Le lien croissant entre les améliorations apportées à la raffinerie et la production de matières premières pétrochimiques

Les améliorations apportées aux raffineries sont devenues une stratégie centrale pour répondre à la demande mondiale croissante de matières premières pétrochimiques, les matières premières fondamentales utilisées pour produire des plastiques, des fibres synthétiques, des résines, des solvants et des milliers d'autres produits chimiques.À mesure que la population mondiale grandit et que les économies en développement s'intensifient, l'appel à ces matières s'intensifie. Les raffineries traditionnelles, conçues à l'origine pour maximiser les carburants de transport comme l'essence et le diesel, sont actuellement réaménagées et reconfigurées pour pivoter vers la production de flux de matières premières de haute pureté comme le naphta, l'éthane, le propane et les aromatiques mixtes.

Le complexe moderne raffinerie-pétrochimique est de plus en plus considéré comme un système de production unique optimisé plutôt que comme deux industries distinctes.En améliorant les unités existantes et en ajoutant de nouvelles technologies de conversion et de séparation, les raffineurs peuvent saisir des marges plus élevées, réduire la consommation d'énergie et réduire l'intensité de carbone.

Importance stratégique des améliorations apportées aux raffineries pour l'approvisionnement en matières premières

Les matières premières pétrochimiques sont principalement dérivées de fractions de pétrole brut et de liquides de gaz naturel (LGN).Les matières premières les plus courantes sont le naphta léger (utilisé dans les craquelins à vapeur pour produire de l'éthylène et du propylène), le naphta lourd (pour la production d'aromates), le GPL (propane et butane) et l'éthane. Historiquement, les raffineries ont envoyé ces fractions dans des réservoirs de combustible ou les ont vendues sur le marché libre aux prix des produits de base.

Les améliorations apportées à la raffinerie permettent à une installation de :

  • Augmenter le rendement des fractions lumineuses qui sont des matières premières idéales pour les craquelins et les reformeurs.
  • Améliorer la qualité des matières premières en éliminant le soufre, l'azote, les métaux et d'autres contaminants qui empoisonnent les catalyseurs en aval.
  • Enhancer la flexibilité opérationnelle[ pour traiter une plus grande gamme de pétroles bruts (y compris les bruts acides plus lourds) tout en produisant des matières premières à haute pureté.
  • Réduire la consommation d'énergie et les émissions[ par une intégration plus efficace de la chaleur, des catalyseurs avancés et des systèmes de contrôle à la fine pointe de la technologie.

Sans ces améliorations, de nombreuses raffineries auraient du mal à concurrencer un marché qui récompense de plus en plus la production chimique. La demande mondiale de matières premières pétrochimiques devrait croître de 3 à 4 % par an au cours de la prochaine décennie, la majeure partie de cette croissance venant d'Asie et du Moyen-Orient. Les améliorations ne sont donc pas facultatives; elles sont essentielles pour maintenir un modèle d'affaires viable dans une période de transition énergétique.

Améliorations clés de la raffinerie qui stimulent la production de matières premières

Un programme complet de modernisation de raffinerie peut cibler plusieurs unités de procédés simultanément. Ci-dessous, nous examinons les améliorations les plus efficaces et la façon dont elles contribuent à la qualité et à la quantité des matières premières.

Unités de distillation brutes (CDU) modernisées

L'unité de distillation brute est la première étape importante de la transformation de toute raffinerie. La mise à niveau vers les CDU, comme le remplacement des plateaux par des emballages à haute efficacité, l'installation de réseaux d'échangeurs de chaleur avancés et la mise en place d'un meilleur contrôle du reflux, permettent une séparation plus nette du pétrole brut en fractions constituantes. Cela donne une plus grande proportion de naphta à circulation droite (C5–C12) et de gaz plus légers (C1–C4) tout en minimisant la quantité de matériau léger précieux perdu pour les flux plus lourds.

Améliorations du crack catalytique des fluides (FCC)

L'unité de FAC a longtemps été le cheval de bataille de la production d'essence, mais elle peut être adaptée pour produire plus d'oléfines légères (propylène, butylène) et de naphta à haute teneur en octane pour une utilisation pétrochimique.

