Raffinage du pétrole - Définition

Introduction

Le raffinage du pétrole désigne l'ensemble des traitements et transformations visant à tirer du pétrole le maximum de produits à haute valeur commerciale. Selon l'objectif visé, en général, ces procédés sont réunis dans une raffinerie. La raffinerie est l'endroit où l'on traite le pétrole pour extraire les fractions commercialisables.

Le pétrole, qui est un mélange de différents produits hydrocarbonés, pour être utilisable dans les différentes branches de l'industrie et des moteurs à combustion, doit subir une série de traitements divers. Très souvent, la qualité d'un brut dépend largement de son origine. Selon son origine, sa couleur, sa viscosité, sa teneur en soufre, son point d'écoulement, sa teneur en minéraux varient. Aussi, la structure de chaque raffinerie doit tenir compte de tous ces facteurs.

En plus, une raffinerie doit être conçue pour traiter une gamme assez large de bruts. Bien sûr, il existe des raffineries conçues pour traiter uniquement un seul brut, mais ce sont des cas particuliers où la ressource estimée en brut est assez importante.

Il existe des raffineries simples ou complexes. Les raffineries simples sont constituées seulement de quelques unités de traitement tandis que les raffineries complexes en possèdent bien plus.

En effet, selon l'objectif visé et l'endroit où se trouve la raffinerie, selon aussi la nature des bruts traités (par exemple brut BTS ou HTS, brut naphténique ou aromatique) la structure de la raffinerie à construire est différente ; selon également les besoins potentiels locaux la raffinerie peut être très simple ou très complexe. Souvent en Europe, aux États Unis et généralement dans des régions où les besoins en carburants sont élevés, la structure des raffineries est complexe. Par contre dans les pays en développement, cette structure est assez simple.

Le pétrole, une fois arrivé à la raffinerie, est stocké dans des bacs de grande taille. En général on stocke le pétrole à basse teneur en soufre (BTS) séparé de celui à haute teneur en soufre (HTS). Il en est de même dans le traitement. Selon la demande du marché à l'instant 't', on traite d'abord dans un cycle avec du pétrole BTS avant de passer dans un cycle HTS afin d'éviter la pollution des produits BTS par ceux du HTS. Si c'est le cas inverse, les produits issus du traitement pendant quelques heures, s'il y a lieu, sont dirigés vers des bacs de produits HTS pour être retraités.

Structure d'une raffinerie

Raffinerie complexe

Les raffineries complexes peuvent avoir, en plus des unités ci-dessus, d'autres unités telles que :

• le craquage catalytique ou (FCC Fluid Catalytic Cracking)
• le viscoréducteur (visbreaking),
• l'isomérisation,
• la polymérisation,
• le craquage à la vapeur ou Steam Cracking,
• le soufflage de bitume,
• la cokéfaction (coking).

Dans ce cas on dit qu'on est en conversion profonde (deep conversion). Ces techniques sont de plus en plus utilisées, du fait de l'évolution du marché : les pétroles disponibles sur le marché tendent à devenir plus lourds, tandis la demande se déplace vers le "sommet du baril", le marché des fiouls lourds se réduit (en partie parce qu'ils sont souvent remplacés par le gaz naturel) tandis que la consommation de carburants automobiles ne cesse de croître.

Les unités de mélanges

Les mélanges

Les produits intermédiaires issus des unités de raffinage sont rarement des produits commerciaux (sauf les naphtas et quelques autres produits) et ne peuvent pas être vendus tels quels. Pour être commercialisables, ceux-ci sont mélangés dans des proportions variables selon les spécifications techniques des produits finis. Ces spécifications techniques peuvent être des spécifications nationales ou internationales et obéissent à des définitions précises basées sur des normes (ASTM, NF et IP).

Pour les spécifications nationales, (tout au moins en France) celles-ci sont édictées par le Ministère des Finances et la Direction des Carburants (Ministère de l'Industrie) du pays, tandis que les spécifications internationales sont soumises à des normes édictées par les organisations internationales. Quant aux produits utilisés par l'armée, l'armée de chaque pays a ses propres exigences.

