Introduction au Raffinage et à la Pétrochimie - ExoCo-LMD

Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene
                        Faculté de Génie mécanique et de Génie des procédés

                                               Cours
                        Introduction au Raffinage et à la Pétrochimie

                                       2eme Année Licence GP
                                             Section C

                                                                                    Présentée par
Année Universitaire 2016/ 2017                                                      Mme HARCHE

Programme

                 • Formation et Exploitation du Pétrole et Gaz naturel
                 • Définition et origine du pétrole, Gisements et caractéristiques des pétroles, Techniques
   Chapitre I      d’exploitation

                 • Schémas de raffinage du pétrole
                 • Nomenclature et caractéristiques des produits pétroliers, Principaux schémas de
  Chapitre II      procédés de fabrication, Contraintes environnementales et évolution du raffinage

                 • Schémas de fabrication pétrochimique
                 • Diversité des produits de l’industrie pétrochimique, Principales voies de fabrication en
  Chapitre III     pétrochimie, Exemples de procédés (PVC, Ammoniac)

Chapitre I: Formation et Exploitation du Pétrole et Gaz naturel

I.1 Définition

Le terme pétrole vient du latin Pétra-Oléum qui signifie littérairement « huile de pierre ».

C’est une huile inflammable variant de la couleur jaune à la couleur noire. Elle est constituée
d’une grande variété d’hydrocarbures trouvés dans les strates sédimentaires de la terre

• Le pétrole désigne un liquide composé principalement:

de molécules d'hydrocarbures (formées uniquement de carbone et d'hydrogène).

Ce pétrole contient également, en proportions assez variables (15 % en moyenne), des
 molécules lourdes plus complexes (incluant de l'oxygène, de l'azote et du soufre) appelées
 résines ou asphaltènes.

Ce pétrole s'est formé au sein des bassins sédimentaires par transformation de la matière
organique.
Une des conditions essentielles à la formation de pétrole réside dans l’accumulation d’une
importante quantité de matière organique qui doit être enfouie rapidement, afin de limiter
les dégradations bactériennes en présence d’oxygène

  Certains de ses composants peuvent être:

  Gazeux,
  Liquides,
  et parfois solides

  Et ceci selon la température et la pression.

  Cela explique la consistance variable du pétrole, plus ou moins visqueuse ou
  liquide.

I.2: Origine de pétrole
De nombreux savants se penchés sur l’origine du pétrole.
Deux théories sont nées : celle de l’origine minérale et celle de l’origine
organique, c’est cette dernière théorie qui est considérée aujourd’hui comme la
plus vraisemblable. Le pétrole et le gaz seraient formés à partir de matières
organiques animales ou végétales, La transformation de matière organique en
pétrole s’échelonne sur des dizaines de millions d’années, en passant par une
substance intermédiaire appelée kérogène.
La matière organique se serait ainsi accumulée au fond des mers, des océans, des
lacs et des deltas, mélangée à des matières minérales (particules d’argiles ou
sables fins), créant ainsi des boues de sédimentation et formant le « sapropel ».
La pression développée au fur et à mesure par l’accumulation des sédiments au
cours des temps géologiques, la température, l’action des bactéries en milieu
réducteur c'est-à-dire en absence d’oxygène, auraient petit à petit transformé ce
« sapropel » en pétrole.

I.3: Formation des gisements du pétrole

La partie du sous-sol dans laquelle s’est formé le pétrole est appelé roche mère.
Une fois formé, il est soumis à plusieurs forces : le poids des sédiments, les forces
géologiques, les différences de densités avec l’eau salée qui l’accompagne, etc.
Dans le but de réduire l’effet de ces forces, le pétrole a tendance à se déplacer vers
d’autres endroits en empruntant un chemin à travers les roches les plus
perméables ou les fissures existant à l’intérieur de ces roches. Cette migration
s’effectue de la roche mère vers la surface de la terre, en traversant les sédiments ;
cela est dû à ce que la densité du pétrole est plus faible que celle de l’eau.
L’endroit où s’arrête la migration du pétrole est appelé ‘’piège’’.

Un piège comporte :
- une roche poreuse dans laquelle s’accumule le pétrole, c’est ce que l’on appelle
« roche magasin » ou « roche réservoir ».
- au-dessus de cette « roche magasin », une couche suffisamment imperméable
pour empêcher le pétrole de migrer vers la surface; c’est ce que l’on appelle
« roche couverture» ou également « roche imperméable », comme une couche de
sel par exemple.

L’ensemble des roches mères et des roches réservoirs constitue ce que l’on appelle
un gisement pétrolier.

Dans ce réservoir poreux, le gaz s’accumule au-dessus du pétrole brut, lequel se
retrouve au-dessus de l’eau en raison des densités respectives de ces produits (le
gaz naturel est plus léger que le pétrole, lui-même plus léger que l’eau).

Schéma simplifiée d’un gisement du pétrole

I.4: Classification du pétrole

Tout processus de formation est unique : un gisement de pétrole contient un
mélange d’hydrocarbures qui le caractérise selon l’histoire géologique de la zone
où il s’est développé.
La provenance géographique est donc un des critères de classification du pétrole
(Golfe Persique, mer du Nord, Venezuela, Nigéria, etc.).
Toutefois, pour établir des comparaisons entre différents sites, d’autres critères
existent.
Les plus importants sont les mesures de la viscosité et de la teneur en soufre du
pétrole brut.

