Мұнай көмірсутектер: компоненттері, құрамы, құрылымы

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-11 11:00

Көмірсутектер кез келген мұнайдың ең маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Мұнайдың әртүрлі түрлеріндегі табиғи көмірсутектердің концентрациясы бірдей емес: 100-ден (газ конденсаты) 30% дейін. Орташа алғанда көмірсутектер осы отынның массасының 70%-ын құрайды.

Мұнайдағы көмірсутектер

Мұнайлардың құрамында ерекше құрылымды 700-ге жуық көмірсутектері анықталған. Олардың барлығы құрамы мен құрылымы жағынан алуан түрлі, бірақ сонымен бірге олар ежелгі бактериялардың, балдырлардың және жоғары сатыдағы өсімдіктердің липидтерінің негізін құрайтын заттардың құрамы мен құрылымы туралы ақпаратты сақтайды.

Мұнайдың көмірсутекті құрамына кіреді:

1. Парафиндер.
2. Нафтендер (циклоалкандар).
3. Ароматты көмірсутектер (арендер).

Алкандар (алифатты қаныққан көмірсутектер)

Алкандар кез келген мұнайдың ең маңызды және жақсы зерттелген көмірсутектері болып табылады. Мұнайдың құрамына C₁ бастап C₁₀₀ дейінгі көмірсутек алкандары кіреді. Олардың саны 20-дан 60% дейін ауытқиды және майдың түріне байланысты. Молекуляр ретіндемассалық үлес, алкандардың концентрациясы барлық түрлерде азаяды.

Егер мұнайда әртүрлі құрылымды циклді көмірсутектер бірдей таралған болса, алкандар арасында әдетте белгілі бір құрылымның құрылымдары басым болады. Сонымен қатар, құрылым, әдетте, молекулалық салмаққа байланысты емес. Бұл мұнайдың әртүрлі түрлерінде алкандардың белгілі бір гомологиялық қатары бар екенін білдіреді: қалыпты құрылымдағы алкандар, метил тобының әртүрлі позицияларымен монометил алмастырылған, сирек - ди- және триметил алмастырылған алкандар, сондай-ақ тетраметилалкандар. изопреноидты түрі. Тәндік құрылымдағы алкандар мұнай алкандарының жалпы массасының 90% дерлік құрайды. Бұл факт әртүрлі мұнай фракцияларындағы, соның ішінде жоғары қайнайтын фракциялардағы алкандарды жақсы зерттеуге мүмкіндік береді.

Әртүрлі фракциялардың алкандары

50-ден 150 °C-қа дейінгі температурада I фракциясы бөлінеді, оған көміртегі атомдарының саны 5-тен 11-ге дейінгі алкандар кіреді. Алкандардың изомерлері бар:

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

Сондықтан I фракцияға теориялық тұрғыдан 300-ге жуық көмірсутекті қосуға болады. Әрине, барлық изомерлер мұнайда бола бермейді, бірақ олардың саны көп.

Суретте Сургут кен орнынан алынған C₅ – C₁₁ алкандардың хроматограммасы көрсетілген, мұндағы әрбір шың белгілі бір затқа сәйкес келеді..

200-430 °С температурада С₁₂ – С₂₇ II фракциясының алкандары оқшауланады. Суретте көрсетілгенII фракцияның алкандарының хроматограммасы. Хроматограмма қалыпты және монометил алмастырылған алкандардың шыңдарын көрсетеді. Сандар алмастырғыштардың орнын көрсетеді.

430°C температурада, құрамның III фракциясының алкандары С₂₈ – С₄₀.

Изопреноидты алкандар

Изопреноидты алкандарға метил топтары тұрақты кезектесіп тұратын тармақталған көмірсутектер жатады. Мысалы, 2, 6, 10, 14-тетраметилпентадекан немесе 2, 6, 10-триметилгексадекан. Биологиялық мұнай шикізатының басым бөлігін изопреноидты алкандар мен түз тізбекті алкандар құрайды. Әрине, изопреноидты көмірсутектер үшін тағы да көптеген нұсқалар бар.

Изопреноидтар гомологиямен және тепе-теңдікпен сипатталады, яғни әртүрлі майлардың осы қосылыстардың өзіндік жиынтығы бар. Гомология жоғары молекулалық салмақ көздерінің жойылуының салдары болып табылады. Изопреноидты алкандарда кез келген гомологтардың концентрациясындағы «саңылауларды» анықтауға болады. Бұл метил алмастырғыштары орналасқан жерде олардың тізбегін (осы гомологтың қалыптасуы) үзу мүмкін еместігінің салдары. Бұл мүмкіндік изопреноид түзілу көздерін анықтау үшін қолданылады.

