Hidrocarbonetos de petróleo: componentes, composição, estrutura

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 05:39

Os hidrocarbonetos são o componente mais importante de qualquer óleo. A concentração de hidrocarbonetos naturais em diferentes tipos de óleo não é a mesma: de 100 (condensado de gás) a 30%. Em média, os hidrocarbonetos representam 70% da massa desse combustível.

Hidrocarbonetos no óleo

Cerca de 700 hidrocarbonetos de estrutura peculiar foram identificados na composição dos óleos. Todos eles são diversos em composição e estrutura, mas ao mesmo tempo armazenam informações sobre a composição e estrutura de substâncias que formam a base de lipídios de antigas bactérias, algas e plantas superiores.

A composição de hidrocarbonetos do óleo inclui:

1. Parafinas.
2. Naftenos (cicloalcanos).
3. Hidrocarbonetos aromáticos (arenos).

Alcanos (hidrocarbonetos alifáticos saturados)

Alcanos são os hidrocarbonetos mais importantes e bem estudados de qualquer óleo. A composição do óleo inclui hidrocarbonetos alcanos de C₁ a C₁₀₀. Seu número varia de 20 a 60% e depende do tipo de óleo. Como o molecularfração de massa, a concentração de alcanos é reduzida em todos os tipos.

Se hidrocarbonetos cíclicos de diferentes estruturas são igualmente comuns no petróleo, então estruturas de uma certa estrutura geralmente predominam entre os alcanos. Além disso, a estrutura, via de regra, não depende do peso molecular. Isso significa que em diferentes tipos de óleo existem certas séries homólogas de alcanos: alcanos de estrutura normal, monometil-substituídos com diferentes posições do grupo metil, menos frequentemente - alcanos substituídos por di e trimetil, bem como tetrametilalcanos do grupo metil. tipo isoprenóide. Alcanos de uma estrutura característica compõem quase 90% da massa total de alcanos de óleo. Este fato permite um bom estudo de alcanos em várias frações de óleo, incluindo as de alto ponto de ebulição.

Alcanos de diferentes frações

Em temperaturas de 50 a 150 °C, a fração I é liberada, que inclui alcanos com número de átomos de carbono de 5 a 11. Os alcanos possuem isômeros:

• pentano - 3;
• hexano – 5;
• heptano – 9;
• octano - 18;
• nonan - 35;
• Dean – 75;
• undecan – 159.

Portanto, a fração I pode teoricamente incluir cerca de 300 hidrocarbonetos. É claro que nem todos os isômeros estão presentes no petróleo, mas seu número é grande.

A figura mostra um cromatograma de alcanos C₅ – C₁₁ de óleo do campo Surgut, onde cada pico corresponde a uma determinada substância.

A uma temperatura de 200-430 °С, alcanos da fração II de composição С₁₂ – С₂₇ são isolados. A figura mostracromatograma de alcanos da fração II. O cromatograma mostra os picos de alcanos normais e monometil-substituídos. Os números indicam a posição dos substituintes.

A uma temperatura de >430°C, alcanos da fração III de composição С₂₈ – С₄₀.

Alcanos isoprenóides

Alcanos isoprenóides incluem hidrocarbonetos ramificados com alternância regular de grupos metil. Por exemplo, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadecano ou 2, 6, 10-trimetilhexadecano. Alcanos isoprenóides e alcanos de cadeia linear compõem a maioria da matéria-prima de petróleo biológico. Claro, existem muitas outras opções para hidrocarbonetos isoprenóides.

Isoprenóides são caracterizados por homologia e desequilíbrio, ou seja, diferentes óleos possuem seu próprio conjunto desses compostos. A homologia é uma consequência da destruição de fontes de maior peso molecular. Em alcanos isoprenóides, "lacunas" nas concentrações de quaisquer homólogos podem ser detectadas. Isso é consequência da impossibilidade de quebrar sua cadeia (a formação desse homólogo) no local onde os substituintes metila estão localizados. Este recurso é usado para determinar as fontes de formação de isoprenóides.

