Les produits dérivés du pétrole brut et du gaz naturel sont largement répandus dans les sociétés modernes. Ils représentent la principale source d'énergie et de matières premières pour la pétrochimie.
Cependant, de nombreux matériaux et produits couramment utilisés dérivent du pétrole, tels que les polymères, les engrais, les lubrifiants, les solvants, les médicaments, etc.
D’où proviennent le pétrole et le gaz naturel ? Comment sont-ils traités ? Faut-il en limiter l'utilisation ?
- Ce résumé de cours porte sur le pétrole brut.
- Tout d'abord nous aborderons l'origine du pétrole.
- Ensuite, nous définirons le pétrole brut, l'hydrocarbure, alcane et gaz naturel.
- Nous examinerons le raffinage du pétrole.
- Nous verrons la distillation fractionnée et le craquage.
- Nous explorerons l'essence et l'indice d'octane.
- Nous terminerons notre résumé de cours par les types de pétrole brut tels que le Brent et le WTI (West Texas Intermediate).
Quelle est l'origine du pétrole ?
Reviens \( 400 \) millions d'années en arrière, le monde était différent. C'était avant les dinosaures et avant que les glaciers n'envahissent la planète. Les araignées ne rampaient que depuis \( 80 \) millions d'années environ, les premiers tétrapodes à quatre pattes venaient tout juste d'arriver sur la terre ferme et les plantes vertes n'avaient pas encore évolué en forêts. La plus grande partie de la Terre était recouverte d'océans remplis de crustacés, de poissons et de divers types de végétation comme le phytoplancton - des algues vertes microscopiques.
Lorsque ces organismes mouraient, leurs restes tombaient au fond des océans et étaient progressivement recouverts de couches de limon et de sable. Au fur et à mesure que les couches s'élevaient, pendant des centaines de milliers d'années, les conditions se sont intensifiées.
Finalement, la chaleur et la pression exercées sur les restes ont été si fortes que la matière organique morte a commencé à se transformer en une substance d'une grande importance pour l'homme d'aujourd'hui : le pétrole brut.
Le pétrole brut est un mélange complexe d'hydrocarbures et d'autres impuretés organiques.
Pétrole brut : Crude oil
Le pétrole brut est un mélange naturel de différents hydrocarbures (tels que les alcanes) et d'autres impuretés organiques. Il se forme au cours de millions d'années à partir des restes de matières végétales et animales mortes.
Le pétrole brut est un liquide sombre et malodorant. Il est fabriqué à partir de créatures mortes, telles que des algues et des plantes océaniques, qui ont été comprimées sous de lourdes couches de limon pendant plusieurs millénaires. Ces couches ont créé un environnement à haute pression et à haute température qui a progressivement transformé les restes morts en pétrole que nous utilisons aujourd'hui.
Lorsque le pétrole brut est extrait, il s'agit d'un liquide noir et épais, rempli d'hydrocarbures (tels que les alcanes), d'impuretés et de contaminants.
Hydrocarbure
Les hydrocarbures ont tous des longueurs et des propriétés différentes, ce qui les rend difficilement utilisables lorsqu'ils sont ainsi mélangés. Cependant, si nous distillons le pétrole brut par distillation fractionnée, nous pouvons obtenir différentes fractions d'hydrocarbures qui ont toutes des tailles et des propriétés similaires. Ces fractions sont beaucoup plus utiles que le mélange brut.
Alcane
La formation du pétrole brut prend des millions d'années. Les alcanes sont formés à partir de matières végétales et animales mortes qui ont été écrasées à des températures et des pressions élevées pendant une très longue période.
Toutefois, certains alcanes sont produits beaucoup plus rapidement.
Par exemple, certaines bactéries méthanogènes produisent l'alcane méthane dans le cadre de leurs réactions quotidiennes.
De nombreuses bactéries méthanogènes vivent comme de joyeux campeurs dans le système digestif des vaches et sont responsables des grandes quantités de méthane présentes dans les pets des vaches.
Mais il s'agit là d'un problème important. Le méthane est en fait un gaz à effet de serre, et l'élevage bovin est considéré comme un facteur important du réchauffement climatique moderne.
Lorsqu'il est extrait du fond de la mer, le pétrole brut est notre principale source d'alcanes. Cependant, comme le processus prend beaucoup de temps, le pétrole brut est observé comme une ressource non durable, et il est lié à de nombreux problèmes environnementaux.
