vignette|La raffinerie d'Anacortes aux États-Unis. Le raffinage du pétrole est l'ensemble des procédés industriels visant à transformer le pétrole brut en produits utilisables, à commencer par les carburants (essence, diesel, kérosène, fioul) et les matières premières de la pétrochimie. Ces opérations sont regroupées au sein d'installations spécialisées appelées raffineries.
Le pétrole brut est un mélange complexe d'hydrocarbures — paraffines, isoparaffines, oléfines, naphtènes et aromatiques — auquel s'ajoutent des composés hétéroatomiques et diverses impuretés. Sa composition, qui varie selon son origine géographique, détermine ses propriétés et ses usages. : couleur, viscosité, teneur en soufre, point d'écoulement et teneur en minéraux. Ces caractéristiques conditionnent directement les procédés de raffinage mis en œuvre.
En règle générale, le raffinage du pétrole se déroule en trois étapes principales :
la distillation : le pétrole brut est chauffé à haute température, puis refroidi progressivement afin de séparer ses constituants selon leur poids moléculaire, les fractions légères (essence) se dégagent en tête de colonne, les fractions lourdes (fioul) se déposent en bas ; la conversion ou craquage : les molécules lourdes sont fragmentées ou recombinées afin d'obtenir des produits à plus haute valeur commerciale, notamment de l'essence et du diesel de meilleure qualité ; le traitement : les substances indésirables — soufre, métaux, minéraux, sont éliminées afin de satisfaire aux spécifications des produits finis et de réduire les émissions polluantes lors de leur utilisation.
La conception d'une raffinerie dépend de plusieurs facteurs : la nature des bruts traités, les besoins locaux en produits raffinés et les contraintes économiques. Les raffineries dites complexes, dotées d'un grand nombre d'unités de traitement, sont caractéristiques des pays à forte consommation de carburants, notamment en Europe et en Amérique du Nord. Les raffineries plus simples sont davantage répandues dans les pays en développement. Certaines installations sont conçues pour traiter un type de brut spécifique, lorsque les réserves correspondantes sont suffisamment importantes pour le justifier.
Structure d'une raffinerie Les raffineries sont schématiquement de conception simple ou complexe. Les raffineries simples sont constituées seulement de quelques unités de traitement, tandis que les raffineries complexes en possèdent bien plus.
En effet, selon l'objectif visé et l'endroit où se trouve la raffinerie, selon aussi la nature des bruts traités (exemple : brut BTS ou HTS, brut naphténique ou aromatique) la structure de la raffinerie à construire est différente ; selon également les besoins potentiels locaux, la raffinerie peut être très simple ou très complexe. Souvent en Europe, aux États-Unis et généralement dans des régions où les besoins en carburants sont élevés, la structure des raffineries est complexe. Par contre, dans les pays en développement, cette structure est assez simple.
Le pétrole, une fois arrivé à la raffinerie, est stocké dans des bacs de grande taille. En général, on stocke le pétrole à basse teneur en soufre (BTS) séparé de celui à haute teneur en soufre (HTS). Il en est de même dans le traitement. Selon la demande du marché, on traite d'abord dans un cycle avec du pétrole BTS avant de passer dans un cycle HTS afin d'éviter la contamination des produits BTS par ceux du HTS. Si c'est le cas inverse, les produits issus du traitement pendant quelques heures, s'il y a lieu, sont dirigés vers des bacs de produits HTS pour être retraités. Raffinerie simple
Les premières raffineries n'étaient formées que d'une seule unité : la distillation atmosphérique.
Cette pratique n'est plus viable économiquement et les raffineries les plus simples comprennent en outre des unités annexes de désulfuration et de reformage, ainsi qu'une distillation sous vide. Une raffinerie ne comprenant que ces unités est qualifiée d'« hydroskimming refinery » en anglais. Il n'en existe pratiquement plus.
