Vapocraquage

Ce procédé est utilisé en pétrochimie, mais le raffineur en profite pour récupérer les sous-produits, tels que les C₃, C₄, C₅ et le raffinat, pour être utilisés dans la composition des carburants.

En effet, l'objectif de ce procédé est de produire principalement de l'éthylène (C₂H₄) et du propylène (C₃H₆) qui sont des bases dans la fabrication du polyéthylène et du polypropylène par polymérisation. Ces deux produits font partie des grands intermédiaires.

La charge utilisée est soit du naphta venant de la raffinerie ou acheté à l'extérieur, soit de l'éthane (surtout au Moyen-Orient) et/ou du propane ou du butane. L'éthane et le propane proviennent aussi du craquage du naphta qui en produit par des réactions secondaires (par exemple lors des hydrogénations des alcynes en alcènes).

Dans l'industrie du pétrole, on cherche toujours à maximiser la production des matières à haute valeur marchande et le fait de briser les chaînes longues pour obtenir des chaînes plus courtes est un objectif utile et profitable.

Il faut signaler que l'éthylène et le propylène n'existent que rarement en grandes quantités dans la nature car instables. En effet, en termes de chimie, on dit que ces produits sont insaturés c’est-à-dire que certaines des liaisons servant à relier les atomes de carbone entre eux sont doubles. Ces composés insaturés sont moins stables que les composés saturés qui ne possèdent que des liaisons simples. Ils ont donc tendance à se saturer en captant soit d'autres atomes d'hydrogène ou encore des atomes d'oxygène.

L'opération pétrochimique consiste à prendre une coupe naphta plus ou moins lourde, ou une coupe gaz éthane/propane, contenant des hydrocarbures saturés ayant de longues chaînes hydrocarbonées d'une dizaine d'atomes de carbone.

L'unité fonctionne à très haute température et à basse pression. On introduit ces coupes naphta ou gaz dans le vapocraqueur qui possède une série de fours. À l'intérieur de cette unité règne une température très élevée, de l'ordre de 700 °C, et en présence de vapeur d'eau (de l'ordre de 30 à 100 % en poids), dite de dilution, laquelle réduit le « temps de résidence » et évite la formation de coke. Dans ces conditions, les molécules d'hydrocarbures du naphta ou du gaz se scindent en plusieurs morceaux, donnant naissance à des gaz (dihydrogène, méthane, éthane, etc.), de l'éthylène, du propylène, du butadiène, de l'isobutène et d'autres produits insaturés, ainsi qu'une coupe appelée « raffinât » utilisée comme constituant des carburants.

Selon la qualité du naphta ou du gaz, on obtient des rendements d'éthylène et de propylène plus ou moins élevés. En effet, pour avoir des rendements élevés en éthylène et en propylène, il est recommandé d'avoir des charges en majorité « paraffiniques » (voir l'article Pétrole) car la structure de ces deux produits consiste en des chaînes paraffiniques. Un pétrole peut être paraffinique (contenant beaucoup de paraffines, chaînes linéaires sans cycle), naphténique (cycles à liaisons simples), ou aromatique (cycles avec doubles liaisons conjuguées).

Pour avoir une idée, à la sortie de l'unité, avec une charge de naphta, on a un rendement de l'ordre de 25 % à 30 % d'éthylène, de 15 % de propylène, le reste est constitué par du méthane, des composés en C₄, de l'essence riche en composés aromatiques envoyés vers l'unité d'extraction des hydrocarbures aromatiques.

Le naphta n'est pas la seule charge alimentant un vapocraqueur. Toute molécule relativement longue et susceptible d'être scindée en plusieurs fragments peut être « craquée ». C'est ainsi qu'on peut utiliser également des gasoils et des distillats ainsi que certains hydrocarbures aromatiques comme charges.

L'éthylène issu du vapocraquage est utilisé dans la fabrication de chlorure de vinyle (VC), de l'éthylbenzène, de l'oxyde d'éthylène et de l'éthanol. À partir du chlorure de vinyle, on fabrique par polymérisation du polyvinyle chlorure (PVC), matière plastique aux multiples usages : tuyauterie plastique, le bâtiment, l'ameublement, les bouteilles plastiques, l'habillement etc.

Par vapocraquage, on obtient essentiellement des produits oléfiniques dont nous allons voir ci-après l'utilisation.

Dérivés des oléfines

À la sortie du vapocraqueur, on obtient surtout des oléfines telles que l'éthylène, le propylène, le butadiène, l'isobutène, le n-butène et l'isoprène. Ce sont des produits intermédiaires qui, par des traitements appropriés (chloration, oxydation, polymérisation, etc.) donnent naissance à toute une gamme de produits nouveaux. Les schémas ci-après montrent toutes les possibilités de fabrications à partir de ces grands intermédiaires.

Ci-dessous, les dérivés de l'éthylène :

Le schéma suivant donne les transformations du propylène :

Le schéma ci-après montre les transformations du butadiène :

Enfin, les transformations de l'isobutène, du n-butène et de l'isoprène sont indiquées dans le schéma ci-après :

Les composés aromatiques produits au cours des réactions de vapocraquage sont, après hydrotraitement, extraits de l'essence qui les contient. En général, on fait appel pour l'extraction à un solvant, le diméthylsulfoxyde (DMSO) additionné d'un certain pourcentage d'eau. La réextraction des composés aromatiques de leur association avec ce solvant est ensuite obtenue par le butane, qui est non aromatique comme les autres constituants de la charge du vapocraqueur, mais qui, contrairement à ces derniers, se sépare aisément des composés aromatiques par distillation.

L'extraction et la réextraction des composés aromatiques sont conduites dans des colonnes pleines de liquide, les extracteurs, munies d'un arbre rotatif portant des turbines d'agitation. On isole ainsi le benzène, le toluène et les xylènes (ortho et para).

Dérivés des composés aromatiques

Tous les composés aromatiques, une fois extraits et purifiés, servent de matières premières pour d'autres réactions d'hydrogénation ou d'oxydation afin de conduire à des plastifiants, des solvants, des fibres, des insecticides et bien d'autres produits. On peut voir ci-après les différents schémas de transformations du benzène, du cumène, du toluène et des xylènes ortho et para.

Les transformations du benzène peuvent conduire à des produits selon le schéma ci-dessous :

Quant au cumène, celui-ci peut conduire aux produits suivants :

Pour terminer, le toluène, l'o-xylène et le p-xylène peuvent générer les produits ci-après :