Transformation de mélanges complexes en produits utilisables
Pétrole et environnement, partie 16/24
Écrit par E. Allison et B. Mandler pour AGI, 2018
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Introduction
Le pétrole brut et le gaz naturel sont des mélanges chimiques complexes qui ne conviennent généralement pas à une utilisation directe. Le raffinage du pétrole et le traitement du gaz transforment ces mélanges en une large gamme de carburants et d’autres produits tout en éliminant les composants de faible valeur et polluants.
Le raffinage et le traitement ont des impacts environnementaux à la fois positifs et négatifs : bien qu’ils éliminent les polluants nocifs et produisent des carburants à combustion plus propre, les opérations dans les raffineries et les usines de traitement peuvent libérer des polluants nocifs dans l’environnement, affectant la qualité de l’air et de l’eau au niveau local.
Lors de la distillation du pétrole brut, différents types de carburant se condensent et sont extraits à différentes températures. Crédit image : Wikimedia Commons utilisateurs Psarianos et Theresa Knott.1
Raffinage du pétrole
Le pétrole brut est un mélange de nombreuses molécules d’hydrocarbures de tailles différentes. Les plus petites molécules se vaporisent à des températures plus basses, donc le pétrole brut peut être distillé pour séparer les différents hydrocarbures. Dans le processus de distillation, le pétrole brut est vaporisé et la vapeur chaude monte dans une colonne, se refroidissant au fur et à mesure. Les différents hydrocarbures se vaporisent à des températures différentes, de sorte qu’ils se condensent sous forme liquide à différents points de la colonne, séparant le pétrole brut en différents composants qui peuvent ensuite être traités pour les optimiser en vue de leur utilisation finale.
L’essence et le diesel sont les produits les plus lucratifs extraits du pétrole brut, de sorte que les raffineries utilisent une gamme de techniques pour maximiser la production de ces carburants. Il peut s’agir de craquage (décomposition de molécules plus grosses en molécules plus petites2), d’hydrotraitement (remplacement d’impuretés telles que le soufre par de l’hydrogène pour améliorer la qualité du carburant3), de reformage (transformation de molécules plus petites en essence2), d’alkylation (utilisation d’un acide pour produire de l’essence à indice d’octane élevé à partir de molécules plus petites4) et de mélange (mélange de différents liquides pour obtenir des produits uniformes conformes aux normes réglementaires5). Au cours de l’étape de mélange, l’éthanol provenant des usines industrielles d’éthanol est également mélangé à l’essence pour augmenter son indice d’octane, réduire les émissions de monoxyde de carbone et répondre aux exigences de la norme sur les carburants renouvelables.6
Produits du raffinage du pétrole
Les différents pétroles bruts ont des compositions différentes, contenant différents mélanges d’hydrocarbures et des quantités variables de soufre et d’autres impuretés. Les proportions des différents produits raffinés varient en fonction de l’évolution des types de pétrole à raffiner, de la demande de différents produits et des réglementations qui influencent cette demande. Environ 80 à 85 % du pétrole brut est transformé en essence, en diesel ou en kérosène. Le reste est utilisé pour produire des gaz de pétrole liquéfiés, des matières premières pétrochimiques et divers autres produits.7 En 2016, 141 raffineries américaines ont produit une moyenne quotidienne de 9,3 millions de barils d’essence, 3,7 millions de barils de diesel à faible teneur en soufre et 1,6 million de barils de carburéacteur8.
Raffineries de pétrole (carrés ouverts) et usines de traitement du gaz (bleu) aux États-Unis en février 2018. Non représentés : deux raffineries à Hawaï et cinq en Alaska. Crédit d’image : U.S. Energy Information Administration.17
Traitement du gaz naturel
En 2017, les États-Unis ont produit 33 trillions de pieds cubes de gaz naturel.9 Une petite fraction de cette quantité a été utilisée dans des opérations sur le terrain, réinjectée dans des réservoirs souterrains, évacuée ou brûlée à la torche ; le reste a été traité par 550 usines de traitement du gaz pour produire 27 trillions de pieds cubes de gaz naturel de qualité pipelinière10,11. Le gaz de qualité gazoduc doit répondre à des normes rigoureuses en matière de contenu énergétique et de pureté12 pour une utilisation résidentielle, commerciale et industrielle, y compris les centrales électriques au gaz naturel.
