Distillation atmosphérique et sous vide (CDU/VDU) : la première étape de la raffinerie

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Pourquoi distiller le brut en premier ?

Le pétrole brut n'est pas une seule substance. C'est un mélange de milliers d'hydrocarbures, du méthane très léger jusqu'à des molécules lourdes proches de l'asphalte, et chaque groupe bout à une température différente. Le principe de la distillation est simple : on chauffe le mélange jusqu'à vaporiser une grande partie, puis on laisse la vapeur monter dans une haute colonne qui se refroidit vers le haut. Chaque constituant se condense au niveau qui correspond à son point d'ébullition, et on le soutire à cet endroit.

C'est pourquoi on l'appelle unité de distillation du brut (CDU), ou distillation atmosphérique. C'est la porte d'entrée de chaque baril, et toutes les autres unités de la raffinerie prennent leur charge chez elle.

Étape 1 : le dessalage

Le brut transporte de l'eau salée et du sable fin depuis le champ. Si les sels atteignent le four et la colonne, les chlorures de magnésium et de calcium s'hydrolysent et forment du HCl en tête de colonne, qui ronge la tuyauterie. On mélange donc le brut avec un peu d'eau de lavage, on le réchauffe, puis on l'envoie dans un grand ballon soumis à un champ électrique. Le champ fait fusionner les petites gouttes d'eau, qui décantent au fond en emportant le sel.

Étape 2 : train de préchauffe et four

Après le dessaleur, le brut traverse une longue série d'échangeurs où il récupère la chaleur des produits chauds sortant de la colonne, ce qui économise beaucoup de combustible. Il entre ensuite dans le four et en sort généralement vers 340 à 370 °C, en grande partie vaporisé.

On ne monte pas beaucoup plus haut, car les molécules lourdes commencent à craquer thermiquement vers 400 °C : du coke se forme dans les tubes du four et la séparation se dégrade.

Étape 3 : la colonne atmosphérique

Le mélange chaud entre dans la zone de flash, en bas de la colonne. La vapeur monte à travers des plateaux pendant que le liquide descend. Sur chaque plateau, la vapeur montante rencontre le liquide descendant et ils échangent chaleur et constituants. Le haut de la colonne devient froid et riche en légers, le bas chaud et riche en lourds.

Les produits sont soutirés à différents niveaux. Les intervalles ci-dessous sont approximatifs et varient selon les raffineries :

• En tête : gaz, GPL et naphta léger. La vapeur se condense dans le condenseur de tête et s'accumule dans le ballon de tête.
• Naphta lourd (environ 90 à 180 °C) : part vers le reformeur après traitement.
• Kérosène et carburéacteur (environ 150 à 250 °C).
• Gazole (environ 250 à 350 °C).
• Résidu atmosphérique : tout ce qui bout au-dessus d'environ 350 °C, sortant du fond de colonne.

Chaque soutirage latéral passe dans un petit strippeur où de la vapeur d'eau chasse les légers en excès, pour respecter la spécification de point d'éclair.

Étape 4 : la distillation sous vide (VDU)

Le résidu atmosphérique contient encore des huiles de valeur, mais elles ne se vaporisent qu'à des températures qui provoquent le craquage. La solution est de baisser la pression : l'eau bout à plus basse température en montagne, et l'huile aussi. On chauffe le résidu dans un second four, puis on l'envoie dans une colonne très large sous faible pression absolue, créée par des éjecteurs à vapeur.

La colonne sous vide donne :

• Le gazole sous vide léger et lourd : charge principale du FCC et de l'hydrocraqueur.
• Le résidu sous vide : vers le bitume, un cokeur ou le fioul.

Que surveille l'opérateur ?

• Température de sortie four : trop haute, elle augmente le risque de cokage ; trop basse, elle réduit les produits légers.
• Température de tête et pression de colonne : elles fixent le point de coupe entre naphta et kérosène.
• Niveaux de fond et de plateaux : une perte de niveau peut faire tourner les pompes à sec.
• Eau du ballon de tête : sa teneur en chlorures et son pH montrent directement l'efficacité du dessaleur et le risque de corrosion.
• Vide de la VDU : toute entrée d'air dans la colonne dégrade le vide et peut être dangereuse avec des hydrocarbures chauds.

Risques et sécurité

• Huile chaude : les produits lourds peuvent être au-dessus de leur température d'auto-inflammation. Une fuite sur une bride ou une vanne peut s'enflammer au contact de l'air, sans étincelle.
• Corrosion de tête : le HCl et l'eau en tête provoquent une corrosion rapide. On injecte de l'ammoniac ou des neutralisants et des inhibiteurs, et on surveille les épaisseurs.
• Four : l'impact de flamme ou un débit trop faible dans les tubes peut surchauffer le métal et rompre un tube.
• H2S : les bruts soufrés libèrent du H2S en tête et dans les eaux acides.
• Ouverture des équipements : les dépôts de sulfure de fer (FeS) peuvent s'enflammer spontanément à l'air pendant la maintenance.

À retenir pour le technicien

L'unité de distillation ne transforme pas les molécules : elle les trie seulement par point d'ébullition. La qualité de son fonctionnement conditionne tout l'aval de la raffinerie. Dans la leçon suivante, on verra comment les molécules lourdes sont craquées en essence et en gazole dans les unités de conversion.

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Sources

1. EIA - Vacuum distillation is a key part of the petroleum refining process (2012)
2. OSHA Technical Manual - Section IV, Chapter 2: Petroleum Refining Processes
3. Penn State FSC 432 - Petroleum Refining (course notes)
4. Springer Handbook of Petroleum Technology - Crude oil distillation