Structure et propriétés des produits pétroliers (partie 2/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire la composition, les propriétés physico‑chimiques et les usages principaux des lubrifiants, du bitume et du coke de pétrole. - Expliquer le rôle du naphta comme matière première de la pétrochimie et détailler la voie de production de l’éthylène par craquage vapeur. - Identifier et mesurer les propriétés clés (densité, viscosité, point d’éclair, indice d’octane, indice de cétane, pouvoir calorifique, teneur en soufre, etc.) des produits pétroliers et les mettre en relation avec leurs spécifications techniques. - Appliquer les normes de sécurité et d’hygiène liées à la manipulation, au stockage et au transport de ces produits dans un contexte professionnel camerounais. **Prérequis** : Notions de chimie organique (fonctions alkyle, alcanes, cycloalcanes, aromatiques), connaissances de base sur le raffinage pétrolier (distillation fractionnée, conversion), unités du Système international (kg, m³, Pa, °C, bar) et notions de sécurité industrielle (Équipements de protection individuelle, fiches de données de sécurité). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la société nationale des hydrocarbures (SNH) et les sociétés privées de distribution assurent l’approvisionnement en produits pétroliers destinés aux transports, à l’industrie et à la construction. Les lubrifiants garantissent le bon fonctionnement des moteurs des véhicules lourds qui sillonnent les corridors Douala‑Yaoundé et les routes rurales. Le bitume, dérivé lourd du pétrole, est essentiel pour la voirie urbaine de Yaoundé et les pistes d’aéroports. Le coke de pétrole trouve son utilisation dans les fours à ciment de la région de l’Ouest. Le naphta, fraction légère, alimente les unités de craquage vapeur de la société nationale de pétrochimie (SNPC) située à Kribi, produisant l’éthylène nécessaire à la fabrication de plastiques utilisés dans l’emballage agroalimentaire. Enfin, la maîtrise des propriétés physico‑chimiques permet aux techniciens de contrôle qualité de vérifier la conformité des produits aux normes CAMEROON OIL STD 2023 avant leur mise sur le marché. Ce chapitre présente ces thématiques de façon progressive, en lien direct avec les situations professionnelles rencontrées en atelier, sur chantier ou en laboratoire de contrôle. --- ## I. Lubrifiants, bitume et coke ### A. Lubrifiants 1. **Définition** : Fluide destiné à réduire le frottement entre deux surfaces en mouvement relatif, à évacuer la chaleur et à protéger contre la corrosion. 2. **Composition de base** : Huiles de base (minérales, synthétiques ou biodégradables) + additifs (détergents, dispersants, anti‑usure, modificateurs de viscosité, inhibiteurs de corrosion). 3. **Classification selon la viscosité** : SAE J300 (ex. SAE 15W‑40) – le nombre avant le « W » indique la viscosité à basse température, le nombre après le « W » indique la viscosité à haute température. 4. **Propriétés essentielles** : - Viscosité cinématique à 40 °C et 100 °C (mm²/s) – mesurée par viscomètre capillaire (ASTM D445). - Indice de viscosité (VI) – mesure de la variation de viscosité avec la température. - Point d’écoulement (pour point) – température en dessous de laquelle l’huile cesse de s’écouler (ASTM D97). - Numéro de base (TBN) – capacité à neutraliser les acides formés lors de la combustion (mg KOH/g). 5. **Usages professionnels** : Moteurs diesel des camions de transport, boîtes de vitesse des engins de chantier, compresseurs d’air des ateliers de maintenance. 