Idrocarburi petroliferi: componenti, composizione, struttura

2024 Autore: Angel Austin | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 05:31

Gli idrocarburi sono il componente più importante di qualsiasi olio. La concentrazione di idrocarburi naturali nei diversi tipi di petrolio non è la stessa: da 100 (gas di condensato) al 30%. In media, gli idrocarburi costituiscono il 70% della massa di questo carburante.

Idrocarburi sott'olio

Nella composizione degli oli sono stati individuati circa 700 idrocarburi di particolare struttura. Tutti loro sono diversi per composizione e struttura, ma allo stesso tempo memorizzano informazioni sulla composizione e struttura delle sostanze che costituiscono la base dei lipidi di antichi batteri, alghe e piante superiori.

La composizione idrocarburica del petrolio comprende:

1. Paraffine.
2. Naftene (cicloalcani).
3. Idrocarburi aromatici (areni).

Alcani (idrocarburi alifatici saturi)

Gli alcani sono gli idrocarburi più importanti e ben studiati di qualsiasi olio. La composizione dell'olio comprende idrocarburi alcani da C₁ a C₁₀₀. Il loro numero varia dal 20 al 60% e dipende dal tipo di olio. Come il molecolarefrazione di massa, la concentrazione di alcani è ridotta in tutti i tipi.

Se gli idrocarburi ciclici di diverse strutture sono ugualmente comuni nel petrolio, allora le strutture di una certa struttura di solito predominano tra gli alcani. Inoltre, la struttura, di regola, non dipende dal peso molecolare. Ciò significa che in diversi tipi di olio esistono alcune serie omologhe di alcani: alcani di struttura normale, monometil-sostituiti con diverse posizioni del gruppo metilico, meno spesso - alcani di- e trimetil-sostituiti, nonché tetrametilalcani del tipo isoprenoide. Gli alcani di struttura caratteristica costituiscono quasi il 90% della massa totale degli alcani oleosi. Questo fatto permette un buon studio degli alcani in varie frazioni petrolifere, comprese quelle altobollenti.

Alcani di diverse frazioni

A temperature da 50 a 150 °C, viene rilasciata la frazione I, che include alcani con un numero di atomi di carbonio da 5 a 11. Gli alcani hanno isomeri:

• pentano - 3;
• esano – 5;
• eptano – 9;
• ottano - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecano – 159.

Pertanto, la frazione I può teoricamente includere circa 300 idrocarburi. Naturalmente, non tutti gli isomeri sono presenti nell'olio, ma il loro numero è elevato.

La figura mostra un cromatogramma di alcani C₅ – C₁₁ di petrolio dal campo di Surgut, dove ogni picco corrisponde a una certa sostanza.

A una temperatura di 200-430 °С, gli alcani della frazione II di composizione С₁₂ – С₂₇ sono isolati. La figura mostracromatogramma degli alcani della frazione II. Il cromatogramma mostra i picchi degli alcani normali e monometil-sostituiti. I numeri indicano la posizione dei sostituenti.

A una temperatura di >430°C, alcani della frazione III di composizione С₂₈ – С₄₀.

Alcani isoprenoidi

Gli alcani isoprenoidi includono idrocarburi ramificati con alternanza regolare di gruppi metilici. Ad esempio, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadecano o 2, 6, 10-trimetilesadecano. Gli alcani isoprenoidi e gli alcani a catena lineare costituiscono la maggior parte della materia prima del petrolio biologico. Naturalmente, ci sono molte più opzioni per gli idrocarburi isoprenoidi.

Gli isoprenoidi sono caratterizzati da omologia e squilibrio, ovvero oli diversi hanno il proprio insieme di questi composti. L'omologia è una conseguenza della distruzione di sorgenti di peso molecolare più elevato. Negli alcani isoprenoidi si possono rilevare "lacune" nelle concentrazioni di qualsiasi omologo. Questa è una conseguenza dell'impossibilità di spezzare la loro catena (la formazione di questo omologo) nel luogo in cui si trovano i sostituenti metilici. Questa funzione viene utilizzata per determinare le fonti di formazione degli isoprenoidi.

