Propane

Contexte

Le propane est un gaz naturel composé de trois atomes de carbone et de huit atomes d'hydrogène. Il est créé avec une variété d'autres hydrocarbures (tels que le pétrole brut, le butane et l'essence) par la décomposition et la réaction de la matière organique sur de longues périodes de temps. Une fois libéré des champs pétrolifères au plus profond de la Terre, le propane est séparé des autres produits pétrochimiques et raffiné à des fins commerciales. Le propane appartient à une classe de matériaux connus sous le nom de gaz de pétrole liquéfiés (GPL), qui sont connus pour leur capacité à être convertis en liquide sous des pressions relativement basses. Sous forme liquide, le propane est 270 fois plus compact que sous forme gazeuse, ce qui lui permet d'être facilement transporté et stocké sous forme liquide jusqu'à son utilisation. Environ 15 milliards de gallons (57 milliards de L) de propane sont consommés chaque année aux États-Unis comme gaz combustible. Les plus grands consommateurs sont les industries chimiques et manufacturières, qui utilisent le propane comme produits chimiques intermédiaires et propulseurs d'aérosols, suivies des résidences et des établissements commerciaux, qui utilisent le propane pour le chauffage et dans les sécheuses et les grils portatifs.

La valeur des produits pétroliers est reconnue depuis longtemps par le monde civilisé, avec des exemples documentés de leur utilisation remontant à plus de 5 000 ans. Les anciens Mésopotamiens utilisaient des composés de type goudron dérivés du pétrole pour de nombreuses applications, notamment le calfeutrage pour la maçonnerie et les briques et les adhésifs pour les bijoux. Il y a environ 2 000 ans, les scientifiques arabes ont appris l'un des principes de base de la chimie du pétrole :il peut être distillé ou séparé en différentes parties, ou fractions, en fonction de leurs points d'ébullition, et que chaque fraction a ses propres propriétés distinctives.

On considère que l'ère moderne du raffinage a commencé en 1859, lorsque du pétrole a été trouvé en Pennsylvanie et que la Sennaca Oil Company y a foré le premier puits de pétrole. D'une profondeur de 70 pieds (21,2 m), le premier puits de pétrole au monde a produit près de 300 tonnes (305 tonnes métriques) de pétrole au cours de sa première année, et ainsi une industrie entière est née. Le propane a été reconnu pour la première fois comme un composant important du pétrole en 1910, lorsqu'un propriétaire d'une automobile de Pittsburgh a demandé au chimiste Walter Snelling pourquoi le gallon d'essence qu'il avait acheté était à moitié épuisé lorsqu'il est rentré chez lui. Le propriétaire de la voiture pensait que le gouvernement devrait enquêter sur les raisons pour lesquelles les consommateurs étaient trompés, car l'essence s'évaporait à un rythme rapide et coûteux. Snelling a découvert qu'une grande partie de l'essence liquide était en fait composée de propane, de butane et d'autres hydrocarbures. À l'aide des serpentins d'un ancien chauffe-eau et d'autres équipements de laboratoire, Snelling a construit un alambic capable de séparer l'essence en ses composants liquides et gazeux. Depuis l'époque de Snelling, les chimistes ont fait d'énormes progrès dans les techniques de traitement du propane et d'autres GPL. Aujourd'hui, la fabrication de gaz propane est une industrie de 8 milliards de dollars aux États-Unis.