6. **Sécurité** : Porter des gants nitrile, éviter les projections cutanées, stocker dans des récipients fermés à l’abri de la chaleur et des sources d’allumage. > **>** La viscosité cinématique à 40 °C est un paramètre important pour la lubrification à température de fonctionnement, tandis que la viscosité à basse température (indiquée par le nombre W) est cruciale pour le démarrage à froid au Cameroun (températures nocturnes pouvant descendre à 15 °C dans les hautes terres). ### B. Bitume 1. **Définition** : Mélange complexe d’hydrocarbures lourds (asphaltenes, résines, huiles) obtenu par distillation sous vide du résidu de distillation atmosphérique. 2. **Caractéristiques physico‑chimiques** : - Pénétration (0,1 mm) – mesure de la dureté (ASTM D5). - Point de ramollissement (Ring‑and‑Ball) – température à laquelle le bitume devient suffisamment fluide (ASTM D36). - Ductilité – capacité à s’allonger sans rupture (cm). - Perte de masse à l’échauffement (PMH) – indicateur de vieillissement thermique (ASTM D6). 3. **Classification** : Bitume de pénétration 60/70 (usage routier classique), bitume modifié (polymères, caoutchouc) pour routes à forte charge. 4. **Procédé de mise en œuvre** : Chauffage à 150‑180 °C, mélange avec granulats, compactage à l’aide d’une rouleau vibratoire. 5. **Applications camerounaises** : Revêtement des routes nationales (RN1, RN3), étanchéité des toits-terrasses des bâtiments publics, revêtement des pistes d’aéroports (Douala International). 6. **Sécurité** : Risque de brûlures thermiques, inhalation de vapeurs d’hydrocarbures – port de masque à filtration des vapeurs organiques, gants résistants à la chaleur, éloignement des sources d’étincelles. > **>** Le point de ramollissement d’un bitume 60/70 se situe généralement entre 48 °C et 52 °C ; cette plage garantit une bonne adhérence aux granulats même sous les fortes températures diurnes du Nord‑Cameroun. ### C. Coke de pétrole 1. **Définition** : Résidu solide carboné issu du craquage thermique ou catalytique des fractions lourdes du pétrole. 2. **Propriétés** : - Teneur en carbone fixe (> 85 %). - Indice d’iode (adsorption) – mesure de la porosité (mg g⁻¹). - Le coke de pétrole ne fond pas ; il subit une sublimation directe à des températures supérieures à 350 °C. 3. **Classification** : Coke aiguille (usage électrode), coke sponge (combustible), coke de décharge (déchet). 4. **Utilisation au Cameroun** : Combustible dans les fours à ciment de l’Ouest (ex. Cimencam), matière première pour la production d’anodes dans l’industrie de l’aluminium (projet en étude à Kribi). 5. **Sécurité** : Poussière fine – risque d’explosion sous forme de nuage inflammable ; port de masque anti‑poussière, systèmes d’aspiration locaux, interdiction de fumer dans les zones de stockage. > **>** Le coke de pétrole possède un pouvoir calorifique inférieur d’environ 30 MJ/kg, comparable à celui du charbon bitumineux, ce qui justifie son usage comme combustible industriel au Cameroun. --- ## II. Naphta et éthylène en pétrochimie ### A. Naphta 1. **Définition** : Fraction légère du pétrole (C₅‑C₁₂) obtenue entre 30 °C et 200 °C à la colonne de distillation atmosphérique. 2. **Composition typique** : Paraffines (n‑ et iso‑), naphthenes, aromatiques (benzène, toluène, xylènes). 3. **Caractéristiques** : - Densité relative à 15 °C : 0,65‑0,75. - Indice d’octane (RON) : 60‑80 (selon la cut). - Point d’éclair : < − 20 °C (très inflammable). 4. **Usages** : - Matière première pour le craquage vapeur (production d’oléfines). - Solvant dans l’industrie du nettoyage de pièces métalliques. - Composant des essences automobiles après reformage. 