Les unités de conversion de la raffinerie : FCC, hydrocraqueur et reformeur
L’essentiel
- La distillation seule ne suffit pas : le marché demande plus d'essence et de gazole que ce que donne le brut, donc on craque les molécules lourdes.
- Le FCC craque le gazole sous vide sur catalyseur chaud en quelques secondes et donne une essence à haut indice d'octane et du GPL.
- L'hydrocraqueur craque sous hydrogène à très haute pression et donne un gazole et un carburéacteur propres et pauvres en soufre.
- Le reformeur ne craque pas : il réarrange les molécules du naphta, augmente l'octane et produit l'hydrogène dont la raffinerie a besoin.
- Chaque unité a son risque propre : inversion de circulation du catalyseur au FCC, emballement thermique et hydrogène à l'hydrocraqueur.
Contenu éducatif uniquement : les procédures et valeurs opérationnelles varient d’une compagnie et d’un site à l’autre. Suivez toujours les procédures approuvées de votre société, les consignes du superviseur et les permis de travail de votre site.
Pourquoi des unités de conversion ?
Dans la leçon précédente, on a vu que la distillation ne fait que trier le brut par point d'ébullition. Le problème est que ce que le brut donne directement ne correspond pas à ce que demande le marché. Un baril contient une forte part d'huiles lourdes et de résidu, alors que la demande porte surtout sur l'essence, le gazole et le carburéacteur. Et le naphta de distillation directe a un faible indice d'octane, insuffisant pour les moteurs modernes.
La solution est de changer les molécules elles-mêmes : c'est le rôle des unités de conversion. Elles cassent les longues molécules en plus courtes, ou les réarrangent pour améliorer leur qualité. Grâce à elles, une raffinerie moderne transforme la majeure partie du baril en produits légers à forte valeur.
Le craquage catalytique en lit fluidisé (FCC)
Le FCC est le cœur de nombreuses raffineries orientées essence. Sa charge principale est le gazole sous vide issu de la colonne sous vide.
Le catalyseur est une poudre très fine de zéolithe qui se comporte comme un liquide quand on y souffle un gaz, d'où le mot « fluide ». Le procédé tourne en boucle continue :
- Riser : la charge est pulvérisée dans un long tube vertical où elle rencontre le catalyseur très chaud. Elle se vaporise et craque en quelques secondes vers 500 à 540 °C.
- Séparation : en haut du riser, des cyclones séparent les vapeurs d'hydrocarbures du catalyseur. Les vapeurs vont au fractionnateur principal.
- Strippeur : de la vapeur d'eau est injectée sur le catalyseur usé pour chasser les hydrocarbures piégés.
- Régénérateur : le catalyseur est couvert de coke qui le désactive. Il entre dans un grand réacteur où l'on souffle de l'air, et le coke brûle vers 700 °C.
- Retour : le catalyseur propre et chaud revient au riser. Sa chaleur vaporise et craque la charge : l'unité est presque équilibrée thermiquement par elle-même.
Produits du FCC : gaz sec, GPL riche en propylène et butènes, essence à haut indice d'octane, une huile légère appelée LCO (light cycle oil), et une huile lourde de fond appelée slurry ou decant oil.
La conversion est la part de la charge transformée en produits plus légers que le LCO :
Conversion = (Feed − LCO − Slurry) ÷ Feed
Une unité traite 40 000 bbl/j et produit 8 000 bbl/j de LCO et 2 800 bbl/j de slurry :
(40,000 − 8,000 − 2,800) ÷ 40,000 = 0.73
Donc 73 % de la charge est devenue gaz, GPL et essence. Augmenter un peu la température du riser augmente en général la conversion, mais aussi le gaz sec et le coke.
L'hydrocraquage
L'hydrocraqueur craque à peu près la même charge lourde, mais autrement : en présence d'hydrogène, à très haute pression, en général 100 à 200 bar, et vers 350 à 430 °C. Son catalyseur est bifonctionnel : une partie craque les molécules, une autre y ajoute de l'hydrogène.
Le résultat : des produits saturés et très propres, un excellent gazole et carburéacteur, plus du naphta, avec un soufre et un azote presque entièrement éliminés. C'est pourquoi les raffineries qui veulent beaucoup de gazole choisissent l'hydrocraqueur, et celles qui veulent beaucoup d'essence choisissent le FCC.
Les réactions dégagent de la chaleur (exothermiques). Le réacteur est donc divisé en lits de catalyseur, avec de l'hydrogène froid (quench) injecté entre eux pour maîtriser la température.
Le reformage catalytique
Le naphta lourd de distillation directe a un faible indice d'octane. Le reformeur ne craque pas les molécules : il les réarrange, en transformant naphtènes et paraffines en aromatiques à fort octane. Le catalyseur contient du platine et la température est d'environ 500 °C.
La réaction principale absorbe de la chaleur (endothermique) : la charge se refroidit dans le réacteur. L'unité comporte donc trois ou quatre réacteurs en série, avec des fours de réchauffage entre eux. Le produit s'appelle reformat, et son indice d'octane peut dépasser 95.
Avantage important : les réactions libèrent de l'hydrogène, utilisé par les hydrotraitements et l'hydrocraqueur. Le soufre doit être retiré du naphta avant le reformeur, car il empoisonne le catalyseur au platine.
La cokéfaction
Certaines raffineries vont jusqu'à la dernière goutte. Le cokeur différé chauffe le résidu sous vide vers 480 à 500 °C et le maintient dans de grands ballons à coke, où il craque thermiquement. Les vapeurs légères partent vers un fractionnateur, et un coke de pétrole solide reste dans le ballon, découpé à l'eau sous haute pression.
Risques et sécurité
- Inversion de circulation du catalyseur au FCC : le riser contient des hydrocarbures et le régénérateur de l'air. Des vannes à tiroir (slide valves) et des différences de pression les séparent. Si la circulation s'inverse, l'air peut rencontrer les hydrocarbures et provoquer une explosion.
- Hydrogène sous haute pression : ses fuites s'enflamment très facilement, et la flamme est presque invisible en plein jour.
- Emballement thermique : dans un hydrocraqueur, la température peut grimper vite si le refroidissement est perdu ; d'où les systèmes de dépressurisation d'urgence.
- Ouverture des ballons à coke : exige des procédures strictes, car le ballon est chaud et peut contenir des poches de liquide ou de vapeur.
- H2S et ammoniac : produits dans la plupart de ces unités et envoyés avec le gaz acide et les eaux acides.
À retenir pour le technicien
Le FCC pour l'essence, l'hydrocraqueur pour le gazole propre, le reformeur pour l'octane et l'hydrogène, le cokeur pour le fond du baril. C'est l'intégration de ces unités qui rend une raffinerie moderne rentable. Dans la leçon suivante, on verra comment retirer le soufre et le transformer en soufre solide.
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Leçons liées
- Unité de distillation atmosphérique et sous vide
- Hydrotraitement et récupération du soufre (Claus)
- Récupération assistée (EOR) : extraire plus de pétrole du même réservoir
Sources
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