Matières premières

Parce que le propane a des origines naturelles, il n'est pas « fait » d'autres matières premières; au lieu de cela, il est "trouvé" dans des mélanges de produits chimiques pétroliers au plus profond de la terre. Ces mélanges pétroliers sont littéralement de l'huile de roche, des combinaisons de divers fluides riches en hydrocarbures qui s'accumulent dans des réservoirs souterrains constitués de couches poreuses de grès et de roches carbonatées. Le pétrole est dérivé de divers organismes vivants enfouis dans les sédiments des premières ères géologiques. Les organismes étaient piégés entre des couches rocheuses sans oxygène et ne pouvaient pas se décomposer ou s'oxyder complètement. Au lieu de cela, sur des dizaines de millions d'années, la matière organique résiduelle a été convertie en pétrole riche en propane via deux processus principaux, la diagenèse et la catagenèse. La diagenèse se produit en dessous de 50 °C (122 °F) lorsque la « soupe » organique subit une action microbienne (et certaines réactions chimiques) qui entraînent une déshydratation, une condensation, une cyclisation et une polymérisation. La catagenèse, quant à elle, se produit à des températures élevées de 122-424°F (50-200°C) et provoque la réaction des matériaux organiques via un craquage thermocatalytique, une décarboxylation et une dismutation d'hydrogène. Ces réactions complexes forment du pétrole dans les roches sédimentaires.

Le processus de fabrication

La fabrication de propane implique la séparation et la collecte du gaz de ses sources pétrolières. Le propane et les autres GPL sont isolés des mélanges pétrochimiques de deux manières :par séparation de la phase gazeuse du pétrole et par raffinage du pétrole brut.

1. Les deux processus commencent lorsque les gisements de pétrole souterrains sont exploités par le forage de puits de pétrole. Le mélange d'hydrocarbures gaz/pétrole est acheminé hors du puits et dans un piège à gaz, qui sépare le flux en pétrole brut et en gaz « humide », qui contient de l'essence naturelle, des gaz de pétrole liquéfiés et du gaz naturel.
2. Le pétrole brut est plus lourd et coule au fond du piège ; il est ensuite pompé dans un réservoir de stockage de pétrole pour un raffinement ultérieur. (Bien que le propane soit plus facilement isolé du mélange de « gaz humide », il peut être produit à partir de pétrole brut. Le pétrole brut subit une variété de processus chimiques complexes, y compris le craquage catalytique, la distillation brute et autres. Alors que la quantité de propane produite par le traitement en raffinerie est faible par rapport à la quantité séparée du gaz naturel, il est toujours important car le propane produit de cette manière est couramment utilisé comme carburant pour les raffineries ou pour fabriquer du GPL ou de l'éthylène.)
3. Le gaz "humide" sort du haut du piège et est acheminé vers une usine d'absorption d'essence, où il est refroidi et pompé à travers une huile d'absorption pour éliminer l'essence naturelle et les gaz de pétrole liquéfiés. Le gaz sec restant, environ 90 % de méthane, sort du haut du piège et est acheminé vers les villes et les villages pour être distribué par les sociétés de distribution de gaz.
4. L'huile absorbante, saturée d'hydrocarbures, est acheminée vers un alambic où les hydrocarbures sont bouillis. Ce mélange de pétrole est connu sous le nom d'« essence sauvage ». L'huile absorbante propre est ensuite renvoyée vers l'absorbeur, où elle répète le processus.
5. L'"essence sauvage" est pompée vers des tours stabilisatrices, où l'essence liquide naturelle est extraite du bas et un mélange de gaz de pétrole liquéfiés est soutiré par le haut.
6. Ce mélange de gaz propane, qui représente environ 10 % du mélange gazeux total, peut être utilisé sous forme de mélange ou encore séparé en ses trois parties :butane, isobutane et propane (environ 5 % du mélange gazeux total).

Contrôle qualité

Comme décrit ci-dessus, le propane doit être soigneusement isolé d'un mélange complexe de produits pétrochimiques qui comprend du méthane, de l'éthane, de l'éthène, du propène, de l'isobutane, de l'isobutène, du butadiène, du pentane et du pentène, pour n'en nommer que quelques-uns. Si ces impuretés ne sont pas éliminées, le propane ou le mélange de propane et de butane ne se liquéfiera pas correctement. La liquéfaction à une température et une pression appropriées est essentielle pour que le gaz soit économiquement utile. L'industrie du gaz liquéfié a établi des spécifications normalisées auxquelles les mélanges de GPL doivent se conformer afin d'être considérés comme acceptables pour une utilisation comme gaz combustible. Les méthodologies de test standardisées pour évaluer ces spécifications sont approuvées et publiées par l'American Society for Testing and Materials (ASTM). Par exemple, le GPL connu sous le nom de « propane commercial » doit avoir une pression de vapeur maximale de 200 psig à 100 °F (38 °C) et ne peut pas contenir plus de 0,0017 onces (0,05 ml) de matière résiduelle. De plus, la quantité autorisée de résidus volatils est strictement limitée et le gaz doit répondre aux directives établies en matière de corrosivité pour le cuivre, de teneur en soufre volatil et d'humidité. D'autres mélanges de propane et de butane sont disponibles dans le commerce et ont des valeurs cibles légèrement différentes.