A) Selon la viscosité, quatre types de gisements sont définis (léger, moyen, lourd ou
extra-lourd et bitume), plus le pétrole brut est visqueux, plus il est « lourd » :

- 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.

Cette propriété est importante pour déterminer la rentabilité de l’exploitation. En
effet, un pétrole peu visqueux ou léger est plus facile à extraire et à traiter qu’un
pétrole lourd.

B) La teneur en soufre distingue le pétrole brut soit en doux (faible teneur en
soufre) soit en sulfuré dans le cas contraire. Des gisements de pétrole doux sont
notamment trouvés en Afrique, ceux de pétrole sulfuré en Amérique du Nord.

I.5: Gisements et exploitation des pétroles
A) Recherche des gisements
• Pour trouver de nouveaux gisements, géologues et géophysiciens cherchent à repérer les
  structures géologiques susceptibles de receler du pétrole. Les premiers étudient les
  échantillons de terre, et de roches. Les seconds examinent en profondeur l'écorce
  terrestre aux emplacements présumés des gisements, et reconstituent l'image des dépôts
  et des déformations des couches géologiques, afin d'aider les premiers à localiser les
  emplacements où a pu être "piégé" le pétrole.

B) Les caractéristiques des gisements
• Pour qu’un gisement soit exploitable, il faut qu’il présente les caractéristiques suivantes :
• - une roche poreuse et fissurée, calcaire ou grès par exemple, permettant de rassembler le
  pétrole ;
• - une roche imperméable, qui arrête la remontée du pétrole et du gaz, moins denses que
  l'eau, et constitue un piège où le pétrole s'accumule.

C) La prospection du pétrole

La prospection de pétrole consiste à étudier la géologie pétrolière. Cette prospection
commence par l'établissement des cartes à l'aide de photos aériennes. La prospection
pétrolière est l'ensemble des techniques permettant de prévoir l'emplacement des gisements
pétrolières; elle se devise en deux branches :

- L'étude géologique, ou prospection géologique proprement dite, s'intéressant à la formation
des gisements et autres caractéristiques des roches en tant que réservoirs (ou couvertures).

- L'étude des structures internes c'est la prospection géophysique que pratiquent des
équipes parcourant les terrains à prospecter (à explorer) et dessinant des cartes structurales.

D) Méthodes de prospection (d’exploitation du pétrole)

a) Prospection géologique
On admet que toutes les roches qui peuvent constituer un gisement pétrolier sont
sédimentaires, mais il n’existe pas de méthodes directes de recherche des gisements
d’hydrocarbures dans un terrain sédimentaire. Par contre il y a des méthodes indirectes
qui permettent de de détecter la présence possible ‘’ pièges ‘’ sans pouvoir déterminer à
l’avance si ces pièges contiennent ou ne contiennent pas de pétrole.

b) Prospection géophysique.
Cette méthode utilise la variation de certains paramètres géophysique des terrains causée
par la présence des hydrocarbures, cette prospection ne fournit que des résultats
qualitatifs. Parmi les méthodes utilisées pour effectuer cette prospection, on peut citer :

- la méthode gravimétrique : basée sur la mesure des variations du champ de la pesanteur
causées par la présence de gisement pétrolier, car, dans un sol, la présence de roches contenant
des hydrocarbures fait augmenter le champ de la pesanteur

 - la méthode magnétique : mesure les variations de la variation de la composante verticale du
champ magnétique terrestre causée par la présence de gisement de pétrole.

 - la méthode électrique : basée sur la variation de la résistivité des terrains sédimentaires
lorsqu’ils sont parcourus par des courants électriques (en absence et en présence de gisement
pétrolier).

la méthode sismique : c’est la méthode la plus utilisée. Une charge de quelques kilogrammes
d’explosifs est mise à feu dans un puits creusé à faible profondeur. Les ondes sonores résultant de
l’explosion se propagent à travers les terrains sédimentaires entourant le lieu de l’explosion, une
étude appropriée des différentes ondes sonores recueillies aux différents endroits peut conclure à
la présence ou à l’absence d’un gisement d’hydrocarbures.

E) Méthodes de forage terrestres

Pour l'exploitation rationnelle des gisements on utilise toutes les méthodes
géologiques et physiques permettant d'obtenir des renseignements sur les propriétés
physiques et mécaniques des roches afin de reconstituer les caractéristiques d'un
gisement et d’estimer les réserves correspondantes. Il arrive souvent que les
informations nécessaires ne soient disponibles que plusieurs années après le forage
des puits destinés à exploiter le gisement. Les investissements économiques sont
donc toujours à risque, et l'on multiplie maintenant les simulations par des modèles
mathématiques qui permettent de prévoir la rentabilité d'un gisement. Le forage des
puits représentant 80 % des investissements.

Le Forage
Une fois que des structures qui puissent contenir du pétrole ont été reconnues, soit
par prospection géologique, soit par prospection géophysique, on peut passer à
l’étape suivante dans l’exploitation du pétrole qui est le forage.

