Les industries pétrochimiques utilisent des filtres très spécifiques, pour traiter des composés chimiquement agressifs, souvent très visqueux et portés à haute température. Selon le domaine, les fluides à filtrer sont très variés : huiles, carburants, gaz mais aussi eau et solvants. Dans les raffineries de pétrole, la pureté du carburant produit est crucial. Dans l’industrie des polymères, des dispositifs filtrants sont utilisés dès l’introduction des matières premières dans le réacteur intermédiaire, puis à chaque stade de la synthèse : polymérisateur, mélangeur, extrudeuse ... Les substances à filtrer y sont de rhéologies (eau, solvant polymères fondus) et de compositions chimiques très diverses (polypropylène, polyester, polyéthylène…). Face à ces défis en matière de filtration, les filtres métalliques offrent de sérieux atouts.
Du pétrole brut aux carburants et aux plastiques
Dans une raffinerie, le brut est transformé en produits finis en trois étapes : séparation, conversion et amélioration.
Première étape : séparer les molécules par distillation en fonction de leurs poids moléculaires respectifs. Le pétrole est chauffé pour cela à des températures de l'ordre de 350 à 400 °C pour en provoquer l’évaporation, dans une tour de distillation. Les vapeurs de brut remontent dans la tour alors que les molécules les plus lourdes, aussi appelées résidus lourds, restent à la base sans s’évaporer. À mesure que les vapeurs s'élèvent, les molécules se condensent en liquides les unes après les autres en fonction de leur taille, sur les « plateaux de distillation » répartis sur toute la hauteur de la tour. Seuls les composés les plus légers atteignent le sommet de la tour, où la température n’est plus que de 150 °C environ, sous forme gazeuse. Chaque plateau correspond à une fraction de distillation, appelée aussi coupe pétrolière. A la base de la tour les bitumes (hydrocarbures les plus visqueux), aux sommet les gaz.
A noter que des produits de densité moyenne se trouvent souvent piégés dans les résidus les plus lourds. On soumet donc ces derniers à une seconde distillation qui permettra d'extraire les produits intermédiaires (fiouls lourds et gazole).
Après les phases de séparation, et pour valoriser les produits lourds, on casse ces molécules lourdes en molécules plus légères. Ce procédé de conversion, réalisé à 500 °C, est appelé craquage catalytique. En moyenne, 75 % des produits lourds ainsi convertis sont transformés en gaz, essence et gazole. D’autres procédés, comme l'hydrocraquage, permettent d’améliorer ce résultat.
Enfin, une dernière étape, dite d'amélioration, permet de réduire fortement la teneur en molécules corrosives ou dangereuses pour l'environnement, comme les composés soufrés. La désulfuration du gazole s'effectue à 370 °C, sous haute pression (60 bars) et en présence d'hydrogène. On extrait ainsi le soufre présent dans les produits pétroliers sous forme de sulfure d’hydrogène (H₂S). Le kérosène, le butane et le propane sont, quant à eux, lavés à la soude pour être débarrassés des thiols qu'ils contiennent.
A l'issue du raffinage, chaque composé issu du pétrole brut répond à un usage bien spécifique :
l'essence et le gazole sont utilisés pour les moteurs automobiles, le GPL (gaz de pétrole liquéfié) est utilisé comme carburant pour les véhicules à gaz, le butane et le propane couvrent les besoins domestiques, le kérosène est employé comme carburant dans l'aéronautique, le naphta sert de matière première en pétrochimie, le fioul domestique est utilisé comme combustible de chauffage, les huiles servent à fabriquer des lubrifiants, enfin le bitume est utilisé pour recouvrir les routes.
Raffineries : produire, filtrer et acheminer les carburants
Dans les raffineries, des filtres sont utilisés tout au long de la chaîne de production : en amont (filtration sur les circuits d'injection d’eau, protection des membranes d'osmose inverse, eaux de process) mais aussi en aval (séparation des gaz, réductions des amines, lits de catalyseurs...).
Dans l'industrie pétrolière, on utilise de grandes quantités d'eau, pour maintenir la pression et augmenter la productivité. Une attention particulière doit alors être apportée à sa qualité, quelle soit douce ou salée. L'eau peut en effet être chargée d’algues ou de plancton, de limons et d'autres sédiments qui peuvent nuire aux performances des installations, voire les endommager.
