Chimie - CH005

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Le pétrole


Table des matières

 

Formation du pétrole. 1

Le kérogène. 1

Migration et pièges. 2

La distillation. 2

Ex : Distillation de l’alcool. 3

Critères de distillation. 3

Température d’ébullition. 4

Distillation du pétrole. 5

Désulfuration. 7

Application : Moteur à essence à 4 temps. 8

Principe du moteur à combustion. 8

Analyse d’un cylindre. 9

Moteurs à quatre temps. 9

Premier temps : Admission. 10

Deuxième temps : Compression. 10

Toisième temps : Explosion. 10

Quatrième temps : Echappement. 11

Problèmes liés au moteur à explosion. 11

Détermination de l’indice d’octane. 12

 


Le pétrole est constitué de carbone et d’hydrogène è synonyme : Hydrocarbure.


Il rentre dans la catégorie des substances organiques cad qu’il contient du carbone. (Attention, tout ce qui contient du carbone n’est pas organique. Ex : .


Le carbone est un élément très important pour les matières organiques qui nous constituent : glucides, protéines, saccharides, acides aminé,….


L’alcool, beaucoup de médicaments, les plastiques,….contiennent un squelette carbonique.

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Formation du pétrole.


Le kérogène.

  
Le pétrole s'est formé sous la surface de la Terre à la suite de la décomposition d'organismes marins (le plancton). Il y a plusieurs millions d'années, d'innombrables végétaux, micro-organismes et espèces planctoniques, vivaient dans les océans. Lorsque les générations successives mouraient, leurs restes se déposaient au fond des océans. Pendant des millions d'années, ils s'accumulèrent et se mélangèrent à la boue et au limon, pour former des couches de sédiments riches en matières organiques, le kérogène.


L'accumulation continue de sédiments enfouit ces couches organiques à de grandes profondeurs; sous l'effet de la compression, celles-ci se transformèrent en roches qui devinrent des réservoirs de pétrole. Les roches contenant la matière première du pétrole sont appelées «roches mères». L'épaisseur de ces couches sédimentaires augmentant, la température s'éleva, entraînant une transformation des matières organiques d'origine en substances plus simples, les hydrocarbures, composés de carbone et d'hydrogène. La transformation a lieu dans l’eau car elle doit se faire sans (car  oxyde).


Les conditions de formation sont donc : Pression, Haute température, absence d’oxygène. La transformations des matières vivantes en pétrole prend plusieurs millions d’années.


Ainsi se constitua le pétrole.

 

Migration et pièges.

  
Le pétrole, léger, a naturellement tendance à remonter vers la surface. Lorsque cela est possible, il s'échappe sous forme de suintements. Contrairement à une croyance très répandue, un réservoir de pétrole n'est pas un immense lac souterrain. Il s'agit bien souvent d'une roche apparemment solide mais très poreuse. En se déplaçant d'un pore à l'autre ou en s'écoulant par des fractures, le pétrole migre lentement vers la surface. Lorsqu'il rencontre une couche de roche imperméable, une accumulation se forme.

Le plus courant des «pièges à pétrole» est l'anticlinal, qui résulte du plissement convexe de roches stratifiées. Sous le dôme ainsi formé, on peut trouver du pétrole, prisonnier d'une couche rocheuse imperméable. Le gaz s'amasse à la partie supérieure, tandis que la roche réservoir située sous le pétrole est remplie d'eau.

Si l'on fore un puits pour percer la roche imperméable, on peut alors ramener le pétrole à la surface. L'exploration pétrolière consiste essentiellement à repérer les sites susceptibles, de par leur structure géologique, de retenir du pétrole ou du gaz.

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La distillation

 

Distillation, procédé de séparation consistant à chauffer un liquide jusqu’à ce que ses constituants les plus volatils — ceux qui ont le point d’ébullition le plus bas — passent en phase vapeur, cette dernière étant ensuite condensée pour récupérer les constituants devenus liquides par condensation.

Ex : Distillation de l’alcool.


Il faut d’abord fabriquer de l’alcool, par exemple grâce à la fermentation alcoolique. Pour cela, on met du sucre dans de l’eau, et on ajoute un petit peu de levure de boulanger. La levure va transformer le sucre en alcool et en . Le gaz carbonique formé va s’échapper du milieu (formation de bulles).


