Els hidrocarburs són el component més important de qualsevol petroli. La concentració d'hidrocarburs naturals en diferents tipus d'oli no és la mateixa: del 100 (condensat de gas) al 30%. De mitjana, els hidrocarburs representen el 70% de la massa d'aquest combustible.
Hidrocarburs en oli
S'han identificat uns 700 hidrocarburs d'una estructura peculiar en la composició dels olis. Tots tenen una composició i una estructura diverses, però al mateix temps emmagatzemen informació sobre la composició i l'estructura de les substàncies que formen la base dels lípids dels bacteris antics, les algues i les plantes superiors.
La composició d'hidrocarburs del petroli inclou:
- Parafines.
- Naftens (cicloalcans).
- Hidrocarburs aromàtics (arenes).
Alcans (hidrocarburs alifàtics saturats)
Els alcans són els hidrocarburs més importants i ben estudiats de qualsevol petroli. La composició del petroli inclou hidrocarburs alcans des de C1 fins a C100. El seu nombre oscil·la entre el 20 i el 60% i depèn del tipus d'oli. Com el molecularfracció de massa, la concentració d'alcans es redueix en tots els tipus.
Si els hidrocarburs cíclics de diferents estructures són igualment comuns al petroli, aleshores les estructures d'una determinada estructura solen predominar entre els alcans. A més, l'estructura, per regla general, no depèn del pes molecular. Això vol dir que en diferents tipus d'oli hi ha certes sèries homòlogues d'alcans: alcans d'estructura normal, monometil-substituïts amb diferents posicions del grup metil, menys sovint - alcans di- i trimetil-substituïts, així com tetrametilalcans del tipus isoprenoide. Els alcans d'estructura característica representen gairebé el 90% de la massa total dels alcans del petroli. Aquest fet permet un bon estudi dels alcans en diverses fraccions d'oli, incloses les d' alt punt d'ebullició.
Alcans de diferents fraccions
A temperatures de 50 a 150 °C, s'allibera la fracció I, que inclou alcans amb un nombre d'àtoms de carboni de 5 a 11. Els alcans tenen isòmers:
- pentà - 3;
- hexà – 5;
- heptà – 9;
- octane - 18;
- nonan - 35;
- Degà – 75;
- undecan – 159.
Per tant, la fracció I teòricament pot incloure uns 300 hidrocarburs. Per descomptat, no tots els isòmers estan presents en el petroli, però el seu nombre és gran.
La figura mostra un cromatograma d'alcans C5 – C11 del petroli del jaciment de Surgut, on cada pic correspon a una determinada substància.
A una temperatura de 200-430 °С, s'aïllen alcans de la fracció II de composició С12 – С27. La figura mostracromatograma d'alcans de fracció II. El cromatograma mostra els pics dels alcans normals i substituïts amb monometil. Els números indiquen la posició dels substituents.
A una temperatura de >430°C, alcans de la fracció III de composició С28 – С40.
Alcans isoprenoides
Els alcans isoprenoides inclouen hidrocarburs ramificats amb alternança regular de grups metil. Per exemple, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadecà o 2, 6, 10-trimetilhexadecà. Els alcans isoprenoides i els alcans de cadena recta constitueixen la majoria de la matèria primera biològica del petroli. Per descomptat, hi ha moltes més opcions per als hidrocarburs isoprenoides.
Els isoprenoides es caracteritzen per l'homologia i el desequilibri, és a dir, els diferents olis tenen el seu propi conjunt d'aquests compostos. L'homologia és una conseqüència de la destrucció de fonts de pes molecular més elevat. En els alcans isoprenoides, es poden detectar "buits" en les concentracions de qualsevol homòleg. Això és conseqüència de la impossibilitat de trencar la seva cadena (la formació d'aquest homòleg) en el lloc on es troben els substituents metil. Aquesta característica s'utilitza per determinar les fonts de formació d'isoprenoides.
