Synthétise des combustibles

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Définir le fioul domestique et le fioul lourd, leurs usages principaux dans les installations camerounaises (chauffage, production d’électricité, moteurs marins). - Citer les normes nationales (NC 001‑FD, NC 002‑FL) et les spécifications techniques (indice de coke, point d’éclair, viscosité, teneur en soufre). - Réaliser un dosage de base pour formuler un fioul conforme, en choisissant les coupes de distillation et les additifs appropriés. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène liées au stockage, à la manipulation et au traitement des fiouls (équipements de protection individuelle, prévention des risques d’incendie et de pollution). - Résoudre un exercice de formulation simple (calcul du pourcentage de chaque composant pour atteindre une viscosité cible). **Prérequis :** - Notions de base sur le pétrole brut, les coupes de distillation (naphta, kérosène, gasoil, résidu). - Connaissances des unités de mesure utilisées en génie des procédés (kg, L, °C, cSt, % masse). - Principes de lecture d’une fiche de données de sécurité (FDS). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la demande en produits pétroliers de chauffage et de puissance reste soutenue, notamment dans les zones urbaines où le fioul domestique alimente les chaudières des immeubles et dans les zones industrielles où le fioul lourd sert à faire tourner les groupes électrogènes de secours et certaines chaudières de vapeur. La maîtrise de la formulation de ces produits permet aux techniciens de garantir la conformité aux normes environnementales (limite de soufre à 0,5 % masse pour le fioul domestique, 3,5 % masse pour le fioul lourd selon la NC 001‑FD/NC 002‑FL) et d’optimiser la consommation énergétique tout en réduisant les risques d’encrassement des brûleurs. Ce chapitre présente, de façon progressive, les étapes de formulation du fioul domestique puis du fioul lourd, en s’appuyant sur des exemples d’atelier typiques de la Société Nationale des Hydrocarbures (SNH) situés à Douala et à Yaoundé. --- ## I. Formulation du fioul domestique ### A. Définition et usages > Le fioul domestique est un mélange d’hydrocarbures destiné au chauffage des bâtiments et à la production d’eau chaude sanitaire, obtenu par distillation du pétrole brut et éventuellement par traitement d’hydrotraitement pour réduire la teneur en soufre. Il est utilisé principalement dans : - Chaudières murales ou au sol des immeubles d’habitation. - Générateurs de secours pour les établissements de santé. - Systèmes de chauffage central des écoles et des administrations. ### B. Composition typique | Composant | Plage (% masse) | Fonction principale | |-----------|-----------------|---------------------| | Gazole (C10‑C20) | 40‑60 | Fournit la volatilité et le pouvoir calorifique. | | Kérosène (C9‑C13) | 10‑20 | Améliore la fluidité à basse température. | | Résidu léger (C20‑C30) | 15‑30 | Augmente la densité et la viscosité. | | Additifs anti‑oxydants | 0,01‑0,05 | Empêche la formation de gommes lors du stockage. | | Additifs anti‑corrosion | 0,02‑0,1 | Protège les surfaces métalliques des chaudières. | | Désoxydant (ex. : dérivés d’amines) | 0,005‑0,02 | Réduit la teneur en soufre actif. | ### C. Normes camerounaises applicables - **NC 001‑FD** : Fioul domestique – Spécifications techniques. - Point d’éclair ≥ 55 °C (méthode ASTM D93). - Viscosité cinétique à 40 °C : 1,5‑4,0 cSt. - Teneur en soufre ≤ 0,5 % masse. - Indice de coke ≤ 0,02 % masse. - Stabilisation à l’oxydation : indice d’oxydation ≤ 0,02 mg KOH/g après 16 h à 95 °C. ### D. Méthodes de formulation (pas à pas) 1. **Sélection des coupes** : partir d’un gazole de base (viscosité 2,5 cSt) et ajouter du kérosène pour ajuster la fluidité hivernale. 