Il faut ensuite séparer l’alcool formé de l’eau. On effectue une distillation. On chauffe la solution dans un ballon. Un thermomètre placé en haut du col va permettre de suivre la température. Comme l’alcool a une température d’ébullition de +/- 70°C et que l’eau de 100°C. L’alcool va s’échapper en premier. Il suffit de condenser les vapeurs d’alcool, pour obtenir de l’alcool liquide. Le condenseur est en général constitué de deux tubes. Dans le tube externe on fait passer de l’eau froide. Les vapeurs passent dans le tube interne. Au contact des parois froides, les vapeurs se condensent. Au fur et à mesure que l’alcool distille, la température indiquée par le thermomètre augmente. Quand elle atteint 100°C, c’est l’indice que c’est au tour de l’eau de distillé. L’alcool est épuisé et on peut arrêter la distillation.

On peut ainsi obtenir un distillat dont la teneur en alcool sera de 30 à 40%. La distillation permet donc de concentrer l’alcool. Si on veut obtenir des teneurs supérieures,  il faut effectuer plusieurs distillations (Note : dans l’industrie, des appareils spéciaux permettent d’effectuer plusieurs distillation en même temps, et permette d’obtenir des teneurs en alcool de l’ordre de 80%)


Critères de distillation.


Pour pouvoir séparer deux liquides par distillation, il faut que la température d’ébullition des deux liquides soit différentes.


Il faut également que les deux liquides soient solubles l’un dans l’autre, sinon on a une décantation et pas une distillation.


Certains composants sont très volatils, ou même des gaz (un gaz n’est pas liquéfiable à température ambiante). Par exemple : le méthane , ou le butane . Le méthane est produit lors de la décomposition des matières organiques. Sa température d’ébullition est de –161,7°C (C’est-à-dire une température négative).

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Température d’ébullition


Rappel : Il y a quatre états de la matières, mais nous ne parlerons que des trois principaux. (Le quatrième est le plasma qui ne fait pas parti du cadre de ce cours).


Gaz : Les molécules sont indépendantes les unes des autres et bougent dans tous les sens. (Un gaz n’a pas de forme et est compressible = on peut changer son volume par l’action de la pression)


Liquide : Les molécules peuvent bouger mais ne sont pas indépendantes les unes des autres (Un liquide n’a pas de forme mais n’est pas compressible)


Solide : Les molécules ne bougent pas (elles vibrent autour de position fixe) (Un liquide à une forme et n’est pas compressible).


Par l’action de la chaleur (= énergie), un corps peut passer de l’état solide à l’état liquide puis à l’état gazeux. (Glace è eau  è vapeur). Par refroidissement, on aura gaz è liquide è solide.


La chaleur est de l’énergie. Cette énergie est emmagasinée dans les molécules sous forme d’agitation. La température est une mesure de l’agitation des molécules. Si on fournit de l’énergie à un corps solide, les molécules vibrent de plus en plus. A un moment, l’agitation sera devenue tellement importante, que les molécules ne pourront plus rester autour d’une position fixe. On aura fusion du solide et formation du liquide. Si on continue a fournir de l’énergie, les molécules finiront par avoir une agitation telle qu’elles pourront s’échapper du liquide. C’est l’ébullition avec formation de vapeur.


Note : la température minimale que l’on peut théoriquement atteindre est de –273,15°C. C’est le zéro absolu. A cette température, il n’y a plus d’agitation moléculaire.


A l’intérieur d’une même famille de composé (les alcools, les alcanes,..), il est possible de montrer que la température d’ébullition est une fonction du poids moléculaire. Plus le poids moléculaire est élevé, plus élevée est la température d’ébullition. Il faut en effet fournir plus d’énergie aux grosses molécules pour les faire vibrer.


D’autres paramètres déterminent la température d’ébullition. Par exemple, les interactions moléculaires.