Циклоалкандар (нафтендер)

Нафтендер – мұнайдың қаныққан циклді көмірсутектері. Көптеген мұнайларда олар көмірсутектердің басқа кластарынан басым болады. Олардың мазмұны 25-тен 75% -ға дейін өзгеруі мүмкін. Барлық фракцияларда кездеседі. Бөлшек ауырлаған сайын олардың мазмұны артады. Нафтендер саны бойынша ерекшеленедімолекуладағы циклдар. Нафтендер екі топқа бөлінеді: моно- және полициклді. Моноциклділер бес және алты мүшелі. Полициклды сақиналар бес және алты мүшелі сақиналарды қамтуы мүмкін.

Төмен қайнайтын фракциялардың құрамында негізінен циклогексан мен циклопентанның алкил туындылары, бензин фракцияларында метил туындылары басым.

Полициклді нафтендер негізінен 300 °C жоғары температурада қайнап кететін мұнай фракцияларында кездеседі және олардың 400-550 °C фракцияларындағы мөлшері 70-80% жетеді.

Хош иісті көмірсутектер (арендер)

Олар екі топқа бөлінеді:

1. Құрамында тек ароматты сақиналар мен алкил алмастырғыштары бар алкилароматикалық көмірсутектер. Оларға алкилбензолдар, алкилнафталиндер, алкилфенантрендер, алкилхризептер және алкилпицендер жатады.
2. Құрамында хош иісті (қанықпаған) және нафтендік (шектеу) сақиналары бар, құрылымы аралас типті көмірсутектер. Олардың арасында ерекшеленеді:

• моноароматты көмірсутектер - индандар, ди-, три- және тетранафтенобензолдар;
• диароматты көмірсутектер - моно- және динафтенонафталиндер;
• үш немесе одан да көп хош иісті сақиналары бар көмірсутектер - нафтенофенантрендер.

Мұнайдың көмірсутекті құрамының техникалық маңызы

Заттардың құрамы майдың сапасына айтарлықтай әсер етеді.

1. Парафиндер:

• Қалыпты парафиндердің (тармақталмаған) октан саны төмен және құю нүктелері жоғары. Сондықтан, вөңдеу процесінде олар басқа топтардың көмірсутектеріне айналады.
• Изопарафиндердің (тармақталған) октан саны жоғары, яғни тоқырауға қарсы қасиеттері жоғары (изооктан - октан саны 100 болатын анықтамалық қосылыс), сондай-ақ қалыпты парафиндермен салыстырғанда төмен құю нүктелері.

2. Нафтендер (циклопарафиндер) изопарафиндермен бірге дизельдік отын мен майлау майларының сапасына оң әсер етеді. Ауыр бензин фракциясындағы олардың жоғары мөлшері өнімнің жоғары шығымдылығына және жоғары октан санына әкеледі.

3. Хош иісті көмірсутектер отынның экологиялық қасиеттерін нашарлатады, бірақ жоғары октан санына ие. Сондықтан мұнай өңдеу кезінде көмірсутектердің басқа топтары ароматтыға айналады, бірақ олардың отындағы мөлшері, ең алдымен бензол қатаң түрде реттеледі.

Мұнайдың көмірсутекті құрамын зерттеу әдістері

Техникалық мақсатта мұнайдың құрамын ондағы көмірсутектердің белгілі бір кластарының мөлшері бойынша белгілеу жеткілікті. Мұнайдың фракциялық құрамы мұнай өңдеу бағытын таңдау үшін маңызды.

Мұнайдың топтық құрамын анықтау үшін әртүрлі әдістер қолданылады:

• Реагенттің көмірсутектердің белгілі бір класымен (алкендер немесе арендер) әрекеттесу реакциясын (нитрлеу немесе сульфондау) жүргізетін химиялық құрал. Алынған реакция өнімдерінің көлемін немесе мөлшерін өзгерту арқылы көмірсутектердің анықталған класының мазмұны анықталады.
• Физико-химиялық экстракция мен адсорбцияны қамтиды. Осылайша арендер алынадыкүкірт диоксиді, анилин немесе диметилсульфат, содан кейін осы көмірсутектердің силикагельде адсорбциясы.
• Физикалық оптикалық қасиеттерді анықтауды қамтиды.
• Біріктірілген - ең дәл және кең таралған. Кез келген екі әдісті біріктіріңіз. Мысалы, арендерді химиялық немесе физика-химиялық әдістермен жою және оларды жоюға дейін және одан кейінгі мұнайдың физикалық қасиеттерін өлшеу.