Avant traitement, le gaz naturel se compose principalement de méthane, avec des proportions variables d’autres hydrocarbures, de dioxyde de carbone (CO2), de dioxyde de soufre, d’azote, de vapeur d’eau et d’hélium13. Le traitement du gaz élimine certains des composants non méthaniques du gaz naturel afin de :
- Améliorer la combustion et réduire la corrosion en éliminant l’eau
- Prévenir la formation d’acides dommageables en éliminant les gaz nocifs ou corrosifs – notamment le soufre et le CO2 – qui pourraient autrement réagir avec de petites quantités d’eau pour former des acides
- Normaliser le contenu énergétique du gaz pour assurer une combustion uniforme dans les fours et autres équipements, notamment en éliminant les gaz non combustibles tels que le CO2 et l’azote
- Extraire des gaz mineurs précieux pour d’autres utilisations (par ex.g., d’autres hydrocarbures et de l’hélium)
Les hydrocarbures non méthaniques extraits lors du traitement du gaz sont collectivement appelés « liquides de gaz naturel » (LGN) car ils forment des liquides plus facilement que le méthane à haute pression ou à basse température. Parmi les LGN, les plus courants sont l’éthane, le propane et le butane. L’éthane et le propane sont ensuite traités en grandes quantités pour fabriquer des matières premières pour les plastiques (voir « Produits non combustibles du pétrole et du gaz » dans cette série), tandis que le propane et le butane sont comprimés en liquides pour fournir une source de gaz combustible à forte densité énergétique pour les utilisations hors réseau.
Les principales méthodes utilisées pour éliminer les composants non méthaniques du gaz naturel sont les absorbants et le refroidissement. Une variété d’absorbants peut être utilisée, y compris des huiles spéciales (pour les LGN), du glycol (pour l’eau), des amines (pour le soufre et le CO214), et l’absorption de zéolite ou d’huile (pour l’azote15). Le fait de refroidir le gaz naturel à différentes températures permet d’éliminer différents composants à mesure qu’ils se condensent en liquides. C’est la méthode la plus courante pour l’élimination de l’azote : le gaz naturel est refroidi jusqu’à ce que le méthane se liquéfie, ce qui permet d’évacuer l’azote gazeux.16 Les LGN peuvent être éliminés dans un seul mélange qui est ensuite chauffé à différentes températures pour isoler chaque LGN à son tour.18 Après le traitement, le gaz est considéré comme » sec » et prêt à être expédié par pipeline aux utilisateurs finaux.
Raffinage, traitement et environnement
Le raffinage et le traitement réduisent l’impact environnemental des carburants dérivés du pétrole et du gaz en éliminant les polluants nocifs et en améliorant leur fiabilité pendant la combustion. Cependant, les raffineries et les usines de traitement ont leurs propres impacts environnementaux, avec des procédures correspondantes pour minimiser ces impacts. Vous trouverez de plus amples informations à ce sujet dans d’autres parties de cette série : « Atténuation et réglementation des émissions de méthane » et « Impacts du pétrole et du gaz sur la qualité de l’air ».
Le dioxyde de carbone (CO2) est présent dans des proportions variables dans le gaz naturel et est retiré dans les usines de traitement pour améliorer la qualité du gaz. La majeure partie de ce CO2 est évacuée dans l’atmosphère, ce qui représente environ 0,4 % des émissions totales de gaz à effet de serre des États-Unis (à titre de comparaison, on estime que les fuites de méthane de la chaîne de production et de distribution du gaz naturel représentent environ 3 % des émissions américaines).19 Un petit nombre d’usines de traitement du gaz capturent le CO2 retiré du gaz naturel pendant le traitement ; ce CO2 capturé est injecté dans les champs pétroliers pour améliorer la récupération du pétrole.20
1 File:Crude Oil Distillation-en. Utilisateurs de Wikimedia Commons Psarianos & Theresa Knott. Reproduit selon une licence CC BY-SA 3.0.