5. **Sécurité** : Stockage dans des réservoirs flottants à toit flottant, mise à la terre, détecteurs de vapeurs d’hydrocarbures, interdiction de sources d’allumage ouvertes. > **>** Le naphta destiné au craquage vapeur doit contenir moins de 0,1 % de soufre afin d’éviter l’empoisonnement des catalyseurs à base de platine. ### B. Production de l’éthylène par craquage vapeur 1. **Principe** : Décomposition thermique d’hydrocarbures saturés (naphta, gaz de pétrole liquéfié) en présence de vapeur d’eau à 750‑900 °C et 1‑3 bar, suivi d’un refroidissement rapide (quench) pour limiter les réactions secondaires. 2. **Étapes du procédé** : - **Vaporisation** : Mélange naphta/vapeur (ratio vapeur/hydrocarbure 0,3‑0,5). - **Réaction** : Dans les tubes du four à chauffer (coils) – réaction de rupture des liaisons C‑C. - **Quench** : Injection d’eau froide ou d’huile de refroidissement pour arrêter la réaction. - **Séparation** : Compression, distillation fractionnée → éthylène, propylène, C₄, gaz de raffinage. 3. **Rendement typique** : 25‑30 % d’éthylène en masse de naphta alimenté. 4. **Conditions d’opération** : - Température du four : 800 °C (± 10 °C). - Pression : 1,5 bar. - Temps de résidence : 0,5‑0,8 s. 5. **Utilisation de l’éthylène** : Monomère pour polyéthylène (PE‑LD, PE‑HD), intermédiaire pour oxyde d’éthylène, acétaldéhyde, styène. 6. **Sécurité et environnement** : - Gaz inflammable et explosif (LIE = 2,7 % vol). - Détection de fuites par capteurs IR, systèmes de décharge à torchère. - Gestion des effluents gazeux (brûlage contrôlé, récupération de chaleur). > **>** Dans une unité de craquage vapeur camerounaise (SNPC Kribi), un débit de naphta de 100 t/j permet de produire environ 28 t/j d’éthylène, soit une production annuelle d’environ 10 kt, suffisante pour alimenter une ligne de polyéthylène de 10 kt/an. ### C. Exemple chiffré : bilan de matière du craquage vapeur Données : - Alimentation naphta : 100 t/j, composition moyenne C₈H₁₈ (masse molaire 114 g/mol). - Rendement éthylène : 28 % en masse. - Rendement propylène : 12 % en masse. - Reste : gaz de raffinage (C₁‑C₄) et huile lourde. **Calcul** : Masse d’éthylène produite = 0,28 × 100 t = 28 t/j. Nombre de moles d’éthylène = (28 000 kg) / (28 g/mol) = 1 000 kmol/j. Masse de propylène produite = 0,12 × 100 t = 12 t/j → 12 000 kg / 42 g/mol ≈ 286 kmol/j. **Bilan carbone** : Carbone entrant = 100 t × (8 × 12,01 / 114) ≈ 84,2 t C. Carbone sortant (éthylène + propylène) = (28 t × 2×12,01/28) + (12 t × 3×12,01/42) ≈ 24,0 t + 10,3 t = 34,3 t C. Le reste du carbone se retrouve dans le gaz de raffinage et l’huile lourde, conformément aux pertes attendues (≈ 60 %). > **>** Le bilan carbone montre que moins de la moitié du carbone du naphta est conservé dans les produits légers (éthylène, propylène), ce qui reflète la répartition typique du craquage vapeur. --- ## III. Propriétés physico‑chimiques des produits pétroliers ### A. Densité et densité relative - **Définition** : Masse volumique (kg/m³) ou densité relative à 15 °C (ratio densité du produit / densité de l’eau à 15 °C). - **Mesure** : Pycnomètre ou densimètre à oscillation (ASTM D4052). - **Importance** : Conversion volume‑masse pour la facturation, calcul du centre de gravité des réservoirs, conformité aux spécifications (ex. densité du gasoil 0,820‑0,860). > **>** La densité relative du gasoil camerounais doit être comprise entre 0,820 et 0,860 à 15 °C selon la norme CAMEROON OIL STD 2023. ### B. Viscosité - **Viscosité dynamique** (μ, Pa·s) – mesure de la résistance à l’écoulement sous contrainte de cisaillement. - **Viscosité cinématique** (ν = μ/ρ, m²/s) – utilisée pour les lubrifiants et les fuels lourds. - **Méthode** : Viscomètre capillaire (ASTM