Comment le pétrole brut est-il séparé ? Techniques de séparation essentielles

Introduction à la séparation du pétrole brut

Le pétrole brut, ou "or noir", est un liquide inflammable, un mélange complexe d'hydrocarbures présent dans l'écorce terrestre et extrait des puits de pétrole, tout comme l'or d'une mine d'or. C'est la source d'une variété de produits essentiels utilisés dans la vie quotidienne tels que l'essence, le diesel, les plastiques, etc. Mais le pétrole brut sous sa forme brute est peu utile et il subit différentes séparations en fonction des différents points d'ébullition et des poids moléculaires de ses constituants. Cette séparation est importante car elle permet de concentrer et de purifier les différentes parties du pétrole brut qui intéressent les différentes industries.

Le raffinage du pétrole est un processus qui consiste à décomposer le pétrole brut en différents composants. Différents procédés de séparation peuvent être utilisés dans le raffinage du pétrole et chacun d'entre eux possède ses propres atouts et domaines d'utilisation. Il s'agit de l'extraction par solvant, qui sépare les constituants en fonction de leurs caractéristiques chimiques ; de la séparation par membrane, qui est actuellement une technique plus avancée pour la séparation sélective des molécules ; de la filtration, qui élimine les solides du pétrole brut ; des tamis moléculaires dans la matrice de séparation par adsorption ; et de la principale, la distillation fractionnée, qui est responsable de la séparation des hydrocarbures sur la base de leur point d'ébullition. Il existe également des processus de conversion tels que le craquage et le reformage, qui améliorent encore la séparation et augmentent la qualité des produits finaux.

Aperçu des principales techniques de séparation du pétrole brut

Extraction par solvant : Séparation des composants par affinité chimique

Il s'agit d'une méthode qui permet de distinguer les composants du pétrole brut en fonction de leur affinité chimique avec d'autres composés. Pour ce faire, un solvant est ajouté au mélange de pétrole brut dans l'espoir que certains composants se dissolvent et d'autres non. Les composants qui se dissolvent dans le solvant peuvent être séparés par distillation ou évaporation. Cette technique permet d'éliminer les composés aromatiques tels que le benzène et le toluène, présents dans les mélanges d'hydrocarbures du pétrole brut.

Séparation par membrane : Méthodes modernes pour la séparation sélective des molécules

La séparation par membrane est une technique moderne dont l'utilisation s'est récemment généralisée en raison de sa capacité à séparer des molécules de géométrie différente en termes de taille et de structure chimique. Dans ce processus, le mélange de pétrole brut passe à travers une membrane semi-perméable dont les pores sont inférieurs à une certaine taille et qui empêche le passage d'autres molécules. Cette technique est extrêmement efficace et a de vastes applications car elle peut être utilisée pour isoler des composants de tailles très diverses, depuis les petites molécules de gaz jusqu'aux composés organiques de plus grande taille. La séparation par membrane est particulièrement efficace pour éliminer les contaminants, notamment les composés contenant du soufre et les métaux lourds du pétrole brut.

Le rôle de la filtration dans l'élimination des solides du pétrole brut

La filtration peut être considérée comme une opération unitaire essentielle pour la séparation du pétrole brut des composants solides et des contaminants. Dans cette méthode, le pétrole brut passe à travers un milieu filtrant tel que du sable ou un tissu qui capture les particules solides tout en permettant aux liquides de s'écouler. Ce processus peut également être considéré comme un processus de prétraitement pour protéger la pompe utilisée dans les processus de séparation ultérieurs tels que la distillation fractionnée qui peut traiter le brut liquide.

Séparation par adsorption : Les tamis moléculaires et leurs applications

Adsorption et tamis moléculaires

L'adsorption peut être décrite comme un processus de séparation dans lequel certains matériaux ont la capacité d'attirer et de lier des molécules spécifiques. En l'occurrence, dans le cadre de la séparation du pétrole brut, les tamis moléculaires sont également appelés adsorbants. Il s'agit de matériaux qui possèdent des pores interconnectés de diamètres presque égaux, ce qui permet une adsorption sélective sur la base de la taille et de la forme des molécules. Par exemple, les tamis moléculaires sont très utiles pour éliminer l'eau et d'autres petites impuretés du pétrole brut, car ces molécules sont suffisamment petites pour être contenues dans les pores du tamis, alors que les molécules d'hydrocarbures plus grosses peuvent en être exclues.

