Traitement en raffinerie
Dans la partie précédente, nous avons vu comment le pétrole se formait, et comment il était extrait des sous-sols. Mais comment passer de la matière brute extraite à un produit utilisable comme source d'énergie ?
Pour comprendre le principe de traitement du pétrole brut, afin qu'il soit utilisable comme source d'énergie, il faut d'abord connaître sa composition. Nous verrons ensuite toutes les étapes de son raffinage, et les rejets nocifs que celui-ci entraîne.
a) Composition du pétrole
b) Raffinage du pétrole brut
c) Rejets nocifs pour l'environnement
a) Composition du pétrole
Le pétrole, ainsi que le charbon et les gaz naturels, sont des matières carbonées fossiles : ils sont composés d'hydrocarbures, contenant des atomes de carbone et d'hydrogène.Mais on trouve aussi, en plus des hydrocarbures purs, des impuretés, comme des composés sulfurés, azotés...
Nous nous intéresserons principalement au pétrole, et aux hydrocarbures qui le composent.
Un hydrocarbure est un composé organique, contenant des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H), tous les hydrocarbures ont donc une formule de type CnHm.
On trouve plusieurs types d'hydrocarbures :
Les classiques :
-hydrocarbures saturés ou alcanes
(chaîne de liaisons simples entre les atomes) donc : CnH2n+2
-hydrocarbures insaturés ou alcènes
(chaîne contenant au moins une liaison double) : CnH2n
Des moins fréquents :
-hydrocarbures cycliques saturés/insaturés
-hydrocarbure ramifiés saturés
-hydrocarbure linéaires saturés...etc...
-hydrocarbures saturés ou alcanes
(chaîne de liaisons simples entre les atomes) donc : CnH2n+2
-hydrocarbures insaturés ou alcènes
(chaîne contenant au moins une liaison double) : CnH2n
Des moins fréquents :
-hydrocarbures cycliques saturés/insaturés
-hydrocarbure ramifiés saturés
-hydrocarbure linéaires saturés...etc...
Nous voyons donc que les hydrocarbures peuvent avoir beaucoup de structures moléculaires différentes, mais toutes composées de carbone et d'hydrogène.
Après un traitement en raffinerie, les produits obtenus à partir du pétrole sont :
-Les fiouls lourd et domestique (de C20 à C300)
Résidus de distillation du pétrole, ils serviront particulièrement à l'alimentation des chaudières, mais aussi aux bateaux et aux engins agricoles.
Il contient de nombreux hydrocarbures et une part de souffre.
-Le gazole (de C10H22 à C21H44)
Nous l'utilisons pour faire fonctionner les moteurs diesel, en particulier de nos automobiles.
Il a la particularité d'être auto-inflammable sous pression.
-Le kérosène (de C10H22 à C14H30)
Le kérosène est un type de gazole, il est le carburant des avions, il est préféré aux autres carburants pour sa forte valeur énergétique (plus d'énergie pour le même volume transporté), et pour sa température de congélation très basse (car la température peut atteindre -50°C à 10 000m d'altitude).
-Le supercarburant (Octane majoritaire : C8H18)
Le supercarburant est l'essence classique de nos transports, et plus généralement de tous les moteurs à explosion.
Les essences Sans plomb 95 et 98, sont composées de 95 et 98% d'octane, auxquels s'ajoutent d'autres hydrocarbures comme l'heptane, et où l'on ajoute de l'éthanol pour rendre le produit moins détonnant (augmenter l'indice d'octane).
L'indice octane (RON : Research Octane Number), mesure la résistance du carburant à l'auto-allumage, c'est à dire sans intervention d'une bougie. Pour une utilisation optimale d'un carburant, les proportions doivent permettre la combustion, mais le combustible ne doit pas s'enflammer seul.
-Le butane (C4H10)
-Le propane (C3H8)
Ces gaz sont utilisés dans la production de GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), alimentant certaines voitures équipées de ce système. Le GPL est composé de 50% de butane et de 50% de propane.
Ils sont aussi disponibles en bouteille pour le chauffage ou la cuisine.
-Le naphta qui servira à produire des matières plastiques (paraffines...), mais que nous ne traiteront pas dans ce TPE, puisqu'il n'a pas pour but l'obtention de l'énergie.
Résidus de distillation du pétrole, ils serviront particulièrement à l'alimentation des chaudières, mais aussi aux bateaux et aux engins agricoles.
Il contient de nombreux hydrocarbures et une part de souffre.
-Le gazole (de C10H22 à C21H44)
Nous l'utilisons pour faire fonctionner les moteurs diesel, en particulier de nos automobiles.
Il a la particularité d'être auto-inflammable sous pression.
-Le kérosène (de C10H22 à C14H30)
Le kérosène est un type de gazole, il est le carburant des avions, il est préféré aux autres carburants pour sa forte valeur énergétique (plus d'énergie pour le même volume transporté), et pour sa température de congélation très basse (car la température peut atteindre -50°C à 10 000m d'altitude).
-Le supercarburant (Octane majoritaire : C8H18)
Le supercarburant est l'essence classique de nos transports, et plus généralement de tous les moteurs à explosion.
Les essences Sans plomb 95 et 98, sont composées de 95 et 98% d'octane, auxquels s'ajoutent d'autres hydrocarbures comme l'heptane, et où l'on ajoute de l'éthanol pour rendre le produit moins détonnant (augmenter l'indice d'octane).
