Pétrochimie Procédés chimiques dans l’industrie AH

Origine du pétrole, charbon et gaz naturel Pétrochimie2

Origine du pétrole Pétrochimie3

Origine du charbon Pétrochimie4 Type de fossile C%0%H%N% tourbe lignite houille anthracite952,5 traces

Types de gisement de pétrole Pétrochimie5  Selon la viscosité, quatre types de gisements sont définis:  les gisements de pétrole léger : l’aspect du pétrole brut se rapproche de celui du gazole. Les gisements sahariens présentent cette caractéristique ;  les gisements de pétrole moyen : la viscosité du pétrole brut est intermédiaire entre le pétrole léger et le pétrole lourd. Il s’agit par exemple des gisements du Moyen- Orient ;  les gisements de pétrole lourd ou extra-lourd : le pétrole brut ne coule pratiquement pas à température ambiante. Les gisements d’Amérique du sud en sont un exemple ;  les gisements de bitume : le pétrole brut est très visqueux voire solide à température ambiante. Les principales réserves de ce type se trouvent au Canada.

Forage Pétrochimie6

Pétrole brut  Composition :  84 à 87 % de carbone  11 à 14 % d’hydrogène  0 à 3 % de soufre  0 à 1 % d’azote  0 à 3 % d’oxygène  0 à 1 % d’eau Pétrochimie7

Pétrole brut Pétrochimie8

Pétrole brut Pétrochimie9

Pétrole brut Pétrochimie10 COMPOSÉS SOUFRÉS  On reconnaît en général quatre grandes classes :  Composés acide et malodorants (mercaptans) :  H 2 S, CH 3 SH, C 6 H 6 SH → R- SH  Sulfures, disulfures et polysulfures :  R-S-R, R-S-S-R  Neutres et sans odeur, instables à chaud, se décomposent en mercaptans  Sulfures cycliques :  Neutres, stables à chaud  Composés oxygénés :  De structures très variées à cause des nombres d’oxydation variés que peut emprunter le soufre  La teneur en soufre est très variable en fonction des gisements :  De quasi nulle à très riche (15 à 17 %)

Raffinage Pétrochimie11

Raffinage  Stockage à la raffinerie en fonction de la teneur en soufre.  Distillation atmosphérique pour d’abord séparer les produits légers, moyens et lourds. Les produits lourds sont ensuite séparés par une distillation sous-vide. Pétrochimie12

Distillation atmosphérique  Dans une tour de 50 à 70 m de hauteur par 7-8 m de largeur. La température décroît au fur et à mesure que l’on monte dans la tour, permettant à chaque type d’hydrocarbure de se liquéfier afin d’être récupéré. Les plus légers sont récupérés tout en haut, et les plus lourds restent au fond de la tour.  La colonne contient plusieurs plateaux avec des soutirages latéraux, la pression peut légèrement dépasser 1 atm. Pétrochimie13

Distillation sous-vide  Dans une tour plus petite, fermée puis dépressurisée. Les produits, alors plus volatils, ont une température d’ébullition plus faible permettant ainsi aux produits lourds d’être plus facilement récupérable. Pétrochimie14  La pression est à peu près de 4 kPa à la tête et 13 kPa à la base.  La fraction de tête de la tour de distillation sous vide est un gazole lourd.  Les quatre autres fractions soutirées du haut en bas de la colonne sont des matières premières pour les huiles lubrifiantes.  Le résidu va à la fabrication des huiles de graissage très lourdes et à la constitution des bitumes.

Conversion des fractions  Certaines fractions sont plus en demande sur le marché et d’autres beaucoup moins de sorte qu’elles se retrouveraient en surplus si elles n’étaient pas transformées. Pétrochimie15  Conversion des fractions légères:  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).

Conversion des fractions  Les essences légères, en vue d’obtenir ces mêmes supercarburants, sont améliorées par isomérisation et alkylation. Pétrochimie16  Le naphta est amélioré par hydrotraitement afin d’en extraire le soufre.  Les gaz combustibles vont servir à alimenter la raffinerie.

Conversion des fractions  Conversion des fractions lourdes:  Les résidus issus de la distillation sous vide sont chauffés à 450°C et 500°C sous une pression entre 5 et 20 bars pour subir un craquage thermique afin d’obtenir des bitumes. Pétrochimie17  Les distillats sont transformés par craquage catalytique à 500°C. Ce traitement permet d’obtenir des fuels lourds.

Vue d’ensemble Pétrochimie18

Craquage catalytique  Utilise le type lit fluidisé. Pétrochimie19  Le catalyseur (zéolite en fine poudre), est maintenu en suspension dans le réacteur par l’alimentation en hydrocarbures provenant du bas du réacteur.  Le pétrole se vaporise au contact du catalyseur chaud et ses molécules sont alors fractionnées en molécules plus petites.  Les vapeurs, qui proviennent du réacteur, permettent ainsi aux fractions les plus lourdes d’y être retournées et aux fractions les plus légères d’être séparées.  Le zéolite se désactive par dégradation thermique et par son contact avec les métaux lourds dans la charge d’alimentation, ce qui nécessite sa régénération ou son remplacement.

