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Le raffinage, mode d'emploi |
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Comment traite-t-on un brut, ce mélange de molécules des plus légères aux plus lourdes ? On va le chauffer et provoquer son évaporation progressive. Par exemple, quand on chauffe un fond de casserole d’eau, de petites bulles apparaissent d’abord avant 100 °C : ce sont les gaz dissous dans l’eau qui s’échappent. Puis, à 100 °C, l’eau bout à gros bouillons et s’évapore complètement. Au fond de la casserole, on trouve des résidus blanchâtres de sels, qu’il faudrait chauffer à très haute température pour les vaporiser. Pour le pétrole, c’est le même principe.
Le brut qui entre dans une raffinerie va subir une série d’opérations, pour aboutir aux produits dont les industriels ou nous-mêmes avons besoin au quotidien. Il y a trois grandes familles d’opérations :
- la séparation, pour obtenir les différents types de produits des plus lourds aux plus légers,
- la transformation (ou conversion), pour modifier les proportions naturelles des types de produits pour répondre à la demande des consommateurs,
- l’amélioration, pour éliminer les composants indésirables et modifier les caractéristiques de certains produits pour les rendre compatibles aux normes.
La séparation se fait par distillation fractionnée. Le pétrole est injecté à la base d’une tour de 60 m de hauteur, appelée topping ou colonne de distillation atmosphérique (parce que la pression utilisée est proche de la pression atmosphérique). Là, on le chauffe à 350/400 °C. La plus grande partie s’évapore et commence à monter dans la tour. Il ne reste à la base de la tour que les produits très lourds, les résidus. A mesure que les vapeurs montent, la température diminue. Les fractions les plus lourdes de ces vapeurs vont se condenser en liquides, qu’on pourra récupérer sur des plateaux situés à différents niveaux dans la tour. Et ainsi de suite, jusqu’en haut de la tour où la température est de 150 °C. Là, on récupère les dernières vapeurs qui ne se sont pas condensées : les gaz de pétrole. Ce principe permet de récupérer une dizaine de types de produits, des bitumes jusqu’au gaz, qu’on appelle des coupes pétrolières.
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| Colonne de l’unité de distillation atmosphérique de la raffinerie de Provence à La Mède (France). |
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Mais les résidus lourds de cette première distillation ont su retenir une proportion notable de produits de densité moyenne. On les soumet donc à une deuxième distillation plus poussée, cette fois sous vide. En haut de la colonne de distillation sous vide, on récupère du gazole et à sa base des fiouls lourds. |
| La conversion :
on demande beaucoup de produits légers, mais la séparation
a donné des proportions importantes de lourds. Qu’à cela
ne tienne, les molécules lourdes vont être cassées
en petits morceaux ! L’opération majeure de conversion
de produits lourds en produits légers s’appelle le craquage
catalytique. Il s’effectue à haute température :
500°C,
en présence d’un catalyseur (c’est-à-dire d’une
substance favorisant les réactions chimiques sans y participer directement).
Ce traitement est très énergique : plus des ¾ des
produits lourds sont transformés en gaz, essence et gazole. |
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Vue de l’unité de craquage catalytique de la raffinerie de Donges (France). Présence d’un catalyseur fluidisé. |
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Le résultat est encore plus efficace si on ajoute de l’hydrogène (hydrocraquage) et si on fait intervenir des procédés d’extraction du carbone (conversion profonde). En fait, tous les lourds sont transformables en légers, mais il faut y mettre le prix. Et les conversions profondes sont grosses consommatrices d’énergie. |
| L’amélioration : les produits issus de la distillation et de la conversion doivent être débarrassés de molécules corrosives ou néfastes à l’environnement, en particulier le soufre.
La désulfuration du gazole s’effectue à 370 °C,
sous 60 bars de pression et en présence d’hydrogène.
Les atomes de soufre quittent les hydrocarbures pour l’hydrogène
en donnant du sulfure d’hydrogène H 2 S. Ce dernier sera ensuite
traité pour donner du soufre, qui formait ces gros tas jaunes qu’on
voyait dans l’enceinte de certaines raffineries (aujourd’hui
le soufre est stocké dans des réservoirs maintenus en température
pour le garder liquide). |
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| Unité de désulfuration de la raffinerie d’Anvers (Belgique). |
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Les normes européennes sur les émissions de soufre dans l’atmosphère sont très sévères. Elles le sont plus encore depuis le 1 er janvier 2005 : les raffineurs auront quelques années pour s’y conformer, c’est-à-dire pour repenser et réformer leurs unités de désulfuration pour abaisser encore la teneur en soufre des carburants. |
| D’autre part, certains produits, comme les essences, ne peuvent pas être utilisés directement dans les moteurs à cause de leurs propriétés détonantes (quand votre moteur fait « boum »). Ils ont un indice d’octane trop faible. L’indice d’octane mesure la capacité anti-détonante d’une essence ou d’un super. Plus il est proche de 100, mieux c’est ! Le 95 et le 98 représentent l’indice d’octane. Les moteurs modernes, avec des taux de compression très élevés, ont besoin d’essences à haut indice d’octane. La principale opération permettant d’augmenter l’indice d’octane s’appelle le reformage catalytique. |
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| Unité d’alkylation de la raffinerie de La Mède (France). |
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L’essence passe dans 4 réacteurs successifs. 500 °C, 10 bars de pression, du platine comme catalyseur, voilà les conditions nécessaires pour qu’on ait un bon produit à la pompe ! D’autres méthodes permettent d’améliorer l’indice d’octane (alkylation, production d’éthers MTBE et ETBE à haut pouvoir anti-détonant). |
Autre procédé d’amélioration, destiné cette fois aux gaz butane et propane et au kérosène : l’adoucissement. On lave les produits à la soude pour les débarrasser des mercaptans, produits soufrés nauséabonds et corrosifs (un mercaptan R-S-H est un alcool où l’atome de soufre occupe la place de l’atome d’oxygène).
Toutes ces opérations doivent être effectuées en toute sécurité. |
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