La raffinerie et le raffinage








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Nécessité du raffinage



L’essence ou le gazole que l’on utilise comme carburant pour la voiture, le mazout utilisé pour notre chauffage,… sont des produits dérivés du pétrole mais jamais le pétrole brut est utilisé. Pourquoi ?

Le pétrole est en réalité un mélange de différents hydrocarbures que l’on retrouve dans des proportions variables suivant la densité du brut qui est extrait. De plus, on ne compte pas un mais bien une multitude de pétroles bruts différents. Cette différence découle de l’histoire de chaque gisement, ce qui induit donc une composition bien particulière. On a par exemple du brut qui comporte de nombreuses molécules lourdes, ils sont noirs et visqueux, d’autres, bruns et fluides, sont plus légers et contiennent des gaz dissout dans des proportions moins importantes. On y retrouve aussi des produits soufrés, acides qui sont eux aussi dans des proportions très variables selon le type d’hydrocarbure. C’est donc pour cela que le raffinage du pétrole est très important puisqu’aucun moteur, aucune chaudière n’est adapté à n’importe quel type de carburant ou capable de résister à des corrosions trop agressives. On doit donc purifier et transformer le pétrole brut en différents produits dont la composition est à peu près constante et qui seront dès lors parfaitement adaptés à leur utilisation. On effectue ces transformations dans une raffinerie. huile extra-lourde.



Il est évident que des raffineries qui ne comportent qu’une seule tour de distillation ne suffisent dès lors plus. Celles-ci doivent donc comporter d’autres unités de production pour permettre la conversion des produits lourds en produits légers. Il existe donc plusieurs techniques de raffinage (une trentaine environ).

Procédés de raffinage du pétrole brut

La distillation

La distillation atmosphérique


La distillation atmosphérique ne sert pas à séparer les corps purs les uns des autres mais bien à séparer les différentes fractions d‘hydrocarbures que contient le pétrole les unes des autres. Ce procédé est la première étape du raffinage et est basée sur la différence de température d’ébullition des produits purs que contient le pétrole brut. En effet, chaque hydrocarbure pur possède des caractéristiques physico-chimiques particulières.

Il est important de dire que la distillation atmosphérique ne sert pas à séparer les corps purs les uns des autres mais bien à séparer ces corps purs en fractions. La distillation constitue la première étape du raffinage. 260px-crude_oil_distillation-fr_svg.png

Le pétrole est donc chauffé dans une colonne de distillation atmosphérique. Grâce à la différence de température d’ébullition des différents composants du brut et avec la vaporisation des fractions plus ou moins légères, on peut recueillir des produits légers, intermédiaires, moyens et lourds aux différents étages de la colonne de distillation.

Ce type de distillation est effectuée à pression atmosphérique (d’où le nom) dans une colonne comportant plusieurs plateaux, de 30 à 50 la plupart du temps, perforés et munis de clapets. Après cette première distillation, on obtient une partie résiduelle qui est envoyée dans une seconde colonne de distillation, moins haute et qui comporte moins de plateaux (8 à 20 généralement), que l’on appelle colonne de distillation sous vide.



La distillation sous vide


Les résidus atmosphériques, issus de la première colonne de distillation contiennent des hydrocarbures à longues chaînes qui sont d’autant plus fragiles que leur longueur est importante. Si le chauffage à pression atmosphérique continue, elles son susceptibles de se scinder en plusieurs morceaux.

Pour éviter ces coupures des chaînes, on fait la séparation des produits du résidu atmosphérique sous un vide relatif qui correspond à une pression de 40mm de mercure. Ce « vide » permet de diminuer les températures d’ébullition des composants et ainsi le chauffage se fait à des températures moins importantes.

Produits de distillation


Après la distillation atmosphérique, on obtient toute une série de produits qui ne sont pas directement utilisables. Il faudra encore effectuer différentes opérations de manière à obtenir des substances intéressantes pour l’homme. Dus plus léger au plus lourd, c’est-à-dire du haut de la colonne vers le fond de la colonne, on obtient, après la distillation atmosphérique, des gaz humides, une fraction naphta, du kérosène brut, du gazole léger et du gazole lourd.