Les raffineries modernes comprennent en effet en plus des unités précédentes, des unités de conversion (craquage) qui permettent de transformer les fractions pétrolières les plus lourdes dont le prix est de moins en moins attractif et qui ne sont utilisables que dans des installations industrielles spécifiques, en fractions plus légères pouvant constituer un carburant ordinaire (diesel, kérosène ou essence).
Raffinerie complexe Les raffineries complexes peuvent donc avoir, en plus des unités ci-dessus, d'autres unités dont les plus communes sont : le craquage catalytique (fluid catalytic cracking, FCC) ; le viscoréducteur (visbreaking) ; l'isomérisation ; la polymérisation ; le craquage à la vapeur (steam cracking) ; le soufflage de bitume ; la cokéfaction (coking).
Dans ce cas, on dit qu'on est en conversion profonde (deep conversion). Ces techniques sont de plus en plus utilisées, du fait de l'évolution du marché : les pétroles disponibles sur le marché tendent à devenir plus lourds, tandis que la demande se déplace vers le « sommet du baril », le marché des fiouls lourds se réduit (en partie parce qu'ils sont souvent remplacés par le gaz naturel) tandis que la consommation de carburants automobiles ne cesse de croître.
Unités de raffinage thumb|center|600px|Raffinerie ExxonMobil à Bâton Rouge (Louisiane, USA) (une des plus grandes en exploitation dans le monde). Chaque unité de raffinage abrite un procédé industriel ; il s'y déroule généralement une opération physique ou chimique simple.
Le nombre des types d'unités et des procédés utilisés par l'industrie du raffinage est très élevé (ordre de 200). Il n'est donc pas question de les passer tous en revue.
Composition
La composition initiale du pétrole dépend de sa provenance ; elle va influer fortement sur la façon dont celui-ci sera traité. L'essence a longtemps été la partie la mieux valorisée du pétrole : on avait donc tendance à favoriser les bruts légers, conduisant facilement à des coupes à haut indice d'octane. Au contraire, les bruts lourds qui contiennent plus de composés à longue chaîne (que l'on retrouve dans les bitumes), étaient mal valorisés, et nécessitaient des traitements supplémentaires pour casser ces molécules et en faire des produits vendables. Les impuretés telles que le soufre (sulfure d'hydrogène H2S, mercaptans) sont particulièrement peu souhaitées, elles font donc l'objet de traitements spécifiques supplémentaires, ce qui ajoute au coût de traitement.
La formule générale de ces hydrocarbures saturés est CnH2n+2, formule dans laquelle l'indice n représente le nombre d'atomes de carbone contenu dans la molécule. La formule générale des hydrocarbures insaturés ayant une liaison double est CnH2n, formule dans laquelle l'indice n représente le nombre d'atomes de carbone contenu dans la molécule. Exemple : l'éthylène C2H4. La formule générale des hydrocarbures insaturés ayant une liaison triple est CnH2n–2, formule dans laquelle l'indice n représente le nombre d'atomes de carbone contenu dans la molécule. Exemple : l’acétylène C2H2.
Le pétrole brut acheté sur l'un des marchés mondiaux doit répondre plus ou moins à l'attente des besoins du raffineur. Ce pétrole brut, comme il a été dit avant, est un mélange de plusieurs centaines de produits différents, allant du gaz méthane jusqu'au résidu bitumeux ayant des caractéristiques physico-chimiques différentes. Tel quel, il est tout juste bon à servir dans une lampe à huile. Afin de séparer ces produits entre eux et d'en faire des produits réellement utilisables, on emploie des procédés de séparation physico-chimiques que l'on appelle le « raffinage ».
Il existe toutes sortes de bruts : paraffiniques (majorité d'hydrocarbures linéaires) ; naphténiques (majorité d'hydrocarbures à cycle saturé) ; aromatiques (majorité d'hydrocarbures présentant un cycle aromatique).
Ils peuvent être : TBTS (très basse teneur en soufre) ; BTS (basse teneur en soufre) ; MTS (moyenne teneur en soufre) ; HTS (haute teneur en soufre) ; THTS (très haute teneur en soufre).
