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Les étapes du raffinage

Publié le 14/01/2016 14h50

Les  étapes du raffinage

Présentation

Le raffinage  du pétrole est un procédé industriel qui permet la transformation du pétrole brut en produits pétroliers finis à valeur commerciale

tels que  les carburants, les combustibles qui sont des produits énergétique et

Les lubrifiants, les bitumes, la naphta qui sont eux des produits non énergétiques.

le pétrole brut n'est pas très utile tel quel mais grâce au raffinage il est extrait du pétrole brut des produits nécessaires aux activités de la vie courante  comme les produits énergétiques nécessaire au chauffage, au transport à la cuisine ainsi que des produits dérivés qui sont utilisés dans des processus industriels dans la pétrochimie et la confection de revêtements routiers.

Les pétrole brut sont stockés dans de grands réservoirs puis séparés selon leur teneur en soufre. Celle-ci détermine les procédés de raffinage à utiliser. Chaque unité de raffinage abrite un procédé industriel physico-chimique différent.

La première étape du raffinage est le segmentation du pétrole brut dans des tours de distillation atmosphérique et sous vide. Le pétrole brut est chauffé puis physiquement séparé en diverses fractions, ou fractions de distillation directe, il sont différenciés selon leurs points d’ébullition et classées, par ordre d' instabilité décroissante, en gaz, distillats légers, distillats moyens, gazole et résidus.

Cet échelonnement permet de séparer les différentes fractions en raison de la différence de température entre le bas et le haut de la tour, les constituants  du pétrole brut à point d’ébullition plus élevé se condensent à la partie inférieure de la tour, tandis que les fractions à point d’ébullition plus bas montent plus haut dans la tour avant de se condenser.

La tour possède à chaque niveau des plateaux qui permettent de soutirer les fractions liquides qui s’y condensent.

Dans une tour typique à deux étages, la tour de distillation atmosphérique, qui produit des fractions et des distillats légers, est immédiatement suivie d’une tour de distillation sous vide dans laquelle sont traités les résidus de la distillation atmosphérique.

le raffinage du pétrole permet de purifier les pétroles bruts et de les transformer en produits de composition à peu près constante. 

La distillation du pétrole brut est réalisée en deux étapes qui sont  complémentaires, la distillation atmosphérique et la distillation sous vide

La distillation atmosphérique  permet de séparer les différents composants d'un mélange liquide en fonction de leur température d’évaporation. Le pétrole brut dessalé est préchauffé injecté dans une grande tour de distillation, il est chauffé à environ 400°C. Les  hydrocarbures plus légers sont récupérés tout en haut, et les plus lourds restent au fond de la tour. Les fractions ayant les points d’ébullition les plus bas, comme le gaz combustible et le naphta léger, sont envoyés au sommet de la tour sous forme de vapeurs. Le naphta, ou essence de distillation directe, est repris à la partie supérieure de la tour comme produit de tête. Ces produits sont utilisés comme matières premières et de reformage, essences de base, solvants et gaz de pétrole liquéfiés.

Les fractions possédant un intervalle d’ébullition intermédiaire comme le gazole, le naphta lourd et les distillats, sont soutirées latéralement dans la section médiane de la tour. Elles sont soumises à des opérations de finition en vue d’être utilisées comme kérosène, carburant diesel, mazout, carburéacteurs, matières premières des unités de craquage catalytique et essences de base. Certaines de ces fractions liquides sont débarrassées de leurs produits plus légers

Les fractions plus lourdes à point d’ébullition plus élevé qui se condensent ou qui restent dans la partie inférieure de la tour sont utilisées comme fiouls ou matières premières pour les unités de production de bitume ou de craquage, ou sont acheminées vers un réchauffeur et une tour de distillation sous vide pour subir un fractionnement plus poussé

La distillation sous vide consiste à séparer les produits lourds des résidus de produits moyens en les faisant subir une deuxième phase de distillation dite sous vide. L’intérieur de certaines tours de distillation sous vide est différent de celui des tours de distillation atmosphérique; au lieu de plateaux, on trouve un garnissage disposé de façon aléatoire et des tamis contre les entraînements En haut de la colonne on récupère du gazole et en bas on retrouve le fioul lourd. Les résidus de la distillation sous vide permettent de produire des lubrifiants, des gazoles, des résidus lourds se prêtant au désasphaltage au propane. La distillation sous vide est utilisée pour séparer les produits devant être envoyés aux unités de craquage catalytique des fractions résiduelles.