Comment les tamis moléculaires contribuent à l'élimination de l'eau et des impuretés des flux d'hydrocarbures

Le pétrole brut n'est pas une substance pure et contient souvent de l'eau et d'autres impuretés. Ceci est particulièrement important car ces impuretés peuvent entraîner la corrosion, l'empoisonnement du catalyseur et un mauvais rendement du produit pendant la phase de raffinage. Les tamis moléculaires permettent de résoudre ce problème facilement et efficacement. Le pétrole brut est d'abord dépolarisé, puis séché avant de passer dans une colonne remplie de tamis moléculaires qui ont une capacité d'adsorption relativement élevée. Ainsi, les particules les plus petites sont absorbées dans les pores du matériau, ne laissant qu'un produit hydrocarboné propre. Cette technique, appelée déshydratation, est l'une des étapes cruciales du traitement du pétrole brut en vue d'une transformation ultérieure. L'Association internationale des producteurs de pétrole et de gaz indique que l'incorporation de filtres à tamis moléculaires permet de réduire la teneur en eau du pétrole brut de 1 000 à moins de 1 ppm (bars), ce qui renforce la sécurité de l'ensemble des processus en aval.

Distillation fractionnée : La méthode de base pour la séparation du pétrole brut

Les bases de la distillation fractionnée

Le pétrole brut, qui consiste en un mélange hétérogène d'hydrocarbures, peut être physiquement séparé en plusieurs fractions par un processus appelé distillation fractionnée. Dans sa forme la plus simple, la distillation utilise les différences de points d'ébullition entre les différents hydrocarbures du mélange de pétrole brut. Le mélange de pétrole brut est généralement contenu dans une colonne de distillation fractionnée, également appelée colonne de fractionnement. Pour obtenir les fractions souhaitées, le pétrole brut doit d'abord être chauffé au point de devenir une vapeur. Au fur et à mesure que les vapeurs s'élèvent dans la colonne, elles se refroidissent et se condensent à différentes hauteurs, en fonction de leur point d'ébullition. Les vapeurs des évaporateurs de fraction les plus doux, tels que l'essence et le gaz de pétrole liquéfié (GPL), atteindront le sommet de la colonne. D'autres, comme les fractions de diesel et d'huile de graissage, se rassemblent vers la partie inférieure de la colonne.

Comment la distillation fractionnée sépare les fractions d'hydrocarbures sur la base des points d'ébullition

La pratique de la distillation du pétrole brut repose sur le principe selon lequel les différents hydrocarbures ont des points d'ébullition différents. Lorsque la température de la colonne de fractionnement est progressivement augmentée, les hydrocarbures les plus légers et ceux dont le point d'ébullition est le plus bas commencent à se vaporiser et à s'élever vers le haut de la tour de distillation. À mesure qu'ils montent, ils se refroidissent et se condensent sur les plateaux ou les matériaux d'emballage, qui offrent une grande surface d'interaction aux différents composants. Le liquide condensé descend ensuite dans la colonne tandis que le reste des vapeurs continue à s'élever. Cette opération s'effectue à différents niveaux de la colonne, chaque plateau ou matériau d'emballage ayant sa propre plage de température et de point d'ébullition. Lorsque les vapeurs s'échappent du haut de la colonne, seuls les hydrocarbures les plus légers et le reste ont déjà été condensés et séparés dans les parties inférieures de la colonne, les composants ayant les points d'ébullition les plus élevés restant au bas de la tour de distillation.

Le rôle de la distillation fractionnée dans le raffinage des fractions légères, moyennes et lourdes

L'importance de la distillation fractionnée dans l'industrie pétrolière est très grande, car ce processus permet de diviser le pétrole brut en ses composants - léger, moyen et lourd - et ses fractions sont caractérisées pour être utiles dans différents secteurs. L'essence et le naphta sont des fractions légères dont le point d'ébullition est très bas et qui sont principalement utilisées comme carburants pour les moteurs et d'autres processus pétrochimiques. La kérosine et le carburant diesel sont des fractions moyennes dont le taux de volatilité est intermédiaire et qui sont utilisées pour le chauffage, comme carburéacteur et pour le transport routier. Les gazoles lourds et les résidus sont les fractions les plus lourdes et les moins volatiles. La plupart du temps, ils sont traités en dessous pour fabriquer des huiles lubrifiantes, des cires et de l'asphalte. L'Administration américaine de l'information sur l'énergie a indiqué qu'un baril de pétrole brut typique peut produire environ 20% d'essence et 15% de gazole, dont 5 % de gazole lourd, le reste des 60 % étant destiné à d'autres produits ou à une distillation plus poussée.