Craquage catalytique Pétrochimie20  Aromatiques :  Sans chaîne latérale → craquage négligeable  Avec chaînes latérales → clivage des chaînes latérales  Oléfines :  Clivage à plusieurs endroits

Pétrochimie21  Paraffines :  C n H 2n+2 → C a H 2a+2 + C b H 2b (a + b = n)  Exemple :  C 9 H 20 → C 6 H 14 + C 3 H 6 Craquage catalytique  Naphtènes :  C n H n-x ou x = 2, 4, 6, 8, etc.  Clivage des cycle et/ou des chaînes latérales  Donne des paraffines et des oléfines :

Craquage catalytique  Réacteur :  Les réactions catalytiques se produisent de 480 à 510 ºC et à basse pression.  Le coke, un résidu qui se forme se dépose sur le catalyseur, ce qui détruit son activité catalytique. Pétrochimie22  Regénérateur :  Le coke déposé sur le catalyseur brûle à l’injection d’air de combustion.  La chaleur ainsi dégagée permet le réchauffage du catalyseur jusqu’à ºC et plus. Le catalyseur régénéré peut donc être réutilisé dans le réacteur.

Le catalyseur  Zéolite :  Minéral microporeux synthétique ou naturel :  silice-alumine amorphe constituée de différents pourcentage d’oxydes métalliques (Al 2 O 3, SiO 2, MgO, CaO, Na 2 O, Fe 2 O 3, etc). Pétrochimie23  Il confine les molécules dans un petit espace, qui change leur configuration tridimensionnelle et ainsi, leur réactivité.  C’est aussi un puissant acide de Lewis à l’état solide facilitant les alkylations et isomérisation.

Dessalage du pétrole brut  Le dessalage doit être envisagée afin que les sels minéraux présents (surtout sels de chlorure) sous forme émulsifiée ne puissent s’accumuler et entraîner ainsi la formation d’acide chlorhydrique dans la colonne de distillation. Pétrochimie24

Dessalage du pétrole brut  Le rôle de l'unité de dessalage est d'éliminer par lavage à l'eau les sels minéraux présents dans les pétroles bruts.  La séparation brut dessalé / eau s'effectue dans un gros ballon décanteur horizontal : le dessaleur. Pétrochimie25

Dessalage du pétrole brut  Le dessalage se fait à l’aide de dessaleurs chimiques ou électrostatiques :  Procédé chimique :  Le pétrole sera chauffé.  Considérant qu’il ne peut être neutralisé qu’en présence de soude caustique et d’ammoniaque, dans le but de réduire sa teneur en sels, il sera mis en contact avec de l’eau pour former une émulsion.  Le mélange entrera ensuite dans l’unité de dessalage où il sera isolé de la saumure via un procédé à étages distincts (mélangeur – décanteur). Pétrochimie26

Dessalage du pétrole brut  Procédé électrostatique :  Dans la deuxième méthode, l’eau est mélangée au brut qui a été préalablement chauffé pour augmenter l’efficacité du dessalage.  Le brut est séparé de l’eau par un courant électrostatique de haut voltage qui déstabilise l’émulsion d’eau et de pétrole précédemment formée. Pétrochimie27

Désulfuration et adoucissement  Une fois purifiées, les fractions de pétrole brut doivent être raffinées davantage pour les nettoyer des impuretés dont le soufre. L'odeur d'œufs pourris que l'on sent autour des puits de pétrole en est caractéristique. Pétrochimie28  Le processus par lequel le soufre est retiré des combustibles fossiles est appelé désulfuration ou adoucissement et fait appel à la technique de l'hydrotraitement. L'hydrotraitement implique une réaction chimique se produisant à pression et à température élevées qui retire les atomes de soufre et les remplace par des hydrogènes.

Autres traitements  Extraction par solvant :  Dans la production des lubrifiants, l’extraction de composés formés indésirables fait appel à l’utilisation d’un solvant furfural qui possède une affinité avec ces composés non désirés.  Traitement des gaz :  Les gaz sont traités à la soude caustique et à la diéthanolamine afin de permettre l’élimination des composés sulfurés.  On élimine ainsi, entre autres, le sulfure d’hydrogène (H 2 S), qui est récupéré ailleurs. Pétrochimie29

Rejets polluants  Dessalage :  Les rejets de dessalage contiennent de l’huile, de l’ammoniaque, des phénols, des sulfures et des solides en suspension et/ou dissous. Ils contiennent également une charge importante en DBO 5 et en DCO.  Distillations :  Les vapeurs condensées génèrent à l’effluent des quantités non-négligeables :  de sulfures;  d’huiles et graisses;  d’ammoniaque;  d’hydrocarbures (HAP);  de chlorures;  de mercaptans;  de phénols. Pétrochimie30

Pollution atmosphérique  Les principaux problèmes de contamination atmosphérique associées aux raffineries concernent surtout les émissions fugitives :  Dans certains cas, la tuyauterie (valves, joints, etc.) n’est pas parfaitement étanche.  Il se peut qu’une infime quantité de ce qu’elle contient s’échappe (plus le contenu est volatile, plus le risque d’émission est grand).  Ces émissions sont considérées comme fugitives puisqu’elles ne surviennent pas en quelques points précis, mais plutôt en de multiples endroits, en fonction de l’étanchéité du matériel. Pétrochimie31

Rejets polluants  Il s’avère également intéressant de mentionner que les raffineries et les complexes pétrochimiques sont munis d’une ou plusieurs torches :  Ces dernières sont conçues pour brûler toute émission de gaz, accidentelle ou non.  La combustion de ces torches est pratiquement complète et ceci réduit de beaucoup les émissions de contaminant à l’atmosphère. Pétrochimie32