Le Raffinage
Le raffinage permet de transformer le brut en une palette de produits pétroliers répondant aux besoins des consommateurs et des industriels. Il consiste en une série d'opérations qui visent à améliorer les caractéristiques et la qualité du pétrole brut.
Dans une raffinerie, le brut est transformé en produits finis selon un processus précis regroupant trois types d'opérations :
La première étape est celle de la séparation des molécules lourdes et des molécules légères par distillation. Ce procédé consiste à chauffer le pétrole pour qu'il s'évapore peu à peu, comme on pourrait le faire avec une casserole d'eau : avant que l'eau n'atteigne 100 °C, on observe de petites bulles de gaz dissous qui s'échappent peu à peu. À plus de 100 °C, l'eau bout et se transforme en vapeur. Au fond de la casserole, on trouve alors des résidus de sels blanchâtres, que l'on pourrait vaporiser en les chauffant à très haute température.
La distillation du pétrole utilise le même principe : on le fait chauffer dans une tour de distillation de 60 mètres de haut, aussi appelée topping ou colonne de distillation atmosphérique (parce que la pression qui règne à l'intérieur est proche de celle de l'atmosphère). Lorsqu'il atteint 350 à 400 °C, le pétrole s'évapore en partie et commence à monter dans cette tour, tandis que ses molécules les plus lourdes, ou résidus, restent à la base. À mesure que les vapeurs s'élèvent, elles se condensent partiellement en liquides sous l'effet d'une baisse de température. Elles poursuivent leur ascension jusqu'en haut de la tour, où la température est de 150 °C. Là, on retrouve les dernières vapeurs non condensées sous la forme de gaz de pétrole. Sur toute la hauteur de la tour, à différents niveaux, des plateaux permettent de récupérer une dizaine de produits plus ou moins lourds nommés coupes pétrolières, depuis les bitumes (mélanges d'hydrocarbures très visqueux) jusqu'aux gaz.
Les résidus lourds issus de cette distillation renferment beaucoup de produits de densité moyenne. On les soumet, dans une autre colonne, à une seconde distillation qui permet de récupérer les produits moyens (fiouls lourds et gazole).
Après ces opérations de séparation, il subsiste beaucoup de molécules hydrocarbures lourdes. Pour répondre à la demande en produits légers, on les casse, c'est-à-dire qu'on sépare les atomes qui les composent pour obtenir des molécules plus légères. Ce procédé de conversion, appliqué à 500 °C, est également appelé craquage catalytique car il fait intervenir un catalyseur (substance accélérant et facilitant les réactions chimiques). 75 % des produits lourds soumis à la conversion sont ainsi transformés en gaz, essence et gazole. On peut même améliorer ce résultat par des ajouts d'hydrogène (hydrocraquage) ou en employant des méthodes d'extraction du carbone pour récupérer davantage de molécules légères (conversion profonde). Ainsi, tous les hydrocarbures lourds sont convertibles en hydrocarbures légers, mais l'opération peut se révéler coûteuse et gourmande en énergie.
Il vient ensuite une phase d'amélioration. Les produits issus de la distillation et de la conversion sont débarrassés de leurs molécules corrosives ou néfastes à l'environnement, en particulier le soufre. En effet, les normes de l'UE en matière d'émissions de soufre sont strictes : depuis 2008, le gazole contenant plus de 0,1 % de soufre ne doit pas être utilisé sur le territoire européen. Ces mesures visent à limiter la pollution atmosphérique au soufre, gaz irritant pour l'appareil respiratoire qui contribue aussi à l'appauvrissement des sols et de la végétation. La désulfuration du gazole s'effectue à 370 °C, sous une pression de 60 bars et en présence d'hydrogène : dans ces conditions physiques, les atomes de soufre se dissocient des molécules hydrocarbures et s'associent aux atomes d'hydrogène pour former du sulfure d'hydrogène (H2S). Ce dernier est traité pour donner du soufre liquide, réutilisé dans l'industrie. De même, le kérosène, les gaz butane et propane sont lavés à la soude.
Ce traitement, nommé adoucissement, débarrasse ces produits des mercaptans qu'ils contiennent (il s'agit de molécules d'alcool nauséabond et corrosif contenant un ou plusieurs atomes de soufre à la place des atomes d'oxygène).
Enfin, avant de pouvoir proposer les essences ou les supers à la pompe, il faut augmenter leur indice d'octane, qui n'est pas assez fort pour qu'on puisse les utiliser directement dans un moteur. Cet indice renseigne sur la résistance à l'auto-inflammation d'un carburant, quantifiée au moyen d'un chiffre par rapport à 100. Si l'indice d'octane n'est pas assez élevé, l'essence aura tendance à s'auto-enflammer, provoquant à terme des dégâts à l'intérieur du moteur. Pour éviter cela, on doit hausser l'indice d'octane jusqu'à 95 ou 98, de manière à ce que l'essence soit compatible avec les moteurs des véhicules. On effectue donc un reformage catalytique. Cette réaction chimique opérée à 500 °C, sous une pression de 10 bars, utilise du platine comme catalyseur. Elle permet de restructurer le squelette des molécules hydrocarbures pour atténuer leur tendance à l'auto-allumage. Il existe aussi d'autres réactions chimiques, comme l'alkylation, qui améliorent également la résistance à l'auto-inflammation de l'essence.
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