Dossier : Les techniques du raffinage

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Décryptages

Les trois étapes du raffinage

La transformation du pétrole brut est une opération incontournable. Dans une raffinerie, le brut est transformé en produits finis suivant des processus rigoureux appartenant à trois types principaux d’opérations : séparation, conversion et amélioration.

Une unité de séparation du brut sur l'une des îles artificielles du champ de Kashagan, au Kazakhstan. © ROUSSEL MARC - TOTAL

Les procédés de séparation

La première étape est celle de la séparation des molécules par distillation atmosphérique (c'est-à-dire à la pression atmosphérique normale), en fonction de leurs poids moléculaires.

L’indice d'octane mesure la résistance d’un carburant à s’enflammer spontanément dans un moteur

Ce procédé consiste à chauffer le pétrolePétrole non raffiné. à 350/400 °C pour en provoquer l’évaporation. Le  chauffage s’effectue à la base d’une tour de distillation de 60 mètres de haut, appelée aussi topping. Les vapeurs de brut remontent dans la tour tandis que les molécules les plus lourdes, ou résidus lourds, restent à la base sans s’évaporer. À mesure que les vapeurs s'élèvent, les molécules se condensent les unes après les autres en liquides, jusqu’aux gaz qui atteignent seuls le haut de la tour, où la température n’est plus que de 150 °C. À différents niveaux de la tour se trouvent des plateaux qui permettent de récupérer ces liquides de plus en plus légers. Chaque plateau correspond à une fraction de distillation, appelée aussi coupe pétrolière, depuis les bitumes (hydrocarburesLes hydrocarbures sont des composés chimiques dont les molécules sont constituées d'atomes de carbone et d'hydrogène... très visqueux) jusqu'aux gaz.

Les résidus lourds issus de cette distillation renferment encore beaucoup de produits de densité moyenne. On les soumet, dans une autre colonne, à une seconde distillation qui permet de récupérer plus de produits moyens (fiouls lourds et gazoleSynonyme de diesel et de gasoil. ).

Les procédés de conversion

Après les opérations de séparation, la proportion d’hydrocarbures lourds reste encore trop importante. Pour répondre à la demande en produits légers, on « casse » ces molécules lourdes en deux ou plusieurs molécules plus légères.

Ce procédé de conversion, appliqué à 500 °C, est également appelé craquage catalytiqueProcédé permettant de convertir à haute température (environ 500 °C) des produits pétroliers lourds en produits légers en présence d'un catalyseur. car il fait intervenir un catalyseur (substance accélérant une réaction chimique). 75 % des produits lourds soumis à la conversion sont ainsi transformés en gaz, essence et gazole. D’autres procédés permettent d’améliorer ce résultat par des ajouts d'hydrogèneL'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus léger. C'est l'élément de très loin le plus abondant de l’univers. (hydrocraquageL'hydrocraquage est un procédé de raffinage permettant de transformer, en présence d'hydrogène, des hydrocarbures lourds en produits légers...) ou en employant des méthodes d'extraction du carbone (conversion profonde). Plus une conversion est poussée, plus elle est coûteuse et gourmande en énergie. L’objectif permanent des raffineurs est de trouver l’équilibre entre degré et coût de la conversion !

Les procédés d’amélioration

Ils consistent à réduire fortement ou éliminer les molécules corrosives ou néfastes à l'environnement, en particulier le soufre. Les normes de l'Union européenne (UE) en matière d'émissions de soufre sont strictes : depuis le 1er janvier 2009, l’essence et le gazole contenant plus de 10 ppmC'est un quotient sans dimension représentant un rapport de 10-6 (1 pour 1 million)... (10 mg/kg) de soufre ne doivent pas être utilisés sur le territoire européen1. Ces mesures visent à améliorer la qualité de l’air ambiant : elles permettent d’optimiser l’efficacité des technologies de traitement catalytique des gaz d’échappement des véhicules. La désulfurationLa désulfuration est l'opération consistant à éliminer la plus grande partie du soufre contenu dans un produit... du gazole s'effectue à 370 °C, sous une pression de 60 bars et en présence d'hydrogène dont l’action consiste à extraire la plus grande partie du soufre organique que l’on retrouve sous forme de sulfure d’hydrogène (H2S). Ce dernier est ensuite traité pour produire du soufre, substance utilisée dans l'industrie.

Le kérosène, les gaz butane et propane sont, eux, lavés à la soude. Ce traitement, appelé adoucissement, débarrasse ces produits des mercaptansPrésents en petites quantités dans les bruts pétroliers, les mercaptans (ou thiols) sont des alcools où à l'atome d'oxygène de la fonction alcool a été substitué un atome de soufre... (thiols) qu'ils contiennent.

Le traitement des carburants automobileLes carburants automobiles doivent également être traités afin d’augmenter leur indice d'octane, un chiffre rapporté à 100, qui mesure la résistance à l'auto-allumage d'un carburant (l’auto-allumage étant la tendance du carburant dans un moteur à explosion à s’enflammer spontanément sans intervention de la bougie). Si l'indice d'octane n'est pas assez élevé, il y aura à terme des dégâts irréversibles du moteur. Pour éviter cela, on doit hausser l'indice d'octane jusqu'à 95 ou 98.

Le procédé utilisé dans ce but est le reformage catalytique. Les réactions chimiques qui lui sont liées sont opérées à 500 °C sous une pression de 10 bars, avec du platine comme catalyseur. Elles permettent la transformation d’une partie des hydrocarbures naphténiques (cycliques saturés) en hydrocarbures aromatiques (cycliques insaturés) dont l’indice d’octane est beaucoup plus élevé. Il existe aussi d'autres réactions chimiques, comme l'alkylation, qui améliorent également l’indice d’octane.

Les usages des produits pétroliers raffinés

Chacun des produits raffinés issus du pétrole brut trouve un usage spécifique :

 

Source :

(1) Europa.eu