Cicloalcans (naftens)
Els naftens són hidrocarburs cíclics saturats del petroli. En molts olis, predominen sobre altres classes d'hidrocarburs. El seu contingut pot variar entre un 25 i un 75%. Es troba a totes les faccions. A mesura que la fracció es fa més pesada, augmenta el seu contingut. Els naftens es distingeixen per la quantitatcicles en una molècula. Els naftens es divideixen en dos grups: mono- i policíclics. Els monocíclics són de cinc i sis membres. Els anells policíclics poden incloure tant anells de cinc com de sis membres.
Les fraccions de baix punt d'ebullició contenen predominantment derivats alquils de ciclohexà i ciclopentà, amb els derivats de metil predominant en les fraccions de gasolina.
Els naftens policíclics es troben principalment en fraccions d'oli que bullen a temperatures superiors als 300 °C, i el seu contingut en fraccions de 400-550 °C arriba al 70-80%.
Hidrocarburs aromàtics (arenes)
Es divideixen en dos grups:
- Hidrocarburs alquilaromàtics que només contenen anells aromàtics i substituents alquils. Aquests inclouen alquilbenzens, alquilnaftalens, alquilfenantrens, alquilchrysepes i alquilpicens.
- Hidrocarburs d'estructura mixta, que contenen anells tant aromàtics (insaturats) com naftènics (limitants). Entre ells es distingeixen:
- hidrocarburs monoaromàtics: indans, di-, tri- i tetranaftenobences;
- hidrocarburs diaromàtics: mono- i dinaftenonaftalens;
- hidrocarburs amb tres o més anells aromàtics: naftenofenantrens.
Importància tècnica de la composició d'hidrocarburs del petroli
La composició de les substàncies afecta significativament la qualitat del petroli.
1. Parafines:
- Les parafines normals (no ramificades) tenen un índex d'octà baix i punts d'abocament alts. Per tant, enen el procés de processament es converteixen en hidrocarburs d' altres grups.
- Les isoparafines (ramificades) tenen un índex d'octà elevat, és a dir, propietats antidetonants elevades (l'isooctà és un compost de referència amb un índex d'octà de 100), així com uns punts d'evacuació baixos en comparació amb les parafines normals.
2. Els naftens (cicloparafines) juntament amb les isoparafines tenen un efecte positiu en la qualitat del gasoil i dels olis lubricants. El seu alt contingut en la fracció de gasolina pesada condueix a un alt rendiment i un alt octà dels productes.
3. Els hidrocarburs aromàtics empitjoren les propietats ambientals del combustible, però tenen un nombre d'octà elevat. Per tant, durant el refinament del petroli, altres grups d'hidrocarburs es converteixen en aromàtics, però la seva quantitat, principalment benzè, al combustible està estrictament regulada.
Mètodes per estudiar la composició d'hidrocarburs del petroli
A efectes tècnics, n'hi ha prou amb establir la composició del petroli pel contingut de determinades classes d'hidrocarburs. La composició fraccionada del petroli és important per triar la direcció de refinació del petroli.
Per determinar la composició del grup de l'oli, s'utilitzen diversos mètodes:
- Químic significa dur a terme una reacció (nitració o sulfonació) de la interacció d'un reactiu amb una determinada classe d'hidrocarburs (alquens o arenes). En canviar el volum o la quantitat dels productes de reacció resultants, es valora el contingut de la classe determinada d'hidrocarburs.
- Físicoquímics inclouen l'extracció i l'adsorció. Així s'extreuen les arenesdiòxid de sofre, anilina o sulfat de dimetil, seguit de l'adsorció d'aquests hidrocarburs sobre gel de sílice.
- Física inclou la determinació de propietats òptiques.
- Combinat: el més precís i el més habitual. Combina dos mètodes qualsevol. Per exemple, l'eliminació d'arenes mitjançant mètodes químics o fisicoquímics i la mesura de les propietats físiques del petroli abans i després de la seva eliminació.