2. **Ajustement de la viscosité** : mesurer la viscosité du mélange provisoire ; si trop élevée, incorporer davantage de kérosène ; si trop faible, ajouter du résidu léger. 3. **Traitement du soufre** : si la teneur en soufre dépasse 0,5 % masse, faire passer le mélange dans un unité d’hydrotraitement (catalyseur Ni‑Mo/Al₂O₃, 300 °C, 30 bar H₂). 4. **Addition des additifs** : dissoudre les anti‑oxydants et anti‑corrosion dans un petit volume de kérosène avant de les injecter au mélange principal (agitation 30 min). 5. **Contrôle qualité** : réaliser les essais de point d’éclair, viscosité, teneur en soufre et indice d’oxydation selon les méthodes NC 001‑FD. Ajuster si nécessaire. ### E. Exemple chiffré entièrement résolu **Objectif** : obtenir 1000 L de fioul domestique avec une viscosité cible de 2,8 cSt à 40 °C, sachant que : - Gazole de base : viscosité 2,5 cSt, densité 0,84 kg/L. - Kérosène : viscosité 1,2 cSt, densité 0,78 kg/L. - Résidu léger : viscosité 6,0 cSt, densité 0,88 kg/L. On utilise la règle du mélange linéaire en viscosité (approximation valable pour ces plages) : \[ \eta_{mix}= \sum (x_i \cdot \eta_i) \] où \(x_i\) est la fraction volumique de chaque composant. Soit \(x_G\) la fraction de gazole, \(x_K\) celle de kérosène, \(x_R\) celle de résidu léger, avec \(x_G+x_K+x_R=1\). On impose : \[ 2,5x_G + 1,2x_K + 6,0x_R = 2,8 \] On choisit une proportion raisonnable de résidu léger pour augmenter la densité : \(x_R = 0,15\). Alors : \[ 2,5x_G + 1,2x_K + 6,0(0,15) = 2,8 \\ 2,5x_G + 1,2x_K + 0,9 = 2,8 \\ 2,5x_G + 1,2x_K = 1,9 \] Avec \(x_G + x_K = 0,85\). Résolution : \[ x_G = 0,85 - x_K \\ 2,5(0,85 - x_K) + 1,2x_K = 1,9 \\ 2,125 - 2,5x_K + 1,2x_K = 1,9 \\ -1,3x_K = -0,225 \\ x_K = 0,173 \\ x_G = 0,85 - 0,173 = 0,677 \] **Volumes pour 1000 L** : - Gazole : 0,677 × 1000 = 677 L - Kérosène : 0,173 × 1000 = 173 L - Résidu léger : 0,15 × 1000 = 150 L **Vérification** : \[ \eta = 0,677·2,5 + 0,173·1,2 + 0,15·6,0 = 1,6925 + 0,2076 + 0,9 = 2,8001\;cSt \] Le mélange obtenu respecte la viscosité cible. On ajoute ensuite 0,03 % masse d’anti‑oxydant et 0,05 % masse d’anti‑corrosion (soit 0,3 L et 0,5 L pour 1000 L) puis on contrôle la teneur en soufre (supposée déjà < 0,5 % masse après hydrotraitement). ### F. Sécurité et hygiène > Porter des gants nitrile, des lunettes de protection et un masque à cartouche A2 lors de la manipulation des coupes et des additifs. > Stocker le fioul domestique dans des réservoirs métalliques revêtus d’époxy, équipés de détecteurs de vapeurs et de systèmes de rétention en cas de débordement. > Interdire toute flamme nue ou étincelle à moins de 5 m du point de remplissage ; utiliser uniquement des pompes à débit réglable et antidéflagrantes. > En cas de débordement, absorber avec du sable inertes, collecter dans un conteneur étiqueté « déchets hydrocarbures » et transférer vers une unité de traitement agréée. --- ## II. Formulation du fioul lourd ### A. Définition et usages > Le fioul lourd est un résidu de distillation lourde, riche en hydrocarbures à haut poids moléculaire, utilisé comme combustible dans les chaudières industrielles, les groupes électrogènes de forte puissance et certains moteurs marins lent. Il alimente : - Chaudières à vapeur des usines de transformation agroalimentaire (ex. : huileries, sucreries). - Groupe électrogène de secours des hôpitaux régionaux (capacité > 1 MW). - Navires de pêche et de cabotage opérant au large du littoral camerounais. ### B. Composition typique | Composant | Plage (% masse) | Role | |-----------|-----------------|------| | Résidu lourd (C30‑C60) | 70‑90 | Fournit la majeure partie du pouvoir calorifique. | | Asphaltenes | 5‑15 | Influence la viscosité et la tendance à former des dépôts. | | Huiles de cycle léger (C15‑C25) | 5‑15 | Améliore la pompageabilité et réduit le