Amélioration de l'efficacité de la distillation fractionnée grâce aux tamis moléculaires

Des tamis moléculaires peuvent également être utilisés pour améliorer l'efficacité et la qualité du produit du processus de distillation fractionnée. Bien que le processus de distillation sépare les hydrocarbures en fonction de leur point d'ébullition, certaines des fractions obtenues peuvent encore contenir des impuretés susceptibles d'avoir un impact négatif sur la qualité des produits finaux. En incorporant des tamis moléculaires dotés de pores de taille spécifique dans le système de distillation, ces impuretés peuvent être éliminées de manière sélective, ce qui garantit que chaque fraction répond aux normes de pureté requises. Par exemple, les tamis moléculaires peuvent être utilisés pour éliminer les composés sulfurés, les composés azotés et d'autres contaminants des fractions de distillat, améliorant ainsi la qualité des produits et protégeant les catalyseurs et les équipements en aval contre les dommages. L'intégration de la technologie des tamis moléculaires dans le processus de distillation fractionnée montre comment diverses techniques de séparation peuvent fonctionner ensemble pour optimiser l'ensemble du processus de raffinage du pétrole brut.

Procédés de conversion : Amélioration de l'efficacité de la séparation après la distillation initiale

Cracking : Transformer des fractions lourdes en produits plus légers et plus précieux

Après la distillation fractionnée initiale, il reste des fractions plus élevées du pétrole brut qui ne sont pas brûlables ou qui servent de matières premières pour les produits pétrochimiques. Pour améliorer la production de produits légers et de grande valeur, ces fractions lourdes peuvent être soumises à un processus connu sous le nom de craquage. Le craquage désigne la rupture des fractions lourdes associées à de grosses molécules d'hydrocarbures complexes en parties moléculaires plus simples qui peuvent servir de combustibles ou d'intermédiaires chimiques. Il existe deux méthodes principales de craquage : la première consiste à utiliser une température élevée pour chauffer les liaisons de carbone (craquage thermique), tandis que l'autre consiste à utiliser un catalyseur qui réduit l'énergie nécessaire à la réaction (craquage catalytique). Le craquage est une étape intégrale qui permet de maximiser la valeur du pétrole brut et de garantir que la majeure partie de la ressource est utilisée à bon escient.

Reformage : Réarrangement des molécules d'hydrocarbures pour améliorer la qualité du carburant

Le reformage est un processus de redéfinition avec des changements structurels dans la composition chimique pour améliorer l'essence et d'autres carburants qui sont utiles dans les transports par l'intermédiaire de l'industrie du raffinage du pétrole. Le réarrangement des hydrocarbures dans ce processus est effectué dans le but d'augmenter le poids moléculaire et l'indice d'octane, qui est un indice de la capacité du carburant à résister au cliquetis dans un moteur. Les rhodesias comprennent l'utilisation d'un catalyseur comme le platine ou le rhénium pour obtenir les réactions chimiques. En raison de l'augmentation de l'indice d'octane de l'essence, le reformage permet aux moteurs à haut rendement de s'assurer que le carburant utilisé brûle efficacement et proprement. Ce processus est important aujourd'hui, alors que la qualité du carburant fait l'objet d'une attention plus grande que jamais.

L'importance des traitements secondaires après la séparation

Désulfuration : Élimination des composés soufrés pour répondre aux normes environnementales

La présence de composés soufrés en tant qu'impuretés dans le pétrole brut est préoccupante car, lors de l'utilisation du pétrole comme combustible, la combustion de ces composés entraîne plusieurs problèmes environnementaux et sanitaires. Pour atténuer ce problème, les raffineries de pétrole utilisent des techniques de désulfuration qui permettent d'éliminer ces composés des différentes fractions obtenues à l'issue du processus de séparation. La désulfuration est souvent réalisée par l'ajout de mélanges de catalyseurs tels que le cobalt et le molybdène, qui convertissent les composés contenant du soufre en sulfure d'hydrogène gazeux, lequel peut être facilement nettoyé, en le transformant en soufre. Ce processus est nécessaire car les réglementations nationales et internationales imposent une teneur minimale en soufre dans le pétrole et ses dérivés, dans le but de protéger l'environnement. Par exemple, aux États-Unis, l'Agence de protection de l'environnement a limité la teneur en soufre du carburant diesel destiné à la circulation routière à 15 parties par million, alors qu'elle était auparavant de 500 parties par million.

