Les hydrocarbures sont le composant le plus important de toute huile. La concentration d'hydrocarbures naturels dans les différents types de pétrole n'est pas la même: de 100 (condensat de gaz) à 30 %. En moyenne, les hydrocarbures représentent 70 % de la masse de ce carburant.
Hydrocarbures dans le pétrole
Environ 700 hydrocarbures de structure particulière ont été identifiés dans la composition des huiles. Tous sont de composition et de structure diverses, mais en même temps, ils stockent des informations sur la composition et la structure des substances qui forment la base des lipides d'anciennes bactéries, algues et plantes supérieures.
La composition en hydrocarbures du pétrole comprend:
- Paraffines.
- Naphtènes (cycloalcanes).
- Hydrocarbures aromatiques (arènes).
Alcanes (hydrocarbures aliphatiques saturés)
Les alcanes sont les hydrocarbures les plus importants et les mieux étudiés de toutes les huiles. La composition de l'huile comprend des hydrocarbures alcanes de C1 à C100. Leur nombre varie de 20 à 60% et dépend du type d'huile. Comme le moléculairefraction massique, la concentration d'alcanes est réduite dans tous les types.
Si les hydrocarbures cycliques de structures différentes sont également communs dans le pétrole, alors les structures d'une certaine structure prédominent généralement parmi les alcanes. De plus, la structure, en règle générale, ne dépend pas du poids moléculaire. Cela signifie que dans différents types d'huiles, il existe certaines séries homologues d'alcanes: alcanes de structure normale, monométhyl-substitués avec différentes positions du groupe méthyle, moins souvent - alcanes di- et triméthyl-substitués, ainsi que tétraméthylalcanes de la type isoprénoïde. Les alcanes de structure caractéristique représentent près de 90% de la masse totale des alcanes pétroliers. Ce fait permet une bonne étude des alcanes dans diverses fractions d'huile, y compris celles à point d'ébullition élevé.
Alcanes de différentes fractions
À des températures de 50 à 150 °C, la fraction I est libérée, qui comprend des alcanes avec le nombre d'atomes de carbone de 5 à 11. Les alcanes ont des isomères:
- pentane - 3;
- hexane – 5;
- heptane – 9;
- octane - 18;
- nonan - 35;
- Dean – 75;
- undécane – 159.
Par conséquent, la fraction I peut théoriquement comprendre environ 300 hydrocarbures. Bien sûr, tous les isomères ne sont pas présents dans l'huile, mais leur nombre est important.
La figure montre un chromatogramme d'alcanes C5 – C11 de pétrole du champ Surgut, où chaque pic correspond à une certaine substance.
À une température de 200-430 °С, les alcanes de la fraction II de composition С12 – С27 sont isolés. La figure montrechromatogramme des alcanes de la fraction II. Le chromatogramme montre les pics d'alcanes normaux et monométhyl-substitués. Les nombres indiquent la position des substituants.
A la température de >430°C, les alcanes de la fraction III de composition С28 – С40.
Alcanes isoprénoïdes
Les alcanes isoprénoïdes comprennent des hydrocarbures ramifiés avec une alternance régulière de groupes méthyle. Par exemple, le 2, 6, 10, 14-tétraméthylpentadécane ou le 2, 6, 10-triméthylhexadécane. Les alcanes isoprénoïdes et les alcanes à chaîne droite constituent la majorité de la matière première pétrolière biologique. Bien sûr, il existe de nombreuses autres options pour les hydrocarbures isoprénoïdes.
Les isoprénoïdes sont caractérisés par l'homologie et le déséquilibre, c'est-à-dire que différentes huiles ont leur propre ensemble de ces composés. L'homologie est une conséquence de la destruction des sources de masse moléculaire plus élevée. Dans les alcanes isoprénoïdes, des "lacunes" dans les concentrations de tout homologue peuvent être détectées. Ceci est une conséquence de l'impossibilité de casser leur chaîne (la formation de cet homologue) à l'endroit où se situent les substituants méthyle. Cette fonction est utilisée pour déterminer les sources de formation d'isoprénoïdes.