Cicloalcanos (naftenos)

Naftenos são hidrocarbonetos cíclicos saturados do petróleo. Em muitos óleos, eles predominam sobre outras classes de hidrocarbonetos. Seu conteúdo pode variar de 25 a 75%. Encontrado em todas as facções. À medida que a fração se torna mais pesada, seu conteúdo aumenta. Os naftenos distinguem-se pela quantidadeciclos em uma molécula. Os naftenos são divididos em dois grupos: mono e policíclicos. Monocíclicos são de cinco e seis membros. Anéis policíclicos podem incluir anéis de cinco e seis membros.

As frações de baixo ponto de ebulição contêm predominantemente derivados de alquila de ciclohexano e ciclopentano, com derivados de metila predominando nas frações de gasolina.

Naftenos policíclicos são encontrados principalmente em frações de óleo que evaporam em temperaturas acima de 300 °C, e seu teor em frações de 400-550 °C atinge 70-80%.

Hidrocarbonetos aromáticos (arenos)

Eles são divididos em dois grupos:

1. Hidrocarbonetos alquilaromáticos contendo apenas anéis aromáticos e substituintes alquila. Estes incluem alquilbenzenos, alquilnaftalenos, alquilfenantrenos, alquilcrisepes e alquilpicenos.
2. Hidrocarbonetos de tipo misto de estrutura, contendo anéis aromáticos (insaturados) e naftênicos (limitantes). Entre eles destacam-se:

• hidrocarbonetos monoaromáticos - indanos, di-, tri- e tetranaftenobenzenos;
• hidrocarbonetos diaromáticos - mono- e dinaftenonaftalenos;
• hidrocarbonetos com três ou mais anéis aromáticos - naftenofenantrenos.

Significação técnica da composição de hidrocarbonetos do óleo

A composição das substâncias afeta significativamente a qualidade do óleo.

1. Parafinas:

• Parafinas normais (não ramificadas) têm um baixo índice de octanas e altos pontos de fluidez. Portanto, emno processo de processamento são convertidos em hidrocarbonetos de outros grupos.
• Isoparafinas (ramificadas) têm um alto índice de octanas, ou seja, altas propriedades antidetonantes (isooctano é um composto de referência com um índice de octano de 100), bem como pontos de fluidez baixos em comparação com parafinas normais.

2. Os naftenos (cicloparafinas) juntamente com as isoparafinas têm um efeito positivo na qualidade do óleo diesel e dos óleos lubrificantes. Seu alto teor na fração de gasolina pesada leva a um alto rendimento e alto índice de octanagem dos produtos.

3. Os hidrocarbonetos aromáticos pioram as propriedades ambientais do combustível, mas têm um alto índice de octanas. Portanto, durante o refino de petróleo, outros grupos de hidrocarbonetos são convertidos em aromáticos, mas sua quantidade, principalmente benzeno, no combustível é estritamente regulada.

Métodos para estudar a composição de hidrocarbonetos do petróleo

Para fins técnicos, é suficiente estabelecer a composição do óleo pelo conteúdo de certas classes de hidrocarbonetos nele. A composição fracionária do petróleo é importante para a escolha da direção do refino do petróleo.

Para determinar a composição do grupo de óleo, vários métodos são usados:

• Químico significa realizar uma reação (nitração ou sulfonação) da interação de um reagente com uma determinada classe de hidrocarbonetos (alcenos ou arenos). Alterando o volume ou a quantidade dos produtos de reação resultantes, o conteúdo da determinada classe de hidrocarbonetos é julgado.
• Físico-químicos incluem extração e adsorção. É assim que os arenos são extraídosdióxido de enxofre, anilina ou sulfato de dimetilo, seguido de adsorção desses hidrocarbonetos em sílica gel.
• Física inclui a determinação de propriedades ópticas.
• Combined - o mais preciso e mais comum. Combine quaisquer dois métodos. Por exemplo, a remoção de arenos por métodos químicos ou físico-químicos e a medição das propriedades físicas do óleo antes e depois de sua remoção.

