Los hidrocarburos son el componente más importante de cualquier aceite. La concentración de hidrocarburos naturales en diferentes tipos de aceite no es la misma: desde 100 (gas condensado) hasta 30%. En promedio, los hidrocarburos constituyen el 70% de la masa de este combustible.
Hidrocarburos en el petróleo
Se han identificado unos 700 hidrocarburos de estructura peculiar en la composición de los aceites. Todos ellos son diversos en composición y estructura, pero al mismo tiempo almacenan información sobre la composición y estructura de las sustancias que forman la base de los lípidos de las antiguas bacterias, algas y plantas superiores.
La composición de hidrocarburos del petróleo incluye:
- Parafinas.
- Naftenos (cicloalcanos).
- Hidrocarburos aromáticos (arenos).
Alcanos (hidrocarburos alifáticos saturados)
Los alcanos son los hidrocarburos más importantes y mejor estudiados de cualquier petróleo. La composición del petróleo incluye hidrocarburos alcanos de C1 a C100. Su número oscila entre el 20 y el 60 % y depende del tipo de aceite. como la moléculafracción de masa, la concentración de alcanos se reduce en todos los tipos.
Si los hidrocarburos cíclicos de diferentes estructuras son igualmente comunes en el petróleo, entonces las estructuras de cierta estructura generalmente predominan entre los alcanos. Además, la estructura, por regla general, no depende del peso molecular. Esto significa que en diferentes tipos de aceite hay ciertas series homólogas de alcanos: alcanos de estructura normal, monometil-sustituidos con diferentes posiciones del grupo metilo, con menos frecuencia, alcanos di- y trimetil-sustituidos, así como tetrametilalcanos de la tipo isoprenoide. Los alcanos de estructura característica constituyen casi el 90% de la masa total de los alcanos del petróleo. Este hecho permite un buen estudio de los alcanos en varias fracciones de aceite, incluidas las de alto punto de ebullición.
Alcanos de diferentes fracciones
A temperaturas de 50 a 150 °C, se libera la fracción I, que incluye alcanos con un número de átomos de carbono de 5 a 11. Los alcanos tienen isómeros:
- pentano - 3;
- hexano – 5;
- heptano – 9;
- octano - 18;
- nonan - 35;
- Decano – 75;
- undecan – 159.
Por lo tanto, la fracción I teóricamente puede incluir alrededor de 300 hidrocarburos. Por supuesto, no todos los isómeros están presentes en el aceite, pero su número es grande.
La figura muestra un cromatograma de alcanos C5 – C11 del petróleo del campo de Surgut, donde cada pico corresponde a una determinada sustancia.
A una temperatura de 200-430 °С, se aíslan los alcanos de la fracción II de composición С12 – С27. La figura muestracromatograma de alcanos de la fracción II. El cromatograma muestra los picos de alcanos normales y monometil-sustituidos. Los números indican la posición de los sustituyentes.
A una temperatura de >430°C, alcanos de la fracción III de composición С28 – С40.
Alcanos isoprenoides
Los alcanos isoprenoides incluyen hidrocarburos ramificados con alternancia regular de grupos metilo. Por ejemplo, 2, 6, 10, 14-tetrametilpentadecano o 2, 6, 10-trimetilhexadecano. Los alcanos isoprenoides y los alcanos de cadena lineal constituyen la mayor parte de la materia prima del petróleo biológico. Por supuesto, hay muchas más opciones para los hidrocarburos isoprenoides.
Los isoprenoides se caracterizan por la homología y el desequilibrio, es decir, diferentes aceites tienen su propio conjunto de estos compuestos. La homología es una consecuencia de la destrucción de fuentes de mayor peso molecular. En los alcanos isoprenoides, se pueden detectar "brechas" en las concentraciones de cualquier homólogo. Esto es consecuencia de la imposibilidad de romper su cadena (la formación de este homólogo) en el lugar donde se encuentran los sustituyentes metilo. Esta función se utiliza para determinar las fuentes de formación de isoprenoides.