Une fois les carburants obtenus, ceux-ci sont stockés dans de grandes cuves, avant d'être distribués, via des pipelines ou des citernes. Pendant cette phase de stockage, ils se chargent en polluants (rouille, petites particules), ce qui peut causer des difficultés en amont des points de distribution, endommager les équipements des clients finaux, voire faire baisser la qualité du produit final. Les carburants doivent donc impérativement être filtrés et homogénéisés avant livraison pour éliminer ces contaminants et l'eau qu'ils pourraient contenir. On utilise pour cela des filtres à médias métalliques ou, plus rarement, polymères. Ces dispositifs doivent souvent être conçus sur mesure pour s'adapter aux dimensions des installations sur lesquelles ils seront installés.
Exemple de cartouche constituée de fibres en Inconel® 600 tissées :
Pétrochimie : élaborer des plastiques pétrosourcés chimiquement purs
L'industrie des polymères transforment certains composés issus du raffinage du pétrole brut (naphta notamment) en plastiques à haute valeur ajoutée : production de fibres PET (polytéréphtalate d'éthylène) et PP (polypropylène) pour la fabrication des bouteilles plastiques, de films d'emballage, de matériaux thermoplastiques techniques ou de films à rayons X … Ces matières plastiques sont obtenues par polymérisation, une réaction chimique qui permet de créer un enchaînement répétitif de petites molécules, pour former de grandes chaînes moléculaires, les polymères.
Les processus de production des polymères à partir de dérivés du pétrole font intervenir plusieurs étapes de filtration . Pour obtenir des fibres de haute qualité, avec peu de casse et un rendement élevé, la fusion du polymère doit être homogène, sans formation de gel ni surconcentrations importantes. Mettre en oeuvre des filtres permet d'améliorer les propriétés des polymères élaborés. Dans l'industrie des polymères, les cartouches filtrantes doivent être réalisées dans un matériau capable de résister aux conditions opératoires drastiques régnant sur la chaîne de production : pression et température élevées, corrosion, viscosité importante... On utilise alors des médias filtrants métalliques sous forme de filtres plissés et cylindriques, de filtres à capsule ou de filtres à disque. Ces filtres sont fournis avec une variété de matériels d'embout pour s'adapter à toutes les configurations de carters de filtration ou de cuve existantes.
Si vous souhaitez en savoir plus sur les différentes solutions de filtration dans l'industrie de la pétrochimie, n'hésitez pas à lire les articles suivants :
Tout savoir sur la les filtres à bougies et à disques pour le traitement des matières plastiques
Découvrir un exemple de filtration du polypropylène
En apprendre davantage sur la filtration du polyisobutène
Zoom sur les filtres métalliques en pétrochimie
Les filtres métalliques sont largement employés dans les raffineries et les usines de production de matière plastiques dérivées des produits pétroliers car leurs caractéristiques permettent de répondre aux exigences particulières de ces industries.
Dans les raffineries, on utilise par exemple des cartouches filtrantes plissées fabriquées à partir de fibres métalliques assemblées par frittage. Elles ont une excellente capacité de rétention des impuretés tout en présentant une porosité élevée. Elles peuvent être nettoyées sur place, sans interrompre durablement le processus de filtration.
Pour élaborer des films en polypropylène, on peut mettre en oeuvre des dispositifs filtrants à base de poudres métalliques, en acier inoxydable ou dans des alliages innovants à base de nickel comme l'Hastelloy®, particulièrement résistants à la corrosion. Ce type de média permet de fabriquer des éléments filtrants assurant une filtration en profondeur efficace et ce avec une bonne durée de vie.
Ces filtres métalliques sont disponibles dans une gamme de tailles de pores allant de quelques microns à des structures submicroniques. Les médias filtrants sont moulés en éléments cylindriques ou sous forme de cartouches plissés.
Pour en savoir plus, retrouver notre article dédié à l'utilisation des filtres métalliques
Conseil de l'expert :
Quelle que soit la technologie employée (fibres, toiles ou poudres), tous les filtres métalliques réalisés présentent une excellente résistance mécanique et résistent à la détérioration dans les applications critiques. Ils peuvent être réalisés sur mesure pour s'adapter parfaitement aux installations existantes.
