научная статья по теме СОСТАВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АСФАЛЬТЕНОВ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ УСИНСКОЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АСФАЛЬТЕНОВ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ УСИНСКОЕ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 83-87

УДК 665.6.033.28

СОСТАВ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АСФАЛЬТЕНОВ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ УСИНСКОЕ

© 2014 г. В. П. Сергун, Е. Ю. Коваленко, Т. А. Сагаченко, Р. С. Мин

Институт химии нефти СО РАН, Томск E-mail: azot@ipc.tsc.ru Поступила в редакцию 14.05.2013 г.

С использованием методов экстракции, адсорбционной хроматографии показано, что в составе макромолекул асфальтенов усинской нефти присутствуют относительно низкомолекулярные соединения, представленные нормальными и разветвленными алканами, моно- и полициклическими нафтенами, моно-, би-, три- тетра- и пентациклическими ароматическими углеводородами, их фенил- и нафтенопроизводными, бензо-, дибензо- и нафтобензотиофенами, карбазолами и бензокар-базолами, этиловыми эфирами высших жирных кислот, дибензофуранами и флуоренонами, а также кислотами, амидами и сульфоксидами.

Ключевые слова: асфальтены, фракционирование, насыщенные и ароматические углеводороды, ге-тероатомные соединения, тяжелая нефть.

DOI: 10.7868/S0028242114020087

В последние годы резко возросло число публикаций, посвященных исследованию асфальтено-вых компонентов нефтяных дисперсных систем (НДС) [1—7]. Внимание к характеристике этих высокомолекулярных соединений связано, главным образом, с тем, что качественный состав асфальте-нов в значительной степени определяет поведение НДС при их добыче, транспорте и переработке. Несмотря на большой объем работ по асфальтено-вым веществам, химическая природа этих компонентов изучена недостаточно, что во многом обусловлено чрезвычайной сложностью строения ас-фальтенов, представляющих собой непрерывный ряд соединений с различной молекулярной массой, полярностью и растворимостью [3, 8, 9].

Соотношение и состав высоко- и низкомолекулярных соединений асфальтенов оказывают влияние на физико-химические свойства НДС [2, 3, 10], поэтому получение информации о характере распределения и структурных особенностях этих соединений представляет научный и практический интерес.

Исследованиями последних лет показано, что сравнительно низкомолекулярные соединения могут присутствовать в составе макромолекул ас-фальтенов в свободном, адсорбированном или связанном лабильными химическими связями состоянии [8, 10—12]. Для характеристики таких соединений используют методы экстракции, адсорбционной хроматографии и химической деструкции [7, 10, 13, 14].

Цель работы — получение данных о составе и структуре низкомолекулярных соединений ас-фальтеновых компонентов тяжелой нефти месторождения Усинское.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Асфальтены осаждали по стандартной методике 40-кратным количеством петролейного эфира с температурой кипения 40—70°C. Для выделения низкомолекулярных соединений асфальтены экстрагировали горячим ацетоном [13, 14]. Экстракт обрабатывали н-гексаном. Растворимые в н-гексане соединения ("мальтены") подвергали хроматографическому разделению на силикагеле (100/160). Десорбцию осуществляли последовательно смесью н-гексана и бензола (1 : 1), хлороформом, смесями этилацетата и хлороформа (1 : 9) и метанола и хлороформа (1 : 4) с получением фракций А, В, С, D, соответственно.

Для характеристики состава фракций использовали методы ИК-спектроскопии, хроматомасс-спектрометрии (ХМС) и химической деструкции. ИК-спектры регистрировали на FT-IR спектрометре "Nicolet 5700" в области 4000-400 см-1. Хроматомасс-спектры получали на DFS-приборе "Thermo Scientific". В газовом хроматографе использовали кварцевую капиллярную колонку TR5MS длиной 30 м и внутренним диаметром 0.25 мм. Хроматографирование проводили в режиме программированного подъема температуры от 80 до 300° С со скоростью 4 град/мин и затем в

84

СЕРГУН и др.