D445) ou viscomètre de rotation (ASTM D2983). - **Application** : Choix de la grade d’huile moteur selon la température ambiante (ex. 15W‑40 pour démarrage à froid à 15 °C). ### C. Point d’éclair et point d’inflammation - **Point d’éclair** (Flash point) : température minimale à laquelle les vapeurs du produit forment un mélange inflammable avec l’air. Mesuré en coupe fermée (ASTM D93) ou ouverte (ASTM D92). - **Point d’inflammation** (Fire point) : température à laquelle la combustion persiste après l’allumage. - **Seuil de sécurité** : Produits avec point d’éclair < 60 °C sont classés comme liquides inflammables (ex. essences, naphta). > **>** Le point d’éclair du naphta destiné au craquage vapeur est généralement inférieur to − 20 °C, ce qui impose un stockage sous azote ou sous couverture de gaz inerte. ### D. Indice d’octane et indice de cétane - **Indice d’octane** (RON, MON) : mesure de la résistance à l’autocallumage des essences. Plus l’indice est élevé, plus le carburant résiste au cliquetis. - **Indice de cétane** (CN) : mesure de la facilité d’allumage du gazole sous compression. Un CN élevé (≥ 45) indique un bon démarrage à froid et une combustion plus douce. - **Méthodes** : Moteur CFR (ASTM D2699 pour RON, ASTM D2700 pour MON) ; méthode du moteur à combustion constante pour le CN (ASTM D613). > **>** Un gasoil conforme aux normes camerounaises doit présenter un indice de cétane minimum de 48 afin d’assurer un démarrage fiable même lors des périodes de harmattan où les températures peuvent descendre à 10 °C. ### E. Pouvoir calorifique inférieur (PCI) - **Définition** : Quantité d’énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible, eau de combustion restant sous forme de vapeur (MJ/kg). - **Valeurs typiques** : Essence ≈ 44 MJ/kg, gasoil ≈ 43 MJ/kg, fuel lourd ≈ 40 MJ/kg, coke de pétrole ≈ 30 MJ/kg. - **Mesure** : Calorimètre à bombe (ASTM D240). - **Utilisation** : Dimensionnement des chaudières industrielles, calcul de la consommation de carburant pour les groupes électrogènes. > **>** Le PCI du fuel lourd utilisé dans les centrales thermiques de Kribi est de 40,2 MJ/kg, valeur qui sert de base aux contrats d’approvisionnement avec la SNH. ### F. Teneur en soufre et autres contaminants - **Soufre** : mesuré en poids pourcentage (ppm). Limites réglementaires : essences < 10 ppm, gasoil < 10 ppm (norme Euro V équivalente au Cameroun). - **Méthode** : Fluorescence X (ASTM D2622) ou spectrophotométrie UV (ASTM D5453). - **Conséquences** : Formation d’oxydes de soufre (SOx) lors de la combustion, corrosion des équipements, impact sur la santé publique. - **Traitement** : Hydrodésulfuration (HDS) dans les unités de traitement du gazole. > **>** La norme CAMEROON OIL STD 2023 impose une teneur maximale en soufre de 10 ppm pour les essences destinées aux véhicules particuliers afin de réduire les émissions de SOx dans les zones urbaines. ### G. Indice d’aniline et point de nuages - **Indice d’aniline** : mesure de l’aromaticité d’un carburant (température à laquelle un mélange égal de carburant et d’aniline devient homogène). Plus l’indice est bas, plus le carburant est aromatique. - **Point de nuages** : température à laquelle des cristaux de paraffine commencent à se former dans un carburant froid (important pour les fuels lourds en climat froid). - **Application** : Ajustement des additifs anti‑gélifiant pour le gasoil utilisé dans les régions de l’Ouest où les températures nocturnes peuvent atteindre 5 °C. > **>** Un gasoil avec un indice d’aniline supérieur à 60 °C est considéré comme peu aromatique, ce qui favorise une meilleure stabilité au stockage dans les dépôts