الهيدروكربونات النفطية: المكونات ، التركيب ، الهيكل

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

الهيدروكربونات هي أهم عنصر في أي زيت. يختلف تركيز الهيدروكربونات الطبيعية في أنواع مختلفة من النفط: من 100 (مكثف غازي) إلى 30٪. في المتوسط ، تشكل الهيدروكربونات 70٪ من كتلة هذا الوقود.

الهيدروكربونات في النفط

تم تحديد حوالي 700 هيدروكربوني لهيكل غريب في تكوين الزيوت. كلهم متنوعون في التركيب والتركيب ، لكن في نفس الوقت يقومون بتخزين المعلومات حول تكوين وبنية المواد التي تشكل أساس الدهون للبكتيريا القديمة والطحالب والنباتات العليا.

التركيبة الهيدروكربونية للزيت تشمل:

1. بارافينات.
2. Naphthenes (cycloalkanes).
3. الهيدروكربونات العطرية.

الألكانات (الهيدروكربونات الأليفاتية المشبعة)

الألكانات هي أهم الهيدروكربونات المدروسة جيدًا من بين أي زيت. تشتمل تركيبة الزيت على الألكانات الهيدروكربونية من C₁إلى C₁₀₀. يتراوح عددها من 20 إلى 60٪ ويعتمد على نوع الزيت. كما الجزيئيجزء الكتلة ، يتم تقليل تركيز الألكانات في جميع الأنواع.

إذا كانت الهيدروكربونات الحلقية ذات الهياكل المختلفة شائعة بشكل متساوٍ في النفط ، فإن هياكل هيكل معين عادة ما تسود بين الألكانات. علاوة على ذلك ، فإن الهيكل ، كقاعدة عامة ، لا يعتمد على الوزن الجزيئي. هذا يعني أنه في أنواع مختلفة من الزيت ، توجد سلسلة متجانسة معينة من الألكانات: ألكانات ذات بنية طبيعية ، يتم استبدالها بمونوميثيل بمواضع مختلفة من مجموعة الميثيل ، وفي كثير من الأحيان - ألكانات ثنائية وثلاثي ميثيل بديلة ، وكذلك رباعي ميثيل ألكانات من نوع isoprenoid. تشكل الألكانات ذات البنية المميزة ما يقرب من 90٪ من الكتلة الكلية لألكانات الزيت. تسمح هذه الحقيقة بدراسة جيدة للألكانات في أجزاء الزيت المختلفة ، بما في ذلك الأجزاء عالية الغليان.

الكانات من كسور مختلفة

عند درجات حرارة من 50 إلى 150 درجة مئوية ، يتم تحرير الجزء الأول ، والذي يتضمن الألكانات بعدد ذرات الكربون من 5 إلى 11. تحتوي الألكانات على أيزومرات:

• بنتان - 3 ؛
• الهكسان - 5 ؛
• هيبتان - 9 ؛
• أوكتان - 18 ؛
• nonan - 35 ؛
• عميد - 75 ؛
• undecan - 159.

لذلك ، يمكن أن يحتوي الكسر نظريًا على حوالي 300 هيدروكربوني. طبعا ليست كل الايزومرات موجودة في الزيت لكن عددها كبير

يوضح الشكل مخطط كروماتوجرافي للألكانات C₅- C₁₁من النفط من حقل سورجوت ، حيث تتوافق كل قمة مع مادة معينة

عند درجة حرارة 200-430 درجة مئوية ، يتم عزل ألكانات الجزء الثاني من التركيب С₁₂- С₂₇. يظهر الشكلكروماتوجرام الألكانات الجزء الثاني. يُظهر الرسم البياني اللوني قمم الألكانات العادية والمستبدلة بمونوميثيل. تشير الأرقام إلى موضع البدائل.

عند درجة حرارة >430 درجة مئوية ، ألكانات الجزء الثالث من التكوين С₂₈- С₄₀.

الألكانات Isoprenoid

الألكانات Isoprenoid تشمل الهيدروكربونات المتفرعة مع تناوب منتظم لمجموعات الميثيل. على سبيل المثال ، 2، 6، 10، 14-tetramethylpentadecane أو 2، 6، 10-trimethylhexadecane. تشكل الألكانات الأيزوبرينويدية والألكانات ذات السلسلة المستقيمة غالبية المواد الأولية البترولية البيولوجية. بالطبع ، هناك العديد من الخيارات الأخرى للهيدروكربونات المتزامنة.

تتميز Isoprenoids بالتماثل وعدم التوازن ، أي أن الزيوت المختلفة لها مجموعتها الخاصة من هذه المركبات. التنادد هو نتيجة تدمير مصادر الوزن الجزيئي الأعلى. في الألكانات المتجانسة ، يمكن اكتشاف "فجوات" في تركيزات أي متماثلات. هذا نتيجة لاستحالة كسر سلسلتها (تكوين هذا المتماثل) في المكان الذي توجد فيه بدائل الميثيل. تستخدم هذه الميزة لتحديد مصادر تكوين الأيزوبرينويد.