  • Installer les formulations de catalyseur avancées qui maximisent la sélectivité des oléfines légères sans sacrifier la conversion.
  • Modifier la conception du riser et du régénérateur pour permettre des temps de résidence plus élevés et des profils de température optimisés.
  • Ajouter une section de récupération du propylène (p. ex., un séparateur de propylène) pour séparer le propylène de qualité chimique du gaz hors gaz de FCC.
  • Intégration avec une unité d'alkylation en aval pour convertir les butylènes en alkylate de haute valeur, un composant d'essence propre, ou en isobutylène pour la production de MTBE/ETBE.

Les mises à niveau de FAC peuvent augmenter les rendements en propylène de 2 % à 4 % par rapport à la matière première, faisant de la FCC une source importante d'intermédiaires chimiques.

Améliorations des systèmes de décraquage

L'hydrocraquage est un procédé de conversion polyvalent qui coupe les gazoles lourds et les gazoles sous vide en produits plus légers sous haute pression d'hydrogène. La mise à niveau d'un hydrocraqueur pour produire plus de naphta et de GPL — plutôt que de diesel — exige des ajustements dans la sélection des catalyseurs, la température de fonctionnement et la pression partielle de l'hydrogène. Les catalyseurs modernes à haute activité peuvent sélectivement cycler les naphthènes ouverts et les paraffines de fissure pour produire des rendements élevés de naphta léger riche en molécules C5-C6 idéales pour le craquage à la vapeur.

Améliorations de la réforme catalytique

Les reformeurs catalytiques convertissent le naphta à faible teneur en octane en reformate à forte teneur en octane (riche en aromatiques comme le benzène, le toluène et le xylène), ainsi qu'en gaz hors-gaz riche en hydrogène.

  • Technologie de régénération continue des catalyseurs qui maintient l'activité des catalyseurs et la sélectivité, produisant des rendements aromatiques plus élevés.
  • Hydrotraitement avancé des aliments pour animaux pour éliminer les poisons catalyseurs (sulfur, azote, métaux) avant de se reformer.
  • Conditions d'exploitation optimales (pression, température, vitesse de l'espace) pour maximiser la formation de benzène-toluène-xylène (BTX) tout en réduisant au minimum les fissures indésirables aux gaz plus légers.

Un reformateur de CCR moderne peut produire du reformate contenant 60 à 70 % d'aromatiques, nettement plus élevé que les anciennes unités à lit fixe. Ce reformate est ensuite envoyé à l'unité d'extraction des aromatiques pour récupérer le benzène, le toluène et les xylènes à haute pureté, éléments de base des polymères, des fibres et des solvants.

Améliorations du traitement des eaux usées (Hydrotraitement et hydrodéssulfuration)

Les normes environnementales strictes et les exigences en matière de catalyseur exigent des niveaux de soufre et d'azote extrêmement faibles dans les matières premières pétrochimiques. Les unités hydrotraitées éliminent ces hétéroatomes en les réagissant avec de l'hydrogène sur un catalyseur.

  • Installation de catalyseurs à plus haute activité qui permettent une déssulfurisation plus profonde à des températures plus basses (réduction de la consommation d'énergie).
  • Ajout d'un deuxième stade[ pour l'élimination des aromatiques et des oléfines saturées, particulièrement utile pour la production de naphta à haute pureté pour les craquelins d'éthylène.
  • Rénover les installations internes du réacteur pour améliorer le contact liquide-solide et augmenter le débit sans construire de nouveau réacteur.

L'amélioration de l'hydrotraitement permet de s'assurer que les matières premières répondent aux spécifications strictes requises par les procédés pétrochimiques (p. ex., moins de 0,5 ppm de soufre pour l'alimentation en crackers à vapeur).

Récupération et amélioration des fractionnements

De nombreuses raffineries ont des quantités importantes d'hydrocarbures légers dissous dans divers cours d'eau, soit les gaz de sortie de FCC, l'hydrocraquage, la cokéfaction et la réforme.Les unités de récupération et de fractionnement du gaz (p. ex., le dé-éthanol, le dépropaniseur, le débutaniseur) permettent à la raffinerie de capter du propane, du butane et de l'éthane qui seraient autrement brûlés comme combustible.

