно влияет на показатели качества нефти.

    1. Парафины:

    • Нормальные парафины (неразветвленные) обладают низким октановым числом и высокими температурами застывания. Поэтому в процессе переработки их превращают в углеводороды других групп.
    • Изопарафины (разветвленные) обладают высоким октановым числом, то есть высокими антидетонационными свойствами (изооктан – эталонное соединение с октановым числом 100), а также низкими, по сравнению с нормальными парафинами, температурами застывания.

    2. Нафтены (циклопарафины) наряду с изопарафинами положительно влияют на качество дизельного топлива и смазочных масел. Их высокое содержание в тяжелой бензиновой фракции приводит к высокому выходу и высокому октановому числу продуктов.

    3. Ароматические углеводороды ухудшают экологические свойства топлива, но обладают высоким октановым числом. Поэтому при переработке нефти другие группы углеводородов превращают в ароматические, но количество их, в первую очередь бензола, в топливе строго регламентируется.

    Методы исследования углеводородного состава нефти

    Для технических целей достаточно установление состава нефти по содержанию в ней отдельных классов углеводородов. Фракционный состав нефти важен для выбора направления переработки нефти.

    С целью определения группового состава нефти применяют различные методы:

    • Химические подразумевают проведение реакции (нитрования или сульфирования) взаимодействия реагента с определенным классом углеводородов (алкенами или аренами). По изменению объема или количеству получившихся продуктов реакции судят о содержании определяемого класса углеводородов.
    • Физико-химические включают экстракцию и адсорбцию. Так проводят экстрагирование аренов диоксидом серы, анилином или диметилсульфатом, с последующей адсорбцией этих углеводородов на силикагеле.
    • Физические включают определение оптических свойств.
    • Комбинированные - наиболее точные и самые распространенные. Сочетают в себе два каких-либо метода. Например, удаление аренов химическим или физико-химическим методом и измерение физических свойств нефти до и после их удаления.

    Для научных целей важно определить точно, какие углеводороды в нефти содержатся или преобладают.

    Для выявления отдельных молекул углеводородов используют газожидкостную хроматографию с использованием капиллярных колонок и установления температуры, хромато-масспектрометрию с компьютерной обработкой и построением хроматограмм по отдельным характеристическим фрагментным ионам (масс-фрагментография или масс-хроматография). Используются также спектры ЯМР на ядрах 13С.

    Современные схемы анализа состава углеводородов нефти включают предварительное разделение на две или три фракции с разными температурами кипения. После этого каждую из фракций разделяют на насыщенные (парафиново-нафтеновые) и ароматические углеводороды с помощью жидкостной хроматографии на силикагеле. Далее ароматические углеводороды следует разделить на моно-, би- и полиароматические с помощью жидкостной хроматографии с использованием оксида алюминия.

    Источники углеводородов

    Природные источники углеводородов нефти и газа – биоорганические молекулы разных соединений, в основном их липидные компоненты. Ими могут быть:

    • липиды высших растений,
    • водоросли,
    • фитопланктон,
    • зоопланктон,
    • бактерии, особенно липиды клеточных мембран.

    Липидные компоненты растений по химическому составу очень схожи, однако, определенные вариации молекул позволяют определить преимущественное участие тех или иных веществ в образовании данной нефти.

    Все липиды растений разделяют на два класса:

    • соединения, состоящие из молекул с неразветвленной (или слаборазветвленной) цепью;
    • соединения, в основе которых изопреноидные звенья алициклического и алифатического ряда.

    Существуют соединения, состоящие из элементов, принадлежащих к обоим классам, например, воск. Молекулы воска являются сложными эфирами высших насыщенных или непредельных жирных кислот и циклических изопреноидных спиртов – стеролов.

    Типичными представителями липидных природных источников углеводородов нефти являются следующие соединения:

  • Насыщенные и непредельные жирные кислоты состава С12-С26 и оксикислоты. Жирные кислоты состоят из четного числа атомов углерода, так как они синтезируются из С2-ацетатных компонентов. Входят в состав триглицеридов.
  • Природный воск - в отличие от жиров, содержит не глицерин, а высшие жирные спирты или стеролы.
  • Слаборазветвленные кислоты, имеющие метилзаместители на противоположном от карбоксильной группы конце цепи, например изо- и антеизокислоты.
  • Интересными веществами являются суберин и кутин, входящие в разные части растений. Они образованы полимеризованными связанными жирными кислотами и спиртами. Эти соединения устойчивы к ферментативному и микробиальному воздействию, что предохраняет от биологического окисления алифатические цепи.
  • Реликтовые и преобразованные углеводороды

    Все углеводороды нефти делят на две группы:

  • Преобразованные – утратившие особенности строения, характерные для исходных биоорганических молекул.
  • Реликтовые, или хемофоссилии – те углеводороды, которые сохранили характерные особенности строения исходных молекул независимо от того, были ли эти углеводороды в исходной биомассе или сформировались позднее из других веществ.
  • Реликтовые углеводороды, входящие в состав нефти, подразделяются на две группы:

    • изопреноидного типа – алициклического и алифатического строения, с числом циклов в одной молекуле до пяти;
    • неизопреноидного – в основном алифатические соединения, имеющие н-алкильные или слаборазветвленные цепи.

    Реликтов изопреноидного строения значительно больше, чем неизопреноидного.

    Выделено свыше 500 реликтовых углеводородов нефти, и их число увеличивается с каждым годом.



    Источник