projet de 100 TPD de pétrole brut, unité de distillation atmosphérique et sous vide au Nigeria en 2023.

Unité de distillation atmosphérique et sous vide du pétrole brut : Détails techniques et avantages concurrentiels

L'unité de distillation atmosphérique et sous vide (AVDU) constitue la première étape fondamentale du raffinage du pétrole brut. Souvent appelée le « cœur du raffinage », sa fonction principale est de séparer une première fois le mélange complexe d'hydrocarbures contenus dans le pétrole brut en différentes fractions ou « coupes » en fonction de leurs températures d'ébullition. Cette séparation initiale fournit les éléments de base essentiels pour toutes les unités de traitement en aval.

Cet article explore les détails techniques ainsi que les avantages importants de cette infrastructure critique du raffinage.

Partie 1 : Détails techniques

Le procédé se divise logiquement en deux étapes : la distillation atmosphérique et la distillation sous vide.

1.1 Prétraitement : Désalinisation

Avant d'entrer dans les colonnes de distillation, le pétrole brut doit être désalinisé. Le pétrole brut contient généralement de l'eau, des sels inorganiques (principalement des chlorures de sodium, calcium et magnésium) ainsi que des sédiments.

Processus : Le pétrole brut est chauffé et mélangé à de l'eau fraîche pour dissoudre les sels. Une fois mélangé, ce mélange est envoyé dans un désalinisateur, où un champ électrostatique à haute tension est appliqué. Ce champ favorise la coalescence des petites gouttelettes d'eau en gouttelettes plus grandes, qui s'accumulent au fond et sont évacuées.

Objectif : La suppression des sels est essentielle pour éviter l'encrassement, la corrosion et l'empoisonnement des catalyseurs dans les unités en aval. Les sels peuvent former de l'acide chlorhydrique (HCl) lorsqu'ils sont chauffés, entraînant une corrosion sévère dans les systèmes de tête des colonnes de distillation.

1.2 Unité de distillation atmosphérique (ADU)

Le pétrole désaliné est chauffé davantage, jusqu'à environ 350°C - 380°C, dans une série d'échangeurs de chaleur (réseau de préchauffage) et un four direct (appelé aussi four ou chauffe-tube).

Le pétrole chaud, partiellement vaporisé, est ensuite introduit dans la colonne de distillation atmosphérique. Il s'agit d'un grand récipient cylindrique fonctionnant sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique afin d'éviter l'entrée d'air.

Structure interne : La colonne est équipée de plusieurs plateaux horizontaux ou d'un garnissage permettant de faciliter les transferts de masse et de chaleur entre la vapeur montante et le liquide descendant.

Fractionnement : Lorsque la vapeur s'élève, elle se refroidit. Les composants ayant des points d'ébullition plus élevés se condensent sur les plateaux inférieurs, tandis que les composants plus légers continuent leur ascension. Des prélèvements latéraux sont effectués à différentes hauteurs pour récupérer des fractions spécifiques :

Fractions légères : Gaz (C1-C4) et naphta léger sortent par le haut de la colonne.

Naphta lourd : Prélevé près du sommet, il sert de précurseur à l'essence.

Kérosène / Carburéacteur : Prélevé plus bas, il correspond à une fraction à point d'ébullition moyen.

Gazole / Fuel domestique : Prélevé encore plus bas.

Reflux : Une partie du liquide condensé au sommet est renvoyée vers le haut de la colonne sous forme de reflux. Ce processus est essentiel pour contrôler la température de la colonne et améliorer l'efficacité de séparation des produits du haut.

Produit de fond : Le résidu provenant du fond de la colonne atmosphérique, appelé pétrole résiduel atmosphérique ou « résidu lourd », est trop lourd pour être vaporisé à pression atmosphérique sans craquage (décomposition thermique). Ce résidu est envoyé vers l'unité de distillation sous vide.

1.3 Unité de distillation sous vide (UDV)

Afin de vaporiser les molécules plus lourdes présentes dans le résidu atmosphérique sans les craquer, la pression est fortement réduite.

Procédé : Le résidu atmosphérique est chauffé dans un four sous vide à environ 380 °C - 420 °C, puis introduit dans la colonne de distillation sous vide. Cette colonne fonctionne sous un vide élevé (pression absolue de 10 à 40 mmHg), ce qui réduit considérablement les températures d'ébullition des hydrocarbures.

Création du vide : Le vide est principalement assuré par une série d'éjecteurs à vapeur (souvent suivis de pompes à vide à anneau liquide). Les éjecteurs à vapeur utilisent l'effet Venturi pour extraire les gaz (air et hydrocarbures légers) depuis le sommet de la colonne.