L'indice octane (RON : Research Octane Number), mesure la résistance du carburant à l'auto-allumage, c'est à dire sans intervention d'une bougie. Pour une utilisation optimale d'un carburant, les proportions doivent permettre la combustion, mais le combustible ne doit pas s'enflammer seul.
-Le butane (C4H10)
-Le propane (C3H8)
Ces gaz sont utilisés dans la production de GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié), alimentant certaines voitures équipées de ce système. Le GPL est composé de 50% de butane et de 50% de propane.
Ils sont aussi disponibles en bouteille pour le chauffage ou la cuisine.
-Le naphta qui servira à produire des matières plastiques (paraffines...), mais que nous ne traiteront pas dans ce TPE, puisqu'il n'a pas pour but l'obtention de l'énergie.
b) Raffinage du pétrole brut
La distillation du pétrole, exercée en raffinerie, permet donc de séparer ses différents composants. C'est la séparation.Les différents composants du pétrole ont, comme nous venons de le voir, un nombre différent d'atomes de carbone.
Ce nombre influe sur la température d'ébullition du composant, comme nous avons pu le remarquer grâce à une expérience de distillation pratiquée au lycée : Protocole d'expérimentation (.doc)
L'expérience en vidéo
Ou téléchargez la vidéo en qualité supérieure ici
(clic droit - enregistrer la cible sous)
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Cette expérience permet de comprendre le principe de séparation des hydrocarbures par distillation, chaque hydrocarbure ayant sa propre température d'ébullition. Résultats de l'expérience
Tour de distillation |
Dans une raffinerie, le pétrole est injecté à la base d'une tour de distillation atmosphérique d'environ 60 mètres de hauteur, et
chauffé par le bas à environ 400°C. Les composants s'évaporent et montent progressivement les paliers dans la colonne, jusqu'à atteindre leur température minimale d'ébullition. A ce stade, ils se condensent et sont recueillis au dernier palier auquel ils ont accédé. |
Nous pouvons voir toutes les "coupes" du pétrole après distillation, selon leur température d'ébullition, de la plus basse en haut à la plus élévée en bas de la tour :
Les différents produits du pétrole - Cliquez pour agrandir
Après cette distillation, les résidus sont soumis à une distillation sous-vide, qui en abaissant les températures d'ébullition, permet de séparer le fioul lourd, le fioul domestique et des restes de gazole.
Certains hydrocarbures sont plus demandés que d'autres, comme les gaz, l'essence ou le gazole. Les raffineries, pour satisfaire la demande supérieure, procèdent souvent à une conversion des hydrocarbures, nommée craquage catalytique.
Une partie des produits lourds est chauffée à 500°C, souvent en présence d'hydrogène (hydrocraquage), pour casser les molécules complexes et lourdes en molécules d'hydrocarbures voulues.
On obtient ainsi plus de produits légers à partir d'une même quantité de pétrole.
On assiste aussi à d'autres modifications des produits comme la désulfuration, qui permet de réduire la quantité de soufre, nocive.
En chauffant les hydrocarbures à 350°C et 60 bars de pression, en présence d'hydrogène, les atomes de soufre se lient à celui-ci :
CnHm + xS + xH2 = CnHm + xH2S
Le soufre obtenu sera stocké dans des réservoirs, à une température qui le conservera à l'état liquide.Le reformage catalytique, l'inverse du craquage catalytique, permet d'augmenter la quantité d'octane d'un carburant, pour le rendre moins détonnant.
c) Rejets nocifs pour l'environnement
Si le pétrole est totalement modifié pour satisfaire une demande très importante, cette modification reste un danger majeur pour l'environnement.En effet, le pétrole, en plus des hydrocarbures (atomes de carbone et d'hydrogène), contient des espèces chimiques qui, lors du processus de raffinage, se transforment et deviennent dangereuses pour l'Homme et pour l'environnement.
Lors de la distillation, et sous l'effet de la chaleur, les atomes de soufre (S) contenus dans le pétrole se combinent au dioxygène (O2) pour former du dioxyde de soufre (SO2).
S + O2 = SO2
Le dioxyde de soufre, lorsqu'il se mélange à l'eau, rend celle-ci acide, et donc nocive
à la vie animale et végétale. De plus, les pluies deviennent acides et touchent une grande étendue de territoire.C'est la pollution la plus importante engendrée par le raffinage.
Part du rejet de SO2 dans les rejets nationaux du Canada en 2002
Place importante de l'industrie pétrolière (17%)
De la même manière, les atomes d'azote (N) se lient au dioxygène et forment des oxydes d'azote NO ou NO2, des gaz irritants et même mortels dans certains cas.
De plus, le NO2, lorsqu'il réagit avec le dioxygène, forme du NO et de l'ozone.
NO2 + O2 = NO + O3
L'ozone, déjà présent dans la stratosphère, protège la planète des UV, mais lorsque celui-ci est présent dans la troposphère (basse altitude), il
est irritant et provoque des maladies respiratoires.On assiste aussi, lors du raffinage, à l'évaporation de COV (Composés Organiques Volatiles), qui sont des vapeurs contenant du carbone.
Le COV le plus important et dangereux est le benzène (C6H6), toxique et cancérigène.
(Une respiration de 5min dans un milieu à 2% de benzène peut entraîner la mort.)
D'autres produits nocifs et toxiques sont rejetés par ce processus, comme le monoxyde de carbone (CO), responsable de problèmes cardiaques, ou encore des métaux lourds, polluants les sols alentours.
Des gaz à effet de serre (GES), sont aussi produits, mais en quantité très faible par rapport à ceux engendrés par l'utilisation des produits finaux.
