Les trois étapes du raffinage
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La transformation du est une opération incontournable. Dans une , le brut est transformé en produits finis suivant des processus rigoureux appartenant à trois types principaux d’opérations : séparation, conversion et amélioration.
© ROUSSEL MARC - TOTAL - Une unité de séparation du brut sur l'une des îles artificielles du champ de Kashagan, au Kazakhstan.
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.
Ce procédé consiste à chauffer le pétrole 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 (hydrocarbures 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 ).
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 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' ( ) 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 ppm (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 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 (thiols) qu'ils contiennent.
Le traitement des carburants automobile
Les 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
(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'
, qui améliorent également l’indice d’octane.
Les usages des produits pétroliers raffinés
Chacun des produits raffinés issus du trouve un usage spécifique :
- le est un carburant pour les véhicules à gaz ;
- les gaz butane et propane sont utilisés pour les besoins domestiques ;
- l'essence et le gazole alimentent les moteurs des véhicules automobiles ;
- le kérosène est employé comme carburant dans l'aviation ;
- le est la principale matière première employée en ;
- le fioul domestique est un de chauffage ;
- les huiles servent à fabriquer des lubrifiants ;
- le bitume est utilisé pour recouvrir les routes.
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