Cicloalcani (nafteni)

I nafteni sono idrocarburi ciclici saturi del petrolio. In molti oli predominano su altre classi di idrocarburi. Il loro contenuto può variare dal 25 al 75%. Trovato in tutte le fazioni. Man mano che la frazione diventa più pesante, il loro contenuto aumenta. I nafteni si distinguono per la quantitàcicli in una molecola. I nafteni si dividono in due gruppi: mono e policiclici. I monociclici sono a cinque e sei membri. Gli anelli policiclici possono includere anelli a cinque e sei membri.

Le frazioni a basso punto di ebollizione contengono prevalentemente derivati alchilici di cicloesano e ciclopentano, con derivati metilici che predominano nelle frazioni di benzina.

I nafteni policiclici si trovano principalmente nelle frazioni di olio che evaporano a temperature superiori a 300 °C e il loro contenuto in frazioni di 400-550 °C raggiunge il 70-80%.

Idrocarburi aromatici (areni)

Sono divisi in due gruppi:

1. Idrocarburi alchilaromatici contenenti solo anelli aromatici e sostituenti alchilici. Questi includono alchilbenzeni, alchilnaftaleni, alchilfenantreni, alchilcrisepi e alchilpiceni.
2. Idrocarburi a struttura mista, contenenti anelli sia aromatici (insaturi) che naftenici (limitanti). Tra questi si distinguono:

• idrocarburi monoaromatici - indani, di-, tri- e tetranaftenobenzeni;
• idrocarburi diaromatici - mono- e dinaftenoftaleni;
• idrocarburi con tre o più anelli aromatici - naftenofenantreni.

Significato tecnico della composizione idrocarburica del petrolio

La composizione delle sostanze influisce in modo significativo sulla qualità dell'olio.

1. Paraffine:

• Le paraffine normali (non ramificate) hanno un basso numero di ottani e punti di scorrimento elevati. Pertanto, nelnel processo di lavorazione vengono convertiti in idrocarburi di altri gruppi.
• Le isoparaffine (ramificate) hanno un numero di ottano elevato, ovvero elevate proprietà antidetonanti (l'isoottano è un composto di riferimento con un numero di ottano di 100), nonché punti di scorrimento bassi rispetto alle paraffine normali.

2. I nafteni (cicloparaffine) insieme alle isoparaffine hanno un effetto positivo sulla qualità del carburante diesel e degli oli lubrificanti. Il loro alto contenuto nella frazione di benzina pesante porta a un'elevata resa e un numero di ottano elevato dei prodotti.

3. Gli idrocarburi aromatici peggiorano le proprietà ambientali del carburante, ma hanno un numero di ottano elevato. Pertanto, durante la raffinazione del petrolio, altri gruppi di idrocarburi vengono convertiti in idrocarburi aromatici, ma la loro quantità, principalmente benzene, nel carburante è rigorosamente regolata.

Metodi per studiare la composizione idrocarburica del petrolio

A fini tecnici, è sufficiente stabilire la composizione dell'olio in base al contenuto di alcune classi di idrocarburi in esso contenuti. La composizione frazionaria del petrolio è importante per scegliere la direzione della raffinazione del petrolio.

Per determinare la composizione del gruppo di olio, vengono utilizzati vari metodi:

• Chimica significa realizzare una reazione (nitrazione o solfonazione) dell'interazione di un reagente con una certa classe di idrocarburi (alcheni o areni). Modificando il volume o la quantità dei prodotti di reazione risultanti, si valuta il contenuto della determinata classe di idrocarburi
• Fisico-chimico include l'estrazione e l'adsorbimento. Ecco come vengono estratti gli arenianidride solforosa, anilina o dimetil solfato, seguito dall'adsorbimento di questi idrocarburi su gel di silice.
• Fisico include la determinazione delle proprietà ottiche.
• Combinato: il più accurato e il più comune. Combina due metodi qualsiasi. Ad esempio, la rimozione degli areni con metodi chimici o fisico-chimici e la misurazione delle proprietà fisiche dell'olio prima e dopo la loro rimozione.