Cicloalcanos (naftenos)
Los naftenos son hidrocarburos cíclicos saturados del petróleo. En muchos aceites, predominan sobre otras clases de hidrocarburos. Su contenido puede variar del 25 al 75%. Se encuentra en todas las facciones. A medida que la fracción se vuelve más pesada, su contenido aumenta. Los naftenos se distinguen por la cantidadciclos en una molécula. Los naftenos se dividen en dos grupos: monocíclicos y policíclicos. Los monocíclicos son de cinco y seis miembros. Los anillos policíclicos pueden incluir anillos de cinco y seis miembros.
Las fracciones de bajo punto de ebullición contienen predominantemente derivados alquílicos de ciclohexano y ciclopentano, y los derivados metílicos predominan en las fracciones de gasolina.
Los naftenos policíclicos se encuentran principalmente en fracciones de aceite que hierven a temperaturas superiores a 300 °C, y su contenido en fracciones de 400-550 °C alcanza el 70-80%.
Hidrocarburos aromáticos (arenos)
Se dividen en dos grupos:
- Hidrocarburos alquilaromáticos que contienen solo anillos aromáticos y sustituyentes alquilo. Estos incluyen alquilbencenos, alquilnaftalenos, alquilfenantrenos, alquilcrisepes y alquilpicenos.
- Hidrocarburos de estructura mixta, que contienen anillos aromáticos (insaturados) y nafténicos (limitantes). Entre ellos se distinguen:
- hidrocarburos monoaromáticos: indanos, di-, tri- y tetranaftenobencenos;
- hidrocarburos diaromáticos - mono- y dinaftenonaftalenos;
- hidrocarburos con tres o más anillos aromáticos - naftenofenantrenos.
Importancia técnica de la composición de hidrocarburos del petróleo
La composición de las sustancias afecta significativamente la calidad del aceite.
1. Parafinas:
- Las parafinas normales (no ramificadas) tienen un índice de octanaje bajo y puntos de fluidez altos. Por lo tanto, enen el proceso de procesamiento se convierten en hidrocarburos de otros grupos.
- Las isoparafinas (ramificadas) tienen un alto índice de octanaje, es decir, altas propiedades antidetonantes (el isooctano es un compuesto de referencia con un índice de octanaje de 100), así como puntos de fluidez bajos en comparación con las parafinas normales.
2. Los naftenos (cicloparafinas) junto con las isoparafinas tienen un efecto positivo en la calidad del combustible diesel y los aceites lubricantes. Su alto contenido en la fracción de gasolina pesada conduce a productos de alto rendimiento y alto octanaje.
3. Los hidrocarburos aromáticos empeoran las propiedades ambientales del combustible, pero tienen un índice de octano alto. Por lo tanto, durante la refinación del petróleo, otros grupos de hidrocarburos se convierten en aromáticos, pero su cantidad, principalmente benceno, en el combustible está estrictamente regulada.
Métodos para estudiar la composición de hidrocarburos del petróleo
Para fines técnicos, es suficiente establecer la composición del petróleo por el contenido de ciertas clases de hidrocarburos en él. La composición fraccionaria del petróleo es importante para elegir la dirección de la refinación del petróleo.
Para determinar la composición de grupo del aceite, se utilizan varios métodos:
- Química significa llevar a cabo una reacción (nitración o sulfonación) de la interacción de un reactivo con una determinada clase de hidrocarburos (alquenos o arenos). Al cambiar el volumen o la cantidad de los productos de reacción resultantes, se juzga el contenido de la clase determinada de hidrocarburos.
- Físico-químico incluyen extracción y adsorción. Así se extraen los arenosdióxido de azufre, anilina o sulfato de dimetilo, seguido de adsorción de estos hidrocarburos en gel de sílice.
- Físico incluye la determinación de las propiedades ópticas.
- Combinado: el más preciso y el más común. Combina cualquiera de los dos métodos. Por ejemplo, la eliminación de arenos por métodos químicos o fisicoquímicos y la medición de las propiedades físicas del aceite antes y después de su eliminación.