techniques de raffinage

Les produits tirés du pétrole le sont par plusieurs :

hydrocraquage,

la distillation atmosphérique,

l'hydrotraitement  du kérosène

l'hydrotraitement du naphta,
la distillation sous vide,

le reformage catalytique

le craquage

craquage catalytique,

le traitement mérox,

craquage thermique,

craquage à la vapeur,

l'isomérisation,

la polymérisation,

le visbreaking,

l'hydrodésulfuration du gasoil,

Les différentes étapes

Un ensemble d’opérations distingue le raffinage du pétrole
la distillation fractionnée dans une tour de distillation
une dizaine de types de produits différents appelés "coupes pétrolières" sont obtenus

les produits légers : le gaz, le naphta et les essences,

les produits moyens :  le kérosène, le Diesel et le fuel domestique

les produits lourds : le fuel lourd ou les résidus atmosphérique. 

Le procédé d'amélioration de la qualité par l’élimination dans les coupes, de molécules corrosives ou polluants l'environnement comme 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 ppm (10 mg/kg) de soufre ne doivent pas être utilisés sur le territoire européen) ou les métaux. 

La désulfuration du gazole s'effectue à 370 °C, sous une pression de 60 bars et en présence d'hydrogène.

Le kérosène, les gaz butane et propane sont, eux, lavés à la soude.
Les essences obtenus grâce au raffinage du pétrole brut ne sont pas utilisées directement dans les moteurs  leur indice d’octane est trop faible pour augmenter cet indice d’octane, on effectue un traitement appelé le reformage catalytique. 

Le procédé de conversion, c’est-à-dire la transformation de coupes lourdes en coupes légères. Pour répondre à la demande en produits légers, on casse ces molécules lourdes en deux ou plusieurs molécules plus légères.
Pour ce procédé de conversion les raffineries utilisent  de hautes températures 500 °C et/ou de fortes pressions pour obtenir des hydrocarbures plus légers, par craquage catalytique  pour cela on fait

intervenir un catalyseur.75 % des produits lourds sont ainsi transformés en gaz, essence et gazole. L'hydrocraquage un autre procédé de conversion  obtenu grâce à l'ajout d'hydrogène permet d’améliorer ce résultat ou une conversion profonde en employant des méthodes d'extraction du carbone. Plus une conversion est poussée, plus elle est onéreuse et énergivore.

la fabrication des produits finis pour réaliser cette opérations, les raffineries doivent disposer d' un volumes important de stockage, d’installations de réception des produits bruts et d’expédition des produits finis. Les raffineries produisent des lubrifiants qui améliorent le fonctionnement des moteurs et des machines, de l’industrie mais aussi des navires. les huiles et les graisses sont fabriquées à partir des résidus de la distillation sous vide.

La structure des raffineries varie selon la nature des bruts traités.

Les coupes subissent  des transformations et des améliorations qui s’effectuent au sein de  plusieurs unités de raffinage.

Coupes lourdes (environ 40% du pétrole brut)

Les résidus sous vide sont transformés par viscoréduction ou visbreaking. sous une pression entre 5 et 20 bars en phase liquide entre 450°C et 500°C.

Il s’agit d’un craquage thermique. Il permet d’obtenir des bitumes.

Les distillats s’effectuent à haute température 500°C, en présence d’un catalyseur sont transformés par craquage catalytique. Ce traitement permet d’obtenir des fuels lourds.

Coupes moyennes (environ 35% du pétrole brut)

Le gazole léger, le gazole lourd une partie des kérosènes sont améliorés par hydrodésulfuration.

Ce traitement à l'hydrogène consiste à réduire la teneur en soufre de la coupe gazole.

La coupe de kérosène issue d’un brut contenant du soufre est améliorée par hydrotraitement. De l’hydrogène sulfuré se forme et sépare ainsi le soufre de la coupe de kérosène. Il permet d’obtenir du kérosène adouci.
Le traitement au mérox, permet par un procédé à la soude, de rendre inoffensif le soufre des kérosènes peu sulfurés.

Coupes légères (entre 20 et 25% du pétrole brut)

Les essences lourdes sont améliorées par le procédé de craquage catalytique permettant d’obtenir des supercarburants pour automobile (Super, Super sans plomb 95, Super sans plomb 98).

Les essences légères, en vue d’obtenir ces mêmes supercarburants, sont améliorées par :

isomérisation : procédé qui consiste à compenser une perte en indice d’octane due à la réduction légale de la teneur en plomb des essences;

alkylation : procédé inverse du craquage qui conduit à l'augmentation du nombre d'atomes de carbone d'un composé organique.