Les outils en présence (les unités de traitement) ne sont pas toujours adaptés à traiter tous ces bruts car à leur construction, ils ne sont pas dimensionnés pour englober toute cette gamme de bruts.
Distillation
La distillation est un procédé qui consiste à séparer les différents composants d'un mélange liquide en fonction de leur température d'ébullition. Quand on chauffe un liquide constitué de plusieurs produits, la vapeur qui s'échappe au commencement de la distillation comporte une majorité du produit le plus volatil, appauvrissant ainsi le mélange initial. Cette vapeur est collectée, et en se refroidissant, retrouve sa forme liquide : ce liquide est enrichi en composants les plus volatils, mais il n'est pas pur. Le pétrole est constitué du mélange d'un nombre très élevé de produits ; on ne cherche donc pas à obtenir des produits purs, mais plutôt des « coupes », c'est-à-dire des mélanges plus simples, constitués de produits aux caractéristiques homogènes, qui par la suite subiront un traitement adapté à leur famille, en vue de fabriquer un certain type de produits. C'est donc l'opération essentielle et initiale que subit le pétrole en arrivant à la raffinerie.
Distillation atmosphérique thumb|Séparation des composants principaux par distillation. + Alcanes linéaires Nom T (°C) FormuleMéthaneCH4ÉthaneC2H6PropaneC3H8ButaneC4H10PentaneC5H12C6H14HeptaneC7H16OctaneC8H18NonaneC9H20DécaneC10H22DodécaneC12H26TétradécaneC14H30HexadécaneC16H34HeptadécaneC17H36EicosaneC20H42DocosaneC22H46PentacosaneC25H52
La distillation dite « atmosphérique » est ainsi appelée, car elle est conduite à la pression atmosphérique. La totalité du flux traversant cette étape est mené dans l'unité la plus importante de la raffinerie, qui détermine sa capacité maximum.
Chaque hydrocarbure pur possède des caractéristiques chimiques et physiques spécifiques. Le tableau ci-contre, montre les températures d'ébullition des alcanes linéaires, les alcanes légers sont très courants dans le pétrole quelle que soit sa provenance.
Le raffinage consiste à utiliser d'abord, les caractéristiques physiques de chacun des composants contenus dans le mélange telles que la température d'ébullition pour les séparer et extraire des fractions primaires.
Cette opération est appelée la distillation. Tout comme chez le bouilleur de cru, on chauffe le pétrole dans une colonne fermée que l'on appelle la colonne de distillation atmosphérique et grâce à la différence de température d'ébullition des composants en présence et avec la vaporisation des fractions plus ou moins légères, on recueille à différents niveaux de la colonne des fractions de produits légers, intermédiaires, moyens et lourds.
La distillation atmosphérique se fait dans une colonne à plateaux munie d'un certain nombre de plateaux perforés et munis de clapets, en général de , conduisant à une distillation fractionnée. Après cette première distillation, la partie résiduelle est envoyée dans une autre colonne, moins haute et comportant moins de plateaux que l'on appelle la colonne de distillation sous vide.
En effet, cette fraction résiduelle, appelée « résidu atmosphérique », contient des hydrocarbures à longues chaînes et plus les chaînes sont longues plus elles sont fragiles, donc susceptibles d'être scindées en plusieurs morceaux si le chauffage continue Alcènes linéraires Nom T (°C) FormuleÉthylène−C2H4Propène−C3H6Butène−C4H8PentèneC5H10HexèneC6H12
sous la pression atmosphérique.
Afin d'éviter ces coupures intempestives de chaînes, on fait la séparation des produits de ce résidu atmosphérique sous un vide relatif correspondant à une pression d'environ (la pression atmosphérique correspond à ). Ce vide relatif permet d'abaisser la température d'ébullition des composants, donc, il faut moins chauffer ces produits.