Structure interne : Afin de minimiser la perte de pression à travers la colonne, un garnissage structuré à faible perte de pression est utilisé à la place des plateaux. Le diamètre de la colonne est également plus grand que celui de la colonne atmosphérique.

Fractionnement : La colonne sépare les résidus en :

Huiles lourdes sous vide (VGO) : Extraites en tant que courants latéraux ; ces fractions constituent des charges clés pour les unités de craquage catalytique fluide (FCC) et d'hydrocraquage.

Résidu sous vide / « Short Residue » : Produit de fond, qui est souvent utilisé pour la production de bitume, le mélange d'huiles combustibles, ou comme charge pour une unité de cokéfaction.

Partie 2 : Avantages techniques

La conception et le fonctionnement d'un unité de distillation sous vide moderne (AVDU) offrent plusieurs avantages essentiels :

1. Haute intégration et efficacité énergétique

Les AVDU modernes sont des modèles d'intégration thermique. Un réseau étendu d'échangeurs de chaleur (la « batterie de préchauffage ») utilise les courants chauds de produit pour préchauffer le pétrole brut froid en entrée. Cela réduit considérablement la consommation de combustible des fours, diminuant ainsi les coûts d'exploitation ainsi que l'empreinte carbone de la raffinerie. L'utilisation d'échangeurs de ligne de transfert (TLEs) juste après le four permet en outre de capter la chaleur de haut niveau.

2. Souplesse d'exploitation

Un AVDU bien conçu peut traiter une grande variété de qualités de pétrole brut (allant des pétroles légers doux aux pétroles lourds acides). Les opérateurs peuvent ajuster des paramètres clés — températures de sortie des fours, rapports de reflux et débits de soutirage — afin d'optimiser le rendement des produits les plus précieux (par exemple, maximiser la production de gasoil au détriment du fuel lourd), en fonction de la demande du marché et de la qualité du pétrole brut d'alimentation.

3. Base pour le traitement en aval

L'AVDU fournit des charges purifiées et distinctes destinées à des unités spécialisées en aval :

Le naphta destiné aux reformeurs catalytiques pour produire de l'essence haut-octane.

Gas Oil destiné aux hydrodésulfureurs pour l'élimination du soufre.

VGO destiné au FCC ou aux hydrocraqueurs pour décomposer les molécules lourdes en essence et gazole.

Cette première séparation effectuée en douceur est essentielle pour assurer l'efficacité et la longévité de ces unités secondaires complexes.

4. Contrôle Avancé de Procédé (APC)

Les unités modernes sont équipées de Systèmes de Contrôle Distribués (DCS) sophistiqués ainsi que d'algorithmes de Contrôle Avancé de Procédé. L'APC permet :

Un Contrôle de Qualité Plus Rigoureux : Maintenir constamment les spécifications des produits (par exemple, point d'éclair, intervalle d'ébullition).

Un Débit Maximisé : Exploiter en toute sécurité les limites hydrauliques des colonnes afin de maximiser les taux de traitement du pétrole brut.

Une Utilisation Optimisée de l'Énergie : Ajuster dynamiquement les opérations pour obtenir le coût énergétique le plus bas.

5. Rendement et Valeur des Produits Améliorés

L'unité de vide apporte une valeur ajoutée considérable. En utilisant la distillation sous vide au lieu de la distillation atmosphérique simple, une raffinerie peut convertir du fioul lourd de faible valeur en VGO (Vaccum Gas Oil) de haute valeur, qui est ensuite transformé en carburants pour transports (essence, diesel, kérosène). Cela accroît considérablement le rendement global de produits précieux par baril de pétrole brut.

6. Fiabilité et longue durée des campagnes

Bien qu'elle soit sujette à la corrosion et à l'encrassement, l'UDV (Unité de Distillation Sous Vide) est une technologie robuste et éprouvée. Avec un choix approprié des matériaux (par exemple, plateaux revêtus pour résister à la corrosion), un traitement chimique efficace (par exemple, antioxydants, inhibiteurs de corrosion) et une maintenance rigoureuse, ces unités peuvent fonctionner en continu pendant 3 à 5 ans entre deux arrêts majeurs (révisions), garantissant ainsi une disponibilité élevée de la raffinerie.

Conclusion

L'unité de distillation atmosphérique et sous vide est un chef-d'œuvre d'ingénierie chimique qui allie des principes physiques fondamentaux à des technologies hautement avancées. Ses avantages techniques — allant d'une efficacité énergétique sans égale et une flexibilité opérationnelle à la fourniture de la base essentielle pour l'ensemble de la raffinerie moderne — consolident son rôle irremplaçable dans la conversion du pétrole brut en produits vitaux qui alimentent l'économie mondiale. Les améliorations continues apportées aux matériaux, au contrôle des processus et à l'intégration thermique garantissent qu'elle reste une référence en matière d'efficacité et de fiabilité.