ألكانات حلزونية (نافثينيس)

النفثينات هي هيدروكربونات حلقية مشبعة بالزيت. في العديد من الزيوت ، فإنها تسود على فئات الهيدروكربونات الأخرى. يمكن أن يختلف محتواها من 25 إلى 75٪. موجود في كل الفصائل. عندما يصبح الكسر أثقل ، يزداد محتواها. تتميز النفثينات بالكميةدورات في جزيء. تنقسم النفثينات إلى مجموعتين: أحادية ومتعددة الحلقات. أحادية الحلقة تتكون من خمسة وستة أعضاء. يمكن أن تشتمل الحلقات متعددة الحلقات على كل من الحلقات المكونة من خمسة وستة أعضاء.

تحتوي الكسور منخفضة الغليان في الغالب على مشتقات ألكيل من سيكلو هكسان وسيكلوبنتان ، حيث تسود مشتقات الميثيل في أجزاء البنزين.

توجد النفثينات متعددة الحلقات بشكل رئيسي في أجزاء الزيت التي تغلي في درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، ومحتواها في أجزاء من 400-550 درجة مئوية يصل إلى 70-80٪.

الهيدروكربونات العطرية (أرينات)

وهي مقسمة إلى مجموعتين:

1. هيدروكربونات ألكيل أروماتية تحتوي فقط على حلقات عطرية وبدائل ألكيل. وتشمل هذه ألكيل بنزين ، ألكيل نفتالين ، ألكيل فينانثرين ، ألكيل كريسبس ، وألكيل بيسين.
2. هيدروكربونات من نوع مختلط من الهياكل ، تحتوي على كل من الحلقات العطرية (غير المشبعة) والنافثينية (المحددة). من بينها:

• الهيدروكربونات أحادية العطر - indanes، di-، tri- and tetranaphthenobenzenes؛
• الهيدروكربونات العطرية - أحادي ودينافثينونافثالين ؛
• هيدروكربونات ذات ثلاث حلقات عطرية أو أكثر - النفثينوفينانثرين.

الأهمية الفنية للتركيب الهيدروكربوني للزيت

تركيب المواد يؤثر بشكل كبير على جودة الزيت.

1. البارافينات:

• تحتوي البارافينات العادية (غير الممنوحة) على عدد أوكتان منخفض ونقاط صب عالية. لذلك ، فيفي عملية المعالجة يتم تحويلها إلى هيدروكربونات من مجموعات أخرى.
• Isoparaffins (متفرعة) لها رقم أوكتان مرتفع ، أي خصائص عالية ضد القرقعة (isooctane هو مركب مرجعي برقم أوكتان 100) ، بالإضافة إلى نقاط صب منخفضة مقارنة بالبارافينات العادية.

2. النفثينات (السيكلوبارافينات) مع الأيزوبرافينات لها تأثير إيجابي على جودة وقود الديزل وزيوت التشحيم. محتواها العالي في جزء البنزين الثقيل يؤدي إلى إنتاجية عالية وعدد أوكتان مرتفع من المنتجات.

3. تعمل الهيدروكربونات العطرية على تفاقم الخصائص البيئية للوقود ، ولكنها تحتوي على رقم أوكتان مرتفع. لذلك ، أثناء تكرير النفط ، يتم تحويل مجموعات أخرى من الهيدروكربونات إلى مجموعات عطرية ، ولكن يتم تنظيم كمياتها ، وخاصة البنزين ، في الوقود بشكل صارم.

طرق دراسة التركيب الهيدروكربوني للزيت

لأغراض فنية ، يكفي تحديد تركيبة الزيت بمحتوى أصناف معينة من الهيدروكربونات فيه. التركيبة الجزئية للزيت مهمة لاختيار اتجاه تكرير الزيت.

من أجل تحديد تركيبة المجموعة للزيت ، يتم استخدام طرق مختلفة:

• مادة كيميائية تعني إجراء تفاعل (نترات أو سلفونة) لتفاعل كاشف مع فئة معينة من الهيدروكربونات (ألكينات أو أرينات). عن طريق تغيير حجم أو كمية نواتج التفاعل الناتجة ، يتم الحكم على محتوى فئة الهيدروكربونات المحددة.
• فيزيائي-كيميائي يشمل الاستخلاص والامتزاز. هذه هي الطريقة التي يتم بها استخراج الأريناتثاني أكسيد الكبريت ، الأنيلين أو ثنائي ميثيل الكبريتات ، متبوعًا بامتصاص هذه الهيدروكربونات على هلام السيليكا.
• المادية تشمل تحديد الخصائص البصرية.
• مدمج - الأكثر دقة والأكثر شيوعًا. اجمع بين أي طريقتين. على سبيل المثال ، إزالة الأرينات بالطرق الكيميائية أو الفيزيائية الكيميائية وقياس الخصائص الفيزيائية للزيت قبل وبعد إزالتها.