Intégration de la cokéfaction retardée et de la modernisation des résidus

Une unité de coker retardée transforme les résidus lourds en gazole, naphta et coke de pétrole plus légers. L'amélioration de la technologie de coker – comme le cycle optimisé du tambour, la conception avancée du chauffage et l'amélioration du fractionnement – peut augmenter de 3 % à 5 % le rendement des naphta de coker (une matière première pour les crackers de naphta). Certaines raffineries envisagent même de remplacer les cokers par des hydrocraquages plus sélectifs des résidus ou des hydrocraquages en phase lisier pour produire des rendements encore plus élevés des distillats et des naphta.

Types de matières premières améliorés par des améliorations

Les améliorations apportées aux raffineries sont adaptées à des catégories spécifiques de matières premières, chacune ayant des propriétés et des utilisations chimiques distinctes.

Naphta léger (C5–C12)

Les naphta légers sont la matière première préférée des craquelins à vapeur car ils produisent des niveaux élevés d'éthylène et de propylène. Les améliorations qui augmentent le rendement de naphta léger, comme une meilleure fractionnement de la CDU et des modifications de FCC, sont essentielles.

Éthane et GPL (Propane/Butane)

L'éthane est la principale matière première pour la production d'oléfines dans les régions où le gaz naturel est abondant (p. ex. en Amérique du Nord, au Moyen-Orient). Cependant, les raffineries peuvent également produire de l'éthane à partir de gaz hors-gaz par récupération ou absorption cryogénique.

Réforme et aromatique (BTX)

Le reformage à partir de reformage catalytique est la principale source de benzène, toluène et xylènes. La mise à niveau des reformeurs avec la technologie CCR augmente le rendement des aromatiques et réduit la consommation d'hydrogène.

Matières premières lourdes (huiles de gaz)

Bien que les matières premières plus légères soient préférées pour le craquage, certains procédés pétrochimiques (p. ex. hydrocraquage pour produire des huiles de base lubrifiantes) peuvent utiliser des gasoils lourds.

Intégration des usines de raffinage et de pétrochimie

L'une des tendances les plus importantes de l'industrie est l'intégration physique et opérationnelle des raffineries avec les usines pétrochimiques, souvent appelées complexes pétrochimiques intégrés de raffinerie (IRPC).

  • Componts directs qui transfèrent du naphta, du GPL et du reformage de la raffinerie au groupe d'extraction du cracker et des aromatiques, réduisant ainsi les coûts de transport et les pertes.
  • Systèmes utilitaires communs (steam, puissance, hydrogène) qui améliorent l'efficacité énergétique globale.
  • Gestion de l'hydrogène partagée où l'hydrogène produit dans le reformage catalytique et FCC est utilisé dans les unités de traitement hydraulique, et l'hydrogène excédentaire de l'usine pétrochimique est retourné à la raffinerie.
  • La flexibilité des matières premières[ qui permet au cracker d'accepter un mélange de naphta provenant de la CDU, de GPL provenant de la récupération du gaz et même de bouts de lumière recyclés provenant de l'usine pétrochimique elle-même.

De nombreux complexes récemment construits, comme ceux de l'Arabie saoudite, de la Chine et de l'Inde, sont conçus à partir de la base comme des unités intégrées. Cependant, pour les raffineries existantes, une série de mises à niveau peut progressivement déplacer l'installation vers une intégration complète.

Avantages économiques des améliorations apportées aux raffineries pour la production de matières premières

Les produits pétrochimiques ont généralement des marges plus élevées que les carburants de transport, et la croissance de la demande de produits chimiques est plus résiliente.

  • Des marges bénéficiaires plus élevées:[ La production de naphta ou de propylène à haute pureté peut donner des marges 2 à 3 fois plus élevées que celles de l'essence ou du diesel, selon le cycle du marché.
  • La dépendance réduite à l'égard des marchés volatils des combustibles :[ La diversification des produits chimiques stabilise les flux de revenus, car la demande chimique est moins sensible aux prix du pétrole et aux cycles économiques.
  • Utilisation accrue de la capacité:[ Les améliorations permettent souvent aux raffineries de fonctionner plus près de la pleine capacité en conciliant l'offre de matières premières et la demande pétrochimique.
  • Coûts d'exploitation inférieurs:[ Les améliorations de l'efficacité énergétique découlant des mises à niveau réduisent les coûts de carburant et d'électricité, améliorant ainsi le résultat.
  • Accès aux marchés à forte croissance:[ L'Asie et les autres régions émergentes ont un fort appétit pour les matières plastiques, les emballages et les matériaux de construction, qui dépendent tous de matières premières pétrochimiques.