Ғылыми мақсаттар үшін мұнайда қандай көмірсутектер бар немесе басым екенін дәл анықтау маңызды.

Көмірсутектердің жеке молекулаларын анықтау үшін капиллярлық бағандарды және температураны бақылауды, хроматография-масса-спектрометрияны компьютерлік өңдеумен және жеке сипаттамалық фрагмент иондары үшін хроматограмма құруды (массалық фрагментография немесе массалық хроматография) қолдану арқылы газ-сұйық хроматография қолданылады. ¹³C.

ядроларындағы ЯМР спектрлері де қолданылады

Мұнай көмірсутектерінің құрамын талдаудың заманауи схемалары қайнау температурасы әртүрлі екі немесе үш фракцияға алдын ала бөлуді қамтиды. Осыдан кейін фракциялардың әрқайсысы силикагельде сұйық хроматография көмегімен қаныққан (парафинді-нафтендік) және ароматты көмірсутектерге бөлінеді. Әрі қарай хош иісті көмірсутектер алюминий оксиді арқылы сұйық хроматография арқылы моно-, би- және полиароматты болып бөлінуі керек.

Көмірсутектердің көздері

Мұнай және газ көмірсутектерінің табиғи көздері әртүрлі қосылыстардың, негізінен олардың липидті компоненттерінің биоорганикалық молекулалары болып табылады. Имиболуы мүмкін:

• өсімдік липидтері жоғары,
• балдырлар,
• фитопланктон,
• зоопланктон,
• бактериялар, әсіресе жасуша мембранасының липидтері.

Өсімдіктердің липидті құрамдас бөліктері химиялық құрамы бойынша өте ұқсас, дегенмен молекулалардың белгілі бір өзгерістері бұл майдың түзілуіне белгілі бір заттардың басым қатысуын анықтауға мүмкіндік береді.

Барлық өсімдік липидтері екі класқа бөлінеді:

• түзу (немесе сәл тармақталған) тізбегі бар молекулалардан тұратын қосылыстар;
• алициклді және алифатты қатарлардың изопреноидтық бірліктеріне негізделген қосылыстар.

Екі класқа жататын элементтерден тұратын қосылыстар бар, мысалы, балауыз. Балауыз молекулалары жоғары қаныққан немесе қанықпаған май қышқылдарының және циклдік изопреноидты спирттердің – стеролдардың күрделі эфирлері болып табылады.

Мұнай көмірсутектерінің липидті табиғи көздерінің типтік өкілдері келесі қосылыстар болып табылады:

1. C₁₂-C₂₆ құрамды қаныққан және қанықпаған май қышқылдары және гидроксиқышқылдар. Май қышқылдары көміртегі атомдарының жұп санынан тұрады, өйткені олар C₂-ацетат компоненттерінен синтезделеді. Олар триглицеридтердің бөлігі.
2. Табиғи балауыз - майлардан айырмашылығы оның құрамында глицерин жоқ, бірақ жоғары майлы спирттер немесе стеролдар бар.
3. Тізбек соңында карбоксил тобына қарама-қарсы метил алмастырғыштары бар әлсіз тармақталған қышқылдар, мысалы, изо- және антеизоқышқылдар.
4. Қызықты заттар суберин мен кутин, олар кіредіөсімдіктердің әртүрлі бөліктері. Олар полимерленген байланысқан май қышқылдары мен спирттерден түзіледі. Бұл қосылыстар алифаттық тізбектерді биологиялық тотығудан қорғайтын ферменттік және микробтық шабуылға төзімді.

Relic және конверсияланған көмірсутектер

Барлық мұнай көмірсутектері екі топқа бөлінеді:

1. Трансформацияланған - бастапқы биоорганикалық молекулаларға тән құрылымдық ерекшеліктерін жоғалтқан.
2. Реликт немесе химофоссилдер - бұл көмірсутектер бастапқы биомассада болғанына немесе басқа заттардан кейін түзілгеніне қарамастан, бастапқы молекулалар құрылымының тән белгілерін сақтайтын көмірсутектер.

Мұнай құрайтын реликті көмірсутектер екі топқа бөлінеді:

• изопреноидты түрі - алициклды және алифатты құрылым, бір молекуладағы бес циклге дейін;
• изопреноидты емес - негізінен n-алкил немесе жеңіл тармақталған тізбектері бар алифатты қосылыстар.

Изопреноидты құрылымның реликтері изопреноидты еместерге қарағанда әлдеқайда көп.

500-ден астам реликті мұнай көмірсутектері анықталды және олардың саны жыл сайын артып келеді.