Ölkohlenwasserstoffe: Bestandteile, Zusammensetzung, Struktur

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Kohlenwasserstoffe sind der wichtigste Bestandteil eines jeden Öls. Die Konzentration natürlicher Kohlenwasserstoffe in verschiedenen Ölsorten ist nicht gleich: von 100 (Gaskondensat) bis 30 %. Im Durchschnitt machen Kohlenwasserstoffe 70 % der Masse dieses Kraftstoffs aus.

Kohlenwasserstoffe in Öl

Ungefähr 700 Kohlenwasserstoffe mit einer besonderen Struktur wurden in der Zusammensetzung von Ölen identifiziert. Sie alle sind vielfältig in Zusammensetzung und Struktur, speichern aber gleichzeitig Informationen über die Zusammensetzung und Struktur von Substanzen, die die Grundlage von Lipiden ur alter Bakterien, Algen und höherer Pflanzen bilden.

Die Kohlenwasserstoffzusammensetzung von Öl umfasst:

1. Paraffine.
2. Naphthene (Cycloalkane).
3. Aromaten (Arene).

Alkane (aliphatische gesättigte Kohlenwasserstoffe)

Alkane sind die wichtigsten und am besten untersuchten Kohlenwasserstoffe aller Öle. Die Zusammensetzung des Öls umfasst Kohlenwasserstoffe, Alkane von C₁ bis C₁₀₀. Ihre Anzahl liegt zwischen 20 und 60 % und hängt von der Ölsorte ab. Als MolekularMassenanteil, die Konzentration an Alkanen ist bei allen Typen reduziert.

Wenn cyclische Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Struktur gleich häufig im Öl vorkommen, dann überwiegen bei den Alkanen meist Strukturen einer bestimmten Struktur. Darüber hinaus hängt die Struktur in der Regel nicht vom Molekulargewicht ab. Dies bedeutet, dass es in verschiedenen Ölsorten bestimmte homologe Reihen von Alkanen gibt: Alkane mit normaler Struktur, monomethyl-substituiert mit unterschiedlichen Positionen der Methylgruppe, seltener - di- und trimethyl-substituierte Alkane sowie Tetramethylalkane isoprenoider Typ. Alkane mit charakteristischer Struktur machen fast 90 % der Gesamtmasse der Ölalkane aus. Diese Tatsache ermöglicht eine gute Untersuchung von Alkanen in verschiedenen Ölfraktionen, einschließlich hochsiedender.

Alkane verschiedener Fraktionen

Bei Temperaturen von 50 bis 150 °C wird Fraktion I freigesetzt, die Alkane mit der Anzahl der Kohlenstoffatome von 5 bis 11 enthält. Alkane haben Isomere:

• Pentan - 3;
• Hexan – 5;
• Heptan – 9;
• Oktan - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Daher kann Fraktion I theoretisch etwa 300 Kohlenwasserstoffe enth alten. Natürlich sind nicht alle Isomere im Öl vorhanden, aber ihre Zahl ist groß.

Die Abbildung zeigt ein Chromatogramm der Alkane C5 _{– C}11 _{von Öl aus dem Feld Surgut, wobei jeder Peak einer bestimmten Substanz entspricht.}

Bei einer Temperatur von 200-430 °С werden Alkane der Fraktion II der Zusammensetzung С₁₂ – С₂₇ isoliert. Die Abbildung zeigtChromatogramm der Alkane der Fraktion II. Das Chromatogramm zeigt die Peaks von normalen und monomethylsubstituierten Alkanen. Die Zahlen geben die Position der Substituenten an.

Bei einer Temperatur von >430°C, Alkane der Fraktion III der Zusammensetzung С28 _{– С}40.

Isoprenoide Alkane

Isoprenoid-Alkane umfassen verzweigte Kohlenwasserstoffe mit regelmäßig wechselnden Methylgruppen. Beispielsweise 2,6,10,14-Tetramethylpentadecan oder 2,6,10-Trimethylhexadecan. Isoprenoidalkane und geradkettige Alkane machen den Großteil des biologischen Erdölrohstoffs aus. Natürlich gibt es noch viele weitere Möglichkeiten für isoprenoide Kohlenwasserstoffe.

Isoprenoide zeichnen sich durch Homologie und Ungleichgewicht aus, d. h. verschiedene Öle haben ihren eigenen Satz dieser Verbindungen. Homologie ist eine Folge der Zerstörung von Quellen mit höherem Molekulargewicht. Bei isoprenoiden Alkanen lassen sich „Lücken“in den Konzentrationen eventueller Homologer nachweisen. Dies ist eine Folge der Unmöglichkeit, ihre Kette (die Bildung dieses Homologs) an der Stelle zu brechen, an der sich die Methylsubstituenten befinden. Diese Funktion wird verwendet, um die Quellen der Isoprenoidbildung zu bestimmen.