للأغراض العلمية ، من المهم تحديد الهيدروكربونات الموجودة أو السائدة في النفط.

لتحديد الجزيئات الفردية للهيدروكربونات ، يتم استخدام كروماتوغرافيا الغاز والسائل باستخدام الأعمدة الشعرية والتحكم في درجة الحرارة ، ومقياس الطيف الكتلي الكروماتوجرافي مع معالجة الكمبيوتر وبناء كروماتوجرافي لأيونات الشظايا المميزة الفردية (تجزئة الكتلة أو كروماتوغرافيا الكتلة). كما تستخدم أطياف الرنين المغناطيسي النووي على النوى¹³C.

تتضمن المخططات الحديثة لتحليل تركيبة الهيدروكربونات الزيتية الفصل الأولي إلى جزأين أو ثلاثة أجزاء بنقاط غليان مختلفة. بعد ذلك ، يتم فصل كل جزء إلى هيدروكربونات مشبعة (بارافين-نافثينيك) وهيدروكربونات عطرية باستخدام كروماتوجرافيا سائلة على هلام السيليكا. بعد ذلك ، يجب فصل الهيدروكربونات العطرية إلى أحادية وثنائية ومتعددة العطرية باستخدام كروماتوجرافيا سائلة باستخدام أكسيد الألومنيوم.

مصادر الهيدروكربونات

المصادر الطبيعية لهيدروكربونات النفط والغاز هي جزيئات عضوية حيوية من مركبات مختلفة ، لا سيما مكوناتها الدهنية. Imiقد يكون:

• دهون نباتية أعلى ،
• طحالب ،
• العوالق النباتية ،
• العوالق الحيوانية ،
• البكتيريا ، وخاصة الدهون في غشاء الخلية.

المكونات الدهنية للنباتات متشابهة جدًا في التركيب الكيميائي ، ومع ذلك ، فإن بعض الاختلافات في الجزيئات تجعل من الممكن تحديد المشاركة السائدة لبعض المواد في تكوين هذا الزيت.

جميع الدهون النباتية مقسمة إلى فئتين:

• مركبات تتكون من جزيئات ذات سلسلة مستقيمة (أو متفرعة قليلاً) ؛
• مركبات تعتمد على وحدات isoprenoid من السلاسل الأليفاتية و alicyclic.

هناك مركبات تتكون من عناصر تنتمي إلى كلا الفئتين ، مثل الشمع. جزيئات الشمع هي استرات من الأحماض الدهنية المشبعة أو غير المشبعة والكحولات الأيزوبرينويد الحلقية - الستيرولات.

الممثلون النموذجيون للمصادر الطبيعية الدهنية للهيدروكربونات البترولية هم المركبات التالية:

1. الأحماض الدهنية المشبعة وغير المشبعة من تكوين C₁₂-C₂₆وأحماض الهيدروكسي. تتكون الأحماض الدهنية من عدد زوجي من ذرات الكربون ، حيث يتم تصنيعها من مكونات C₂- خلات. هم جزء من الدهون الثلاثية.
2. شمع طبيعي - على عكس الدهون ، فهو لا يحتوي على الجلسرين ، ولكن يحتوي على نسبة عالية من الكحوليات الدهنية أو الستيرولات.
3. أحماض متفرعة بشكل ضعيف بها بدائل ميثيل في نهاية السلسلة المقابلة لمجموعة الكربوكسيل ، على سبيل المثال ، iso- و anteisoacids.
4. المواد المثيرة للاهتمام هي السوبرين وكوتين ، والتي تم تضمينها فيأجزاء مختلفة من النباتات. تتشكل من الأحماض الدهنية المبلمرة والكحول. هذه المركبات مقاومة للهجوم الأنزيمي والميكروبي الذي يحمي السلاسل الأليفاتية من الأكسدة البيولوجية.

الهيدروكربونات الأثرية والمحولة

جميع الهيدروكربونات النفطية مقسمة إلى مجموعتين:

1. تحول - فقد السمات الهيكلية المميزة للجزيئات العضوية الحيوية الأصلية.
2. بقايا ، أو أحافير كيميائية - تلك الهيدروكربونات التي احتفظت بالسمات المميزة لهيكل الجزيئات الأصلية ، بغض النظر عما إذا كانت هذه الهيدروكربونات في الكتلة الحيوية الأصلية أو تشكلت لاحقًا من مواد أخرى.

الهيدروكربونات المتبقية التي يتكون منها الزيت مقسمة إلى مجموعتين:

• نوع isoprenoid - هيكل حلقية وأليفاتية ، مع ما يصل إلى خمس دورات في جزيء واحد ؛
• non-isoprenoid - معظمها مركبات أليفاتية بها سلاسل n-alkyl أو سلاسل متفرعة قليلاً.

بقايا هيكل isoprenoid هي أكثر بكثير من تلك غير isoprenoid.

تم التعرف على أكثر من 500 من بقايا الهيدروكربونات النفطية ، وعددها يتزايد كل عام.