Le naphta est amélioré par hydrotraitement afin d’en extraire le soufre. Les gaz qu’il contient sont ensuite éliminés dans un « stabilisateur » puis séparés en deux fractions. Le naphta léger est stocké pour servir de mélange à la fabrication de carburants et le naphta lourd permet d’alimenter l’unité de reformage catalytique. La coupe de naphta hydrotraitée peut également être envoyée dans un vapocraqueur si elle est utilisée pour la pétrochimie.

Les gaz combustibles vont au four de la raffinerie.

Le propane et le butane ne nécessitent pas de transformation ou amélioration particulière.

Les procédés de séparation

Le pétrole est chauffé à 350/400 °C pour provoquer une évaporation. Le  chauffage du pétrole s’effectue au pied d’une tour de distillation de 60 mètres de haut, appelée aussi topping. Les vapeurs  montent dans la tour et les molécules les plus lourdes restent à la base sans s’évaporer. la température en haut de la tour descend à 150 °C.

Tandis 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.

À chaque niveaux de la tour sont récupérés des liquides de plus en plus légers. Chaque niveaux correspond à une fraction de distillation se sont des coupes pétrolières,
 

produits de raffinage du pétrole brut

 substances  chimiques consumées ou produites liées au traitement des hydrocarbures :

Les oxydes d’azote et le monoxyde de carbone

l’oxyde nitrique réagit lentement avec l’oxygène et forme du dioxyde d’azote. L’oxyde nitrique n’est pas éliminé par lavage à l’eau, mais le dioxyde d’azote peut se dissoudre dans l’eau et former de l’acide nitrique et de l’acide nitreux. En général, les gaz  n’ont qu’une faible concentration de monoxyde de carbone.

Le dioxyde de soufre

Le SO2 est un gaz incolore, à l’odeur piquante .Lors de la combustion de combustibles à forte teneur en soufre il se dégage généralement des quantités importantes de dioxyde de soufre qui sont habituellement éliminées par lavage à l’eau.

L’eau acide

L’eau acide est composé de sulfure d’hydrogène, d’ammoniac, de phénols, d’hydrocarbures et de composés soufrés de faible masse moléculaire.

L’eau acide se forme lors de la distillation par revaporisation à la vapeur d’eau de fractions pétrolières, de la régénération de catalyseurs ou de la revaporisation à la vapeur d’eau du sulfure d’hydrogène durant l’hydrotraitement et l’hydrofinissage. De l’eau acide est également produite lorsqu’on ajoute de l’eau pour absorber le sulfure d’hydrogène et l’ammoniac.

Les produits caustiques

Des produits caustiques sont généralement ajoutés à l’eau de dessalage pour neutraliser les acides et réduire la corrosion.

On ajoute également des produits caustiques au pétrole brut dessalé pour diminuer le taux de chlorures corrosifs dans les distillats  et pour extraire les contaminants présent dans les hydrocarbures

Le sulfure d’hydrogène

Une bonne partie des pétroles bruts contiennent à l’état naturel du sulfure d’hydrogène. Le sulfure d’hydrogène est un gaz extrêmement toxique, incolore, inflammable, plus dense que l’air et soluble dans l’eau. Il a une odeur d’œuf pourri perceptible à des concentrations nettement inférieures à sa limite d’exposition, qui est très faible. Des détecteurs spéciaux sont nécessaires pour signaler la présence de sulfure d’hydrogène et porter un appareil de protection respiratoire approprié. L' exposition à des concentrations de sulfure d’hydrogène entraîne une dépression du système nerveux et peut être fatale.

L’acide sulfurique et l’acide fluorhydrique

L’acide sulfurique et l’acide fluorhydrique sont utilisés comme catalyseurs dans les procédés d’alkylation. L’acide sulfurique est aussi utilisé dans certains procédés de traitement.

Les catalyseurs solides

On utilise dans les procédés de raffinage un certain nombre de catalyseurs solides de formes physiques différentes.Cela peut aller des pastilles aux granulés et aux poussières et ayant des compositions diverses elles aussi.Les catalyseurs utilisés dans les procédés de désulfuration sont imprégnés de cobalt, de nickel et de molybdène. On emploie dans les unités de craquage des catalyseurs à fonction acide comme des argiles naturelles, de la silice alumine ou des zéolites artificielles.

Les combustibles et les carburants

Les principaux produits utilisés comme combustibles et carburants sont l’essence,  le kérosène, les carburéacteurs, les gaz de pétrole liquéfiés,les carburants diesel, le mazout et les résidus de raffinage.

Essence .