Интенсивность 100

80 60 40 20

50

55

60

65

70

75 Время, мин

Рис. 1. Масс-фрагментограмма стерановых углеводородов по иону m/z 217 продуктов экстракционного разделения ас-фальтенов усинской нефти (фракция А, идентификацию пиков см. в таблице).

течение 30 мин при конечной температуре. Газ носитель — гелий. Сканирование масс-спектров осуществлялось каждую секунду в диапазоне масс до 500 а.е.м.

Обработку полученных результатов проводили с помощью программы ХеаИЪиг. Идентификацию соединений выполняли с использованием литературных данных и компьютерной библиотеки масс-спектров №8Т 02.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Количество соединений, экстрагируемых ацетоном из асфальтенов тяжелой усинской нефти, составляет 7.1 мас. %. Полученный результат удовлетворительно совпадает с данными о содержании низкомолекулярных компонентов в составе ас-фальтеновых веществ исследуемой нефти, приведенными в работах [5, 8]. Среди выделенных соединений на долю "мальтенов" приходится 56 отн. %. При хроматографическом разделении большая часть соединений "мальтенов" переходит во фракции С и D (в сумме 33.4%). В ИК-спектрах этих фракций проявляются интенсивные полосы поглощения кислот (3300-3100, 1727, 1709-1700 см-1), амидов (1700-1600 см-1) и сульфоксидов (10401010 см-1). Из сравнения ИК-спектров по оптической плотности в максимумах соответствующих характерных полос поглощения следует, что кислоты распределяются равномерно по обеим фракциям, а соединения, содержащие функциональные группы амидов и сульфоксидов, преимущественно концентрируются во фракции D. Аналогичный характер распределения кислот и сульфоксидов по продуктам фракционирования "мальтенов" отмечен в работе [13].

Для характеристики соединений, содержащих функциональные группы амидов и сульфокси-дов, фракцию Д восстанавливали алюмогидри-дом лития [13,14]. По данным ИК-спектроско-

пии в условиях реакции восстанавливаются только сульфоксиды. На это указывает отсутствие в ИК-спектре восстановленной фракции полосы поглощения группы 8=0 и сохранность поглощения, характерного для группы С=0 амидов. Последнее может свидетельствовать о том, что амиды в составе относительно низкомолекулярных компонентов асфальтенов усинской нефти преимущественно представлены третичными структурами типа хинолонов [15].

ХМС-анализ восстановленной фракции не позволил выявить особенности состава сульфоксидов, т.к. по масс-хроматограмам и масс-фрагментогра-мам, реконструированным с использованием соответствующих характеристических ионов, не были идентифицированы ни сульфиды, ни тиофены. Не установлена также и структура амидов. Вероятнее всего образующиеся сернистые и исходные азотистые соединения имеют высокую степень цикличности [8], что затрудняет их определение в условиях анализа.

ХМС-исследование фракций А и В показало, что в составе фракции А присутствуют алканы, нафтены и моноциклические ароматические углеводороды (АУ). Среди насыщенных углеводородов (УВ) идентифицированы гомологические ряды нормальных и разветвленных алканов состава С14-С32 и С15-С33, соответственно, цикло-пентаны от С16 до С26, циклогексаны от С15 до С27, стераны (С21-С22 прегнаны, С27, С28 диахолеста-ны, С27, С28, С29 холестаны, рис. 1, таблица) и тер-паны (хейлантаны от С23 до С29, тетрацикличе-ский терпан С24 , ряд гопанов от С27 до С32, рис. 2, таблица).