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Dans la molécule d’hexane, ci-dessus, l’électronégativité du carbone (2.5) est plus élevée que celle de l’hydrogène (2.1). Le carbone attire donc plus les électrons que l’hydrogène. Par conséquent, la répartition des charges dans la molécule n’est donc pas uniforme, et il apparaît des zones positives (déficit d’électrons, les H essentiellement) et des zones négatives (excès d’électrons, les C). Attention, dans le cas de l’hexane, comme pour les autres alcanes, la molécule reste globalement non polaire, c’est-à-dire que les centres de gravité des charges + et – sont confondus.  Les molécules d’hydrocarbure sont apolaires (= sans pôle).


Cependant, la présence de ces zones + et – vont provoquer l’apparition d’interactions moléculaires. La zone – d’une molécule va être attirée par la zone + d’une autre molécule. Ces interactions se matérialisent sous la forme de forces appelées forces de Van der Waals.


Plus les molécules sont grandes, plus les interactions sont importantes, et plus la température d’ébullition sera élevée.


(Note : D’une certaine façon, on peut dire que les forces de Van der Waals créent des entités de poids moléculaires plus élevé. Et l’on retrouve la relation température d’ébullition – poids moléculaire).













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Distillation du pétrole.


Dans le cas du pétrole, on effectue la distillation dans des grandes tours = des colonnes de distillation. Ces colonnes sophistiquées (on parle de colonne de rectification) vont permettre une meilleure séparation des composants du pétrole.


Le pétrole contient un très grand nombre de composants. Il est en général impossible de séparer chaque composant, on obtient différentes fractions qui sont des mélanges.


Le procédé de base du raffinage est la distillation atmosphérique. Le pétrole brut est tout d'abord chauffé dans un four à 370°C, où il se vaporise partiellement, et est amené dans la tour de distillation, appelée aussi colonne de fractionnement.


Les fractions les plus légères sont en haut de colonne. Il s'agit du gaz de raffinerie, qui sera utilisé sur place comme combustible. Parmi les autres fractions légères, on trouve le butane et le propane, les essences et le naphta, qui est la matière première de la pétrochimie.


Ensuite vient le kérosène utilisé dans les moteurs à réaction, le gazole et le fioul domestique.



Les produits lourds — les résidus — sont soutirés en bas de la colonne, puis redistillés sous vide pour permettre l'obtention des fuels lourds, des lubrifiants et des bitumes.

Pour satisfaire aux besoins du marché actuel, il faut obtenir de plus grandes quantités d'essences avec des indices d'octanes élevés. D'autre part, on doit diminuer la teneur en soufre des gazoles (voir Carburants). Il est alors nécessaire de procéder à des traitements de conversion des produits issus de la distillation.


Les appareils ont tous pour but de réaliser le meilleur échange de matière entre le liquide et la vapeur qui se croisent. Ils doivent donc être équipés de dispositifs internes qui, d’une part, favorisent la dispersion de la vapeur dans le liquide et plus particulièrement provoquent la plus grande surface d’aire interfaciale, et, d’autre part, permettent la séparation du liquide et de la vapeur en contact, afin d’en faciliter l’écoulement global à contre-courant.





 

Les appareils les plus couramment employés sont équipés de plateaux sur lesquels s’effectue le contact entre les phases et, par conséquent, l’échange de matière et entre lesquels la vapeur et le liquide s’écoulent à contre-courant. Différents types de plateaux peuvent être employés; les plateaux à calottes, jusqu’à maintenant les plus utilisés, sont progressivement remplacés par d’autres dispositifs (plateaux à clapets, par exemple) de construction moins coûteuse.

 

La figure permet de suivre le fonctionnement d’un plateau. Le liquide est admis sur le plateau par le déversoir du plateau supérieur et s’en échappe par son propre déversoir après avoir circulé entre les calottes. La vapeur pénètre dans la cheminée de la calotte, s’écoule par les fentes situées à sa base et traverse, sous forme de bulles, la couche de liquide surmontant les fentes.

 

La température varie le long de la colonne. Plus chaude en bas, plus froide en haut. On dit qu’il y a un gradient de température. Quand la vapeur pénètre dans la cheminée d’un plateau, elle vient en contact avec un liquide plus froide (puisque l’on monte dans la colonne). Les composants les moins volatils de la vapeur vont donc se condenser, tandis que par simple échange de chaleur, le liquide va libérer ses composants les plus volatils. Par conséquent, la vapeur en montant s’enrichit en composants les plus légers.

 

 

Désulfuration.