Définition du forage
Le forage est l'action de creuser un trou (aussi appelé « Puits » ) dans la Terre, il
consiste à enfoncer un train de tiges dans le sous-sol en y injectant une boue
spéciale. Celle-ci va permettre de ramener à la surface des fragments de roches et
des échantillons de gaz. Il faudra forer à plusieurs endroits pour mieux délimiter le
gisement potentiel.
De nos jours, le procédé le plus utilisé est le procédé rotary, qui, pour creuser le
puits, utilise un instrument coupant appelé trépan, qui est animé d’un mouvement de
rotation au fond du puits

Le forage des puits s'effectue grâce à un trépan (ou tricône).
Un trépan est un outil de forage surtout utilisé dans l'industrie pétrolière. Il a la
forme d'un cône unique en acier spécial très dur ou de trois cônes imbriqués
ensemble. La surface inférieure de ces cônes, au début de son invention, est
incrustée de poussière de diamant ce qui permet de casser les roches les plus dures
quand on fait le forage. En forant, ces cônes tournent, cassent les roches qu'elles
traversent    et   s'enfoncent    petit   à    petit   dans     le    sous-sol.

Les appareils de forage rotary sont classés en trois catégories :
- Appareils légers pour les profondeurs inférieures à 1500m ;
- Appareils moyens pour les profondeurs allant de 1500 à 3000m ;
- Appareils lourds pour les profondeurs supérieures à 3000m.

Boue de forage
Au fur et à mesure que l’on creuse le puits, les déblais de terrain, qui en résultent,
sont évacués vers la surface par un courant continu de boue qui y est introduite en
même temps que le trépan. Elle est préparée à base d’eau, d’argiles spéciales
(bentonites) et différents produits chimiques.

En plus de son rôle principal, qui est d’évacuer les déblais de terrain, la boue de forage a
d’autres rôles secondaires :

- Elle maintient en place les parois du puits en déposant sur elles une fine couche d’argile.

- Elle maintient en place, par la pression hydrostatique qu’elle exerce, des fluides sous
pression rencontrés dans les différentes couches

- Elle refroidit le trépan et en lubrifie les différents éléments pour réduire la vitesse de son
usure.

-Lorsque le terrain à forer ne contient pas d’eau, il est possible de remplacer la boue par de
l’air comprimé à 40 bars. Les vitesses d’avancement sont meilleures et les trépans s’usent
moins vite.

F) Mise en production d’un puits de pétrole

Une fois le forage effectué dans un gisement et on arrive à atteindre la roche réservoir où
s’accumule de grandes quantités de pétrole, on monte un ensemble de conduits pour
acheminer le pétrole vers la surface.
 Deux cas sont à considérer :
- La pression au niveau du gisement est suffisante pour que le pétrole monte jusqu’à la
  surface et s’écoule avec un débit suffisant. C’est ce que l’on appelle l’éruption contrôlée.

- La pression est trop faible pour que le pétrole arrive en surface avec un débit convenable,
on utilise alors le procédé du pompage mécanique qui consiste à envoyer un gaz sous
pression qui permet d’augmenter la pression au niveau du gisement et permettre ainsi la
montée du pétrole vers la surface.

Chapitre II: Schéma de raffinage du pétrole
II.1: Introduction
Le pétrole est un combustible fossile composé d'un mélange d'hydrogène et en
majorité de carbones. La composition varie d'un champ à l'autre mais comporte
grossièrement 80 % de carbones, 11 % d'hydrogène et 1 % à 2 % de souffre,
d'oxygène et d'azote.
On utilise diverses méthodes pour déterminer la composition des pétroles bruts :
• Les mesures de densité, de viscosité, etc., effectuées sur les diverses fractions
  obtenues par distillation. Ces méthodes fournissent des indications utiles pour le
  raffinage et la valorisation des pétroles ;
• La chromatographie liquide, la chromatographie en phase gazeuse, la
  spectrométrie de masse, etc., sur diverses fractions dissoutes. Elles permettent
  d'identifier les diverses familles de composés présents.

II.2: Classification du pétrole brut

On peut citer le pétrole selon trois méthodes :

A) Classification industrielle: Généralement, on classe les pétroles bruts en fonction de
   la densité en 4 grandes catégories:

· Les pétroles légers dont la densité inférieure à 0.828 (d154 < 0.825) ;
· Les pétroles moyens d’une densité compris entre 0.824 et 0.875 (0.825 < d154 < 0.875) ;
· Les pétroles lourds dont la densité allant de 0.875 à 1 (0.875 < d154  1.000).

B) Classification selon le facteur de correction KUOP : Ce facteur peut mesurer la
nature des paraffines et prendre les valeurs suivantes selon la nature de pétrole :

-   KUOP=10 pour les aromatiques purs ;
-   KUOP=11 pour les naphtènes purs ;
-   KUOP=12 pour les hydrocarbures où les poids des chaînes et cycles sont équivalents.
-   KUOP=13 pour les paraffines.

C) Classification chimique: C’est le classement du brut selon les familles
prédominantes des hydrocarbures. Le pétrole peut être de types :

- Paraffines ;
- Naphténique ;
- Aromatiques ;

II.3: Composition du pétrole brut
Les pétroles sont tous différents suivant leur origine et leur composition chimique. Ils sont
principalement composés de molécules hydrocarbonées, c'est à dire de molécules composées
uniquement d'hydrogène et de carbone. Ces hydrocarbures se présentent essentiellement sous
forme de chaînes linéaires plus ou moins longues, ou bien des chaînes cycliques naphténiques ou
aromatiques. Les différents types de pétrole varient selon leur densité, leur fluidité, leur teneur en
souffre et en différentes classes d'hydrocarbures. Il existe des centaines de pétroles bruts dans le
monde qui dépendent de leur emplacement géologiques comme l'Arabian Light (brut de référence
du Moyen-Orient), le Brent (brut de référence européen) et le West Texas Intermediate (WTI, brut
de référence américain).

