Les procédés de raffinage du pétrole

Les procédés de raffinage du pétrole

Le raffinage des hydrocarbures consiste à mettre en œuvre des produits chimiques, des catalyseurs, la chaleur et la pression pour séparer et combiner les types fondamentaux de molécules d’hydrocarbures présents à l’état naturel dans le pétrole brut en groupes similaires. Il permet aussi de réarranger les structures et les liaisons moléculaires pour obtenir des composés et des molécules d’hydrocarbures différents et plus intéressants.

Figure 1   Procédé de dessalage (prétraitement)

 Comme la plupart des procédés de raffinage s’effectuent en continu et en vase clos, les probabilités d’exposition sont limitées. Des risques d’incendie subsistent néanmoins, même si les opérations de raffinage s’effectuent en circuit fermé, car les réchauffeurs, les fours et les échangeurs de chaleur des unités de production sont autant de sources d’inflammation en cas de fuite ou de rejet de liquides, de vapeurs ou de gaz d’hydrocarbures.

Le prétraitement du pétrole brut

Le dessalage

Le pétrole brut contient souvent de l’eau, des sels inorganiques, des solides en suspension et des traces de métaux solubles dans l’eau. La première étape du raffinage consiste à éliminer ces contaminants par dessalage (déshydratation) pour réduire la corrosion, le colmatage et l’encrassement des installations et empêcher l’empoisonnement des catalyseurs dans les unités de production.

 Le dessalage chimique, la séparation électrostatique et la filtration sont trois méthodes typiques de dessalage du pétrole brut.

 Dans le dessalage chimique, on ajoute de l’eau et des agents tensio-actifs (désémulsi-fiants) au pétrole brut, on chauffe pour dissoudre ou fixer à l’eau les sels et les autres impuretés, puis on conserve ce mélange dans un bac pour que la phase aqueuse décante.

Dans le dessalage électrostatique, on applique des charges électrostatiques de tension élevée pour concentrer les gouttelettes en suspension dans la partie inférieure du bac de décantation. On ajoute des agents tensio-actifs uniquement lorsque le pétrole brut renferme beaucoup de solides en suspension.

 Un troisième procédé, moins courant, consiste à filtrer le pétrole brut chaud sur de la terre à diatomées.

 Dans les dessalages chimique et électrostatique, on chauffe la matière première brute jusqu’à une température comprise entre 66 °C et 177 °C, pour réduire la viscosité et la tension superficielle et faciliter ainsi le mélange et la séparation de l’eau; .

Figure 2 :   Procédé de distillation atmosphérique

Figure 3 :  Schéma du procédé de distillation atmosphérique

 

Les procédés de séparation du pétrole brut

La première étape du raffinage est le fractionnement du pétrole brut dans des tours de distillation atmosphérique et sous vide.

Le pétrole brut chauffé est physiquement séparé en diverses fractions, différenciées par leurs plages de points d’ébullition et classées, par ordre de volatilité décroissante, en gaz, distillats légers, distillats moyens, gazole et résidus.

 Le fractionnement permet de séparer les différentes fractions car, en raison de la différence de température entre le bas et le haut de la tour, les constituants à point d’ébullition plus élevé se condensent à la partie inférieure de la tour, tandis que les fractions à point d’ébullition plus bas montent plus haut dans la tour avant de se condenser.

Dans la tour, les vapeurs qui montent et les liquides qui descendent (reflux) se mélangent à des niveaux où leurs compositions sont en équilibre.

Après la distillation, seuls quelques hydrocarbures peuvent être utilisés comme produits finis sans traitement supplémentaire.

La distillation atmosphérique

Dans les tours de distillation atmosphérique, le pétrole brut dessalé est préchauffé en utilisant la chaleur recyclée provenant des procédés. Cette charge est ensuite acheminée vers un réchauffeur à chauffage direct, puis vers le bas d’une colonne de distillation verticale, à des pressions légèrement supérieures à la pression atmosphérique et à des températures allant de 343 °C à 371 °C, pour éviter tout craquage thermique indésirable qui se produirait à des températures plus élevées. Les fractions légères (à bas point d’ébullition) se diffusent dans la partie supérieure de la tour, d’où elles sont soutirées en continu et acheminées vers d’autres unités en vue de subir un traitement plus poussé avant d’être mélangées et distribuées.

La distillation sous vide

La distillation sous vide est normalement utilisée pour séparer les produits devant être envoyés aux unités de craquage catalyti-que des fractions résiduelles. Les queues de distillation sous vide peuvent aussi être acheminées vers un four à coke, être utilisées comme base de lubrifiant ou de bitume, ou encore être désulfurées et mélangées à du mazout à faible teneur en soufre (voir figures 4 et 5).

Figure 4 : Procédé de distillation sous vide 

Les colonnes de distillation

Il existe dans les raffineries de nombreuses autres tours de distillation plus petites, appelées colonnes, destinées à séparer des produits particuliers et uniques; elles fonctionnent toutes selon les mêmes principes que les tours de distillation atmosphérique. Ainsi, un dépropaniseur est une petite colonne conçue pour séparer le propane de l’isobutane et des constituants plus lourds. Une autre colonne, de plus grande taille, sert à séparer l’éthyl-benzène et le xylène. De petites tours de désessençage, appelées colonnes de rectification, utilisent de la vapeur d’eau pour débarrasser les produits lourds des traces de produits plus légers qu’ils contiennent.

Figure 5 :   Schéma du procédé de distillation sous vide

Le reformage catalytique

Les procédés de reformage catalytique permettent de convertir les naphtas lourds à faible indice d’octane en hydrocarbures aromatiques pouvant servir de matières premières pour l’industrie pétrochimique et en constituants pour l’essence à indice d’octane élevé, appelésreformats, par réarrangement moléculaire ou déshydrogéna-tion. Selon la charge et les catalyseurs, les reformats peuvent avoir des concentrations très élevées de toluène, de benzène, de xylène et d’autres constituants aromatiques utiles dans la préparation de l’essence et dans les procédés pétrochimiques. 

Les procédés de craquage catalytique

Le craquage catalytique permet d’obtenir des molécules plus simples par fragmentation d’hydrocarbures complexes, d’améliorer ainsi la qualité et d’augmenter la quantité de produits légers plus intéressants et de diminuer la quantité de résidus. Des hydrocarbures lourds sont exposés, dans des conditions de température élevée et de basse pression, à des catalyseurs qui initient les réactions chimiques. 

Tous les procédés de craquage catalytique comportent trois fonctions de base:

•  réaction — la charge réagit avec le catalyseur et est fragmentée en différents hydrocarbures;

•  régénération — le catalyseur est réactivé par combustion du coke;

•  fractionnement — les produits de craquage sont séparés en diverses fractions.

Les procédés de craquage catalytique sont très souples; on peut ajuster les paramètres de marche en fonction de l’évolution de la demande. Il existe actuellement trois types de base de procédés de craquage catalytique:

•  le craquage catalytique sur lit fluidisé (fluid catalytic cracking (FCC));

•  le craquage catalytique sur lit mobile;

•  le craquage catalytique sur lit mobile selon le procédé TCC (thermofor catalytic cracking).