Cycloalcanes (naphtènes)
Les naphtènes sont des hydrocarbures cycliques saturés du pétrole. Dans de nombreuses huiles, ils prédominent sur les autres classes d'hydrocarbures. Leur teneur peut varier de 25 à 75 %. Trouvé dans toutes les factions. Au fur et à mesure que la fraction devient plus lourde, leur contenu augmente. Les naphtènes se distinguent par la quantitécycles dans une molécule. Les naphtènes sont divisés en deux groupes: mono- et polycycliques. Les monocycliques sont à cinq et six chaînons. Les cycles polycycliques peuvent comprendre des cycles à cinq et six chaînons.
Les fractions à bas point d'ébullition contiennent principalement des dérivés alkylés du cyclohexane et du cyclopentane, les dérivés méthylés prédominant dans les fractions essence.
Les naphtènes polycycliques se trouvent principalement dans les fractions d'huile qui bouillent à des températures supérieures à 300 °C, et leur teneur dans les fractions de 400 à 550 °C atteint 70 à 80 %.
Hydrocarbures aromatiques (arènes)
Ils sont divisés en deux groupes:
- Hydrocarbures alkylaromatiques ne contenant que des cycles aromatiques et des substituants alkyle. Ceux-ci comprennent les alkylbenzènes, les alkylnaphtalènes, les alkylphénanthrènes, les alkylchrysepes et les alkylpicènes.
- Hydrocarbures à structure mixte, contenant à la fois des cycles aromatiques (insaturés) et naphténiques (limitants). Parmi eux se distinguent:
- hydrocarbures monoaromatiques - indanes, di-, tri- et tétranaphthénobenzènes;
- hydrocarbures diaromatiques - mono- et dinaphténonaphtalènes;
- hydrocarbures à trois noyaux aromatiques ou plus - naphthénophénanthrènes.
Importance technique de la composition en hydrocarbures du pétrole
La composition des substances affecte considérablement la qualité de l'huile.
1. Paraffines:
- Les paraffines normales (non ramifiées) ont un faible indice d'octane et des points d'écoulement élevés. Par conséquent, danslors du traitement, ils sont convertis en hydrocarbures d'autres groupes.
- Les isoparaffines (ramifiées) ont un indice d'octane élevé, c'est-à-dire des propriétés antidétonantes élevées (l'isooctane est un composé de référence avec un indice d'octane de 100), ainsi que des points d'écoulement bas par rapport aux paraffines normales.
2. Les naphtènes (cycloparaffines) ainsi que les isoparaffines ont un effet positif sur la qualité du carburant diesel et des huiles lubrifiantes. Leur teneur élevée dans la fraction essence lourde conduit à des produits à haut rendement et à indice d'octane élevé.
3. Les hydrocarbures aromatiques aggravent les propriétés environnementales du carburant, mais ont un indice d'octane élevé. Par conséquent, lors du raffinage du pétrole, d'autres groupes d'hydrocarbures sont transformés en hydrocarbures aromatiques, mais leur quantité, principalement le benzène, dans le carburant est strictement réglementée.
Méthodes d'étude de la composition en hydrocarbures du pétrole
À des fins techniques, il suffit d'établir la composition du pétrole par la teneur de certaines classes d'hydrocarbures qu'il contient. La composition fractionnaire du pétrole est importante pour choisir la direction du raffinage du pétrole.
Afin de déterminer la composition du groupe d'huile, différentes méthodes sont utilisées:
- Chimique signifie effectuer une réaction (nitration ou sulfonation) de l'interaction d'un réactif avec une certaine classe d'hydrocarbures (alcènes ou arènes). En modifiant le volume ou la quantité des produits de réaction résultants, la teneur de la classe déterminée d'hydrocarbures est jugée.
- Physico-chimique comprend l'extraction et l'adsorption. C'est ainsi que les arènes sont extraitesanhydride sulfureux, aniline ou sulfate de diméthyle, suivi de l'adsorption de ces hydrocarbures sur du gel de silice.
- La physique inclut la détermination des propriétés optiques.
- Combiné - le plus précis et le plus courant. Combinez deux méthodes. Par exemple, l'élimination des arènes par des méthodes chimiques ou physico-chimiques et la mesure des propriétés physiques de l'huile avant et après leur élimination.
