Essence

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Contexte

L'essence est un liquide volatil et inflammable obtenu à partir du raffinage du pétrole ou du pétrole brut. Il a été à l'origine rejeté comme sous-produit de la production de kérosène, mais sa capacité à se vaporiser à basse température en a fait un carburant utile pour de nombreuses machines. Le premier puits de pétrole aux États-Unis a été frappé par Edwin L. Drake près de Titusville, en Pennsylvanie, en 1859 à une profondeur de près de 70 pieds (21 m). Avec le développement du moteur à combustion interne à quatre temps par Nikolaus Otto en 1876, l'essence est devenue essentielle à l'industrie automobile. Aujourd'hui, presque toute l'essence est utilisée pour alimenter les automobiles, avec un très faible pourcentage utilisé pour alimenter le matériel agricole et les avions.

Le pétrole, un combustible fossile, fournit aujourd'hui plus d'énergie au monde que toute autre source. Les États-Unis sont le premier consommateur mondial de pétrole; en 1994, les Américains utilisaient 7 587 000 barils de pétrole par jour. Le pétrole est formé à partir des restes de plantes et d'animaux qui ont été soumis à une pression énorme pendant des millions d'années. Ordinairement, cette matière organique se décomposerait complètement à l'aide de charognards et de bactéries aérobies, mais le pétrole est créé dans un environnement anaérobie, sans présence d'oxygène. Plus de la moitié du pétrole brut connu dans le monde est concentré dans le bassin du golfe Persique. Les autres zones importantes comprennent les côtes de l'Alaska et le golfe du Mexique.

Les produits pétroliers, y compris l'essence, sont principalement un mélange d'hydrocarbures (molécules contenant de l'hydrogène et des molécules de carbone) avec de petites quantités d'autres substances. Le pétrole brut est composé de différentes longueurs de chaînes d'hydrocarbures, avec des chaînes courtes et des chaînes très longues. Selon la quantité de pétrole décomposé ou raffiné, il peut devenir n'importe quel nombre de produits. En général, plus la molécule est petite, plus le point d'ébullition est bas. Par conséquent, le gaz, avec de très petites chaînes d'un à cinq atomes de carbone, bout à très basse température. L'essence, avec 6-10 carbones, bout à une température légèrement plus élevée. Les huiles les plus lourdes peuvent contenir jusqu'à 25 atomes de carbone et n'atteindre leur point d'ébullition qu'à 761°F (405°C).

Matières premières

L'essence est l'un des produits dérivés de la distillation et du raffinage du pétrole. Composés de plomb organique ont été ajoutés à l'essence dans le passé pour réduire le cliquetis dans les moteurs, mais en raison de préoccupations environnementales, ce n'est plus courant. D'autres produits chimiques sont également ajoutés à l'essence pour la stabiliser davantage et améliorer sa couleur et son odeur dans un processus appelé « édulcoration ».

Le processus de fabrication

Exploration

• 1 La première étape de la fabrication de l'essence consiste à trouver son ingrédient parent, le pétrole. Le pétrole brut est piégé dans des zones de roche poreuse, ou roche réservoir, après y avoir migré depuis sa zone d'origine. Les zones possibles de concentration de pétrole peuvent être identifiées en recherchant les types de roches que l'on trouve couramment dans ces zones. Les explorateurs peuvent examiner les caractéristiques de surface de la terre, analyser comment les ondes sonores rebondissent L'essence est un liquide volatil et inflammable obtenu à partir du raffinage du pétrole ou du pétrole brut. la roche, ou utilisez un gravimètre pour détecter de légères différences dans les formations rocheuses.
• 2 Après la découverte d'un éventuel réservoir de pétrole, la zone doit être forée à titre d'essai. Des échantillons de carottes sont prélevés dans des puits d'essai pour confirmer les formations rocheuses, et les échantillons sont analysés chimiquement afin de déterminer si davantage de forage est justifié. Bien que les méthodes utilisées aujourd'hui soient plus avancées que par le passé, il n'y a toujours aucune certitude dans l'exploration pétrolière.

