Le rôle crucial de la viscosité des résidus de produits pétroliers

Mieux comprendre les résidus pétroliers

Dans le raffinage du pétrole, les résidus apparaissent comme un sous-produit de la distillation du pétrole brut, où les fractions les plus lourdes se condensent à des températures élevées. Les résidus pétroliers sont les fractions les plus visqueuses issues de ce raffinage. Ces hydrocarbures denses et à haut poids moléculaire sont valorisés dans les filères de production de bitume, de coke et de fractions plus légères grâce aux étapes de crackage et de viscoréduction.

En raison de leur fort contenu énergétique, la production d’énergie et le transport maritime sont également un débouché pour ces résidus. Comme beaucoup de produits transformés dans cette industrie, la viscosité est une caractéristique essentielle. Dans le cas des fractions lourdes, elle conditionne le bon déroulement et l’efficacité des opérations unitaires.

Une mesure précise de la viscosité est donc essentielle pour un traitement et une utilisation efficaces.

Les sources et le processus de production des résidus lourds

Les résidus sont produits principalement avec 3 étapes :

par la distillation atmosphérique des pétroles bruts lourds et extra-lourds,
puis par la distillation sous vide
et enfin par les processus de crackage catalytique et de viscoréduction.

Des résidus similaires existent également dans d’autres industries et sont issus de la distillation destructive du charbon ou des matériaux organiques tels que le bois. Le terme résidus lourds regroupe également des produits dénommés « tar » ou « pitch ».

La nature et la quantité de résidus dépendent de la qualité du pétrole brut qui est traité lors de son raffinage. Un pétrole brut est classé selon sa gravité API qui est une propriété fondamentale et qui définit sa densité et sa viscosité, deux caractéristiques essentielles pour l’industrie pétrolière.

Elle permet de distinguer 4 types de pétrole brut :

Le pétrole brut léger, qui a une densité inférieure à 31,1° API, qui s’écoule facilement et requiert peu de traitement.
Le pétrole brut moyen, qui a une densité comprise entre 31.1° et 22,3° API et qui a une viscosité modérée.
Le pétrole brut lourd, qui a une densité comprise entre 22,3° et 10° API, qui est nettement plus visqueux.
Le pétrole brut extra-lourd, qui a une densité supérieure à 10° API, qui est presque solide à température ambiante et nécessite un traitement intensif.

Suivant la gravité API du pétrole distillé, le taux de résidus extrait sera différent, un pétrole brut extra-lourd produira plus de résidus qu’un pétrole brut léger.

Les étapes de productions des résidus

Les principales étapes qui produisent des résidus lors du raffinage d’un pétrole brut sont :

La distillation fractionnée

Le pétrole brut est dabord chauffé et ses composants sont séparés selon leurs points d’ébullition. Les fractions volatiles sont récupérées au sommet de la tour de distillation tandis que les plus lourdes sont récupérées au fond de la colonne.

La distillation fractionnée se déroule en 2 étapes. La première distillation est réalisée à pression atmosphérique et permet une première séparation. Le fond de colonne de la distillation atmosphérique est envoyé vers la deuxième colonne de distillation sous vide.

Le fonctionnement sous vide permet de diminuer les températures d’ébullition et de poursuivre le fractionnement sans décomposer les composants. Les fonds de colonne des 2 distillations et en particuler celui de la distillation sous vide sont des sources de résidus.

Le craquage catalytique

Cette étape permet de transformer les hydrocarbures de haut poids moléculaire qui sont produits par les distillations en les fragmentant en molécules plus petites. Le crackage permet de réduire la viscosité et d’augmenter la valeur ajoutée des produits.

La viscoréduction

Similaire au crackage catalytique, Il s’agit d’un crackage thermique qui a des objectifs et résultats semblables.

La production de bitume

Le bitume, également nommé asphalte suivant les pays, est composé de fractions ayant des températures d’ébullition élevées, au alentour de 500°C. La première étape est le traitement du fond de colonne de distillation pour en retirer les composés à faible température d’ébullition.

La cokéfaction

La cockéfaction est une autre voie de transformation des résidus lourds et permet d’extraire des hydrocarbures léger et de produire le coke qui est composé majoritairement de carbone et se trouve sous forme solide.

Le mélange

Le mélange consiste à diluer les résidus lourds ayant une viscosité élevée avec une fraction beaucoup plus légère et de faible viscosité, issue par exemple d’une des étapes de crackage.

L’objectif de cette étape est de faire le mélange dans des proportions appropriées pour produire du mazout residuel ou fioul lourd. Ces produits de viscosité standardisée sont utilisés soit comme combustible par l’industrie et les centrales thermiques, soit comme carburant, en particulier pour les moteurs des navires.

Impact de la viscosité sur les transformations industrielles et l’utilisation des résidus lourds

La viscosité influence plusieurs aspects de la transformation, de la manipulation et de l’utilisation des résidus et des produits qui en sont issus :

Efficacité du pompage

La viscosité varie en fonction de la température et de la qualité du pétrole brut et des étapes de transformation en amont.