Pour satisfaire aux besoins du marché actuel, il faut obtenir de plus grandes quantités d'essences avec des indices d'octanes élevés. D'autre part, on doit diminuer la teneur en soufre des gazoles.  Il est alors nécessaire de procéder à des traitements de conversion des produits issus de la distillation.


La désulfuration est un traitement très répandu qui utilise les procédés les plus variés.

Les gaz incondensables ou liquéfiés sont épurés de leur hydrogène sulfuré par les éthanolamines ou propylamines qui le dissolvent à froid, le rejettent à chaud et sont recyclés un grand nombre de fois. Les gaz liquéfiés sont ensuite séchés par passage sur les tamis moléculaires.


Les distillats légers sont, le plus souvent, totalement désulfurés avant même d’être séparés, par une hydrogénation à 350°C sous 30 atmosphères en présence d’un alliage de cobalt et de molybdène.


Les carburéacteurs et les gazoles sont hydrogénés séparément à 400°C et sous une pression de 30 à 70 atmosphères.


Les huiles déparaffinées et les paraffines brutes, qui autrefois étaient épurées à l’acide sulfurique et à la terre décolorante, sont maintenant hydrogénées en présence de catalyseur pour éliminer les composés sulfurés, oxygénés et azotés et améliorer ainsi leur couleur et leur stabilité.

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Application : Moteur à essence à 4 temps.


L’énergie chimique dans l’essence est transformée, par combustion, en énergie calorifique et ensuite en énergie mécanique. Cette énergie mécanique est responsable du mouvement du moteur.


La combustion de l’essence est une réaction exothermique (= qui libère de la chaleur).


Exemple : Combustion de l’hexane.


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D’une certaine façon, on dira que les produits de la combustion (CO2 et H2O) sont moins énergétiques que l’hexane. La différence se retrouve sous forme de chaleur. On notera qu’une réaction exothermique ne s’effectue que dans une sens.


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Principe du moteur à combustion.


On introduit de l’oxygène et de l’essence dans une chambre à combustion pour provoquer une explosion. (Note : le mot « explosion » est abusif. Ce n’est pas une explosion à strictement parlé, comme par exemple avec du TNT. Il est plus correct de parlé de « combustion ». Cependant, l’usage courant à consacrer l’expression « moteur à explosion »).


Il y a une forte augmentation de la pression car le volume de gaz augmente fortement. Si on reprend l’équation de combustion on remarque que 19/2= 8,5 moles d’oxygène donne 13 moles de gaz (6 de CO2 et 7 de H2O). Conjugué, à l’augmentation de température (chaleur libérée), on obtient une augmentation importante et brusque de la pression.

Analyse d’un cylindre.


1

Soupapes. (Porte d’entrée à droite et porte de sortie à gauche)

2

Culbuteur : permet d’ouvrir et de fermer les soupapes.

4

Tubulure d’échappement.

5

Joint de culasse.

6

Arbre à cames. Une came est un objet pas tout à fait rond. En tournant la came permet de bouger la tige qui commande les culbuteurs.

7

Vilebrequin.

8

Carter. Boîte dans laquelle l’huile est contenue.

9

L’huile. Le moteur doit être lubrifié en permanence.

10

Bielle.

11

Piston

12

Bougie. Met le feu à l’essence

13

Tubulure d’admission.

15

Filtre à air.























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Moteurs à quatre temps

La figure représente, dans le diagramme (p  , v), la forme d’un cycle d’un moteur à quatre temps.  (Note : Dans le diagramme (p, v), on porte sur un graphique la pression (p) qui règne à l’intérieur du cylindre en fonction du volume (v), c’est-à-dire en fonction de la position du piston).


 Le moteur (disposé verticalement) comporte un cylindre dans lequel se déplace un piston qui, par l’intermédiaire d’un mécanisme à bielle et manivelle, fait tourner un arbre. Dans sa partie supérieure, le cylindre est muni d’une soupape d’admission et d’une soupape d’échappement, ainsi que d’une bougie d’allumage. Conformément à la définition du cycle à quatre temps, celui-ci est décrit pendant deux tours complets de l’arbre, chacun de ces tours correspondant à deux courses (de sens contraire) du piston.