C'est ainsi que pour certains pays, on n'utilise que des carburants sans plomb tandis que pour d'autres pays on continue à mettre du plomb tétra-éthyl (PTE). Il en est de même pour les autres produits, gazole sans soufre, ou avec peu de soufre.

En raffinerie, pour faire des mélanges, on utilise des appareils doseurs avec contrôle automatique dont on affiche pour chaque produit entrant dans la composition finale, les pourcentages fixés à l'avance. Une fois que le mélange est fait, on procède à une analyse au laboratoire afin de coller au plus près aux spécifications attendues. Très souvent, afin d'économiser les constituants et/ou les additifs, ces spécifications sont respectées mais avec des propriétés légèrement inférieures aux normes.

A la sortie des unités de mélanges, on trouve toute une gamme de produits commercialisables dont les pricipaux produits sont les suivants :

• du propane
• du butane,
• du naphta léger,
• du naphta lourd,
• du carburant auto,
• du supercarburant,
• du kérosène,
• du Jet A1,
• du gazole moteur,
• du gazole de chauffage,
• du gazole marine,
• du fioul BTS,
• du fioul MTS,
• du fioul HTS,
• du bitume de différentes duretés

il existe aussi du fuel gaz et du fioule combustible utilisés par la raffinerie elle-même.

Les lubrifiants

A côté de ces produits cités, il faut signaler également l'existence d'une classe de produits très profitables pour le raffineur : c'est la classe des lubrifiants. Les lubrifiants ont pour rôle essentiel de réduire le frottement entre deux corps métalliques, mais leurs fonctions s'étendent bien plus :

• Réduire les frottements,
• Combattre l'usure prématurée des organes et des pièces en mouvement dans les machines,
• Participer à l'équilibre thermique en absorbant une partie des calories produites,
• Contribuer, par leur fluidité, à l'étanchéité aux gaz et aux liquides,
• Eliminer les impuretés produites par les machines permettant de prolonger la vie de celles-ci.

Pour obtenir des huiles de base à partir desquelles on fabrique des huiles finies pour moteurs, on prend le résidu atmosphérique qu'on passe à la distillation sous-vide. Puis on fait subir toute une série de traitements comme suit :

• distillation sous-vide --> résidu sous-vide,
• désasphaltage au propane,
• traitement au furfurol (ou autre solvant sélectif) pour extraire les aromatiques,
• traitement au méthyl-éthyl-cétone (MEK) (ou autre solvant sélectif) pour extraire les paraffines et les cires,
• traitements finisseurs :
  • hydrofinissage,
  • clarification des huiles,
  • stabilisation des huiles.

A ces huiles de base on ajoute des additifs divers pour fabriquer des huiles finies pour moteurs. Ici l'ajout d'additifs ne sert pas d'arguments de publicité ou de vente, mais répond à des besoins de fonctions précises pendant l'utilisation des huiles. Il faut donc garder dans l'esprit qu'ici, exceptionnellement, les additifs répondent à des besoins réels de performance. Ces ajouts sont les résultats de longues recherches en laboratoires.

Sans entrer dans les détails, il faut savoir qu'il y a trois grandes classes de lubrifiants :

• huiles et graisses pour moteurs à explosion,
• huiles et graisses pour l'industrie,
• huiles et graisses marine.

C'est grâce aux lubrifiants qu'une marque peut se distinguer d'une autre marque et attirer des clients nouveaux. Ainsi c'est par cette voie qu'une marque peut bâtir sa réputation et garder des clients fidèles malgré la concurrence.

Les spécifications techniques des produits

Les produits, une fois mélangés à partir des bases (ou blendstocks), sont commercialisables. Mais ceux-ci doivent avoir des spécifications techniques (physiques et chimiques) correspondant aux normes édictées par la Loi, ou encore par la profession elle-même. Pour certains produits, afin de garder une bonne image de marque de ces produits, la compagnie pétrolière elle-même peut fabriquer des produits dépassant quelques peu les normes édictées, en ajoutant différents additifs supplémentaires.