La viscosité des résidus est particulèrement élevée. Pour garantir l’écoulement et le transfert d’un point vers un autre de l’installation industrielle, il faut que la viscosité reste dans les plages définies lors du dimensionnement de l’installation et qui permettent un pompage efficace. La meilleure solution pour une viscosité controlée est de la mesurer directement en ligne grâce à un viscosimètre de process.

Suivi et contrôle des étapes de transformation

Cet aspect concerne tout particulièrement les étapes de crackage, celle au niveau du viscoréducteur, celle de désasphaltage, de fluidisation (« cutback bitumen » en anglais, « cutback asphalt » en américain), de fluxage (« fluxed bitumen » en anglais, « fluxed asphalt » en américain) et de modification (polymer modified bitumen (PMB) and crumb rubber modified bitumen (CRMB)), qui aboutissent au bitume. La mesure en ligne de la viscosité permet de tenir compte de la qualité de la matière première qui alimente l’unité de fabrication et de caractériser la qualité du produit fini.

Contrôle du mélange

Quand les résidus n’ont pas d’autres utilisation, ils sont transformés en mazout résiduel en les dilluant avec des fractions légères pour obtenir un fuel lourd. La mesure de la viscosité et tout particulièrement de la viscosité à température de référence est alors indispensable pour réguler l’apport de solvent ou de fraction légère et pour obtenir le fuel lourd avec la bonne valeur de viscosité qui caractérisera le produit final.

Atomisation et combustion

Lorsqu’ils sont utilisés comme combustible ou carburant, les résidus pétroliers et leurs produits dérivés sont dans la plupart du temps pulvérisés soit dans la chambre de combustion d’une chaudière soit dans celle d’un moteur à explosion.

Pour chaque système d’injection et de pulvérisation, la taille des goutelettes dépend de la viscosité du fluide. Une viscosité trop élevée peut entraver l’atomisation, entraînant une combustion incomplète, une surconsommation, des émissions de gaz nocifs accrues et des maintenances fréquentes. Une atomisation efficace est cruciale pour une combustion optimale dans les centrales électriques et les chaudières industrielles. Les viscosimètres en ligne qui mesurent la viscosité à la température du process sont largement utilisés pour maintenir la viscosité à la valeur souhaitée.

Comment les viscosimètres Sofraser optimisent la gestion des résidus pétroliers

Les viscosimètres vibrants de Sofraser assurent une surveillance en temps réel de la viscosité des résidus pétroliers et de leurs dérivés, garantissant ainsi un traitement optimal et une efficacité opérationnelle. Ils offrent plusieurs avantages :

Mesure de haute précision même à des températures extrêmes.
Réactivité immédiate aux variations du processus, réduisant le gaspillage et la consommation d’énergie.
Conception robuste adaptée aux environnements industriels difficiles.
Amélioration du contrôle du mélange et du raffinage en maintenant des niveaux de viscosité optimaux.
Surveillance continue en ligne pour éviter les inefficacités lors du transport et de la combustion.

Les solutions dans la gamme Sofraser

La gamme de viscosimètres de Sofraser est parfaite pour la transformation et l’utilisation des résidus et permet de choisir une solution qui convient le mieux à l’installation. Deux types de solutions différentes peuvent êtres envisagées.

Les viscosimètres MIVI et les analyseurs THERMOSET s’adaptent à tous les fluides et conditions de process grâce au large choix d’options et de configurations. Ils fournissent à leurs utilisateurs une mesure fiable et durable en toute sécurité.

Le viscosimètre MIVI

Avec ses agréments ATEX, IECEx, FM, JIS et KGS, utilisant les modes de protection antidéflagrant et sécurité intrinsèque, ce viscosimètre MIVI est la solution pour une mise en œuvre dans toutes les zones explosibles rencontrées dans les raffineries ainsi que les installations de stockage, de transformation et d’utilisation de produits pétroliers.

Avec son option haute température le capteur MIVI s’adapte facilement aux flux (streams) les plus chauds et sa mesure permet une sensibilité maximale, quelle que soit le niveau de la viscosité mesurée, depuis les faibles viscosités jusqu’au applications à fortes viscosités.

Les bénéfices de ce capteur pour l’application résidus lourds :

Pas de d’usure du capteur qui peut fonctionner durant des années voire des décennies sans maintenance.
La vibration du capteur a un effet qui retarde l’encrassement et facilite le nettoyage en ligne.
Absence de dérive de la mesure
Pas de démontage nécessaire durant les arrêts pour entretiens périodiques

Les analyseurs Thermoset

Les analyseurs de viscosité à température de référence de type THERMOSET profitent de tous les atouts du capteur MIVI sans nécéssiter ni bain d’huile ni four.

Le THERMOSET LT est la solution économique du marché pour la mesure de la viscosité dynamique et fonctionne sur le principe d’un cycle de température avec mémorisation de la viscosité au moment où elle atteint la valeur de référence.
Le Thermoset CF, qui fonctionne également sur ce principe est la solution tout en un qui permet de simplifier la conception, pouvant aller jusqu’à s’affranchir de la boucle de conditionnement de l’échantillon.
Le THERMOSET KV est conçu pour mesurer en continu, directement et simultanément la viscosité cinématique, la viscosité dynamique et la densité. Cela permet une corrélation directe avec l’ASTM D445 sans besoin d’un densimètre supplémentaire.