Pour en savoir plus, consulte le résumé de cours" Combustion".
Les alcanes ont un passé assez impressionnant. La majorité des alcanes sont anciens - leurs origines remontent à des centaines de millions d'années. Cela s'explique par le fait que nous obtenons la plupart de nos alcanes à partir d'une substance appelée pétrole brut.
Gaz naturel
Les gaz naturels constituent une importante source d'énergie. Aujourd’hui, environ 25 % de l'approvisionnement énergétique mondial provient des gaz naturels. Les gaz naturels sont parfois naturellement présents dans des nappes souterraines, mais ils sont généralement associés à des gisements de pétrole. Ces gaz se composent principalement de méthane (environ 80 %) et d'éthane (environ 5 à 10 %), ainsi que de petites quantités d'alcanes lourds.
Les gaz naturels traversent facilement les pipelines et sont utilisés principalement comme combustibles, mais aussi comme matières premières dans la fabrication de plusieurs composés organiques.
Raffinage du pétrole
En soi, le pétrole brut n'est pas utilisé à l'état brut ; il est raffiné par des procédés tels que la distillation fractionnée, le craquage et le reformage.
Le raffinage du pétrole se situe entre le liquide brun et visqueux extrait de la terre et le carburant qui alimente le moteur d'une voiture. Il permet d'obtenir les multiples produits finis dont le marché a besoin.
Ces traitements varient en fonction de la qualité du brut à traiter et des spécificités du marché à satisfaire.
Le pétrole brut porté à haute température est d'abord introduit dans une colonne de distillation.
Les composants pétroliers ont des températures d'ébullition différentes, ce qui nous permet de prendre différentes coupes ou fractions pétrolières du haut vers le bas, du plus léger au plus lourd.
- Au sommet, on récupère le GPL : gaz de pétrole liquéfié, butane et propane ;
- Puis l'essence automobile ;
- Puis les naphtas. Celles-ci sont soumises à un processus chimique pour produire des bases pétrochimiques : oléfines et aromatiques.
- En dessous, on récupère le kérosène (carburant des avions et chauffage domestique) ;
- Puis les gazoles (moteur diesel) et une série de produits de plus en plus lourds ;
- Ces produits sont les kérosènes, les huiles lubrifiantes, les carburants lourds, les cires et les bitumes (revêtements routiers).
Qu'est-ce que la distillation fractionnée ?
Pour utiliser au mieux les différents matériaux, nous devons les séparer par type. C'est à peu près pour la même raison que nous séparons le pétrole brut par un processus appelé distillation fractionnée.
La distillation fractionnée est une technique de séparation qui consiste à diviser un mélange en échantillons plus petits en fonction de leur point d'ébullition. Ces échantillons sont appelés fractions.
En distillant le pétrole brut, nous pouvons obtenir différentes fractions d'hydrocarbures qui ont toutes des points d'ébullition similaires. Cela signifie également qu'ils ont de nombreuses autres propriétés similaires. Ces fractions nous sont beaucoup plus utiles que le mélange brut, non raffiné.
Pour en savoir plus sur la distillation fractionnée, y compris sur le processus et les fractions produites, consulte le résumé de cours "Distillation fractionnée". Tu y découvriras également les avantages et les inconvénients de l'utilisation du pétrole brut comme source d'alcanes.
La distillation fractionnée du pétrole s'effectue dans une tour à plateaux présentant un diamètre de \( 7 \) à \( 8 m \) , d'une hauteur de \( 60 \) mètres et pouvant produire, en régime continu, jusqu'à \( 30000 \) tonnes de pétrole brut par jour.
La distillation fractionnée du pétrole résulte en cinq coupes principales :
Gaz de craquage
Cette coupe est composée d'alcanes jusqu'à un nombre d'atomes de carbone égal à six \( (C_6) \) .
L’essence et le naphta
Alcanes et hydrocarbures aromatiques dont le nombre d'atomes de carbone est compris entre cinq et douze. Ils forment l'essence brute et les matériaux pour l'industrie chimique.
Kérosène
Cette coupe correspond aux hydrocarbures dont le nombre d'atomes de carbone peut varier de dix à vingt-quatre. Elle est transformée en carburant d'avion et en divers solvants.