Premier temps : Admission

Le premier des quatre temps est l’aspiration (ou admission). Pendant cette opération, la soupape d’admission est ouverte (la soupape d’échappement étant fermée), et le piston qui descend aspire un mélange d’air et de combustible (par exemple d’essence); dans des conditions idéales, l’aspiration a lieu sous une pression constante et, par conséquent, peut être représentée dans le diagramme (p, v) de le diagramme (p,v) par une droite telle que 1-2.


Note : Au démarrage, on doit utiliser un moteur électrique (le démarreur) qui va forcer le moteur à tourner.




Deuxième temps : Compression.


Au cours du deuxième temps, qui est la compression, les deux soupapes sont fermées, et le piston, en montant, comprime le mélange gazeux qu’il vient d’aspirer (2-3, voir diagramme (p,v)).






Toisième temps : Explosion.


Quand le piston arrive au voisinage de l’extrémité supérieure de sa course (point mort haut), la bougie produit une étincelle qui enflamme le mélange gazeux: c’est l’explosion (3-4), qui repousse le piston vers le bas, et les gaz subissent ainsi une détente (4-5 ).


L’explosion va se propager dans le cylindre selon un front de combustion.

 

La bougie va produire son étincelle juste avant que le piston arrive au sommet de sa course. C’est l’avance à l’allumage.


On notera que l’explosion est le seul moment moteur du cycle (Moteur = qui fournit un travail).





Quatrième temps : Echappement.

Au point mort bas, l’ouverture de la soupape d’échappement provoque une nouvelle baisse de pression (5-2), et la rotation de l’arbre fait remonter le piston, qui expulse les produits de la combustion à travers la soupape (6): c’est l’échappement (2-1), qui se termine lorsque le piston se retrouve dans sa position initiale, ce qui correspond au début d’un nouveau cycle.




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Problèmes liés au moteur à explosion.


C’est surtout le troisième temps, l’explosion qui pose problème.


En effet, l’explosion produit des vibrations dans le moteur, d’où une perte d’énergie et une augmentation de la consommation.


Mais surtout, il est critique que le mélange n’explose pas pendant la phase de compression (quand le piston remonte). Dès lors, l’essence doit posséder un pouvoir anti-détonant qui est la faculté qu’un carburant a de résister à une augmentation de température sans exploser. Le pouvoir anti-détonant du carburant est mesuré par l’indice d’octane.


L'indice d'octane est déterminé par la composition du mélange d'un produit détonant, le n-heptane (indice 0), et d'isooctane, très résistant à la détonation (indice 100). Un carburant d'indice 95 a le même comportement qu'un mélange à 95 p. 100 d'isooctane et 5 p. 100 de n-heptane. Pour accroître l'indice d'octane d'un carburant, on peut utiliser, dans le supercarburant plombé, du plomb tétraméthyl ou du plomb tétraéthyl. Pour les supercarburants sans plomb, on utilise des composés organiques, comme le méthyl tertiobutyl éther. (Attention : l’indice d’octane n’est pas le pourcentage en isooctane du mélange).


n-heptane est un alcane linéaire :


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L’isooctane est un alcane ramifié :

 

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Pour augmenter l’indice d’octane, on va raffiner l’essence afin de modifier sa composition. Le but étant d’augmenter le taux de ramification.


Le plomb tétraéthyl permet aussi d’augmenter l’indice d’octane d’une essence. Cependant, le plomb est toxique pour l’homme (système nerveux) et l’environnent. Il est donc actuellement interdit dans la plupart des pays.


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Détermination de l’indice d’octane.


On procède en deux temps :


On utilise un moteur normalisé, qui comporte une seul cylindre, et on peut faire varier le taux de compression.


UN .  On alimente le moteur dont on veut déterminer l’indice d’octane. On enregistre le cliquetis (= les vibrations) du moteur.


DEUX. On alimente alors le même moteur avec des mélanges de n-heptane et d’isooctane dans différentes proportions. On enregistre le cliquetis du moteur et on compare avec l’enregistrement de l’essence à tester. Le pourcentage d’isooctane du mélange qui présente le même cliquetis est l’indice d’octane de l’essence testée.


Note : Il est possible d’obtenir des indices d’octane supérieurs à 100%.


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Issu le 2 janvier 2005
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