A efectes científics, és important determinar exactament quins hidrocarburs estan presents o predominants en el petroli.
Per identificar molècules individuals d'hidrocarburs, s'utilitza la cromatografia gas-líquid mitjançant columnes capil·lars i control de temperatura, cromatografia-espectrometria de masses amb processament per ordinador i construcció de cromatogrames per a ions de fragments característics individuals (fragmentografia de masses o cromatografia de masses). També s'utilitzen espectres de RMN als nuclis 13C.
Els esquemes moderns per analitzar la composició dels hidrocarburs del petroli inclouen la separació preliminar en dues o tres fraccions amb diferents punts d'ebullició. Després d'això, cadascuna de les fraccions es separa en hidrocarburs saturats (parafina-naftènics) i aromàtics mitjançant cromatografia líquida sobre gel de sílice. A continuació, els hidrocarburs aromàtics s'han de separar en mono, bi i poliaromàtics mitjançant cromatografia líquida amb òxid d'alumini.
Fonts d'hidrocarburs
Les fonts naturals d'hidrocarburs de petroli i gas són molècules bioorgàniques de diversos compostos, principalment els seus components lipídics. Imipot ser:
- lípids vegetals més alts,
- algues,
- fitoplàncton,
- zooplàncton,
- bacteris, especialment els lípids de la membrana cel·lular.
Els components lipídics de les plantes són molt semblants en composició química, però, determinades variacions de les molècules permeten determinar la participació predominant de determinades substàncies en la formació d'aquest oli.
Tots els lípids vegetals es divideixen en dues classes:
- compostos formats per molècules amb una cadena recta (o lleugerament ramificada);
- compostos basats en unitats isoprenoides de sèries alicícliques i alifàtiques.
Hi ha compostos formats per elements pertanyents a ambdues classes, com ara la cera. Les molècules de cera són èsters d'àcids grassos saturats o insaturats superiors i alcohols isoprenoides cíclics: esterols.
Els representants típics de les fonts naturals de lípids d'hidrocarburs de petroli són els compostos següents:
- Àcids grassos saturats i insaturats de composició C12-C26 i hidroxiàcids. Els àcids grassos estan formats per un nombre parell d'àtoms de carboni, ja que es sintetitzen a partir de components C2-acetat. Formen part dels triglicèrids.
- Cera natural: a diferència dels greixos, no conté glicerol, sinó alcohols o esterols grassos més alts.
- Àcids dèbilment ramificats amb substituents metil a l'extrem de la cadena oposat al grup carboxil, per exemple, iso- i anteisoàcids.
- Les substàncies interessants són la suberina i la cutina, que s'inclouendiferents parts de les plantes. Estan formats per àcids grassos lligats polimeritzats i alcohols. Aquests compostos són resistents a l'atac enzimàtic i microbià, que protegeix les cadenes alifàtiques de l'oxidació biològica.
Relíquies i hidrocarburs convertits
Tots els hidrocarburs del petroli es divideixen en dos grups:
- Transformat: haver perdut les característiques estructurals característiques de les molècules bioorgàniques originals.
- Relíquia o quimiofòssils: aquells hidrocarburs que han conservat els trets característics de l'estructura de les molècules originals, independentment de si aquests hidrocarburs es trobaven a la biomassa original o es van formar més tard a partir d' altres substàncies.
Els hidrocarburs relíquies que formen el petroli es divideixen en dos grups:
- Tipus isoprenoide: estructura alicíclica i alifàtica, amb fins a cinc cicles en una molècula;
- no isoprenoide: la majoria de compostos alifàtics tenen cadenes n-alquil o lleugerament ramificades.
Les relíquies d'estructura isoprenoide són molt més nombroses que les no isoprenoides.
S'han identificat més de 500 relíquies d'hidrocarburs d'oli i el seu nombre augmenta cada any.