A fini scientifici, è importante determinare esattamente quali idrocarburi sono presenti o predominanti nel petrolio.

Per identificare singole molecole di idrocarburi, viene utilizzata la cromatografia gas-liquido utilizzando colonne capillari e controllo della temperatura, cromatografia-spettrometria di massa con elaborazione computerizzata e costruzione di cromatogrammi per singoli frammenti di ioni caratteristici (frammentazione di massa o cromatografia di massa). Vengono utilizzati anche gli spettri NMR sui nuclei ¹³C.

Gli schemi moderni per analizzare la composizione degli idrocarburi petroliferi includono la separazione preliminare in due o tre frazioni con diversi punti di ebollizione. Successivamente, ciascuna delle frazioni viene separata in idrocarburi saturi (paraffina-naftenici) e aromatici mediante cromatografia liquida su gel di silice. Successivamente, gli idrocarburi aromatici dovrebbero essere separati in mono, bi e poliaromatici mediante cromatografia liquida utilizzando ossido di alluminio.

Fonti di idrocarburi

Le fonti naturali di idrocarburi di petrolio e gas sono molecole bioorganiche di vari composti, principalmente i loro componenti lipidici. Immipuò essere:

• lipidi vegetali più elevati,
• alghe,
• fitoplancton,
• zooplancton,
• batteri, in particolare i lipidi della membrana cellulare.

Le componenti lipidiche delle piante sono molto simili nella composizione chimica, tuttavia alcune variazioni delle molecole consentono di determinare la partecipazione predominante di determinate sostanze alla formazione di questo olio.

Tutti i lipidi vegetali sono divisi in due classi:

• composti costituiti da molecole a catena diritta (o leggermente ramificata);
• composti basati su unità isoprenoidi di serie alicicliche e alifatiche.

Ci sono composti costituiti da elementi appartenenti a entrambe le classi, come la cera. Le molecole di cera sono esteri di acidi grassi saturi o insaturi superiori e alcoli isoprenoidi ciclici - steroli.

I rappresentanti tipici delle fonti naturali lipidiche di idrocarburi petroliferi sono i seguenti composti:

1. Acidi grassi saturi e insaturi di composizione C₁₂-C₂₆ e idrossiacidi. Gli acidi grassi sono costituiti da un numero pari di atomi di carbonio, poiché sono sintetizzati da componenti C₂-acetato. Fanno parte dei trigliceridi.
2. Cera naturale - a differenza dei grassi, non contiene glicerolo, ma alcoli grassi superiori o steroli.
3. Acidi debolmente ramificati aventi sostituenti metilici all'estremità della catena opposta al gruppo carbossilico, ad esempio iso- e antiisoacidi.
4. Le sostanze interessanti sono la suberina e la cutina, che sono incluse indiverse parti delle piante. Sono formati da acidi grassi e alcoli legati polimerizzati. Questi composti sono resistenti all'attacco enzimatico e microbico, che protegge le catene alifatiche dall'ossidazione biologica.

Idrocarburi relitti e convertiti

Tutti gli idrocarburi petroliferi sono divisi in due gruppi:

1. Trasformato - avendo perso le caratteristiche strutturali caratteristiche delle molecole bioorganiche originali.
2. Reliquia, o chemofossili - quegli idrocarburi che hanno mantenuto le caratteristiche della struttura delle molecole originarie, indipendentemente dal fatto che questi idrocarburi fossero nella biomassa originaria o si fossero formati successivamente da altre sostanze.

Gli idrocarburi reliquiari che compongono il petrolio sono divisi in due gruppi:

• tipo isoprenoide - struttura aliciclica e alifatica, con un massimo di cinque cicli in una molecola;
• non isoprenoidi - composti principalmente alifatici aventi catene n-alchiliche o leggermente ramificate.

Le reliquie della struttura isoprenoide sono molto più numerose di quelle non isoprenoidi.

Sono stati identificati oltre 500 idrocarburi relitti di petrolio e il loro numero aumenta ogni anno.