point de coulée. | | Additifs détergents | 0,02‑0,1 | Empêche l’encrassement des injecteurs et des surfaces de chauffe. | | Additifs anti‑corrosion | 0,03‑0,12 | Protège les parois des chaudières contre l’acidité des composés sulfurés. | | Modificateurs de point de coulée | 0,01‑0,05 | Abaisse la température à laquelle le fioul devient pompageable. | ### C. Normes camerounaises applicables - **NC 002‑FL** : Fioul lourd – Spécifications techniques. - Point d’éclair ≥ 65 °C (ASTM D93). - Viscosité cinétique à 50 °C : 180‑380 cSt (classe ISO VG 220‑320). - Teneur en soufre ≤ 3,5 % masse (limite régionale MARPOL Annex VI pour les navires). - Résidu de carbone (coke) ≤ 0,15 % masse. - Indice d’asphaltenes ≤ 12 % masse (mesuré par méthode ASTM D6560). - Stabilité à l’oxydation : indice d’oxydation ≤ 0,04 mg KOH/g après 24 h à 100 °C. ### D. Méthodes de formulation (pas à pas) 1. **Réception du résidu lourd** : provenant de l’unité de distillation sous vide du raffinage (cut ≈ 350‑500 °C). 2. **Dilution avec huile de cycle léger** : ajouter progressivement jusqu’à atteindre la viscosité cible (mesurée à 50 °C). 3. **Contrôle de la teneur en soufre** : si > 3,5 % masse, faire passer le mélange dans un unité d’hydrodesulfuration (catalyseur Co‑Mo/Al₂O₃, 340 °C, 40 bar H₂). 4. **Addition des additifs** : dissoudre les détergents et anti‑corrosion dans un petit volume d’huile de cycle léger, puis injecter sous agitation mécanique (400 tr/min) pendant 20 min. 5. **Ajustement du point de coulée** : incorporer le modificateur de point de coulée (souvent un copolymère d’éthylène‑vinylacétate) jusqu’à ce que le point de coulée mesuré (ASTM D97) soit ≤ ‑10 °C (condition hivernale pour le stockage extérieur). 6. **Contrôle qualité** : réaliser les essais de point d’éclair, viscosité, teneur en soufre, indice d’asphaltenes et stabilité à l’oxydation selon NC 002‑FL. ### E. Exemple chiffré entièrement résolu **Objectif** : préparer 5000 L de fioul lourd avec une viscosité de 260 cSt à 50 °C et une teneur en soufre de 2,8 % masse. Données : - Résidu lourd brut : viscosité 420 cSt, soufre 4,2 % masse. - Huile de cycle léger : viscosité 45 cSt, soufre 0,4 % masse. On utilise la règle du mélange linéaire en viscosité (valable pour ces plages) : \[ \eta_{mix}= x_R·\eta_R + x_L·\eta_L \] avec \(x_R + x_L = 1\). On veut \(\eta_{mix}=260\) cSt. \[ 260 = x_R·420 + (1-x_R)·45 \\ 260 = 420x_R + 45 - 45x_R \\ 260 - 45 = 375x_R \\ 215 = 375x_R \\ x_R = 0,573 \\ x_L = 0,427 \] **Vérification de la teneur en soufre** : \[ S_{mix}= x_R·S_R + x_L·S_L = 0,573·4,2 + 0,427·0,4 = 2,4066 + 0,1708 = 2,5774\%\,masse \] Cette valeur est inférieure à la limite de 2,8 % masse, donc acceptable. Si l’on voulait exactement 2,8 %, on pourrait augmenter légèrement la proportion de résidu lourd, mais la valeur obtenue convient déjà. **Volumes pour 5000 L** : - Résidu lourd : 0,573 × 5000 = 2865 L - Huile de cycle léger : 0,427 × 5000 = 2135 L On ajoute ensuite 0,05 % masse d’additif détergent (2,5 L) et 0,08 % masse d’additif anti‑corrosion (4,0 L). On ajuste enfin le point de coulée avec 0,03 % masse de modificateur (1,5 L). Le mélange final est contrôlé : viscosité 258 cSt, soufre 2,58 % masse, point d’éclair 68 °C, indice d’asphaltenes 9 % masse – toutes les valeurs sont dans les limites de la NC 002‑FL. ### F. Sécurité et hygiène > Utiliser un appareil de protection respiratoire à filtre P3 lors du chauffage ou du transfert du fioul lourd, car les vapeurs peuvent contenir des composés aromatiques polycycliques. > Les réservoirs de stockage doivent être équipés de systèmes de détection de fuites d’hydrocarbures et de bassins de rétention d’au moins 110 % du volume du plus grand réservoir. > Interdire le soudage ou le meulage à moins de 10 m d’un réservoir contenant du fioul lourd chaud (> 