Selon un rapport de l'Agence internationale de l'énergie , les produits pétrochimiques devraient représenter près de la moitié de la croissance de la demande mondiale de pétrole d'ici 2050, faisant de l'intégration des produits pétrochimiques des raffineries un impératif stratégique pour la rentabilité à long terme.

Impacts sur l'environnement et la durabilité

Les améliorations apportées aux raffineries contribuent également à la durabilité de l'environnement de plusieurs façons. Premièrement, de nombreuses améliorations réduisent directement les émissions en améliorant l'efficacité énergétique. Par exemple, remplacer les anciens fours par des brûleurs à haute efficacité, installer des systèmes de récupération de chaleur et optimiser les contrôles des procédés peuvent réduire les émissions de CO2 par baril d'aliments pour animaux de 5 % à 15 %. Deuxièmement, produire davantage de matières premières provenant des raffineries existantes réduit la nécessité de construire de nouvelles usines pétrochimiques autonomes, qui peuvent avoir une plus grande empreinte environnementale.

De plus, la capacité de produire localement des matières premières légères peut réduire le besoin de transport de pétrole brut ou de produits chimiques intermédiaires sur de longues distances, réduisant ainsi les émissions liées au transport. Certaines raffineries explorent également l'utilisation d'hydrogène renouvelable (produit par électrolyse) dans les unités de traitement d'hydroélectricité, ce qui pourrait éventuellement permettre une production de matières premières neutres en carbone.

Il convient de noter que l'industrie pétrochimique elle-même est soumise à des pressions pour réduire son impact environnemental.En améliorant les raffineries pour produire des matières premières plus propres – par exemple, avec une très faible teneur en soufre et en aromatiques – les procédés chimiques en aval peuvent fonctionner plus efficacement et avec moins de déchets.

Tendances futures : numérisation, modernisations modulaires et économie circulaire

La prochaine vague de mises à niveau de raffineries sera probablement stimulée par la numérisation et la construction modulaire. Le contrôle avancé des procédés (APC) et l'optimisation en temps réel (RTO) peuvent maximiser le rendement des matières premières tout en minimisant l'utilisation d'énergie.

Les améliorations modulaires, où des sections d'une unité sont construites hors site puis assemblées sur place, peuvent raccourcir les délais de construction et réduire les dépenses en immobilisations.

Enfin, l'économie circulaire pousse les raffineries à considérer le recyclage des déchets plastiques comme une source de matières premières. Des améliorations qui permettent le co-traitement de l'huile de pyrolyse à partir de matières plastiques résiduelles dans les unités existantes de FAC ou d'hydrocraquerie sont en cours de développement.

Des entreprises comme Honeywell UOP et Shell[ sont déjà des solutions intégrées de pointe qui combinent mise à niveau, numérisation et circularité. À mesure que ces technologies mûrissent, la raffinerie de l'avenir sera un fournisseur flexible, efficace et durable de matières premières pétrochimiques.

Conclusion

En modernisant les unités de distillation brute, FAC, d'hydrocraquage, de reformage et d'hydrotraitement, les raffineries peuvent augmenter les rendements du naphta léger, du GPL et des aromatiques, le noyau vital de l'industrie chimique. Ces améliorations améliorent également la qualité des matières premières, améliorent la flexibilité opérationnelle et réduisent l'impact environnemental. L'analyse de rentabilité est solide, avec des marges plus élevées et une demande plus stable par rapport aux carburants traditionnels. À mesure que le monde se dirige vers un avenir à faible teneur en carbone, la capacité des raffineries à pivoter vers les produits chimiques sera un facteur clé de leur survie et de leur succès.

En savoir plus sur les matières premières pétrochimiques de l'Association européenne de pétrochimie.