Traitement des résidus lourds : Distillation sous vide et cokéfaction pour le traitement ultérieur des fractions lourdes

Le fond du pétrole n'est pas utilisé dans les carburants ou les matières premières pétrochimiques, même après les processus de distillation fractionnée et de conversion. Les raffineries de pétrole, dans le but de récupérer plus de valeur de ces résidus, appliquent des processus de traitement secondaire tels que la distillation sous vide et la cokéfaction. Lors de la distillation sous vide, les résidus lourds sont éliminés par ébullition à des pressions plus faibles, en faisant tourner les points d'ébullition plus élevés des différents composants pour une meilleure efficacité de la séparation. La cokéfaction, quant à elle, est un type de craquage thermique, mais au lieu d'isoler les fractions les unes des autres, la cokéfaction décompose les résidus lourds en les convertissant en hydrocarbures légers et en un résidu solide, riche en carbone, appelé coke. Le coke de pétrole a de nombreuses autres applications industrielles telles que les aciéries et la production d'énergie. Ainsi, grâce à ces processus ajoutés aux résidus, les raffineurs parviennent à maximiser la valeur de chaque baril de pétrole brut et à s'assurer qu'aucun déchet n'est laissé inutilisé.

Considérations environnementales et d'efficacité dans la séparation du pétrole brut

La durabilité et la protection de l'environnement tendent à devenir des principes importants dans la société contemporaine et, par conséquent, l'industrie du raffinage du pétrole est confrontée à de nombreux défis pour atteindre une plus grande efficacité dans ses processus qui sont également moins nocifs pour l'environnement. L'un des domaines d'intérêt est la réduction de l'énergie et des gaz à effet de serre émis lors du processus de séparation du pétrole brut. Parmi plusieurs options, on peut citer la récupération de la chaleur perdue par l'intégration de différents processus, le remplacement d'équipements par d'autres plus efficaces sur le plan énergétique et l'utilisation potentielle d'énergies renouvelables pour les processus de raffinage. On s'intéresse également de plus en plus à la pratique et à l'application de méthodes visant à réduire l'empreinte environnementale des émissions des raffineries, telles que le contrôle de la pollution des gaz de combustion par des systèmes d'épuration avancés et le traitement des déchets industriels avant leur déversement. Le même type d'approche peut donc être appliqué aux performances du processus de séparation du pétrole brut et contribuer à l'objectif d'une planète plus propre et plus verte. Les effets positifs résultant des améliorations apportées au processus de séparation du pétrole brut apportent une contribution importante au coût global d'une unité de raffinage du pétrole.

Améliorer l'efficacité des raffineries grâce à l'expertise de Jalon

Si vous avez besoin de tamis moléculaires pour les processus de séparation et de raffinage du pétrole brut, faire équipe avec un fabricant qualifié tel que Jalon est probablement une approche rationnelle. Présent dans la profession depuis longtemps, Jalon a la capacité de développer différents types de solutions de tamis moléculaires personnalisées pour l'industrie pétrolière. En vous associant à Jalon, vous profiterez de son expérience et de sa technologie moderne afin d'obtenir les meilleures performances possibles dans vos activités de raffinage du pétrole.

Conclusion

En conclusion, la déconstruction du pétrole brut en ses éléments constitutifs varie selon les genres ; ces genres comprennent, sans s'y limiter, la distillation fractionnée, l'extraction par solvant, la séparation par membrane, la filtration et l'adsorption. Ces stratégies permettent de séparer l'assortiment complexe d'hydrocarbures du pétrole brut et de les transformer en produits utiles qui sont pratiquement indispensables à la civilisation actuelle. La principale méthode de séparation du pétrole brut est la distillation fractionnée, qui permet de classer les hydrocarbures en fonction de leur point d'ébullition. D'autres méthodes, telles que l'extraction par solvant et la séparation par membrane, permettent d'améliorer et de purifier les produits finaux. Les besoins mondiaux en énergie et en produits dérivés du pétrole ne cessant d'augmenter, il devient impératif pour l'industrie du raffinage du pétrole d'améliorer continuellement ces processus de séparation pour les rendre plus efficaces tout en minimisant les risques potentiels pour l'environnement.