Les hydrocarbures contenus dans le pétrole sont regroupées en trois familles :

Les paraffines (Alcanes)
Les naphtènes (Cyclo-alcanes)
Les aromatiques

A) Composition chimique
A.1) Les hydrocarbures
a. Les paraffines : (Alcanes) CnH2n+2
Ce sont des hydrocarbures saturés ayant la formule CnH2n+2 avec n le nombre d’atomes de
carbone dans la chaine d’hydrocarbures
Nomenclature des alcanes : terminaison en …….ane
     C1 : CH4 Methane
     C2 : C2H6 Ethane
     C3 : C3H8 Propane
     C4 : C4H10 Butane
     C5 : C5H12 Pentane
     C6 : C6H14 Hexane
     C7 : C7H16 Heptane
     C8 : C8H18 Octane
     C9 : C9H20 Nonane
     C10 : C10H22 Decane

2         4       6       8       10
C11 : C11H24 undecane
                        1         3        5       7       9            11

                             11        9       7       5       3             1
C12 : C12H26 dodecane
                        12        10       8       6       4        2

C13 : C13H28 Tridecane
C14 : C14H30 Tetradecane
C15 : C15H32 Hexadecane
………………………..
C20 : C20H42 Cosane
C21 : C21H44 Henicosane
C22 : C22H46 Docosane
…………………………..
C30 : C30H62 Triacontane
C40 : C40H82 Tetracontane
C50 :C50H102 Pentacontane

On distingue deux types de paraffines, les alcanes (normale) et les alcanes (isomère)
• Les paraffines normales : la chaine des carbones est une chaine droite unique.
        2        4           6           8       10
                                                      le Decane
   1         3           5       7           9

•Les iso-paraffines :
La chaine des carbones est une chaine ramifiée ou branchée (ce sont des isomères des paraffines
normaux, on les différenciés par l’utilisation du préfixe iso).
•Le premier dans la série des iso-paraffines est l’iso-butane :
•Pour la nomenclature on considère la chaine droite la plus longue et on repère les positions des
chaines ramifiées en numérotant les carbones de la chaine principale de gauche à droite.
Exemple : La figure ci-dessous présente deux isomères de l’isooctane (08 carbones) qui compte en total 18
isomères.               7
                                                                         6       1
                                 2                                                           7
                     1                   8                                   4       2
                                 3           5
                                                                     5           3
                     6               4                                                   8
            2,2,3 trimethylpentane                                2,2,4 trimethylpentane

b. Les naphtènes : (Cycloalcanes) CnH2n
Ce sont des hydrocarbures cycliques saturés, leurs appellations est celles des paraffines précédée
du préfixe cyclo, on trouve ainsi :

 cyclopropane        cyclobutane     cyclopentane      methylcyclohexane    cycloheptane

      cyclohexane
                              cyclooctane

  On trouve aussi des naphtènes formés par la juxtaposition de deux cycles (ou plus) de six
  atomes de carbone :

           decaline
                                         tetradecahydroanthracene
     decahydronaphthalene

c. Les Aromatiques : (Benzènes) CnH2n-6
Ce sont des structures insaturées cycliques avec trois doubles liaisons dans chaque cycle.

      NB : Les hydrocarbures insaturés (double liaison & triple liaison), ne sont pas
      présents dans le pétrole brut.

A.2) Les composés soufrés : (0.05% à 6% en masse)
Les composés soufrés sont présents dans le pétrole brut sous forme de composés organiques
soufrés, le sulfure d’hydrogène H2S est le seul composé non organique présent dans le brut. La
présence des composés soufrés dans le brut est nuisible à cause de leurs caractères corrosifs.
Les composés organiques soufrés sont généralement classés en deux groupes les composés acides
et les composés non acides.

- Les composés acides R-SH : sont les thiols (mercaptans) :

  Les thiols sont des composés corrosifs de forte odeur.

- Les composés non acides : Ce sont les thiophènes, les sulfides et les disulfides.

   Les composés non acides sont non corrosifs et peu odorants.

A.3 Les autres composés :
a. Les composés oxygénés : 0.05 à 1.5% en masse
b. Les composés azotés : 0.1 à 2% en masse
c. Les métaux : 0.005 à 0.015 % en masse (dont 75% du Nickel et de Vanadium), on peut aussi
   trouver le Sodium, Calcium, Magnésium, Aluminium, et le fer.