Gazole
Les gazoles sont hydrocarbures dont le nombre d'atomes de carbone varie entre douze et vingt. Ils constituent le carburant diesel et le fioul domestique.
Résidu
Les résidus lourds sont constitués d'hydrocarbures dont le nombre d'atomes de carbone est supérieur à vingt-cinq.
Parmi ces coupes, la première subit une distillation sous pression permettant la séparation de ses différents constituants.
Le résidu lourd, subit une distillation sous vide \( (P = 1 bar) \) pour le fractionner en nouvelles coupes. Nous obtenons :
- Le gazole lourd, destiné au craquage ;
- Les combustibles lourds, réservés aux navires et aux centrales thermiques ;
- Les goudrons et bitumes.
Craquage du pétrole
Quelques produits issus de la distillation fractionnée du pétrole brut sont utilisés directement : gaz, kérosène et fuel.
Cependant, la fraction des produits légers qui se forment notamment dans les carburants et pour lesquels la demande est de plus en plus importante, est relativement faible. Les produits lourds : le naphta et certaines fractions du résidu lourd doivent donc être transformés en produits légers : c'est le rôle du craquage.
Le craquage chimique est le processus de décomposition de grosses molécules en molécules plus petites et plus utiles. Il s'agit d'un type de réaction de décomposition thermique.
Le terme de craquage est le plus souvent utilisé pour décrire la décomposition des fractions d'hydrocarbures à longue chaîne du pétrole brut en alcanes et alcènes à chaîne plus courte. Cela implique la rupture d'une liaison simple \( C-C \) .
Reformage du pétrole
Certains alcanes à chaîne droite sont transformés, sans changer le nombre d'atomes de carbone dans la molécule, en alcanes à chaîne ramifiée, en cycloalcanes et en aromatiques.
Le reformage est utilisé pour fournir les produits constitutifs de certaines essences. En outre, il permet d'obtenir des alcools et des hydrocarbures aromatiques, utilisés comme matières premières dans l'industrie chimique, ce qui montre l'importance de ce procédé de raffinage du pétrole.
Qu'est-ce que l'essence ?
L'essence est composée de \( 20 \) à \( 30 \% \) d'alcanes, de \( 5 \% \) de cycloalcanes, de \( 30 \) à \( 45 \% \) d'alcènes et de \( 30 \) à \( 45 \% \) d'hydrocarbures aromatiques de la famille du benzène.
L'essence est une molécule composée principalement d'atomes de carbone et d'hydrogène, comme les autres carburants, mais dans des proportions différentes, avec un pouvoir énergétique et des variables techniques différents. L'essence produit du dioxyde de carbone et de l'eau par réaction de combustion.
Indice d'octane
Le fonctionnement d'un moteur augmente avec le taux de compression, mais il est limité par le phénomène d'auto-inflammation.
L'auto-inflammation d'un mélange essence air est l'explosion spontanée de ce mélange sous l'effet de la compression et de la chaleur, sans présence de flamme ou d'étincelle.
Les alcanes à chaîne linéaire utilisés comme carburants subissent le phénomène d'auto-inflammation dans un moteur à combustion.
L'indice d'octane mesure la résistance des carburants à l'auto-inflammation et caractérise les propriétés antidétonantes de l'essence. Plus l'indice d'octane est élevé, plus le carburant est résistant à l'auto-inflammation.
Les alcanes à chaîne ramifiée, les cycloalcanes et les hydrocarbures aromatiques présentent, pour un même nombre d'atomes de carbone, un indice d'octane plus élevé que les alcanes à chaîne linéaire.
Il est gradué sur une échelle de référence établie par rapport à un mélange, en proportions variables, de deux hydrocarbures pris comme référence.
- Zéro pour l'heptane \( C_{7}H_{16} \) qui est très détonant ;
- \( 100 \) pour le 2,2.4 -triméthylpentane isooctane \( C_{8}H_{18} \) qui résiste à l'auto-inflammation.
Un supercarburant d'indice d'octane \( 95 \) a le même comportement qu'un mélange avec \( 95 \% \) d'isooctane et \( 5 \% \) d'heptane.
Une essence \( 98 \) a un I.O. égal à \( 98 \) .
Pétrole brut : Types
Rappelle-toi simplement que tous les pétroles bruts n'ont pas été créés de la même manière. Il existe en fait une variété de facteurs que nous utilisons pour les différencier, tels que la gravité API et la douceur.