du Nord‑Cameroun. --- ## Synthèse du chapitre - **Lubrifiants** : huiles de base + additifs ; propriétés clés = viscosité (SAE), indice de viscosité, point d’écoulement, TBN ; usage = moteurs, boîtes de vitesse, compresseurs ; sécurité = gants nitrile, stockage à l’abri de la chaleur. - **Bitume** : mélange d’asphaltenes, résines, huiles ; caractérisé par pénétration, point de ramollissement, ductilité ; usage = revêtement routier, étanchéité, pistes d’aéroports ; sécurité = protection thermique, masque contre vapeurs. - **Coke de pétrole** : résidu carboné, riche en carbone fixe ; usage = combustible fours à ciment, matière première anodes ; sécurité = contrôle poussières, masque anti‑poussière. - **Naphta** : fraction légère C₅‑C₁₂ ; très inflammable, point d’éclair < − 20 °C ; matière première du craquage vapeur ; stockage sous azote, détecteurs de vapeurs. - **Éthylène** : produit du craquage vapeur du naphta (température 800 °C, pression 1‑3 bar, vapeur/hc 0,3‑0,5) ; rendement ≈ 28 % en masse ; usage = polyéthylène, intermédiaires chimiques ; sécurité = détection fuites, torchère, LIE 2,7 %. - **Propriétés physico‑chimiques** : densité, viscosité, point d’éclair, indice d’octane/cétane, pouvoir calorifique, teneur en soufre, indice d’aniline, point de nuages ; mesurées selon normes ASTM/ISO ; essentielles pour la conformité aux spécifications camerounaises (CAMEROON OIL STD 2023) et la sécurité opérationnelle. --- ## Glossaire - **Viscosité cinématique** : rapport de la viscosité dynamique à la densité (m²/s), mesure de la facilité d’écoulement d’un fluide sous gravité. - **Point de ramollissement** : température à laquelle un bitume devient suffisamment mou pour laisser pénétrer une bille métallique sous charge définie (ASTM D36). - **Craquage vapeur** : procédé thermique en présence de vapeur d’eau qui rompt les liaisons C‑C des hydrocarbures pour produire des oléfines (éthylène, propylène). - **Indice de cétane (CN)** : mesure de la qualité d’allumage du gazole sous compression ; plus le CN est élevé, plus le démarrage à froid est facile. - **Pouvoir calorifique inférieur (PCI)** : énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible, eau de combustion sous forme de vapeur (MJ/kg). - **Teneur en soufre** : quantité de soufre présente dans un produit pétrolier, exprimée en parties par million (ppm) ; critère environnemental majeur. - **Indice d’aniline** : température à laquelle un mélange égal de carburant et d’aniline devient homogène ; indicateur de l’aromaticité. - **Point de nuages** : température à laquelle des cristaux de paraffine commencent à apparaître dans un carburant froid, pertinent pour les fuels lourds en climat froid. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Choix d’un lubrifiant pour un camion benne **Situation** : Un camion benne de 20 t effectue des trajets entre Douala et Yaoundé. La température minimale nocturne enregistrée sur le trajet est 12 °C, la maximale diurne 38 °C. Le moteur est un diesel 6 cylindres de 300 kW. **Consigne** : Déterminer la grade SAE appropriée selon la norme J300, justifier le choix en fonction de la viscosité à basse et haute température, et préciser l’additif TBN recommandé si le carburant contient 0,05 % de soufre. **Corrigé** : 1. Selon SAE J300, la lettre « W » indique la viscosité à basse température. Pour un démarrage à 12 °C, une viscosité de 15 W est suffisante (15 W correspond à une viscosité maximale de 7 000 mPa·s à − 10 °C ; à 12 °C la viscosité sera bien inférieure). 2. À haute température (38 °C), on cherche une viscosité qui assure une lubrification efficace sans être trop épaisse. Une grade 40 donne une viscosité cinématique à 100 °C comprise entre 12,5 et 16,3 mm²/s, adaptée aux moteurs diesel de puissance moyenne. 