• II.4 LES DERIVES DU PETROLE
• Sous l’effet de la chaleur, les composants du pétrole se séparent. Les composant les plus lourds restent à la base et
  les plus légers remontent (gaz, essence).
• Les principaux produits utilisés comme combustibles et carburants sont les gaz de pétrole liquéfiés, l’essence, le
  kérosène, les carburéacteurs, les carburants diesel, le mazout et les résidus de raffinage.
1. Gaz naturel
• Le gaz naturel est un combustible fossile composé d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des
  roches poreuses sous forme gazeuse, ou dissouts dans le pétrole au niveau des roches réservoir à la pression du
  gisement.
• Il existe plusieurs formes de gaz naturel, se distinguant par leur origine, leur composition et le type de réservoirs
  dans lesquels ils se trouvent.
• le gaz est toujours composé principalement de méthane (à plus de 90%), il contient aussi d’autres hydrocarbures
  tels que l’éthane, le propane et le butane à de très basses teneurs, de l’ordre de 1 à 4 %.
il contient aussi des composés sulfurés, de l'azote, du gaz carbonique, d’autres composés minéraux de petites
quantités d'hélium (He), mercure (Hg) et argon (Ar).
Le gaz naturel est la deuxième source d'énergie en importance pour la production d'électricité, après le charbon.

2. Gaz liquéfiés

Ils sont constitués d’un mélange d’hydrocarbures paraffiniques et oléfiniques comme le
méthane, l’éthane, le propane et le butane. Ils servent de combustible et sont stockés et
manipulés sous la forme de liquides sous pression. Ils ont un point d’ébullition compris entre
– 74 °C et + 38 °C environ. Ils sont incolores et leurs vapeurs sont plus denses que l’air et
extrêmement inflammables. Leurs principales qualités, du point de vue de la sécurité et de la
santé au travail, sont leur pression de vapeur peu élevée et leur faible teneur en contaminants.
Leur utilisation est très diversifiée ; entre autres ils sont utilisés dans le chauffage domestique,
comme source d’énergie à usage domestique (cuisinières, fours, boulangerie, restauration) et
aussi comme carburant propre pour certains véhicules.

3. Essence

A. L’essence automobile:
est un mélange de fractions d’hydrocarbures constituées principalement d’hydrocarbures légers à
point d’ébullition relativement bas. C’est le produit de raffinage le plus important.
L’essence a un point d’ébullition compris entre la température ambiante et 204 °C environ et un
point d’éclair inférieur à – 40 °C. Les caractéristiques les plus importantes de l’essence sont
l’indice d’octane, la volatilité et la pression de vapeur.
Pour leur bonne utilisation il est indispensable qu’elles ne contiennent pas d’hydrocarbures
lourds qui sont nocifs pour un bon fonctionnement des moteurs.
Elles ne doivent pas contenir de composés sulfurés ni de produits acides susceptibles de
corroder les moteurs et les réservoirs.
On utilise des additifs pour améliorer les propriétés de l’essence et protéger le moteur contre
l’oxydation et la formation de rouille.

B. L’essence aviation: est un produit à indice d’octane élevé formulé spécialement pour assurer
une bonne performance à haute altitude.

4. Essences spéciales
Grâce à leurs caractéristiques spécifiques, elles sont utilisées comme solvant et comme matière
première dans la fabrication des colles, caoutchouc, encres, pneumatiques, produits
pharmaceutiques, ……

5. White-spirit
C’est une catégorie d’hydrocarbures utilisée comme solvant pour la préparation des peintures,
vernis, et les produits d’entretien.

6. Pétrole lampant
C’est une fraction du pétrole utilisée très longtemps dans les lampes à pétrole jusqu’à l’apparition
des ampoules électriques. Depuis il est utilisé dans la préparation des insecticides à usage
domestiques et en agriculture.

7. kérosènes
Les kérosènes sont des mélanges de paraffines et de naphtènes contenant en général moins de 20%
d’hydrocarbures. Ils ont un point d’éclair supérieur à 38 °C et un point d’ébullition compris entre 160 °C et
288 °C. Les kérosènes sont utilisés pour l’éclairage et le chauffage, comme solvants et comme constituants
des carburants diesel.

8. Gazole
Utilisée comme carburant pour alimenter surtout les moteurs diesel.

9. Fuel domestique
C’est un gazole mais destiné au chauffage domestique, tracteurs agricoles et engins de travaux publics.

10. Diesel marine léger
C’est un gazole destiné aux bateaux de pêche équipés d’une motorisation diesel.

• 11. Huiles et graisses
• Elles sont composées principalement d’hydrocarbures lourds et présentent une grande viscosité. Elles
  sont destinées au graissage et à la lubrification des moteurs. On distingue
On distingue
- Huiles moteurs : destinées aux moteurs de véhicules.

- Huiles industrielles : destinées aux moteurs autres que ceux des véhicules, tels que les machines et
  turbines à vapeurs, des turbines à gaz, des compresseurs, etc.

- Graisses lubrifiantes : elles sont préparées à partir de la dispersion de gels de savons dans l’huile.