Il est donc normal que chaque produit commercialisable ait des caractéristiques physiques et chimiques qui lui sont propres. Mais dans la fabrication des produits, le raffineur se trouve dans l'impossibilité de respecter, à la lettre, ces caractéristiques. Aussi, au lieu de fixer des valeurs pour celles-ci, on crée des limites minimales et maximales pour chacune de ces caractéristiques.

Comme l'industrie du pétrole est, pour tous les pays, sans aucune exception, une manne financière énorme, ici comme ailleurs, on crée plusieurs étapes dans les spécifications afin de pouvoir mettre des taxes et impôts de toutes les sortes.

En France, en premier lieu, on considère que tout produit pétrolier est un produit d'importation. Donc il y a une première catégorie de spécifications qu'on appelle "spécifications douanières.". Ensuite il y a toute une série d'autres spécifications dont la liste complète suit :

• Spécifications douanières,
• Spécifications administratives,
• Spécifications intersyndicales,
• Spécifications internes,
• Spécifications particulières.

Sans vouloir entrer trop dans les détails de ces spécifications qui n'intéressent que les spécialistes concernés, disons que les deux premières catégories permettent à l'état de prélever toute une série de taxes et d'impôts, la troisième catégorie concerne la profession elle-même, la quatrième est faite pour l'image de marque de la compagnie pétrolière elle-même et la dernière permet aux compagnies de soigner particulièrement leurs gros clients.

Il faut signaler également que pour les produits livrés à l'armée du pays, celle-ci peut définir (et exiger) des spécifications particulières.

On voit qu'il n'existe pas, pour un produit pétrolier quelconque, une seule série de spécifications, mais toute une gamme de caractéristiques techniques.

Afin de déterminer les valeurs de ces caractéristiques et faire des contrôles de qualités des produits avant leurs mises sur le marché, chaque raffinerie possède un laboratoire d'analyse. Celui-ci suit, dans toutes les phases de fabrication des produits, l'évolution et/ou les changements dans les caractéristiques. En bout de chaîne, et avant que le produit commercialisable soit mis sur le marché, c'est au laboratoire d'analyse que revient la responsabilité de donner ou non le feu vert dans cette mise sur le marché.

C'est le laboratoire qui délivre en fin de compte le certificat de conformité du produit avant sa mise sur le marché. En cas de contestation de la part de la clientèle, c'est encore le laboratoire qui va jouer le rôle d'expert en concordance avec celui du client, qui, en général, est un laboratoire indépendant.

Concernant la procédure de contrôle des caractéristiques, les laboratoires doivent suivre des normes bien précises, élaborées par des agréments nationaux (ou internationaux), telles que :

• ASTM (American Society for Testing Materials)
• NF (Normes Françaises)
• IP (Institute of Petroleum)

Nous allons donner ci-après, pour exemple, quelques caractéristiques principales :

• Densité_15/4 (specific gravity_60°F/60°F) : c'est le rapport de la masse volumique (le rapport masse sur volume) du produit à 15 °C par rapport à celle de l'eau mesurée à 4 °C. En effet, à 4 °C, la masse volumique de l'eau pure est égale à 1, c’est-à-dire que 1 litre d'eau à cette température pèse 1 kg tout rond. Limites MINIMALE et MAXIMALE. C'est une caractéristique importante et elle est déterminée pour tous les produits vendables.

• Teneur en soufre (sulfur content) (exprimée en % massique); comme il a été dit à plusieurs reprises, le soufre et ses composés sont très corrosifs et corrodent les métaux dans les circuits d'alimentation des carburants. Il est donc partout prohibé. Aussi c'est une caractéristique importante à déterminer. En toute logique, pour chaque produit on met une limite MAXIMALE de soufre.

• Indice d'octane NOR (octane number (RON)); cette caractéristique détermine la qualité d'un carburant automobile. Ici la limite est une limite MINIMALE.