Ces normes de qualité rigoureuses font du propane un carburant attrayant pour l'environnement. En fait, pour répondre aux normes des pipelines, presque tous les polluants sont retirés du propane avant qu'il ne soit autorisé à pénétrer dans les pipelines. Lorsqu'il est utilisé dans des brûleurs correctement réglés et entretenus, les émissions de propane répondent facilement aux normes d'air pur établies par l'Environmental Protection Agency (EPA). Leurs tests ont prouvé que le propane est plus sûr pour l'environnement que les autres sources d'énergie à base d'hydrocarbures, et que le propane correctement traité peut être utilisé comme carburant pour moteur qui est nettement plus propre que l'essence. Des études ont montré que, par rapport à l'essence, les moteurs au propane ont jusqu'à 45 % moins de potentiel de formation d'ozone. Les résultats d'une autre étude récente de l'EPA montrent que le propane réduit les émissions totales d'hydrocarbures de 29 % selon les nouvelles normes fédérales sur la qualité de l'air. De plus, les émissions de monoxyde de carbone sont inférieures de 93 % à la norme, les émissions d'hydrocarbures sont inférieures de 73 % à la norme et les émissions d'oxyde d'azote sont de 57 % inférieures à la norme.

Sous-produits/Déchets

Comme détaillé ci-dessus, la fabrication de propane produit une variété de sous-produits qui sont économiquement utiles. En fait, il est plus juste de les considérer non comme des sous-produits mais comme des co-produits, car ils sont produits avec le propane dans le cadre du raffinage du pétrole. Ces coproduits peuvent être sous forme de solides, de gaz ou de liquides. Les solides (ou semi-solides) comprennent le bitume, le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone et sont vendus à des fins de carburant. Les fractions liquides comprennent du pétrole brut, qui est ensuite raffiné pour donner une variété de produits. Ces huiles varient considérablement en apparence et en propriétés physiques comme le point d'ébullition, la densité, l'odeur et la viscosité. Les différentes fractions de pétrole brut sont dites « légères » ou « lourdes » selon leur densité. Le brut léger est riche en hydrocarbures à bas point d'ébullition et en hydrocarbures paraffiniques; les bruts lourds ont un point d'ébullition plus élevé et plus visqueux. Ils produisent une variété de molécules ressemblant à de l'asphalte. De nombreux coproduits de la production de propane, tels que le propylène et le butylène, sont utiles dans le raffinage de l'essence, la fabrication de caoutchouc synthétique et la production de produits pétrochimiques.

Le futur

À mesure que le domaine de la chimie du pétrole évolue, la chimie du propane continuera de progresser. Des améliorations seront apportées à la façon dont le propane est séparé du pétrole. Un domaine qui offre des possibilités d'avancement est celui de la production de puits de pétrole. Une grande partie du gaz naturel est brûlée dans des puits de pétrole éloignés parce que le vaste réseau de canalisations requis pour le transporter est d'un coût prohibitif. Des efforts sont en cours pour convertir une plus grande partie de ce gaz gaspillé en gaz condensables, qui pourraient être facilement stockés et transportés. Il est également important de noter que le propane est susceptible de devenir de plus en plus populaire comme gaz combustible en raison de facteurs économiques et de préoccupations environnementales. En fait, dans le Clean Air Act de 1990, le Congrès a nommé les GPL comme l'un des carburants alternatifs à combustion propre désignés pour faire entrer la qualité de l'air au niveau national au XXIe siècle.