2 Centre for Industry Education Collaboration, Université de York (2014). Le craquage et les procédés de raffinage connexes. L’industrie chimique essentielle – en ligne.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). L’hydrotraitement dans le traitement du pétrole. In : Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Handbook of Petroleum Processing (Manuel de traitement du pétrole). Springer, Cham.
4 Administration américaine d’information sur l’énergie (2013) . L’alkylation est une source importante d’octane dans l’essence. Today in Energy, 13 février 2013.
5 Agence de protection de l’environnement des États-Unis – Normes relatives à l’essence : Gasoline Reid Vapor Pressure.
6 U.S. Energy Information Administration – Biofuels : Ethanol et biodiesel expliqués – Utilisation de l’éthanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil : Crude and Petroleum Products Explained – Refining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids : U.S. Product Supplied, Total Crude Oil and Petroleum Products.
9 U.S. Energy Information Administration – U.S. Natural Gas Gross Withdrawals.
10 U.S. Energy Information Administration – Natural Gas Annual Respondent Query System, EIA-757 : Natural Gas Processing Capacity by Plant, Data through 2014.
11 U.S. Energy Information Administration – U.S. Dry Natural Gas Production.
12 North American Energy Standards Board.
13 Penn State College of Earth and Mineral Sciences, e-Education Institute – Petroleum Processing : Natural Gas Composition and Specifications.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). L’élimination du CO2 et du N2 du gaz naturel : Un examen des technologies de traitement conventionnelles et émergentes. J. Pet. Sci. Eng., 94-95, 123-154.
15 Sep-Pro Systems – Unités de rejet de l’azote.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Natural Gas Processing : The Crucial Link between Natural Gas Production and Its Transportation to Market.
17 U.S. Energy Information Administration – U.S. Energy Mapping System.
18 U.S. Department of Energy (2017). Natural Gas Liquids Primer, with a Focus on the Appalachian Region.
19 U.S. Environmental Protection Agency (2017). Inventaire des émissions et des puits de gaz à effet de serre des États-Unis : 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Base de données des projets : Installations de CSC à grande échelle.
Pétrole et environnement
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Autres parties de cette série:
1. Le pétrole et l’environnement : une introduction
2. L’eau dans l’industrie pétrolière et gazière
3. Sismicité induite par les opérations pétrolières et gazières
4. Sources d’eau pour la fracturation hydraulique
5. Utilisation de l’eau produite
6. Protection des eaux souterraines dans la production de pétrole et de gaz
7. Puits abandonnés
8. Qu’est-ce qui détermine l’emplacement d’un puits ?
9. Utilisation des terres dans l’industrie pétrolière et gazière
10. Le champ de gaz de Pinedale, Wyoming
11. Le pétrole lourd
12. Le pétrole et le gaz dans l’Arctique américain
13. Pétrole et gaz offshore
14. Déversements dans les champs de pétrole et de gaz naturel
15. Transport du pétrole, du gaz et des produits raffinés
16. Raffinage du pétrole et traitement du gaz
17. Produits non combustibles du pétrole et du gaz
18. Impacts du pétrole et du gaz sur la qualité de l’air
19. Émissions de méthane dans l’industrie du pétrole et du gaz
20. Atténuation et réglementation des émissions de méthane
21. Réglementation des opérations pétrolières et gazières
22. Santé et sécurité dans l’extraction du pétrole et du gaz
23. Données souterraines dans l’industrie du pétrole et du gaz
24. Géoscientifiques du pétrole et de l’environnement
Glossaire des termes
Date de mise à jour : 2018-06-01
Pétrole et environnement, partie 16/24
Rédigé par E. Allison et B. Mandler pour AGI, 2018
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