L’essence automobile est un mélange de fractions d’hydrocarbures à point d’ébullition relativement bas comprenant. Les caractéristiques les plus importantes de l’essence sont l’indice d’octane, la volatilité et la pression de vapeur. On utilise des additifs pour améliorer les propriétés de l’essence et protéger le moteur contre l’oxydation et la formation de rouille.

L’essence aviation est un produit à indice d’octane élevé formulé spécialement pour assurer une bonne performance à haute altitude.

Carburéacteurs et kérosènes .

Les kérosènes sont des mélanges de paraffines et de naphtènes ils contiennent en général moins de 20% d’hydrocarbures. Les kérosènes sont utilisés pour l’éclairage et le chauffage, comme solvants et comme constituants des carburants diesel,comme carburant pour l'aviation  .

Gaz de pétrole liquéfiés (GPL) .

 Ils sont constitués d’un mélange d’hydrocarbures  comme le propane et le butane. Ils servent de combustible et sont stockés et manipulés sous la forme de liquides sous pression. Ils sont incolores et leurs vapeurs sont plus denses que l’air et extrêmement inflammables. Leurs principales qualités, du point de vue de la sécurité et de la santé au travail, sont leur pression de vapeur peu élevée et leur faible teneur en contaminants.

Fiouls légers .

Les carburants diesel et les fiouls domestiques sont des mélanges de couleur pâle constitués de paraffines, de naphtènes ,d’hydrocarbures aromatiques, et d'oleines pour certains.Ils sont souvent soumis à un traitement d’hydrodésulfuration destiné à améliorer leur stabilité. Ce sont des produits combustibles; lorsqu’ils sont chauffés, ils peuvent dégager des vapeurs susceptibles de former avec l’air des mélanges inflammables.

Combustibles résiduels . 

Les combustibles résiduels sont des mélanges liquides très visqueux de couleur foncée. Dans de nombreuses installations commerciales et industrielles et de nombreux navires, on utilise des combustibles résiduels ou des mélanges constitués de combustibles résiduels et de fiouls légers comme sources d’énergie ou de chaleur ou pour des opérations de traitement.

Les matières premières pétrochimiques

De nombreux produits provenant du raffinage du pétrole brut, tels que l’éthylène, le propylène et le butadiène, sont des hydrocarbures oléfiniques obtenus par craquage, servant de matières premières dans l’industrie pétrochimique en vue de la production de plastiques, d’ammoniac, de caoutchouc synthétique, de glycol, etc.

Les solvants pétroliers

Les solvants pétroliers sont des mélanges obtenus par séparations physiques du pétrole brut . Ils possèdent divers composés purs, comprenant le benzène, le toluène, le xylène, l’hexane et l’heptane, sont destinés à être utilisés comme solvants; ces produits ont un point d’ébullition et une composition en hydrocarbures étroitement contrôlés. On peut classer les solvants, selon leur composition, en solvants aromatiques ou non aromatiques. Leur utilisation comme diluants pour peintures, d'adhésifs, de laque, produits de nettoyage à sec, dégraissants, solvants industriels, solvants pour pesticides, etc.

Les solvants aromatiques sont généralement plus toxiques que les non aromatiques.

Les huiles de procédé

Les huiles de procédé sont des mélanges complexes, qui contiennent de grosses molécules d’hydrocarbures paraffiniques, naphténiques et aromatiques, elles sont utilisés comme matières premières pour le craquage et la fabrication de lubrifiants. 

Ces huiles sont irritantes pour la peau. Il faut éviter d’inhaler les vapeurs et les brouillards d’huile et protéger la peau en portant un équipement de protection individuelle et en observant une hygiène individuelle rigoureuse.

Les lubrifiants et les graisses

Les huiles lubrifiantes sont des mélanges d’huiles paraffiniques, naphténiques et aromatiques légèrement ou moyennement colorés, faiblement volatils, avec une viscosité de moyenne à élevée et des points d’ébullition compris entre 371 °C et 538 °C. Les huiles lubrifiantes de base sont obtenues par des procédés spéciaux de raffinage afin de répondre aux exigences particulières des consommateurs.

les huiles lubrifiantes ne sont pas irritantes et sont peu toxiques par elles-mêmes, les additifs qu’elles contiennent peuvent présenter un risque. La dermite constitue le risque principal; on peut se prémunir en portant un équipement de protection individuelle et en observant une hygiène rigoureuse.

Les graisses sont des mélanges d’huiles lubrifiantes et de savons métalliques auxquels on ajoute, à des fins spéciales, des matières telles que l’amiante, le graphite, le molybdène, des silicones ou du talc en vue d’améliorer leurs propriétés isolantes ou leur pouvoir lubrifiant. Des émulsifiants et des agents bactéricides sont ajoutés aux huiles de coupe hydrosolubles.