• Distillation (distillation) : c'est une caractéristique à déterminer afin de connaître le comportement d'un produit sous l'aspect "carburation".

Pour cela, on distille le produit à la pression normale et en recueillant les volumes distillés à chaque température spécifique (avant 70 °C, avant 140 °C et avant 195 °C), on détermine la qualité du produit :

• • le point 10% distillés avant 70 °C caractérise la facilité du démarrage à froid.
  • le point 50% distillés avant 140 °C caractérise la souplesse dans les reprises, car ce point indique une bonne rapidité dans l'évaporation de l'essence.
  • la point 95% distillés avant 195 °C veut dire que le carburant ne contient pas trop de produits lourds néfastes au moteur (risque de formation de coke) et donne au moteur une plus grande longévité.

• Viscosité (viscosity) : c'est la résistance qu'opposent, les molécules d'un liquide quelconque, à une force tendant à les déplacer. La viscosité d'un corps diminue quand la température augmente, par conséquent, la viscosité doit, toujours être donnée, avec une température. Sans celle-ci, sa valeur n'a aucune signification. Dans la pratique, on détermine la viscosité cinématique en cSt à 20 °C (fioul domestique), à 40 °C (gazoles) à 50 °C et à 100 °C (fiouls lourds). Il existe deux viscosités :
  • la viscosité dynamique absolue, exprimée en poise,
  • la viscosité cinématique qui s'exprime en stokes, mais le plus souvent en centiStokes (cSt). La limite peut être MINIMALE ou MAXIMALE ou les deux. Les valeurs peuvent être données dans différentes unités pratiques :

• • • centiStokes (cSt)
    • degrés Engler (°E)
    • secondes Redwood
    • Saybolt Furol
    • Saybolt Universal
    • mm²/s

• Indice de cétane (cetane index) : cet indice est comparable à l'indice d'octane pour les essences, mais ici on mesure l'aptitude à l'inflammation rapide du produit (gazoles). Il se mesure avec un moteur analogue au moteur CFR. La mesure se fait par comparaison avec un mélange de référence de cétane (celui-ci s'enflamme très bien) et d'alpha-méthyl-naphtalène qui ne s'enflamme pas spontanément. Pour cette caractéristique, la limite est MINIMALE.

• Point éclair (flash point) : c'est la température à laquelle les vapeurs libérées par le produit explosent lors de l'application d'une flamme. La limite est MINIMALE.

• Point de congélation (freezing point) : c'est une caractéristique importante pour le Jet Fuel, c'est la température en °C mesurée au moment où les premiers cristaux apparaissent. La limite est MAXIMALE.

• Point d'écoulement (pour point) : il est déterminé par la plus basse température à laquelle, dans les "conditions normalisées " un liquide conserve une fluidité suffisante. La limite est MINIMALE.

• Point de trouble (cloud point) : c'est la température à laquelle, le produit donne un aspect trouble, quand on le refroidit dans des conditions normalisées. La limite est MAXIMALE.

• Température limite de filtrabilité (TLF) est la température à laquelle, par diminution de la température du produit, celui-ci ne parvient plus à traverser un filtre dont les caractéristiques sont définies par des normes fixées à l'avance, en étant aspiré par une dépression contrôlée. La limite est MAXIMALE.

Ces caractéristiques sont importantes, mais il en existe d'autres telles que la corrosion sur une lame de cuivre pour les carburants, la teneur en mercaptans (ou RSH) pour le Jet Fuel, le PONA (% en volume de Paraffines, Oléfines, Naphtènes et Aromatiques) pour le naphta lourd, la pénétrabilité, le point d'écoulement, la température de ramollissement (bille-anneau) pour les bitumes, la teneur en sédiments, en cendres, en métaux lourds...

Seul le laboratoire d'analyse de la raffinerie est responsable des analyses et de ses résultats.

• Lien externe :ASTM (en anglais)
• Lien externe :ASTM (en anglais)
• Lien externe :Afnor
• Lien externe :IP (en anglais)