3. Donc la grade **SAE 15W‑40** est recommandée. 4. Le TBN doit neutraliser les acides sulfurique formés par la combustion du soufre. Avec 0,05 % S (500 ppm), la formation d’acide sulfurique est d’environ 0,05 % × 2 = 0,1 % masse H₂SO₄ (approx.). Un TBN de **8 mg KOH/g** est généralement suffisant pour ce niveau de soufre (les huiles moteur modernes offrent TBN 8‑12). **Réponse** : Utiliser une huile moteur SAE 15W‑40 avec TBN ≥ 8 mg KOH/g. ### Exercice 2 – Calcul du débit d’éthylène attendu d’une unité de craquage vapeur **Situation** : Une unité de craquage vapeur traite du naphta à un débit de 120 t/j. Le rendement en éthylène de l’unité est de 26 % en masse. **Consigne** : Calculer le débit massique d’éthylène produit (t/j) et le débit volumétrique (m³/h) sachant que la densité de l’éthylène à 20 °C et 1 bar est 0,567 kg/m³. **Corrigé** : - Débit massique = 0,26 × 120 t/j = **31,2 t/j**. - Conversion en kg/h : 31,2 t/j × 1 000 kg/t ÷ 24 h = **1 300 kg/h**. - Débit volumétrique = débit massique / densité = 1 300 kg/h ÷ 0,567 kg/m³ ≈ **2 293 m³/h**. **Réponse** : 31,2 t/j d’éthylène, soit environ 2 300 m³/h à 20 °C, 1 bar. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Utiliser une huile moteur avec une viscosité trop faible (ex. 5W‑30) en période de forte chaleur (> 35 °C) | Dégradation rapide du film lubrifiant, usure prématurée des coussinets, surchauffe du moteur | Vérifier la température maximale d’exploitation et choisir une grade dont la viscosité à 100 °C reste dans l’intervalle recommandé (ex. 15W‑40 ou 20W‑50 selon le moteur). | | 2 | Stocker du naphta dans un réservoir sans couverture d’azote ni détecteur de vapeurs | Risque d’explosion par accumulation de vapeurs inflammables, incendie | Maintenir une légère surpression d’azote (0,1‑0,2 bar) au-dessus du liquide, installer des détecteurs LIE et des systèmes de coupure d’alimentation en cas de détection. | | 3 | Négliger le contrôle du point d’éclair lors de la réception d’un lot de gasoil | Utilisation d’un produit trop volatil dans un moteur à injection directe, risque de cliquetis et de dommages aux injecteurs | Effectuer systématiquement un test au flash point (ASTM D93) à la réception ; rejeter tout lot avec point d’éclair < 55 °C pour les moteurs diesel modernes. | | 4 | Omettre de porter un masque anti‑poussière lors du maniement du coke de pétrole | Inhalation de poussières fines pouvant provoquer des affections respiratoires (silicose, bronchite) | Porter systématiquement un masque de classe P2 ou supérieur, utiliser des systèmes d’aspiration localisée et maintenir les zones de stockage humides si possible. | | 5 | Confondre indice d’octane et indice de cétane lors du choix d’un carburant pour un moteur à allumage commandé | Utilisation d’un gazole avec faible CN dans un moteur essence, leading to knocking ou mauvaise combustion | Rappeler que l’indice d’octane concerne les essences (résistance au cliquetis) et l’indice de cétane concerne les gazoles (facilité d’allumage) ; consulter la fiche technique du produit avant le remplissage. | | 6 | Ne pas ajuster l’additif anti‑gélifiant du gasoil en période de harmattan (température < 10 °C) | Formation de cristaux de paraffine, colmatage des filtres et des lignes d’alimentation, panne moteur | Ajouter un additif anti‑gélifiant (ex. polymère d’acétate de vinyle) selon les recommandations du fournisseur lorsque la température moyenne journalière descend sous 10 °C, vérifier la fluidité par essai de point de nuages. | --- *Fin du cours.*