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PREPARE PAR MS BENMENNI 01/10/2016 INSTITUT ALGERIEN DU PETROLE ECOLE DE BOUMER

PREPARE PAR MS BENMENNI 01/10/2016 INSTITUT ALGERIEN DU PETROLE ECOLE DE BOUMERDES COURS CARBURANTS & LUBRIFIANTS 2 FASCICULE I CARBURANTS Sommaire Introduction 1 La chimie des carburants 2 Consommation et commercialisation des carburants L’industrie automobile et la consommation d’énergie La distribution, la commercialisation et le rôle des pouvoirs publics 3 Les moteurs à combustion interne 4 Les différents types de moteurs à combustion interne 5 Les carburants pour moteurs à combustion interne L’essence Le gasoil Le carburéacteur Les carburants lourds Le GPL Le gaz naturel L’aquazole 6 Les carburants et la protection de l'environnement Caractéristiques des essences et émission de polluants Caractéristiques du gazole et émission de polluants 7 Les carburants et l'effet de serre 8. Contributions des différentes filières «carburant» à l'effet de serre 8 Les biocarburants Bibliographie 3 Introduction Les carburants sont des composés organiques dont la combustion en présence d'air permet le fonctionnement des moteurs thermiques à pistons (moteurs à essence ou Diesel) ou à flux continu (réacteurs d'avion, turbines à gaz). À la famille des carburants se rattachent également les ergols et les propergols utilisés pour la propulsion des fusées. Il s'agit de produits très spécifiques (hydrogène liquide, diméthylhydrazine, peroxyde d'azote...) dont la combustion met en œuvre non plus de l'air mais de l'oxygène pur à l'état liquide. Il ne faut pas confondre les termes « carburants » et « combustibles », ce dernier désignant les produits utilisés pour l'obtention d'énergie thermique dans les chaudières, les fours industriels et les centrales. Dans presque tous les cas, les carburants sont des liquides, ce qui constitue un grand avantage sur le plan de la compacité, de la facilité de mise en œuvre et de la sécurité. Toutefois, l'utilisation de carburants gazeux, et principalement de gaz naturel dont les réserves sont importantes, pourrait se développer au cours des prochaines décennies. Les carburants classiques proviennent essentiellement du pétrole. Celui-ci subit des opérations de raffinage très poussées pour obtenir plusieurs types de produits (essences, gazole, carburéacteur, carburants lourds) destinés à alimenter des véhicules très différents, depuis les voitures particulières jusqu'aux avions et navires. En dehors du pétrole, d'autres filières permettent d'obtenir des carburants : La première concerne les biocarburants, qui proviennent de la biomasse, plus précisément de –céréales (blé, maïs), de plantes sucrières (betteraves, canne à sucre), d'huiles végétales (colza, tournesol, soja, palme) et, en cours de développement, de biomasse lignocellulosique (bois, pailles,...). Cette voie est intéressante parce qu'elle fait appel à des énergies renouvelables. Son développement a été longtemps limité par sa faible compétitivité sur le plan économique. De nouveaux enjeux en termes de rejets de CO2 font que cette filière est actuellement en plein essor. 4 1 La chimie des carburants 1.1 Généralités D’un point de vue chimique, le gaz naturel, le pétrole et le charbon sont très similaires. Leur origine est identique : ils ont été formés à partir de la décomposition de végétaux et d’animaux sous pressions et températures énormes, il y a des millions d’années. C’est la raison pour laquelle on parle de carburants fossiles. On retrouve les éléments « carbone » et « hydrogène » dans les composés constituant les carburants fossiles. Ces composés chimiques sont appelés « hydrocarbures ». Il existe une multitude d’hydrocarbures. Les plus simples, à savoir les alcanes, constituent la partie majoritaire des carburants fossiles. Le nombre élevé d’hydrocarbures résulte de la caractéristique de l’atome de carbone de pouvoir se lier à quatre atomes. L’atome d’hydrogène, en revanche, ne peut se lier qu’à un seul atome. 1.2 Composition La molécule d’hydrocarbure la plus simple est formée à partir d’un atome de carbone (gris foncé) et de quatre atomes d’hydrogène (blanc): il s’agit du méthane : CH4 Représentation 3D de la molécule CH4 (le 4ème atome H se trouve derrière l’atome C) Les autres hydrocarbures s’édifient de la même manière. Voici la liste des 10 hydrocarbures les plus simples : Nom Formule chimique Utilisation méthane CH4 Gaz naturel éthane C2H6 Gaz naturel propane C3H8 Camping gaz butane C4H10 Gaz de briquet pentane C5H12 Industrie chimique 5 hexane C6H14 Solvant heptane C7H16 Essence octane C8H18 Essence nonane C9H20 Mazout décane C10H22 Mazout Le gaz naturel et le charbon sont des carburants fossiles susceptibles d’être utilisés directement sans traitements supplémentaires majeurs. Par exemple, le gaz naturel est utilisé pour chauffer les maisons. Le charbon est essentiellement employé dans des centrales thermiques afin de produire de l’énergie électrique. Pour pouvoir exploiter les composants du pétrole, il faut procéder à la séparation du Mélange. Une séparation est toujours basée sur les différentes propriétés des composants du mélange dont la température d’ébullition. C’est la séparation par distillation. Le pétrole est chauffé jusqu’à 350-400°C dans un four de distillation relié à une tour de distillation. Dans cette tour, les composants se répartissent selon leur température d’ébullition. Ceux qui ont la température d’ébullition la plus basse (les plus volatils) montent au sommet. A chaque plateau, on récupère, en partant du haut en bas : les gaz, les essences, le kérosène, les gazoles et les produits lourds. Les produits de séparation qu’on obtient aux différents niveaux constituent toujours des mélanges, appelés « fractions ». Le procédé de séparation est dénommé « distillation fractionnée ». 