В составе АУ установлены н-алкилбензолы от С15 до С25, фитанилбензол и фенилалканы С17, С18, С19 с различным положением фенильного заместителя в алкильной цепи [18, 19], алкилтолуо-лы, алкилксилолы и алкилтриметилбензолы. Ре-

0

Состав насыщенных полициклических углеводородов продуктов экстракционного разделения асфальтенов тяжелой нефти месторождения Усинское (фракция А)

№ п/п Эмпирическая формула Молекулярная масса Соединение

Стерановые углеводороды на масс-фрагментограмме по m/z 217 [16]

Прегнан С21 Прегнан С22

^(Н),17а(Н)-Диахолестан (20S) ^(Н),17а(Н)-Диахолестан (20R)

Дихолестан С28

5а(Н),14а(Н),17а(Н)-Холестан (20S) 5а(Н),^(Н),^(Н)-Холестан (20R) 5а(H),14ß(H),17ß(H)-Холестан (20S) 5а(Н),14 а (H),17 а (Н)-Холестан (20R) 24-ше1Ьу1-5а(Н),14а(Н),17а(Н)-Холестан (20S) 24-methy1-5а(H),14ß(H),17ß(H)-Холестан (20R) 24-шethy1-5а(H),14ß(H),17ß(H)-Холестан (20S) 24-шеШу1-5а(Н),14а(Н),17а(Н)-Холестан (20R) 24-ethy1-5а(H),14а(H),17а(H)-Холестан (20S) 24-еШу1-5а(Н),^(Н),^(Н)-Холестан (20R) 24-ethy1-5а(H),14ß(H),17ß(H)-Холестан (20S) 24-ethy1-5а(H),14а(H),17а(H)-Холестан (20R)

Терпановые углеводороды на масс-фрагментограмме по m/z 191 [17]

1 С23Н42 318 Трициклический терпан (хейлантан)

2 С24Н44 332 То же

3 С25Н46 346 Трициклические терпаны (хейлантаны)

4 С26Н48 360 Трициклические терпаны (хейлантаны)

5 С24Н42 330 Тетрациклический терпан

6 С28Н52 388 Трициклический терпан (хейлантан)

7 С29Н54 402 То же

8 С27Н46 370 18а(Н)-22,29,30-Триснорнеогопан — Ts

9 С27Н46 370 17а(Н)-22,29,30-Триснорнеогопан — Tm

10 С29Н50 398 17а(Н)-21 ß(H)-30-Норгопaн

11 С30Н52 412 17а(Н)-2ф(Н)-Гопан

12 С30Н52 412 17а(Н)-2ЩН)-Гопан (C30 Моретан)

13 С31Н54 426 17а(Н)-21 ß(H)-Гопaны

14 С32Н56 440 17а(Н)-21 ß(H)-Гопaны

1 С21Н36 288

2 С22Н38 302

3 С27Н48 372

4 С27Н48 372

5 С28Н50 386

6 С27Н48 372

7 С27Н48 372

8 С27Н48 372

9 С27Н48 372

10 С28Н50 386

11 С28Н50 386

12 С28Н50 386

13 С28Н50 386

14 С29Н52 400

15 С29Н52 400

16 С29Н52 400

17 С29Н52 400

конструкция масс- фрагментограмм по характеристическим ионам с m/z 105, 106, 119, 120 и 133 свидетельствует о наличии среди алкилтолуолов соединений с длиной алкильной цепи от 8 до 13 атомов С, среди алкилксилолов — от 6 до 12, среди алкилтриметилбензолов — от 4 до 13, а также о наличии в составе алкилтолуолов 1-метил-3-фита-нилбензола и в составе алкилксилолов — 1,2-диме-тил-4-фитанилбензола.

Во фракции В идентифицированы полициклические АУ и гетероатомные соединения. Би- и трициклические АУ представлены нафталином, фенантреном и их С^С4 гомологами. Максимум в распределении нафталинов приходится на гомологи С2, фенантренов — на Сх. Определены также фенил- и нафтенозамещенные структуры. Фе-нилпроизводные АУ представлены дифенилом, о- и п-фенилнафталинами, их С1-С3-алкилпро-

86

СЕРГУН и др.

Интенсивность 100

80

60 40 20 0

2 3

LJlJlJ^AIJU

10 11

UL

13

14

55

60

65

70

75

80 Время, мин

Рис. 2. Масс-фрагментограмма терпановых углеводородов по иону m/z 191 продуктов экстракционного разделения ас-фальтенов усинской нефт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком