Comment fonctionne une raffinerie de pétrole

• Une raffinerie transforme le pétrole brut, mélange complexe de milliers de substances chimiques, en produits comme l’essence, le diesel, le carburant aviation ou les lubrifiants grâce à des procédés de distillation, de craquage, de reformage et de traitement
• La première étape clé, la distillation atmosphérique, sépare le pétrole brut en plusieurs fractions en exploitant le fait que chaque molécule a un point d’ébullition différent ; le brut entrant dans la raffinerie est d’abord dessalé puis chauffé à environ 650~750°F
• Les fractions lourdes sont transformées en molécules plus légères et plus valorisées via le craquage catalytique, la distillation sous vide, le craquage thermique ou le coking, tandis que le reformage catalytique, l’isomérisation et l’hydrotraitement ajustent aussi leur structure et leur qualité
• La raffinerie Chevron de Richmond peut traiter environ 250 000 barils par jour et produit divers dérivés pétroliers en combinant des unités de distillation atmosphérique, de distillation sous vide, de craquage catalytique et de reformage catalytique
• La capacité d’une raffinerie ne se résume pas à son débit quotidien ; le Nelson Complexity Index indique, à partir de la capacité de chaque procédé et d’un coefficient de complexité, dans quelle mesure la raffinerie peut produire une grande variété de produits raffinés avancés

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Structure de base du pétrole et du raffinage

• Le monde consomme plus de 100 millions de barils de pétrole par jour et, en 2023, le pétrole représentait 30% de la consommation mondiale d’énergie, soit la part la plus importante parmi les sources d’énergie prises individuellement
• Dans la fabrication chimique, la part du pétrole et du gaz est encore plus élevée : 90% des matières premières chimiques en sont issues
• Lorsqu’il sort du sol, le pétrole brut est un mélange complexe de milliers de substances chimiques, et les raffineries transforment ce mélange en substances et produits effectivement utilisables
• Une grande raffinerie peut s’étendre sur des milliers d’acres, coûter plusieurs milliards de dollars à construire et traiter plusieurs centaines de milliers de barils de pétrole brut par jour
• Le pétrole brut est principalement un liquide issu de la transformation, sur des millions d’années, de matières organiques comme le plancton et les algues, déposées sur d’anciens fonds marins puis recouvertes par des sédiments
• La majeure partie des composants du pétrole brut sont des hydrocarbures, allant de molécules simples comme le propane à des molécules complexes comme les asphaltènes, qui peuvent contenir des milliers d’atomes
• Les asphaltènes ne sont pas à proprement parler des hydrocarbures : ils sont composés majoritairement de carbone et d’hydrogène, mais peuvent aussi contenir d’autres atomes comme du soufre ou des métaux lourds
• La composition du pétrole brut varie selon l’origine : les bruts lourds de régions comme les sables bitumineux canadiens contiennent davantage de molécules lourdes, tandis que les bruts légers de gisements comme Ghawar en Arabie saoudite contiennent davantage de molécules légères
• Des pétroles comme le Brent de la mer du Nord sont des bruts à faible teneur en soufre, tandis que certains pétroles du golfe du Mexique sont des bruts à forte teneur en soufre

Comment le pétrole brut est séparé par distillation

• Le procédé le plus important d’une raffinerie est la distillation, qui exploite le fait que les différentes molécules du pétrole brut bouillent à des températures différentes puis se recondenseront à l’état liquide
• Les molécules petites et légères bouillent et se condensent à basse température, tandis que les molécules plus grosses et plus lourdes le font à plus haute température
• La plage des points d’ébullition du pétrole brut peut être représentée par une courbe de distillation ; dans l’exemple donné, environ la moitié du brut s’est évaporée vers 350°C et environ 80% vers 525°C
• L’essence n’est pas une substance chimique unique, mais principalement un mélange d’hydrocarbures comportant 4 à 12 atomes de carbone
• L’EIA définit l’essence finie comme une substance ayant une plage d’ébullition comprise entre 122~158°F au point de récupération à 10% et 365~374°F au point de récupération à 90%
• Le point de récupération correspond à la température à laquelle la proportion correspondante du liquide a été vaporisée puis collectée
• Le pétrole brut entrant dans la raffinerie est d’abord dessalé, puis chauffé à environ 650~750°F, ce qui le transforme en grande partie en vapeur
• Cette vapeur entre ensuite dans une haute colonne de distillation contenant, à différentes hauteurs, des plateaux où se trouve du liquide ; en remontant, elle traverse le liquide de chaque plateau et se refroidit progressivement
• Les molécules les plus lourdes se condensent d’abord dans la partie basse de la colonne, les plus légères plus haut, et les plus légères de toutes restent gazeuses jusqu’au sommet, par lequel elles s’échappent
• Les molécules les plus lourdes peuvent aussi rester liquides dès le départ et sortir par le fond de la colonne ; c’est ainsi que l’on sépare des molécules de masses différentes
• Presque toutes les raffineries commencent par séparer le pétrole brut en plusieurs fractions dans une colonne de distillation ; cette première étape s’effectue à pression atmosphérique, d’où le nom de distillation atmosphérique

Principaux procédés de raffinage

• Gas plant

  • Les gaz sortant du sommet de la colonne de distillation atmosphérique sont un mélange de molécules légères comme le propane, le méthane, le butane et l’isobutane
  • Pour séparer ce mélange, la raffinerie peut l’envoyer vers un gas plant, constitué de plusieurs colonnes de distillation
  • Par exemple, une debutanizing tower sépare le butane, le propane et les gaz plus légers du reste du mélange, et une depropanizing tower sépare le propane du butane
  • La plupart des gaz envoyés vers un gas plant ne possèdent pas de double liaison ; comme les hydrocarbures sans double liaison sont des hydrocarbures saturés portant le maximum d’atomes d’hydrogène, ce type d’installation est appelé sats gas plant

• Craquage catalytique

  • Au fond de la colonne de distillation sort un liquide lourd ; les molécules les plus lourdes, qui ne se sont jamais évaporées pendant la distillation, sont appelées résidus
  • Une grande partie de ces molécules lourdes a peu de valeur en tant que telle ; l’une des fonctions clés d’une raffinerie est donc le craquage, qui consiste à fragmenter des fractions lourdes comme le fioul lourd en fractions plus légères et plus valorisées comme l’essence
  • Le craquage a été inventé au début du XXe siècle afin d’obtenir davantage d’essence à partir d’un baril de brut, pour répondre à la hausse de la demande liée à l’essor de l’automobile
  • Aujourd’hui, la plupart des raffineries utilisent le craquage catalytique : les fractions lourdes issues de la distillation atmosphérique sont mélangées à un catalyseur, puis soumises à de la chaleur et de la pression pour être scindées en molécules plus légères
  • On sépare ensuite le catalyseur lourd du mélange à l’aide d’un séparateur cyclonique afin de le nettoyer et de le réutiliser, tandis que les huiles craquées devenues vaporisables sont renvoyées vers une colonne de distillation pour être séparées en plusieurs fractions
  • La plupart des unités de craquage catalytique sont des unités de craquage catalytique fluidisé, utilisant un catalyseur sableux qui se comporte comme un fluide lorsqu’il est mélangé à des fractions lourdes
  • Chaque entreprise a développé ses propres procédés de craquage catalytique fluidisé, et une même raffinerie peut utiliser plusieurs craqueurs catalytiques à différents points de son procédé

• Distillation sous vide

  • À haute température, des réactions de craquage peuvent se produire même à l’intérieur d’une colonne de distillation ; comme cela perturbe la distillation, les raffineries limitent la température de la distillation atmosphérique à environ 650~750°F
  • À cause de cette limite, il reste au fond de la colonne un mélange d’hydrocarbures lourds qui n’a pas bouilli
  • Pour le séparer davantage, il faudrait augmenter la température, mais cela risquerait de déclencher le craquage, ce qui rend l’opération difficile en distillation atmosphérique
  • La solution consiste à envoyer ce mélange dans une colonne distincte à basse pression, proche du vide : c’est la distillation sous vide, ou vacuum flashing
  • À basse pression, le point d’ébullition diminue également, ce qui permet de distiller des fractions lourdes sans les chauffer jusqu’au point où le craquage commencerait

• Craquage thermique et coking

  • Certaines fractions lourdes issues de la distillation sous vide peuvent être envoyées directement vers une unité de craquage catalytique pour être décomposées en molécules plus légères
  • Les molécules les plus lourdes sortant du fond de la colonne sous vide contiennent parfois des métaux lourds qui empoisonnent les catalyseurs, ou forment facilement du coke qui les obstrue, ce qui les rend mal adaptées au craquage catalytique
  • Pour décomposer ces molécules très lourdes, certaines raffineries utilisent un procédé de craquage thermique, qui casse les molécules par la chaleur
  • Un coker est une unité de craquage thermique qui transforme les molécules les plus lourdes en molécules plus légères et en coke
  • Les molécules légères sont envoyées vers une colonne de distillation pour être séparées, tandis que le coke peut être brûlé comme combustible ou utilisé comme intrant industriel, par exemple pour des électrodes de fusion de l’aluminium
  • Le visbreaking est une forme de craquage thermique qui casse une partie des molécules et réduit la viscosité de la fraction restante

• Procédés qui modifient la structure moléculaire

  • Le reformage catalytique expose, sous chaleur et pression en présence d’un catalyseur, une fraction de naphta dont le point d’ébullition se situe autour de 122°F~400°F, afin de produire un nouveau mélange de substances chimiques appelé reformate, utilisé dans la fabrication de l’essence
  • L’isomérisation modifie l’agencement physique de molécules comme le butane pour créer des isomères, qui ont la même formule chimique mais une structure différente
  • L’hydrotraitement fait réagir des fractions pétrolières avec de l’hydrogène en présence d’un catalyseur afin d’éliminer les impuretés et d’améliorer la qualité
  • L’hydrocraquage combine hydrotraitement et craquage catalytique, tandis que l’hydrogénation-conversion des résidus combine hydrotraitement et craquage thermique

• Installations de stockage

  • Les raffineries disposent de tank farms capables de stocker des millions de gallons de liquides, afin de conserver les intrants et extrants de leurs différents procédés
  • Les gaz comme le propane et le butane sont généralement stockés sous forme liquide comprimée dans des réservoirs en surface, des cavités souterraines ou des dômes salins

Organisation des procédés à la raffinerie Chevron de Richmond

• La raffinerie Chevron de Richmond, en Californie, est une raffinerie de taille moyenne à grande capable de traiter environ 250 000 barils de pétrole brut par jour
• La moitié sud du site est occupée par les tank farms, tandis que les zones de traitement sont disposées de manière à encercler les parties nord et est
• Chevron Richmond dispose d’environ 257 000 barils de capacité en distillation atmosphérique, 123 000 barils en distillation sous vide, 90 000 barils en craquage catalytique et 71 000 barils en reformage catalytique
• Chevron Richmond ne dispose pas de capacité de coking, mais la raffinerie Chevron d’El Segundo, à Los Angeles, possède des installations de coking
• Le rapport d’impact environnemental détaillé soumis par Chevron lorsqu’elle a fortement modernisé cette raffinerie afin de se conformer à la réglementation californienne sur la qualité de l’environnement contient un schéma des flux de procédé
• Le raffinage commence par la distillation atmosphérique, mais une partie du heavy gas oil est traitée sans passer par cette étape
• Les fractions séparées par la distillation atmosphérique sont envoyées vers d’autres procédés : les gaz légers vers le gas plant, et le naphta vers l’hydrotraitement, le reformage catalytique et l’isomérisation
• Le carburant aviation et le diesel sont envoyés à leurs procédés d’hydrotraitement respectifs, tandis que les fractions plus lourdes sont dirigées vers plusieurs procédés de craquage catalytique
• Les produits finaux comprennent notamment du fioul lourd, du diesel, du carburant aviation, des lubrifiants et de l’essence

Capacité et complexité des raffineries

• Les États-Unis comptent 132 raffineries en état de fonctionnement, capables au total de raffiner plus de 18 millions de barils de pétrole brut par jour
• Les raffineries américaines sont très concentrées sur la côte du golfe du Texas et de la Louisiane, avec d’autres regroupements dans le New Jersey, le Midwest et la Californie
• Chevron Richmond est grande à l’échelle américaine, sans être parmi les toutes plus grandes ; environ un cinquième des raffineries américaines sont de taille comparable ou supérieure
• Les États-Unis comptent 6 raffineries capables de raffiner plus de 500 000 barils par jour, soit plus du double de Chevron Richmond
• La raffinerie de Jamnagar, en Inde, est la plus grande raffinerie du monde en capacité de traitement primaire, avec 1,4 million de barils par jour
• Le nombre de barils traités par jour correspond essentiellement à la capacité de distillation atmosphérique ; ce chiffre ne suffit donc pas à indiquer quels produits une raffinerie peut réellement fabriquer
• Une raffinerie simple peut ne disposer que de la distillation atmosphérique, tandis qu’une raffinerie complexe possède une longue chaîne de procédés permettant de fabriquer une grande variété de produits raffinés avancés
• Le Nelson Complexity Index calcule la complexité d’une raffinerie en multipliant la capacité de chaque procédé par un coefficient de complexité comparant son coût à celui de la distillation atmosphérique, puis en divisant le tout par la capacité de distillation atmosphérique
• Par exemple, si une raffinerie dispose de 100 000 barils de distillation atmosphérique et de 50 000 barils de distillation sous vide, avec un coefficient de complexité de 2 pour cette dernière, l’indice est 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2
• Si l’on y ajoute 25 000 barils de craquage catalytique avec un coefficient de complexité de 6, l’indice monte à 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5
• Les raffineries américaines sont généralement complexes : en 2014, moins de 3% d’entre elles avaient un indice de complexité inférieur ou égal à 2, et l’indice moyen était de 8.7
• En 2014, l’indice de complexité de Chevron Richmond était de 14, soit au-dessus de la moyenne américaine
• La raffinerie de Jamnagar n’est pas seulement la plus grande du monde ; avec un indice de complexité de 21, elle est en pratique plus complexe que presque toutes les raffineries américaines

Ce que l’échelle change sur le plan industriel

• L’agencement des procédés de raffinage peut être très complexe, mais nombre de procédés pris individuellement sont, conceptuellement, étonnamment simples
• Si le raffinage est coûteux, ce n’est pas seulement à cause de la complexité des procédés, mais aussi parce que le volume de matière à traiter est immense
• La raffinerie Chevron de Richmond a l’échelle d’une petite ville et peut traiter l’intégralité du pétrole brut transporté par un Very Large Crude Carrier en un peu plus d’une semaine
• Chevron Richmond n’est pas une raffinerie particulièrement gigantesque ; les États-Unis en comptent 25 de taille comparable ou supérieure, et 6 de plus du double de sa taille
• Pour soutenir la demande mondiale de pétrole, il faudrait environ 400 raffineries de la taille de Richmond
• Les États-Unis consomment plus de 20 millions de barils de pétrole par jour, et cette consommation n’est rendue possible que par d’immenses complexes de raffinage