60 °C) afin d’éviter l’inflammation des vapeurs. > En cas de contact cutané, laver immédiatement avec du savon et de l’eau ; retirer les vêtements contaminés et les placer dans un conteneur dédié aux déchets dangereux. > Lors du nettoyage des filtres ou des séparateurs, utiliser des solvants agréés (ex. : white spirit) et récupérer les effluents pour traitement dans une unité de séparation d’hydrocarbures. --- ## Synthèse du chapitre - **Fioul domestique** : mélange de gazole, kérosène et résidu léger, viscosité 1,5‑4,0 cSt à 40 °C, soufre ≤ 0,5 % masse, point d’éclair ≥ 55 °C, additifs anti‑oxydants et anti‑corrosion. - **Fioul lourd** : résidu lourd dilué avec huile de cycle léger, viscosité 180‑380 cSt à 50 °C, soufre ≤ 3,5 % masse, point d’éclair ≥ 65 °C, additifs détergents, anti‑corrosion et modificateurs de point de coulée. - **Étapes de formulation** : sélection des coupes, ajustement de la viscosité, traitement du soufre (hydrotraitement/hydrodesulfuration), incorporation des additifs, contrôle qualité selon les normes NC 001‑FD ou NC 002‑FL. - **Sécurité** : EPI (gants nitrile, lunettes, masque A2/P3), stockage en réservoirs revêtus, détection de vapeurs, interdiction de flammes nues, procédures de gestion des débordements et des déchets hydrocarbures. - **Exemple de calcul** : démonstration du calcul de fractions volumiques pour atteindre une viscosité cible (fioul domestique 2,8 cSt, fioul lourd 260 cSt) avec vérification de la teneur en soufre. --- ## Glossaire - **Additif anti‑oxydant** : substance qui inhibe la formation de peroxydes et de gommes lors du stockage des fiouls. - **Asphaltenes** : fraction lourde d’hydrocarbures aromatiques polycycliques qui influence la viscosité et la tendance à former des dépôts. - **Cut (coupes de distillation)** : intervalles de température auxquels on sépare les différents fractions du pétrole brut (gaz, naphta, kérosène, gazoil, résidu). - **Hydrodesulfuration** : procédé catalytique d’enlèvement du soufre sous pression d’hydrogène pour produire des fiouls à faible teneur en soufre. - **Indice de coke** : pourcentage de résidu solide formé lors de la chauffe d’un fioul, indicateur de la tendance à encrasser les brûleurs. - **Point d’éclair** : température la plus basse à laquelle les vapeurs d’un produit peuvent s’enflammer en présence d’une étincelle. - **Viscosité cinétique** : mesure de la résistance à l’écoulement d’un fluide, exprimée en centistokes (cSt). - **Modificateur de point de coulée** : composé chimique qui abaisse la température à laquelle un fioul devient pompageable. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Formulation du fioul domestique **Consigne** : Vous devez préparer 800 L de fioul domestique avec une viscosité cible de 3,2 cSt à 40 °C. Vous disposez de : - Gazole (viscosité 2,6 cSt) - Kérosène (viscosité 1,1 cSt) - Résidu léger (viscosité 5,8 cSt) Déterminez les volumes de chaque composant nécessaires, puis vérifiez que la teneur en soufre supposée (0,35 % masse pour le gazole, 0,10 % % masse pour le kérosène, 0,80 % masse pour le résidu léger) reste inférieure à la limite réglementaire de 0,5 % masse. **Corrigé** On cherche \(x_G, x_K, x_R\) tels que : \[ 2,6x_G + 1,1x_K + 5,8x_R = 3,2 \quad (1)\\ x_G + x_K + x_R = 1 \quad (2) \] On fixe arbitrairement \(x_R = 0,20\) (20 % de résidu léger pour améliorer la densité). En remplaçant dans (1) : \[ 2,6x_G + 1,1x_K + 5,8(0,20) = 3,2\\ 2,6x_G + 1,1x_K + 1,16 = 3,2\\ 2,6x_G + 1,1x_K = 2,04 \quad (3) \] Et (2) donne : \[ x_G + x_K = 0,80 \quad (4) \] Résolution : D’après (4) : \(x_G = 0,80 - x_K\). Substituer dans (3) : \[ 2,6(0,80 - x_K) + 1,1x_K = 2,04\\ 2,08 - 2,6x_K + 1,1x_K = 2,04\\ -1,5x_K = -0,04\\ x_K = 0,0267\;(≈2,7\%)\\ x_G = 0,80 - 0,0267 = 0,7733\;(≈77,3\%) \] **Volumes pour 800 L** : - Gazole : 0,7733 × 800 ≈ 618,6 L → 619 L (arrondi) - Kérosène : 0,0267 × 800 ≈ 21,4 L → 21 L - Résidu léger : 0,20 × 800 = 160 L **Vérification de la viscosité** : \[ \eta = 0,7733·2,6 + 0,0267·1,1 + 0,20·5,8 = 2,0106 + 0,0294 + 1,16 = 3,200\;cSt \] **Teneur en soufre** : \[ S = 0,7733·0,35 + 0,0267·0,10 + 0,20·0,80 = 0,2707 + 0,0027 + 0,16 = 0,4334\%\,masse \] < 0,5 % masse → conforme. --- ### Exercice 2 – Formulation du fioul lourd **Consigne** : Un atelier doit produire 3000 L de fioul lourd avec une viscosité de 300 cSt à 50 °C et une teneur en soufre ≤ 3,0 % masse. Les matières disponibles sont : - Résidu lourd brut : viscosité 460 cSt, soufre 4,5 % masse. - Huile de cycle léger : viscosité 38 cSt, soufre 0,3 % masse. Déterminez les proportions nécessaires, puis indiquez si un traitement d’hydrodesulfuration est requis. **Corrigé** On utilise la règle du mélange linéaire en viscosité : \[ 460x_R + 38x_L = 300 \quad (1)\\ x_R + x_L = 1 \quad (2) \] D’après (2) : \(x_L = 1 - x_R\). Substituer dans (1) : \[ 460x_R + 38(1 - x_R) = 300\\ 460x_R + 38 - 38x_R = 300\\ 422x_R = 262\\ x_R = 0,621\;(≈62,1\%)\\ x_L = 0,379\;(≈37,9\%) \] **Volumes pour 3000 L** : - Résidu lourd : 0,621 × 3000 ≈ 1863 L - Huile de cycle léger : 0,379 × 3000 ≈ 1137 L **Teneur en soufre du mélange** : \[ S = 0,621·4,5 + 0,379·0,3 = 2,7945 + 0,1137 = 2,9082\%\,masse \] Cette valeur est légèrement inférieure à la limite de 3,0 % masse, donc **aucun traitement d’hydrodesulfuration n’est nécessaire** si l’on accepte une marge de sécurité de 0,1 % masse. Si l’on veut rester bien en dessous de la limite, on pourrait réduire légèrement la proportion de résidu lourd (par exemple à 60 %) et augmenter celle de l’huile légère, ce qui ferait baisser la teneur en soufre à environ 2,73 % masse tout en restant proche de la viscosité cible (on pourrait alors ajuster avec un petit ajout d’additif réducteur de viscosité). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Ne pas vérifier la viscosité après chaque ajout de coupe** | Risque de produire un fioul trop épais (encrassement des buses) ou trop fluide (mauvaise combustion, augmentation de la consommation). | Mesurer la viscosité à chaque étape d’ajustement et consigner les valeurs avant de poursuivre. | | 2 | **Oublier d’ajouter les additifs anti‑oxydants dans le fioul domestique** | Formation de gommes lors du stockage, colmatage des filtres et réduction du pouvoir calorifique. | Introduire les additifs dès que le mélange est homogène, en respectant les dosages prescrits (0,01‑0,05 % masse). | | 3 | **Utiliser une flamme nue pour vérifier le niveau dans un réservoir de fioul lourd chaud** | Risque d’explosion ou d’incendie dû à l’inflammation des vapeurs d’hydrocarbures. | Utiliser uniquement des jauges à flotteur ou des capteurs de niveau électriques certifiés ATEX. | | 4 | **Ne pas porter de masque à cartouche lors de la manipulation des coupes contenant du soufre élevé** | Inhalation de H₂S ou de SO₂, pouvant provoquer des irritations respiratoires aiguës. | Porter systématiquement un masque à cartouche A2 (ou P3 pour les vapeurs très lourdes) et vérifier son étanchéité avant chaque utilisation. | | 5 | **Stocker le fioul lourd dans un réservoir non revêtu, entraînant la corrosion interne** | Perte de produit, contamination par des particules de rouille, risque de fuite. | Revêtir les réservoirs internes avec un époxy résistant aux hydrocarbures et contrôler l’état du revêtement tous les 6 mois. | | 6 | **Négliger la vérification du point d’éclair après hydrotraitement** | Un point d’éclair trop bas augmente le risque d’allumage accidentel lors du transfert. | Mesurer le point d’éclair selon la méthode ASTM D93 après chaque lot traité; si < 55 °C (fioul domestique) ou < 65 °C (fioul lourd), retraiter ou rejeter le lot. | --- *Fin du cours.*