Les risques d’exposition aux graisses sont équivalents aux risques d'une exposition à des lubrifiants. les risques d’expositions aux matières ou des additifs qu’ils contiennent, s'additionne.

Les produits spéciaux

La paraffine

 Il s'agit d'un distillat obtenu lors du procédé de raffinage du pétrole. e est utilisée pour protéger les produits alimentaires, comme ingrédient d’autres produits, par exemple les cosmétiques et le cirage, pour imperméabiliser le papier , comme agent d’enrobage, évitant l'altération du produit, dans la fabrication des bougies, le chlore + la paraffine sont utilisés pour le graissage du cuir, Certains insecticides se servent des qualités d'enrobage de la paraffine pour étouffer les parasites, elle entre dans la composition de nombreuses préparations dermatologiques et cosmétiques, en qualité d'excipient ou comme émollient,la wax pour le skateboard est à base de paraffine, on peut peut parfois être utilisée en conservation en faisant un bouchon hermétique sur un pot de confiture etc.........

les paraffines et les bitumes deviennent solides à température ambiante, il faut les conserver, les manier et les transporter à une température plus élevée. Il y a de fort risques de brûlure.

Le soufre

Le soufre est obtenu lors du raffinage.Le soufre est d'aspect jaune pâle. Il brûle avec une flamme bleue qui émet une odeur particulièrement suffocante le dioxyde de soufre. Il est insoluble dans l'eau et dans la plupart des solvants apolaires  Il est conservé soit à l’état fondu dans des réservoirs chauffés, soit à l’état solide dans des récipients ou à l’extérieur.

Le coke 

le coke est produit à partir de charbon. Le coke de pétrole se présente sous forme solide, noire, et se compose majoritairement de carbone presque pur , avec très peu d'hydrogène et des quantités importantes de polluants,

le coke est utilisé à diverses fins allant de la fabrication d’électrodes à celle de briquettes.

Le bitume

Le bitume est composé d'un mélange d'hydrocarbures, il peut se trouver à l'état liquide ou solide, et a une couleur sombre. Le bitume est liquéfiable à chaud et adhère aux supports sur lesquels on l'applique. Il est utilisé comme revêtement des chaussées et dans les matériaux de couverture, doit résister à la plupart des produits chimiques et des conditions météorologiques.

les paraffines et les bitumes deviennent solides à température ambiante, il faut les conserver, les manier et les transporter à une température plus élevée. Il y a de fort risques de brûlure.

Les procédés de raffinage du pétrole

Le raffinage des hydrocarbures consiste à élaborer des produits chimiques, des catalyseurs grâce à la chaleur et la pression pour séparer et combiner les types fondamentaux de molécules d’hydrocarbures présents à l’état naturel dans le pétrole brut en groupes similaires. Il permet aussi de réarranger les structures et les liaisons moléculaires pour obtenir des composés et des molécules d’hydrocarbures différents et plus intéressants.

Il faut prévoir des méthodes de travail, des mesures de sécurité et l’utilisation de vêtements et d’équipements appropriés de protection individuelle, y compris des appareils de protection respiratoire pour se protéger du feu, de l’exposition aux produits chimiques, aux particules, à la chaleur et au bruit et lors des opérations de production, d’échantillonnage, d’inspection, de révision et d’entretien des installations partout dans la raffinerie.

Le prétraitement du pétrole brut

Le dessalage

Le pétrole brut contient souvent de l’eau, des sels inorganiques, des solides en suspension et des traces de métaux solubles dans l’eau.

La première étape du raffinage permet d' éliminer les contaminants par dessalage pour réduire la corrosion, le colmatage et l’encrassement des installations et empêcher l’empoisonnement des catalyseurs dans les unités de production.

Il existe 3 méthodes de  dessalage du pétrole brut

le dessalage chimique, on ajoute de l’eau et des agents tensio-actifs  au pétrole brut, on chauffe pour détruire ou fixer les sels et les autres impuretés, puis on garde ce mélange dans un bac pour que la phase aqueuse décante.

le dessalage électrostatique, on met des charges électrostatiques de tension élevée pour accumuler les gouttelettes en suspension dans la partie inférieure du bac de décantation. Des agents tensio-actifs sont rajoutés uniquement lorsque le pétrole brut renferme beaucoup de solides en suspension.

La filtration  le pétrole brut chaud  est filtré sur de la terre à diatomées.

Le pétrole brut dessalé est récupéré en continu à la partie supérieure du bac de décantation et envoyé à une tour de distillation atmosphérique