Traitement de la fraction naphta

Hydrotraitement


L’hydrotraitement est un procédé utilisé dans l’industrie pétrolière pour purifier un produit pétrolier par fixation de l’hydrogène.
La fraction naphta est un mélange de gaz et de naphta total, dont la température d’ébullition est de 180°C. Avant de séparer ce naphta en plus petites fractions, il va être envoyé dans une unité d’hydrotraitement de manière à enlever le souffre qui y est présent.
Cette unité de traitement est en fait une boucle qui véhicule de l’hydrogène sous pression au travers d’un réacteur contenant un catalyseur qui facilite la transformation des composés soufrés en sulfure d’hydrogène (H2S) qui plus facilement évacué. La réaction nécessite beaucoup d’hydrogène et c’est pourquoi un appoint permanent est fait, depuis l’unité de reformage catalytique (voir la section qui y est consacrée) qui est productrice d’hydrogène. On va donc obtenir un mélange essence-sulfure d’hydrogène qui sera séparé dans des ballons séparateurs successifs dans lesquels on va soutirer un gaz riche en hydrogène qui sera renvoyé dans la boucle et une essence riche en sulfure d’hydrogène. On va ensuite débarrasser l’essence de l’H2S (stripper) qui sera éliminé sous forme de gaz acides.
L’élimination du soufre contenu dans la fraction naphta est extrêmement importante avant de séparer celle-ci en coupes plus étroite puisqu’il est très corrosif. Sa présence pourrait endommager les autres unités par réaction avec les différents catalyseurs qui seront mis en jeu.

L'hydrogène utilisé vient de l'unité de reformage catalytique.

Stabilisateur de naphta


La fraction du naphta total issue de l’hydrotraitement et qui a été débarrassée de du soufre est envoyée dans un stabilisateur. Il s’agit d’une colonne dans laquelle la pression est de 5 à 10 bars et où le reflux est très élevé. Ces conditions permettent l’élimination des gaz et l’ajustement de la tension de vapeur de la coupe naphta. A la sortie de cette unité de traitement, le butane et tous les gaz plus légers que celui-ci sont envoyé dans une autre unité : le « gas plant » où ils seront traités.

Dans le stabilisateur, on sépare le naphta restant en deux fractions : le naphta léger, qui a un point final de distillation de 80°C, et le naphta lourd qui a un point final de distillation de 150°C ou de 180°C. Le point final de distillation que l’on choisit pour le naphta lourd dépend de la quantité de kérosène à produire.

En effet, si on veut fabriquer une quantité importante de kérosène, on coupera la fraction naphta à 150°C. Dans le cas contraire, on fixera le point final de distillation à 180°C voire parfois à 185-190°C.

Le naphta léger sera stocké pour servir par la suite de base dans la fabrication de carburants. Le naphta lourd, quant à lui, servira à alimenter l’unité de reformage catalytique.

Traitement de la coupe kérosène

Hydrotraitement


Le point final de distillation de cette coupe est de 225°C mais peut monter jusqu’à 250°C. Si cette coupe est issue d’un pétrole brut qui contenait très peu de soufre, il n’est pas nécessaire de la traiter. En revanche si elle est issue d’un brut qui contenait une quantité non négligeable de soufre, on l’envoie vers l’unité d’hydrotraitement pour éliminer son contenu en soufre selon le même principe que celui utilisé pour la coupe naphta.

Traitement d’adoucissement


Les produits sulfurés contenus dans le kérosène peuvent aussi être éliminés par le traitement dans une unité d’adoucissement comme par exemple le MEROX (acronyme de mercaptan oxidation) qui est un procédé faisant intervenir de la soude. Cette technique est utilisée pour les coupes qui ne contiennent que très peu de produits sulfurés, généralement les mercaptans. Ici, le soufre n’est pas éliminé mais il est neutralisé de manière à le rendre moins corrosif.

Principe du MEROX


Le procédé d’extraction MEROX des mercaptans contenus dans le LPG (Liquefied Petroleum Gases) comme le propane, le butane ou les mélanges butane-propane peut aussi être utilisé pour les coupes naphta.

Ce processus se fait en deux étapes. La première étape consiste à mettre le coupe de naphta légère en contact avec une solution de soude caustique contenant un catalyseur. La solution de soude caustique réagit ensuite avec les mercaptans et permet leur extraction. Cette réaction est :

2RSH + 2NaOH → 2NaSR + 2H2O

Dans cette équation, RSH est un mercaptan, R représente une chaîne carbonée telle qu’un méthyle, un éthyle,… Ci-dessous sont repris le nom de quelques mercaptans et leur formule chimique

FORMULE CHIMIQUE

NOM

NOM DU MERCAPTAN

CH3SH

Méthanethiol

m-mercaptan

C2H5SH

Ethanethiol

e-mercaptan

C3H7SH

1-propanethiol

n-P mercaptan

C4H9SH

Butanethiol

n-butyl mercaptan

C(CH3)3SH

Tetrabutyl mercaptan

t-butyl mercaptan

C5H11SH

Pentanethiol

pentyl mercaptan
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