- Paraffines et cires : elles ont une structure plus dense et plus compacte que celle des graisses, obtenues
comme résidu lors de la distillation du pétrole brut, utilisée pour la fabrication des bougies, des cirages,
des crèmes de toilette, etc

Hydrocarbures                                  Utilisations

Gaz liquéfiés                                  Gaz domestique et gaz industriel
                                               Gaz carburant pour moteurs
                                               Gaz d’éclairage
                                               Ammoniac
                                               Engrais synthétiques
                                               Alcools
                                               Solvants et acétone
                                               Plastifiants
                                               Résines et fibres pour plastiques et textiles
                                               Peintures et vernis
Matières premières pour l’industrie chimique   Produits du caoutchouc

Gazole                                         Charge de craquage
                                               Huile de chauffage et carburant diesel
                                               Combustible pour la métallurgie
                                               Huile d’absorption pour l’extraction du benzène et de l’essence
Huiles techniques                              Huiles pour textiles
                                               Huiles médicinales et cosmétiques
                                               Huile blanche pour l’industrie de l’alimentation

Huiles de lubrification   Huile pour transformateur et huile à broche
                          Huiles pour moteurs
                          Huiles pour machines et compresseurs
                          Huiles pour turbines et huiles hydrauliques
                          Huiles pour transmission
                          Huiles d’isolation pour machines et câbles
                          Huiles pour essieux, engrenages et moteurs à vapeur
                          Huiles pour traitement des métaux, huiles de coupe et de meulage
                          Huiles de refroidissement et huiles antirouille
                          Huiles pour échangeurs de chaleur
                          Graisses et produits lubrifiants
                          Huiles pour encres d’imprimerie
Fioul résiduel            Huile pour chaudière et fioul pour procédé
Bitumes                   Bitumes routiers
                          Matériaux pour toitures
                          Lubrifiants asphaltiques
                          Isolation et protection de fondations
                          Produits en papier imperméable à l’eau

II.5 Le Raffinage du Pétrole
 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.
 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

Raffineries simple

Raffineries complexes

II.6 Prétraitement du pétrole brut

Le pétrole brut contient souvent :
• de l’eau, des sels inorganiques, des solides en suspension et des traces de métaux solubles
  dans l’eau.
• A son arrivée dans la raffinerie, le pétrole brut est stocké dans de grands réservoirs. Les
  pétroles bruts sont stockés et séparés selon leur teneur en soufre.
La première étape du raffinage consiste à éliminer ces contaminants par dessalage pour réduire:
• la corrosion, et l’encrassement des installations, empêcher l’empoisonnement des catalyseurs
  dans les unités de production.
Trois méthodes typiques de dessalage du pétrole brut sont utilisées:
• 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 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.
• 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;
• Un ajustement du pH de l’eau par une base ou un acide
• Les eaux usées et les contaminants qu’elles contiennent sont repris à la partie inférieure du bac de
  décantation et acheminés vers l’unité d’épuration des eaux usées. Le pétrole brut dessalé est récupéré de
  la partie supérieure du bac de décantation et envoyé à une tour de distillation atmosphérique (tour de
  fractionnement)

Procédé de dessalage (prétraitement)

II.7 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.
La distillation est un procédé qui consiste à séparer les différents
composants d'un mélange liquide en fonction de leur température
d'ébullition.
La distillation du pétrole est l’opération fondamentale qui, par un
procédé basé sur les points d’ébullition des divers produits,
permet de séparer de grands groupes d’hydrocarbures que l’on
appelle « coupes » ou « fractions».
La distillation du pétrole brut est réalisée en deux étapes
complémentaires. Une première distillation dite atmosphérique
permet de séparer les gaz, les essences et le naphta (coupes
légères), le kérosène et le gazole (coupes moyennes) et les coupes
lourdes. Les résidus des coupes lourdes subissent ensuite une
distillation dite sous vide afin de séparer certains produits
moyens.

1. La distillation atmosphérique :
l’opération consiste à séparer les différents
composants d'un mélange liquide en fonction de
leur température d’évaporation. Le pétrole brut
est injecté dans une grande tour de distillation, où
il est chauffé à environ 400°C. Les différents
hydrocarbures contenus dans le pétrole brut sont
vaporisés : d’abords les légers, puis les moyens,
et enfin une partie des lourds. 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.

Procédé de distillation sous vide

Coupe        Température
                                                       Produit
( nb de C )   d’évaporation
                              Gaz domestique
 C1 – C4         < 0 °C
                              Matières premières pour la pétrochimie
 C5 – C6       20 – 60 °C     Éther de pétrole

 C6 – C7      60 – 100 °C     Naphta léger, white-spirit, solvant

C6 – C11      60 – 200 °C     Essence carburant

C11 – C16     180 – 280 °C    Kérosène, gazole, fioul domestique
                              Fioul lourd, produits partant vers la distillation sous
   C18           350 °C
                              pression réduite

2. La distillation sous vide :
Le résidu lourd de la distillation atmosphérique est de nouveau réchauffé vers 400 °C puis envoyé dans
une colonne de distillation semblable à la précédente mais où règne une pression réduite. Le vide est
assuré par un système de pompes.
Cette technique est l’application de la loi physique selon laquelle le point d’ébullition donc de
condensation d’un corps dépend de la pression.
Si la pression baisse, le point d’ébullition baisse également.
La distillation sous vide permet donc d’effectuer des coupes à des températures plus basses. (monter
trop en température détruirait le produit)
La distillation sous vide permettra d’obtenir des coupes de gazole et de distillat lourds.