1.3 Quelques propriétés physiques caractéristiques des composés organiques Les composés organiques se distinguent des composés inorganiques au niveau d'un certain nombre de propriétés physiques reprises dans le tableau ci-dessous. Composés organiques Composés inorganiques Liaisons principalement covalentes Liaisons souvent ioniques et coordinatives Composés gazeux, liquides ou solides Points de fusion souvent élevés Souvent insolubles dans l'eau Souvent solubles dans l'eau Souvent solubles dans les solvants organiques Souvent insolubles dans les solvants organiques 6 Solutions rarement conductrices de l'électricité Solutions aqueuses conductrices Brûlent presque tous Rarement combustibles Réactions souvent lentes Réactions souvent rapides Etapes de la distillation fractionnée 7 1.4 Les liaisons du carbone dans les chaînes hydrocarbonées L'atome de carbone contient 4 électrons de valence qui se complètent de 4 électrons supplémentaires pour former un octet lors de la formation des liaisons chimiques toujours covalentes. Cette capacité des atomes de carbone à se lier l'un à l'autre conduit à une très grande variété des composés formés. Liaisons simples, doubles et triples Chaque atome de carbone peut se lier à ses voisins par 4 liaisons simples, 1 liaison double et deux liaisons simples, ou 1 liaison triple et une liaison simple. Les structures spatiales au niveau de ces liaisons sont régies par la règle de répulsion des paires électroniques de valence (Valence Shell Electron Pair Repulsion ou VSEPR). Elles sont reprises dans le tableau ci- dessous. 4 liaisons simples Tétraèdre - 109,5° 1 liaison double et deux liaisons simples Plan - 120° 1 liaison triple et une liaison simple Linéaire - 180° Le squelette hydrocarboné Les atomes de carbone se lient entre eux pour former des chaînes de longueur variable, allant de quelques atomes à plusieurs milliers ou même des millions d'atomes. Cette ossature ou épine dorsale appelée squelette hydrocarboné respecte les angles de liaisons indiquées à la 8 page précédente ; elle est donc en zig-zag, avec des zones planes à l'endroit des doubles liaisons et des zones linéaires à l'endroit des liaisons triples. Pour simplifier la représentation de ces molécules, on utilisera fréquemment de simples traits pour les liaisons carbone-carbone ; on omettra le symbole C et on n'indiquera pas les atomes d'hydrogène fort nombreux le long de la chaîne hydrocarbonée. Squelette hydrocarboné Seules les liaisons C-C , C=C et C≡C sont représentées par des traits. Les hydrogènes ne sont pas représentés. Cette formule est appelée formule topologique. Pour des raisons de clarté, nous donnerons souvent les formules développées en y indiquant tous les atomes et en ne tentant pas de respecter la disposition spatiale ni les angles de liaison. Formule développée plane CH4 H3C-CH(CH3)-CH3 Les ramifications et l'isomérie de chaîne Des bifurcations ou ramifications peuvent apparaître le long de la chaîne hydrocarbonée lorsque celle-ci contient plus de 3 atomes de carbone. Ainsi, des composés de même formule moléculaire peuvent alors présenter des enchaînements d'atomes différents. C'est ce que l'on appelle l'isomérie de chaîne. Isomérie de chaîne Chaîne linéaire à 4 atomes de carbone et chaîne principale à 3 carbones avec ramification. 9 1.5 Classification et nomenclature des hydrocarbures Parmi les composés ne contenant que C et H (hydrocarbures), nous nous limiterons à distinguer quatre familles principales : 3 familles d’hydrocarbures aliphatiques, à chaînes ouvertes o ne contenant que des liaisons simples C-C : hydrocarbures saturés ou alcanes o contenant des liaisons doubles entre carbones : hydrocarbures non saturés ou alcènes o contenant des liaisons triples entre carbones : hydrocarbures non saturés ou alcynes 1 famille d’hydrocarbures aromatiques contenant le noyau benzénique constitué d'un enchaînement cyclique de 3 doubles liaisons alternant avec 3 liaisons simples (doubles liaisons conjuguées) On rencontre aussi des composés hétérocycles contenant un ou plusieurs atomes autres que C (N, O, S) au sein de leurs cycles. La famille des hétérocycles azotés occupe une place particulièrement importante dans le matériel génétique des cellules animales et végétales. 1.5.1 Les Hydrocarbures saturés ou alcanes Les hydrocarbures saturés ou alcanes ont pour formule moléculaire CnH2n+2 où uploads/Industriel/ carburants-document-de-lecture.pdf