Forage

• 3 Le pétrole brut est récupéré par des puits qui peuvent atteindre plus de 1 000 pieds (305 m) dans la roche. Les trous sont faits par des foreurs rotatifs, qui utilisent un foret pour percer un trou dans le sol au fur et à mesure que de l'eau est ajoutée. L'eau et le sol créent une boue épaisse qui aide à retenir le pétrole et à l'empêcher de « jaillir » en raison de la pression interne contenue dans la roche réservoir. Lorsque le réservoir est atteint, la boue continue de retenir le pétrole pendant que le forage est retiré et qu'un tuyau est inséré.

Récupération

• 4 Pour récupérer le pétrole, un système compliqué de tuyaux et de vannes est installé directement dans le puits de forage. La pression naturelle de la roche réservoir amène le pétrole hors du puits et dans les tuyaux. Ceux-ci sont reliés à un système de récupération, qui consiste en une série de tuyaux plus gros acheminant le pétrole brut jusqu'à la raffinerie via un séparateur de pétrole (liquide) et de gaz (non liquide). Cette méthode permet de récupérer l'huile avec un minimum de déchets.
• 5 Finalement, la pression naturelle du puits est épuisée, bien que de grandes quantités de pétrole puissent encore rester dans la roche. Des méthodes de récupération secondaires sont désormais nécessaires pour obtenir un plus grand pourcentage de pétrole. La pression est rétablie soit en injectant du gaz dans la poche au-dessus du pétrole, soit en injectant de l'eau dans le puits, ce qui est beaucoup plus courant. Dans ce processus, quatre trous sont forés autour du périmètre du puits et de l'eau est ajoutée. Le pétrole flottera sur l'eau et remontera à la surface.

Distillation fractionnée

• 6 Le pétrole brut n'est pas un bon carburant, car il n'est pas fluide et nécessite une température très élevée pour brûler. Les longues chaînes de molécules du pétrole brut doivent être séparées des plus petites chaînes de carburants raffinés, y compris l'essence, dans une raffinerie de pétrole. Ce processus est appelé distillation fractionnée.

  Une tour de distillation fractionnée est une énorme unité pouvant contenir jusqu'à 200 000 barils de pétrole brut. L'huile est d'abord pompée dans un four et chauffée à plus de 600 °F (316 °C), provoquant l'évaporation de toutes les molécules, sauf les plus grosses. Les vapeurs montent dans la colonne de fractionnement, qui peut atteindre une hauteur de 150 pieds (46 m). Les vapeurs se refroidissent en montant à travers la colonne. Étant donné que les points d'ébullition de tous les composés diffèrent, les molécules les plus grosses et les plus lourdes se condenseront d'abord plus bas dans la tour et les molécules plus courtes et plus légères se condenseront plus haut dans la tour. Des gaz naturels, de l'essence et du kérosène sont libérés près du sommet. Les composés plus lourds utilisés dans la fabrication des plastiques et des lubrifiants sont retirés plus bas dans la tour.

  La distillation fractionnée elle-même ne produit pas d'essence à partir de pétrole brut, elle retire simplement l'essence d'autres composés du pétrole brut. D'autres procédés de raffinage sont maintenant utilisés pour améliorer la qualité du carburant.

Raffinage du pétrole

• 7 Le craquage catalytique est l'un des processus les plus importants du raffinage du pétrole. Ce processus utilise un catalyseur, une température élevée et une pression accrue pour affecter les changements chimiques dans le pétrole. Des catalyseurs tels que l'aluminium, le platine, l'argile traitée et les acides sont ajoutés au pétrole pour décomposer les molécules plus grosses afin qu'il possède les composés souhaités de l'essence.

  Un autre processus de raffinage est la polymérisation. C'est le contraire du craquage en ce sens qu'il combine les plus petites molécules de gaz plus légers en de plus grosses qui peuvent être utilisées comme combustibles liquides.