Procédé de distillation sous vide

II.8 Les procédés de conversion du pétrole brut

1. Craquage
Dans la vie de tous les jours, la demande porte essentiellement sur des produits légers, comme les
carburants et le mazout (appelé aussi huile de chauffage extra-légère HEL).
La demande d’huile de chauffage lourde (fioul lourd), en revanche, diminue d’année en année,
notamment en Suisse. D’où l’intérêt des raffineries d’augmenter la production de produits légers.
C’est pourquoi, de nombreuses raffineries modernes sont équipées d’une unité de Craquage, qui
est un procédé qui consiste à casser une molécule organique complexe en éléments plus petits,
notamment des alcanes, des alcènes, des aldéhydes et des cétones. Les conditions de température
et de pression, ainsi que la nature du catalyseur sont des éléments déterminants du craquage.
Trois procédés de craquage caractérisent les raffineries modernes: Craquage Thermique, Craquage
Catalytique et L’hydroraquage.
- Reformage : Le reformage est une méthode de raffinage pour convertir les molécules
naphténiques en molécules aromatiques ayant un indice d’octane élevé servant de base dans la
fabrication des carburants automobiles.

2. Procédé de Craquage Thermique
Le craquage thermique est le procédé de transformation des hydrocarbures qui met en jeu la
température comme agent d’activation. il consiste à les chauffer (300 à 850°C), sous une pression
élevée, Il est endothermique et, par conséquent, l’organe essentiel dans tous les procédés est le
four. Le reste de l’appareillage permet de séparer les produits obtenus.
Essentiellement le craquage thermique consiste en la rupture des molécules d’hydrocarbures sous
la seule influence de la température.

Les réactions du craquage thermique peuvent se classer en deux groupes :
-Les réactions primaires qui entrainent la disparition plus ou moins complète des molécules
soumises à l’effet de la température.
-Les réactions secondaires qui transforment partiellement ou en totalité les produits formés par
les réactions primaires.

La composition du mélange final dépend de trois paramètres : température, temps, pression.

Vu la complexité des réactions, on ne peut pas définir avec exactitude leurs mécanismes, même
dans les cas les plus simples.

Taux de conversion du craquage
Très varié d’une coupe pétrolière à l’autre et dépendant surtout de plusieurs paramètres :
-La nature de la matière première à craquer
-La température de réaction
-La durée de craquage
-La pression du craquage

Propriété des essences de craquage
 Les essences de craquage ont des indices d’octane notablement supérieurs à ceux des essences
directes, ceci est dû au fait qu’elles contiennent une grande proportion d’hydrocarbures ramifiés et
aromatiques qui améliorent l’indice d’octane.

Applications du craquage thermique
1) La fabrication d’essences à indices d’octane élevés
2) La fabrication d’hydrocarbures légers non saturés qui sont les principales matières premières de
base de la pétrochimie.
3) La fabrication du coke.

Le coke de pétrole se présente sous forme solide,
noire, et se compose majoritairement de carbone
avec très peu d'hydrogène et des quantités
importantes de polluants (soufre, métaux
lourds...).
En fonction des impuretés, le coke de pétrole est
utilisé comme combustible ou comme matériau
pour la fabrication d'électrodes. Pour la fabrication
d'électrodes, le coke de pétrole est calciné afin
d'obtenir un produit composé à plus de 98 % de
carbone. Ces électrodes sont ensuite utilisées dans
l'industrie métallurgique notamment pour la
production d'aluminium ou d'acier.

3. Procédé de Craquage Catalytique
Il consiste à chauffer (450°C), sous une pression de quelques bars et en présence d’un catalyseur
(silicates d’aluminium ou zéolithes) les fractions lourdes issues de la distillation du pétrole pour
fabriquer des essences…
Il permet un meilleur contrôle de la transformation et est moins coûteux en énergie.

Définition d’un catalyseur : Dans une réaction chimique un catalyseur est une substance qui,
sans figurer dans le produit final et sans subir de modification structurale, accélère la vitesse de la
réaction.
Les argiles naturelles, les silices-alumines et les silices-magnésie sont les premiers catalyseurs
utilisés dans le craquage catalytique. Les catalyseurs synthétiques (zéolites)sont plus performants
que les catalyseurs conventionnels

Influence des conditions opératoires
a) Température : elle est de l’ordre de 400-500°C, elle accélère la vitesse de réaction mais son
    effet est moindre que dans le craquage thermique. Si la température augmente, les rendements
    en essence et en coke diminuent.
b) Pression : l’augmentation de la pression favorise la conversion ainsi que la production des gaz,
    par contre le rendement de la production de l’essence diminue ainsi que son indice d’octane, et
    la production du coke diminue.
c) Nature du catalyseur : Plusieurs recherches sont faites pour l’élaboration de catalyseurs de
    plus en plus performants. Le but est toujours d’avoir une bonne activité et une très haute
    sélectivité.

Les différents types de craquage catalytiques.
1) Le craquage catalytique à lit fixe :
c’est le premier procédé industriel, réalisé en 1936. Dans ce procédé, les vapeurs d’hydrocarbures
sont portées aux environs de 480°C et traversent ensuite une masse de catalyseur logée dans un
réacteur. Le coke qui résulte de la réaction se dépose sur le catalyseur et le désactive, il faut donc
brûler le coke et régénérer le catalyseur par injection d’air ou d’un gaz inerte.
On utilise trois réacteurs travaillant alternativement en réaction puis en régénération, chaque
opération étant séparée de la suivante par une purge de gaz produit dans l’opération précédente.
Pour un réacteur, le cycle complet dure 30 minutes, à raison d’un tiers pour la phase de craquage
proprement dite, d’un tiers pour la régénération du catalyseur et d’un tiers pour les purges.
Inconvénients du craquage catalytique à lit fixe:
- Coût opératoire élevé.
- Alternance réaction-régénération est une gène pour le procédé.
- Possibilité de provoquer une corrosion des faisceaux réfrigérants disposés dans les lits
catalytiques si la teneur en soufre des charges traitées dépasse 0,2%.

