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COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 1 COURS SCHEMAS DE FABRICATION L3 TGP (option R

COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 1 COURS SCHEMAS DE FABRICATION L3 TGP (option Raffinage) Chargé du cours : ABDOULAYE DAN MAKAOU Oumarou Doctorant en Sciences des Procédés chimiques (EDP/INP-HB Cote d’Ivoire) COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 2 INTRODUCTION Assurer à partir d’une matière unique, le pétrole brut, la fabrication d’une gamme très étendue de produits finis qui doivent satisfaire l’utilisateur en répondant à des nombreuses spécifications et couvrir la demande quantitative exigée par le marché, tel est le travail quotidien du raffineur. Le problème est à la fois technique et économique dans le choix des pétroles bruts de base, des procédés de fabrication, des conditions optimales de fonctionnement des unités et des produits finis à élaborer en fonction de la situation géographique de la raffinerie et des débouchés locaux. L'ensemble de ces paramètres constitue les données de base d'un grand problème d'optimalisation dont la solution doit fournir le schéma de fabrication le plus approprié qui permettra de réaliser le prix de revient minimal. L'objet de ce cours est l'étude générale des schémas de fabrication utilisés en raffinage. Spécifiquement, l’étudiant se doit de :  Connaitre et lire un schéma de fabrication  Identifier les composants d’un schéma de fabrication  Commenter un schéma de fabrication  Connaitre l’évolution par le temps ainsi que les caractéristiques des schémas de fabrication. I. Généralités 1.1. Quelques définitions Pétrole : Mélange complexe plus ou moins visqueux d’hydrocarbures Schéma de fabrication : enchainement logique des diverses opérations faisant suite à la distillation du pétrole brut. Figure 1 : Composition du pétrole brut COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 3 Procédé de fabrication : ensemble de techniques visant l’obtention d’un produit par transformation de matière brute. Schéma de procédé (flow sheet) : diagramme utilisé en ingénierie pour décrire les flux de matières et les équipements principaux d’un procédé. 1.2. Typologie des raffineries Il existe trois structures de raffinerie (voir annexe) :  Raffinerie simple (début des années 70) : carburants, combustibles lourds  Semi-Convertie (fin des années 80) : première étape de l'introduction de la conversion des lourds.  Convertie (2010—2020) : raffinerie complexe, respectant l'environnement et assurant la conversion totale des lourds. Exemple : 1.3. Procédés de fabrication en raffinerie Le raffinage du pétrole consiste en une série de trois procédés ou opérations : Séparation, transformation et purification ou épuration. 1.3.1. Procédés de séparation Ce sont des procédés qui assurent le fractionnement d’un mélange en ses divers constituants sans modifier d’aucune façon la structure moléculaire de sorte que la somme des constituants est égale au mélange initial et que le bilan volumétrique de l’opération est justifié. La chaleur ou un tiers agent tel que les solvants sont les promoteurs de ces procédés. Figure 1 : Evolution des raffineries en fonction du temps COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 4 Tout procédé physique de séparation doit comporter quatre parties :  Préparation de la charge : il s'agit d'abord de mettre en œuvre soit la chaleur, soit le solvant dans des conditions de pression et température déterminées pour obtenir les deux phases requises.  Contact : il faut ensuite provoquer le contact intime de deux phases.  Séparation des phases : elle s'effectue soit par gravimétrie, soit par filtration soit encore par champ électrique.  Récupération de chaleur ou de solvant en vue d’un éventuel recyclage. Les principaux procédés de séparation sont : ▪ la distillation, ▪ l'absorption, ▪ l'extraction, ▪ la cristallisation, ▪ l'adsorption. 1.3.2. Procédés de Transformation Ces procédés ont pour but de modifier la structure moléculaire et, par là-même les caractéristiques physico-chimiques des hydrocarbures ou des fractions soumises à ces transformations qui s'effectuent avec augmentation ou diminution du nombre de molécules. Seul le bilan massique doit être établi pour ces opérations réalisées avec expansion ou contraction volumétrique. Ce sont les procédés majeurs du raffinage et de la pétrochimie. Dans cette grande famille, on distingue :  Les procédés d'amélioration de propriétés ▪ Avec réarrangement moléculaire (reformage catalytique, isomérisation) ▪ Avec intervention de coréactifs (alkylation, synthèse d'éthers, oligomérisation)  Les procédés de conversion ▪ Par voie thermique (viscoréduction, cokéfaction). ▪ Par voie catalytique : (craquage catalytique, vaporéformage, hydroconversions). Tout procédé de transformation comportera également quatre parties :  Préparation de Charge : elle consiste à réunir des conditions avant la réaction (température, pression, concentration ou intervalle de distillation, teneur en soufre et en eau. etc). COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 5  Réaction : l’appareillage permet la mise en contact des produits réagissant. Sa dimension conditionne le temps de contact ou de séjour, on doit prévoir dans certains cas des systèmes d'apport ou d'élimination de chaleur dans la section réactionnelle pour compenser l'exo- ou l’endothermicité et maintenir la réaction à un niveau correct.  