  

Additifs

• 8 Une fois l'essence raffinée, des produits chimiques sont ajoutés. Certains sont des composés antidétonants, qui réagissent avec les produits chimiques de l'essence qui brûlent trop rapidement, pour empêcher le « cognement du moteur ». Dans l'essence au plomb, le plomb tétraéthyle est l'additif antidétonant. (L'essence sans plomb est davantage raffinée, de sorte que le besoin d'additifs antidétonants est minime.) D'autres additifs (antioxydants) sont ajoutés pour empêcher la formation de gomme dans le moteur. La gomme est une résine formée dans l'essence qui peut enduire les pièces internes du moteur et augmenter l'usure.

Cotation essence

• 9 L'essence est principalement un mélange de deux liquides volatils, l'heptane et l'isooctane. L'heptane pur, un carburant plus léger, brûle si rapidement qu'il produit une grande quantité de cliquetis dans un moteur. L'isooctane pur s'évapore lentement et ne produit pratiquement aucun cliquetis. Le rapport de l'heptane à l'isooctane est mesuré par l'indice d'octane. Plus le pourcentage d'isooctane est élevé, moins le cliquetis est important et plus l'indice d'octane est élevé. Par exemple, un indice d'octane de 87 est comparable à un mélange de 87 % d'isooctane et de 13 % d'heptane.

Sous-produits/Déchets

En moyenne, 44,4% du pétrole devient de l'essence. Il n'y a vraiment aucun déchet du pétrole. Les produits chimiques les plus légers sont le gaz naturel, le gaz de pétrole liquéfié (GPL), le carburéacteur et le kérosène. Les produits les plus lourds sont utilisés pour la fabrication de lubrifiants, de plastiques et d'asphalte. De plus, de nombreux produits de moindre valeur peuvent être chimiquement convertis en composés plus commercialisables.

Le futur

L'essence, bien que largement utilisée dans de nombreuses applications aujourd'hui, est destinée à devenir un carburant du passé car le pétrole est une ressource non renouvelable. La technologie actuelle consiste à tirer le meilleur parti des réservoirs de pétrole restants et à explorer des sources d'énergie alternatives. De nouvelles méthodes pour déterminer avec précision l'étendue des réservoirs de pétrole, des systèmes automatisés pour contrôler la récupération du pétrole et des moyens de permettre aux travailleurs de récupérer plus de pétrole à partir de réservoirs connus sont tous à l'étude pour utiliser pleinement les réserves de pétrole disponibles aujourd'hui.

Les méthodes les plus récentes dans l'exploration des champs pétrolifères mesurent la taille physique du réservoir et son volume de pétrole. Fréquemment, la pression à l'intérieur du puits est mesurée sur une période de temps au fur et à mesure que le pétrole est récupéré. À l'aide de ces données, les scientifiques peuvent déterminer la taille du réservoir et sa perméabilité. Un échomètre, qui fait rebondir les ondes sonores sur les côtés du réservoir, peut également être utilisé pour découvrir les caractéristiques du puits.

Les méthodes modernes de récupération du pétrole sont le plus souvent contrôlées, au moins en partie, par des systèmes informatisés. SCADA (Systèmes de contrôle de supervision des acquisitions de données) utilise un logiciel spécialisé pour surveiller les opérations via un ou plusieurs terminaux maîtres et plusieurs terminaux distants. Ces systèmes augmentent l'efficacité, aident à prévenir les accidents qui pourraient nuire à l'environnement et réduisent le nombre de travailleurs avec une sécurité accrue.

Les méthodes améliorées de récupération du pétrole augmentent le pourcentage de pétrole qui peut être obtenu à partir d'un réservoir. Autrefois, les ouvriers pouvaient extraire moins de la moitié du pétrole contenu dans un réservoir. De nouvelles méthodes impliquent l'injection de gaz ou de mousses dans le puits pour expulser le pétrole, le forage horizontal dans le puits et l'utilisation de davantage d'informations géophysiques pour prédire avec précision les caractéristiques du réservoir.

Parce que l'essence est produite à partir d'un approvisionnement limité en pétrole, les scientifiques recherchent des sources d'énergie propres et renouvelables pour alimenter les machines du futur. La vapeur, utilisée dans les bateaux à vapeur du passé, est une source d'énergie qui fait l'objet d'une attention renouvelée. Les véhicules électriques ont été développés, et les énergies solaire et éolienne alimentent également les voitures et les maisons.