À des fins scientifiques, il est important de déterminer exactement quels hydrocarbures sont présents ou prédominants dans le pétrole.
Pour identifier les molécules individuelles d'hydrocarbures, la chromatographie gaz-liquide est utilisée à l'aide de colonnes capillaires et de contrôle de la température, la chromatographie-spectrométrie de masse avec traitement informatique et la construction de chromatogrammes pour les ions fragments caractéristiques individuels (fragmentographie de masse ou chromatographie de masse). Les spectres RMN sur les noyaux 13C.
sont également utilisés
Les schémas modernes d'analyse de la composition des hydrocarbures pétroliers incluent une séparation préliminaire en deux ou trois fractions avec des points d'ébullition différents. Après cela, chacune des fractions est séparée en hydrocarbures saturés (paraffine-naphténique) et aromatiques par chromatographie liquide sur gel de silice. Ensuite, les hydrocarbures aromatiques doivent être séparés en mono-, bi- et polyaromatiques par chromatographie liquide à l'oxyde d'aluminium.
Sources d'hydrocarbures
Les sources naturelles d'hydrocarbures pétroliers et gaziers sont des molécules bioorganiques de divers composés, principalement leurs composants lipidiques. Imipeut être:
- lipides végétaux plus élevés,
- algues,
- phytoplancton,
- zooplancton,
- bactéries, en particulier les lipides des membranes cellulaires.
Les composants lipidiques des plantes sont très similaires en composition chimique, cependant, certaines variations des molécules permettent de déterminer la participation prédominante de certaines substances dans la formation de cette huile.
Tous les lipides végétaux sont divisés en deux classes:
- composés constitués de molécules à chaîne droite (ou légèrement ramifiée);
- composés à base d'unités isoprénoïdes des séries alicycliques et aliphatiques.
Il existe des composés constitués d'éléments appartenant aux deux classes, comme la cire. Les molécules de cire sont des esters d'acides gras saturés ou insaturés supérieurs et d'alcools isoprénoïdes cycliques - stérols.
Les représentants typiques des sources naturelles de lipides d'hydrocarbures pétroliers sont les composés suivants:
- Acides gras saturés et insaturés de composition C12-C26 et hydroxyacides. Les acides gras sont constitués d'un nombre pair d'atomes de carbone, car ils sont synthétisés à partir de composants C2-acétate. Ils font partie des triglycérides.
- Cire naturelle - contrairement aux graisses, elle ne contient pas de glycérol, mais des alcools gras supérieurs ou des stérols.
- Acides faiblement ramifiés ayant des substituants méthyle à l'extrémité de la chaîne opposée au groupe carboxyle, par exemple, iso- et anti-isoacides.
- Les substances intéressantes sont la subérine et la cutine, qui sont incluses dansdifférentes parties des plantes. Ils sont formés par des acides gras et des alcools liés polymérisés. Ces composés sont résistants aux attaques enzymatiques et microbiennes, ce qui protège les chaînes aliphatiques de l'oxydation biologique.
Hydrocarbures reliques et convertis
Tous les hydrocarbures pétroliers sont divisés en deux groupes:
- Transformé - ayant perdu les caractéristiques structurelles caractéristiques des molécules bioorganiques d'origine.
- Relique, ou chimiofossiles - ces hydrocarbures qui ont conservé les caractéristiques de la structure des molécules d'origine, que ces hydrocarbures se trouvaient dans la biomasse d'origine ou se sont formés ultérieurement à partir d'autres substances.
Les hydrocarbures reliques qui composent le pétrole sont divisés en deux groupes:
- type isoprénoïde - structure alicyclique et aliphatique, avec jusqu'à cinq cycles dans une molécule;
- non-isoprénoïde - principalement des composés aliphatiques ayant des chaînes n-alkyle ou légèrement ramifiées.
Les reliques de structure isoprénoïde sont beaucoup plus nombreuses que celles non isoprénoïdes.
Plus de 500 hydrocarbures reliquats de pétrole ont été identifiés, et leur nombre augmente chaque année.