La gravité API est la mesure de la densité du pétrole par rapport à l'eau. L'unité de mesure standard du poids du pétrole est la densité API. Cette échelle a été créée par l'American Petroleum Institute pour mesurer la densité du pétrole. Le pétrole lourd s'évapore lentement et contient des matériaux qui seront utilisés pour fabriquer des produits lourds tels que l'asphalte et des matières premières pour les plastiques et les produits pétrochimiques. Plus l'API est faible, plus le pétrole est lourd.
Bien sûr, tu dois également tenir compte de la douceur ou de la dureté du brut, qui commente la quantité de soufre qu'il contient. Pour être considéré comme doux, le pétrole doit présenter moins de \( 0,5 \) de soufre. Les pétroles bruts plus doux présentent moins de soufre, ce qui les rend beaucoup plus faciles à raffiner en produits tels que l'essence ou le diesel et donc plus intéressants pour les raffineurs.
WTI (West Texas Intermediate)
Le West Texas Intermediate WTI est peut-être le plus connu. Il s'agit du pétrole léger et doux qui s'écoule des puits texans dans le bassin permien, et il est bien plus désirable que la plupart des autres. Ce qui explique que les acheteurs soient prêts à l'acheter au prix fort.
Le brut WTI a une densité API de \( 39,6 \) et ne contient qu'environ \( 0,24 \) de soufre.
Mais malgré la grande qualité du West Texas Intermediate, le WTI se négocie actuellement à un prix inférieur à celui d'une autre grande référence pétrolière, le Brent.
Brent
Le Brent est en fait un mélange de pétrole provenant de plus d'une douzaine de champs pétrolifères situés en mer du nord. Bien qu'il soit considéré comme léger et doux, le Brent est légèrement plus lourd que le WTI, avec une densité API de \( 38,06 \) et une teneur en soufre de \( 0,37 \% \) .
Pétrole brut - Points clés
- Le pétrole brut est un mélange complexe d'hydrocarbures et d'autres impuretés organiques.
- Le pétrole brut se forme au cours de millions d'années à partir des restes de matières végétales et animales mortes.
- Les gaz naturels se composent principalement de méthane (environ 80 %) et d'éthane (environ 5 à 10 %), ainsi que de petites quantités d'alcanes lourds.
- Le raffinage du pétrole se situe entre le liquide brun et visqueux extrait de la terre et le carburant qui alimente le moteur d'une voiture. Il permet d'obtenir les multiples produits finis dont le marché a besoin.
- La distillation fractionnée est une technique de séparation qui consiste à diviser un mélange en échantillons plus petits en fonction de leur point d'ébullition. Ces échantillons sont appelés fractions.
- Le craquage chimique est le processus de décomposition de grosses molécules en molécules plus petites et plus utiles. Il s'agit d'un type de réaction de décomposition thermique.
- L'essence est composée de \( 20 \) à \( 30 \% \) d'alcanes, de \( 5 \% \) de cycloalcanes, de \( 30 \) à \( 45 \% \) d'alcènes et de \( 30 \) à \( 45 \% \) d'hydrocarbures aromatiques de la famille du benzène.
- L'indice d'octane mesure la résistance des carburants à l'auto-inflammation et caractérise les propriétés antidétonantes de l'essence.
- Bien qu'il soit considéré comme léger et doux, le Brent est légèrement plus lourd que le WTI, avec une densité API de \( 38,06 \) et une teneur en soufre de \( 0,37 \% \) .
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Questions fréquemment posées en Pétrole brut
Où trouve-t-on le pétrole brut ?
On trouve le pétrole brut dans des bassins souterrains profonds et des réservoirs sous-marins. On peut aussi le trouver dans des formations rocheuses ou dans des sables bitumineux.
Comment se forme le pétrole brut ?
Le pétrole brut se forme lorsque des sédiments recouvrent des plantes et des animaux morts, empêchant l'oxygène de pénétrer et provoquant la décomposition et la transformation en pétrole brut sous l'effet de la chaleur et de la pression.
Quelle est la durée de vie du pétrole ?
La durée de vie du pétrole est de plusieurs milliers d'années avant qu'il ne s'épuise.
Comment s'appelle le pétrole brut ?
Le pétrole brut s'appelle le pétrole non raffiné.
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