Ces inconvénients devaient à terme provoquer le déclin des unités à lit fixe au profit d’autres
techniques plus attrayantes que constituent les procédés à lit mobile et lit fluidisé.

2) Le craquage catalytique à lit mobile.
Ce procédé a été mis en marche pour la première fois en 1941, le catalyseur en granule descend
d’une trémie placée dans la partie supérieure de l’unité et traverse par gravité le réacteur et le
régénérateur, il est ensuite renvoyé vers la partie supérieure à l’aide d’air comprimé, d’où il
s’écoule de nouveau et le cycle recommence.
3) Le craquage catalytique à lit fluidisé
Dans ce procédé le catalyseur utilisé est sous forme de poudre et circule entre le réacteur et le
régénérateur.
Le catalyseur chaud (590°C) venant du régénérateur est mélangé à la charge, ce qui la vaporise, et
le mélange se comporte comme un fluide alimentant le réacteur.
Le coke formé à la suite du craquage est brûlé grâce à l’injection d’air.

III Impacts environnementaux de l’exploitation du pétrole

Introduction
Le pétrole exerce une grande influence sur l'environnement, essentiellement de deux manières :
- Il contribue aux émissions de dioxyde de carbone (CO2) : l'accroissement des émissions
anthropiques de CO2 est généralement considéré comme l'une des principales causes du
réchauffement climatique.

- Il contribue aussi à la pollution atmosphérique urbaine, à la pollution des lacs, à la destruction
de la biodiversité et à l'appauvrissement de divers écosystèmes.
L'exploitation des ressources pétrolières affecte également les paysages, les systèmes agricoles et
le tourisme.

En somme, l'exploitation et l`utilisation de pétrole affectent la santé et l'activité humaine à de
multiples niveaux.
 L'utilisation de l'énergie en général et du pétrole en particulier contribue largement au
développement économique global, avec des conséquences positives pour la santé de l'homme et
son bien- être.

Mais l'énergie et le pétrole contribuent aussi à des formes de pollution qui entraînent des
problèmes de santé, la destruction de l'environnement et, par le biais du réchauffement climatique,
des conséquences potentiellement graves pour le développement dans une grande partie, voire
l'ensemble de la planète.

Les conséquences pour l'environnement sont considérables tout au long du processus de
développement pétrolier.

A chaque étape du processus de l’exploitation du pétrole (exploration, extraction, acheminement,
raffinage, ….), tous les milieux naturels (air, eau, sol) sont affectés de manières et à des degrés
très divers.

Les avantages du pétrole
Les avantages du pétrole sont les suivants :
- C’est une énergie disponible sur un peu tous les continents,
- Son transport est facile et peu couteux par les bateaux,
- La chimie du pétrole est très riche. En effet, grâce au pétrole, on peut obtenir des gaz tels que le
méthane, le propane et le butane, des carburants tels que l’essence, le kérosène, le gazole et le
fioul et des composés aromatiques,
- C’est la forme d’énergie liquide la plus concentrée disponible actuellement.

Les inconvénients du pétrole
Les inconvénients du pétrole sont les suivants :
- La recherche d’un nouveau gisement de pétrolier est une activité de plus en plus difficile qui est
très couteux,
- Son transport est à l’origine de nombreux polluants, en particulier des « marées noires ».
- Comme pour le charbon, sa combustion produit du dioxyde de carbone, qui libéré dans
l’atmosphère, participe à l’accroissement de l’effet de serre.

Impact de l’utilisation des carburants
Les carburants pour véhicules qui constituent l'un des principaux produits issus du pétrole
émettent de nombreux polluants atmosphériques
Ces polluants comprennent, notamment:
- des composés organiques volatils (tels que les Benzènes et le Toluène, dont certains sont
  toxiques).
- des oxydes d'Azote qui entraînent les pluies acides et ozone troposphérique.

les principaux composants de la pollution atmosphérique urbaine
- du dioxyde de Soufre, une des causes essentielles des pluies acides, des particules pouvant
  entraîner des affections respiratoires.
- extrait de l'essence.
- du plomb.
- de fines particules provenant de la combustion du gasoil.
- Le dioxyde de carbone qui est le principal gaz à effet de serre résultant à la fois de l’utilisation
  des gaz et carburants pour le transport, la production de l’électricité, le chauffage,…

Impact sur la santé des autochtones de certaines régions du monde

Les zones d’exploitation du pétrole s’étendent de plus en plus et recouvrent des fois des terres qui
appartiennent à des groupes autochtones qui sont souvent forcés à entrer en contact avec des
maladies étrangères à leur région et avec d'autres menaces sociales, qui sont souvent dévastatrices
pour leur mode de vie traditionnel.

Ainsi, L'introduction de maladies infectieuses, contre lesquelles les communautés autochtones
n'ont pas développé d'immunité, est chose courante.

Les activités industrielles peuvent porter atteinte à des zones écologiquement sensibles.