Para fines científicos, es importante determinar exactamente qué hidrocarburos están presentes o predominan en el petróleo.
Para identificar moléculas individuales de hidrocarburos, se utiliza la cromatografía gas-líquido utilizando columnas capilares y control de temperatura, cromatografía-espectrometría de masas con procesamiento informático y creación de cromatogramas para iones de fragmentos característicos individuales (fragmentografía de masas o cromatografía de masas). También se utilizan espectros de RMN en núcleos 13C.
Los esquemas modernos para analizar la composición de los hidrocarburos del petróleo incluyen la separación preliminar en dos o tres fracciones con diferentes puntos de ebullición. Posteriormente, cada una de las fracciones se separa en hidrocarburos saturados (parafina-nafténicos) y aromáticos mediante cromatografía líquida sobre gel de sílice. A continuación, los hidrocarburos aromáticos deben separarse en mono, bi y poliaromáticos mediante cromatografía líquida con óxido de aluminio.
Fuentes de hidrocarburos
Las fuentes naturales de hidrocarburos de petróleo y gas son moléculas bioorgánicas de varios compuestos, principalmente sus componentes lipídicos. imipuede ser:
- lípidos vegetales superiores,
- algas,
- fitoplancton,
- zooplancton,
- bacterias, especialmente lípidos de la membrana celular.
Los componentes lipídicos de las plantas son muy similares en composición química, sin embargo, ciertas variaciones de las moléculas permiten determinar la participación predominante de ciertas sustancias en la formación de este aceite.
Todos los lípidos vegetales se dividen en dos clases:
- compuestos formados por moléculas de cadena lineal (o ligeramente ramificada);
- compuestos basados en unidades isoprenoides de series alicíclicas y alifáticas.
Hay compuestos formados por elementos pertenecientes a ambas clases, como la cera. Las moléculas de cera son ésteres de ácidos grasos saturados o insaturados superiores y alcoholes isoprenoides cíclicos - esteroles.
Representantes típicos de las fuentes naturales lipídicas de hidrocarburos de petróleo son los siguientes compuestos:
- Ácidos grasos saturados e insaturados de composición C12-C26 e hidroxiácidos. Los ácidos grasos están formados por un número par de átomos de carbono, ya que se sintetizan a partir de componentes de acetato C2. Forman parte de los triglicéridos.
- Cera natural: a diferencia de las grasas, no contiene glicerol, sino alcoholes grasos superiores o esteroles.
- Ácidos débilmente ramificados que tienen sustituyentes metilo al final de la cadena opuesto al grupo carboxilo, por ejemplo, iso- y anteisoácidos.
- Las sustancias interesantes son la suberina y la cutina, que se incluyen endiferentes partes de las plantas. Están formados por ácidos grasos y alcoholes unidos polimerizados. Estos compuestos son resistentes al ataque enzimático y microbiano, lo que protege las cadenas alifáticas de la oxidación biológica.
Reliquias e hidrocarburos convertidos
Todos los hidrocarburos del petróleo se dividen en dos grupos:
- Transformado: habiendo perdido las características estructurales características de las moléculas bioorgánicas originales.
- Reliquias o quimiofósiles: aquellos hidrocarburos que han conservado los rasgos característicos de la estructura de las moléculas originales, independientemente de si estos hidrocarburos estaban en la biomasa original o se formaron posteriormente a partir de otras sustancias.
Los hidrocarburos relictos que componen el petróleo se dividen en dos grupos:
- tipo isoprenoide - estructura alicíclica y alifática, con hasta cinco ciclos en una molécula;
- no isoprenoide: en su mayoría compuestos alifáticos que tienen cadenas n-alquilo o ligeramente ramificadas.
Las reliquias de estructura isoprenoide son mucho más numerosas que las no isoprenoides.
Se han identificado más de 500 reliquias de hidrocarburos de petróleo, y su número aumenta cada año.