Cycloalkane (Naphthene)

Naphthene sind gesättigte zyklische Kohlenwasserstoffe des Öls. In vielen Ölen überwiegen sie gegenüber anderen Klassen von Kohlenwasserstoffen. Ihr Geh alt kann zwischen 25 und 75 % variieren. In allen Fraktionen zu finden. Wenn die Fraktion schwerer wird, nimmt ihr Geh alt zu. Naphthene werden durch die Menge unterschiedenZyklen in einem Molekül. Naphthene werden in zwei Gruppen eingeteilt: mono- und polyzyklisch. Monocyclisch sind fünf- und sechsgliedrig. Polycyclische Ringe können sowohl fünf- als auch sechsgliedrige Ringe umfassen.

Leichtsieder enth alten überwiegend Alkylderivate von Cyclohexan und Cyclopentan, in Benzinfraktionen überwiegen Methylderivate.

Polyzyklische Naphthene werden hauptsächlich in Ölfraktionen gefunden, die bei Temperaturen über 300 °C verdampfen, und ihr Geh alt in Fraktionen von 400-550 °C erreicht 70-80 %.

Aromaten (Arene)

Sie werden in zwei Gruppen eingeteilt:

1. Alkylaromatische Kohlenwasserstoffe, die nur aromatische Ringe und Alkylsubstituenten enth alten. Dazu gehören Alkylbenzole, Alkylnaphthaline, Alkylphenanthrene, Alkylchrysepen und Alkylpicene.
2. Kohlenwasserstoffe eines gemischten Strukturtyps, die sowohl aromatische (ungesättigte) als auch naphthenische (begrenzende) Ringe enth alten. Darunter werden unterschieden:

• monoaromatische Kohlenwasserstoffe - Indane, Di-, Tri- und Tetranaphthenobenzole;
• diaromatische Kohlenwasserstoffe - Mono- und Dinaphthenonaphthalene;
• Kohlenwasserstoffe mit drei oder mehr aromatischen Ringen - Naphthenophenanthrene.

Technische Bedeutung der Kohlenwasserstoffzusammensetzung von Öl

Die Zusammensetzung der Stoffe beeinflusst maßgeblich die Qualität des Öls.

1. Paraffine:

• Normale Paraffine (unverzweigt) haben eine niedrige Oktanzahl und hohe Pourpoints. Daher einbei der Verarbeitung werden sie in Kohlenwasserstoffe anderer Gruppen umgewandelt.
• Isoparaffine (verzweigt) haben eine hohe Oktanzahl, d.h. hohe Klopfeigenschaften (Isooctan ist eine Referenzverbindung mit einer Oktanzahl von 100), sowie niedrige Pourpoints im Vergleich zu Normalparaffinen.

2. Naphthene (Cycloparaffine) wirken sich zusammen mit Isoparaffinen positiv auf die Qualität von Dieselkraftstoff und Schmierölen aus. Ihr hoher Geh alt in der Schwerbenzinfraktion führt zu einer hohen Ausbeute und hohen Oktanzahl der Produkte.

3. Aromatische Kohlenwasserstoffe verschlechtern die Umwelteigenschaften des Kraftstoffs, haben aber eine hohe Oktanzahl. Daher werden während der Ölraffination andere Gruppen von Kohlenwasserstoffen in aromatische umgewandelt, aber ihre Menge, hauptsächlich Benzol, im Kraftstoff ist streng reguliert.

Methoden zur Untersuchung der Kohlenwasserstoffzusammensetzung von Öl

Für technische Zwecke reicht es aus, die Zusammensetzung des Öls anhand des Geh alts an bestimmten Klassen von Kohlenwasserstoffen festzustellen. Die Fraktionszusammensetzung des Öls ist wichtig für die Wahl der Richtung der Ölraffination.

Um die Gruppenzusammensetzung von Öl zu bestimmen, werden verschiedene Methoden angewendet:

• Chemisch bedeutet die Durchführung einer Reaktion (Nitrierung oder Sulfonierung) der Wechselwirkung eines Reagenzes mit einer bestimmten Klasse von Kohlenwasserstoffen (Alkene oder Arene). Durch Veränderung des Volumens oder der Menge der entstehenden Reaktionsprodukte wird der Geh alt der bestimmten Kohlenwasserstoffklasse beurteilt.
• Physiko-chemisch beinh alten Extraktion und Adsorption. So werden Arene extrahiertSchwefeldioxid, Anilin oder Dimethylsulfat, gefolgt von Adsorption dieser Kohlenwasserstoffe an Kieselgel.
• Physical umfasst die Bestimmung optischer Eigenschaften.
• Combined - die genaueste und gebräuchlichste. Kombiniere zwei beliebige Methoden. Zum Beispiel die Entfernung von Arenen durch chemische oder physikalisch-chemische Methoden und die Messung der physikalischen Eigenschaften von Öl vor und nach ihrer Entfernung.