Fractionnement : les produits des réactions ne sont jamais purs soit par suite du développement de réactions secondaires, soit souvent à cause d'une transformation incomplète, soit par la nature même de la réaction qui conduit à la formation de plusieurs produits. Il est donc nécessaire de procéder au fractionnement des effluents de la réaction pour les débarrasser des impuretés, pour classer les différentes qualités de produits obtenus ou encore pour récupérer la fraction non transformée en vue de son recyclage.  Récupération de chaleur et de produits : pour ces procédés également la chaleur et, dans certains cas, les produits intervenant dans la réaction, constituent un poste important du prix de revient de fabrication ; il y a donc lieu de les récupérer. La Chaleur est en principe récupérée à la sortie de la section fractionnement. Le catalyseur ou les produits chimiques seront régénérés en vue d’une nouvelle utilisation. 1.3.3. Procédés d’épuration Ce sont les traitements de finition nécessitant des opérations physiques et chimiques qui permettent de purifier les fractions d’hydrocarbures en éliminant les composants indésirables. On distingue :  Les procédés de finition (hydrotraitement/hydrogénation, adoucissements).  Les procédés de protection de l'environnement (traitement des gaz acides (chaîne soufre), traitement des fumées, traitement des eaux de rejet). II. SCHÉMAS DE PRINCIPE DU RAFFINAGE Les schémas de fabrication des produits pétroliers ont connu une évolution à travers le temps. La figure 2 présente un schéma simplifié des principales étapes de fabrication : COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 6 2.1. Flow sheet 2.1.1. Caractéristiques Un schéma de fabrication des produits pétroliers est caractérisé par :  Représentation graphique et disposition des matériels utilisés  Sens de circulation des fluides  Matières premières, produits obtenus  Conditions de fonctionnement du procédé : température, pression … La définition des caractéristiques cités ci-dessus, conduiront à la première concrétisation du dispositif expérimental. Ensuite : 2.1.2. Symboles graphiques utilisés Les figures suivantes représentent les symboles utilisés sur un schéma de fabrication. La liste n’est pas exhaustive : Passage schéma de procédé Plan technologique Réalisation industrielle Figure 2 : Schéma général simplifié COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 7 COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 8 2.1.3. Identification des équipements Pour identifier un équipement sur un schéma de fabrication, on utilise les lettres suivantes (en majuscule) : F : Four H : Chaudière D : Décanteur N : Tour de refroidissement R : Réacteur C : Colonne E : Échangeur A : Aéroréfrigérant B : Ballon K : Compresseur S : Filtre J : Éjecteur T : Réservoir de stockage M : Mélangeur COURS DE SCHEMAS DE FABRICATION 9 2.1.4. Identification des instruments Quant aux instruments, ils sont repérés par : P : Pression T : Température R : Enregistreur (2è lettre) I : Indicateur (2è lettre) C : Contrôleur-régulateur L : Niveau F : Débit A : Analyseur D : Différentiel V : Vanne (3è lettre) H : Manuel E : Élément primaire (2è lettre) S : Sécurité (2è lettre) T : Transmetteur (2è lettre) 2.2. Paramètres de schéma de fabrication Les paramètres qui déterminent un schéma de fabrication sont au nombre de quatre (4) :  demande quantitative : pour l’ensemble des produits la demande est croissante et progresse parallèlement à l'augmentation du revenu national. Cependant si l’on examine chaque catégorie de produits séparément, l'évolution est très différenciée.  demande qualitative : le consommateur exige des spécifications de plus en plus sévères, correspondant aux progrès réalisés dans le domaine de l'utilisation : accroissement de l'indice d'octane, de l'indice de viscosité, de la stabilité, de la teneur en soufre, etc.  développement de la pétrochimie : cette jeune industrie trouve sa matière première dans toutes les classes d'hydrocarbures. Elle est très exigeante dans la pureté des produits qu’elle aura à transformer et l’on peut dire que c'est elle qui a contribué pour une large part à modifier et à orienter l’esprit du raffineur jusqu'alors habitué à traiter des fractions complexes spécifiées d'une manière imprécise ou tout au moins approximative, il doit maintenant se familiariser avec la chimie des corps purs et atteindre dans Son travail la même précision que celle exigée à l'échelle du laboratoire.  nature des pétroles bruts : selon leur origine, les pétroles présentent une grande diversité. Ainsi le brut vénézuélien de Boscan contient 70% d'asphalte d'excellente qualité et 5,25% de soufre, alors que certains bruts sahariens donnent uploads/Industriel/ schema-f-l3-tgp-pdf.pdf