Para fins científicos, é importante determinar exatamente quais hidrocarbonetos estão presentes ou predominantes no petróleo.

Para identificar moléculas individuais de hidrocarbonetos, a cromatografia gás-líquido é usada usando colunas capilares e controle de temperatura, cromatografia-espectrometria de massa com processamento computacional e construção de cromatograma para íons de fragmentos característicos individuais (fragmentação de massa ou cromatografia de massa). Espectros de RMN nos núcleos ¹³C.

também são usados

Esquemas modernos para analisar a composição de hidrocarbonetos de petróleo incluem a separação preliminar em duas ou três frações com diferentes pontos de ebulição. Em seguida, cada uma das frações é separada em hidrocarbonetos saturados (parafina-naftênicos) e aromáticos por cromatografia líquida em sílica gel. Em seguida, os hidrocarbonetos aromáticos devem ser separados em mono-, bi- e poliaromáticos usando cromatografia líquida usando óxido de alumínio.

Fontes de hidrocarbonetos

Fontes naturais de hidrocarbonetos de petróleo e gás são moléculas bioorgânicas de vários compostos, principalmente seus componentes lipídicos. Imipode ser:

• lípidos vegetais superiores,
• alga,
• fitoplâncton,
• zooplâncton,
• bactérias, especialmente lipídios da membrana celular.

Os componentes lipídicos das plantas são muito semelhantes na composição química, porém, certas variações das moléculas permitem determinar a participação predominante de certas substâncias na formação desse óleo.

Todos os lipídios vegetais são divididos em duas classes:

• compostos que consistem em moléculas com uma cadeia reta (ou levemente ramificada);
• compostos baseados em unidades isoprenóides de séries alicíclicas e alifáticas.

Existem compostos constituídos por elementos pertencentes a ambas as classes, como a cera. Moléculas de cera são ésteres de ácidos graxos saturados ou insaturados mais elevados e álcoois isoprenóides cíclicos - esteróis.

Representantes típicos de fontes naturais lipídicas de hidrocarbonetos de petróleo são os seguintes compostos:

1. Ácidos graxos saturados e insaturados de composição C₁₂-C₂₆ e hidroxiácidos. Os ácidos graxos são compostos por um número par de átomos de carbono, pois são sintetizados a partir de componentes C₂-acetato. Eles fazem parte dos triglicerídeos.
2. Cera natural - ao contrário das gorduras, não contém glicerol, mas álcoois gordos superiores ou esteróis.
3. Ácidos fracamente ramificados com substituintes metila na extremidade da cadeia oposta ao grupo carboxila, por exemplo, iso e antiisoácidos.
4. Substâncias interessantes são a suberina e a cutina, que estão incluídas nodiferentes partes das plantas. Eles são formados por ácidos graxos e álcoois ligados polimerizados. Esses compostos são resistentes ao ataque enzimático e microbiano, o que protege as cadeias alifáticas da oxidação biológica.

Relíquia e hidrocarbonetos convertidos

Todos os hidrocarbonetos de petróleo são divididos em dois grupos:

1. Transformado - tendo perdido as características estruturais características das moléculas bioorgânicas originais.
2. Relíquia, ou quimiofósseis - aqueles hidrocarbonetos que mantiveram as características da estrutura das moléculas originais, independentemente de esses hidrocarbonetos estarem na biomassa original ou se formados posteriormente a partir de outras substâncias.

Os hidrocarbonetos relíquias que compõem o petróleo são divididos em dois grupos:

• tipo isoprenóide - estrutura alicíclica e alifática, com até cinco ciclos em uma molécula;
• não isoprenóides - compostos principalmente alifáticos com n-alquil ou cadeias levemente ramificadas.

Relíquias de estrutura isoprenóide são muito mais numerosas que as não isoprenóides.

Mais de 500 hidrocarbonetos de óleo relíquia foram identificados, e seu número está aumentando a cada ano.