Für wissenschaftliche Zwecke ist es wichtig, genau zu bestimmen, welche Kohlenwasserstoffe im Öl vorhanden oder vorherrschend sind.

Um einzelne Moleküle von Kohlenwasserstoffen zu identifizieren, wird Gas-Flüssigkeits-Chromatographie unter Verwendung von Kapillarsäulen und Temperaturkontrolle, Chromatographie-Massenspektrometrie mit Computerverarbeitung und Chromatogrammaufbau für einzelne charakteristische Fragmentionen (Massenfragmentographie oder Massenchromatographie) verwendet. NMR-Spektren der Kerne ¹³C.

werden ebenfalls verwendet

Moderne Schemata zur Analyse der Zusammensetzung von Ölkohlenwasserstoffen beinh alten eine vorläufige Trennung in zwei oder drei Fraktionen mit unterschiedlichen Siedepunkten. Danach wird jede der Fraktionen mittels Flüssigkeitschromatographie an Kieselgel in gesättigte (paraffin-naphthenische) und aromatische Kohlenwasserstoffe aufgetrennt. Als nächstes sollten aromatische Kohlenwasserstoffe mittels Flüssigkeitschromatographie unter Verwendung von Aluminiumoxid in Mono-, Bi- und Polyaromaten getrennt werden.

Kohlenwasserstoffquellen

Natürliche Quellen von Öl- und Gaskohlenwasserstoffen sind bioorganische Moleküle verschiedener Verbindungen, hauptsächlich ihre Lipidkomponenten. Imikann sein:

• höhere Pflanzenlipide,
• Algen,
• Phytoplankton,
• Zooplankton,
• Bakterien, insbesondere Zellmembranlipide.

Die Lipidbestandteile von Pflanzen sind sich in ihrer chemischen Zusammensetzung sehr ähnlich, jedoch erlauben bestimmte Variationen der Moleküle die Bestimmung der überwiegenden Beteiligung bestimmter Substanzen an der Bildung dieses Öls.

Alle Pflanzenlipide werden in zwei Klassen eingeteilt:

• Verbindungen, die aus Molekülen mit einer geraden (oder leicht verzweigten) Kette bestehen;
• Verbindungen basierend auf isoprenoiden Einheiten der alicyclischen und aliphatischen Reihe.

Es gibt Verbindungen, die aus Elementen beider Klassen bestehen, wie zum Beispiel Wachs. Wachsmoleküle sind Ester von höheren gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren und cyclischen Isoprenoidalkoholen - Sterinen.

Typische Vertreter fetth altiger natürlicher Quellen von Erdölkohlenwasserstoffen sind die folgenden Verbindungen:

1. Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren der Zusammensetzung C₁₂-C₂₆ und Hydroxysäuren. Fettsäuren bestehen aus einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen, da sie aus C₂-Acetatbausteinen aufgebaut sind. Sie sind Teil der Triglyceride.
2. Natürliches Wachs - enthält im Gegensatz zu Fetten kein Glycerin, sondern höhere Fettalkohole oder Sterole.
3. Schwach verzweigte Säuren mit Methylsubstituenten am der Carboxylgruppe gegenüberliegenden Kettenende, z. B. Iso- und Anteisosäuren.
4. Interessante Substanzen sind Suberin und Cutin, die in enth alten sindverschiedene Pflanzenteile. Sie werden durch polymerisierte gebundene Fettsäuren und Alkohole gebildet. Diese Verbindungen sind resistent gegen enzymatische und mikrobielle Angriffe, wodurch aliphatische Ketten vor biologischer Oxidation geschützt werden.

Relikte und umgewandelte Kohlenwasserstoffe

Alle Ölkohlenwasserstoffe werden in zwei Gruppen eingeteilt:

1. Transformiert - nachdem die für die ursprünglichen bioorganischen Moleküle charakteristischen Strukturmerkmale verloren gegangen sind.
2. Relikte oder Chemofossilien - jene Kohlenwasserstoffe, die die charakteristischen Merkmale der Struktur der ursprünglichen Moleküle beibeh alten haben, unabhängig davon, ob diese Kohlenwasserstoffe in der ursprünglichen Biomasse enth alten waren oder später aus anderen Substanzen gebildet wurden.

Relic-Kohlenwasserstoffe, aus denen Öl besteht, werden in zwei Gruppen eingeteilt:

• Isoprenoid-Typ - alicyclische und aliphatische Struktur mit bis zu fünf Zyklen in einem Molekül;
• Nicht-Isoprenoid - meist aliphatische Verbindungen mit n-Alkyl- oder leicht verzweigten Ketten.

Relikte isoprenoider Strukturen sind viel zahlreicher als nicht-isoprenoide.

Über 500 Reliktöl-Kohlenwasserstoffe wurden identifiziert, und ihre Zahl nimmt jedes Jahr zu.