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CHIMIE INDUSTRIELLE Troisième partie LA CHIMIE INDUSTRIELLE ORGANIQUE Notes réd

CHIMIE INDUSTRIELLE Troisième partie LA CHIMIE INDUSTRIELLE ORGANIQUE Notes rédigées par Christian CHARLIER I Table des matières 1. Le Pétrole .....................................................................................................1 1.1. Introduction ......................................................................................1 1.2. Les produits pétroliers......................................................................3 1.2.1. Composition du pétrole.......................................................6 1.2.2. Caractérisation du pétrole ou des produits pétroliers..........7 1.2.2.1. La densité .............................................................8 1.2.2.2. La viscosité...........................................................8 1.2.2.3. Le facteur de caractérisation KUOP......................9 1.2.2.4. Les courbes de distillation.....................................9 1.2.2.5. Le rapport H/C ....................................................12 1.2.2.6. Les caractéristiques détonantes .........................12 1.2.2.7. Les autres caractéristiques .................................14 1.2.3. Les principaux produits du pétrole....................................14 1.2.3.1. Les gaz liquéfiés .................................................14 1.2.3.2. Les essences......................................................15 1.2.3.3. Les essences spéciales pour solvant..................16 1.2.3.4. Le kérosène ........................................................16 1.2.3.5. Le gaz oil ou gasoil ou gazole.............................17 1.2.3.6. Le fuel oil.............................................................17 1.2.3.7. Les huiles............................................................17 1.2.3.8. Les asphaltes et les bitumes...............................18 1.3. Raffinage et procédés de raffinage................................................18 1.3.1. La distillation du brut.........................................................23 1.3.2. Le craquage thermique.....................................................26 1.3.3. Le craquage catalytique....................................................29 1.3.4. Le reformage catalytique..................................................31 1.3.5. La polymérisation catalytique ...........................................33 1.3.6. L'alkylation........................................................................33 1.3.7. La récupération des légers ...............................................34 1.3.8. L'élimination du soufre......................................................34 1.3.9. Exemples d'intégration de l'utilisation des produits...........37 2. L'éthylène ...................................................................................................38 2.0. Quelques propriétés.......................................................................38 2.1. Importance économique.................................................................38 2.2. Utilisation et obtention....................................................................39 2.3. Les procédés de production d'éthylène..........................................41 2.3.1. Description du procédé.....................................................45 2.3.2. Aspect énergétique...........................................................48 2.3.3. Aspect économique..........................................................49 3. Le propylène et les autres alcènes.............................................................50 3.0. Quelques propriétés.......................................................................50 3.1. Importance économique et utilisation.............................................50 3.3. Les autres alcènes.........................................................................53 3.4. Quelques caractéristiques du butadiène........................................54 II 4. Les oxydations............................................................................................56 4.1. Quelques mots sur les oxydants....................................................56 4.2. Utilisation de l'oxygène ..................................................................56 4.3. Air ou oxygène...............................................................................58 4.4. Types de réactions d'oxydation......................................................59 4.5. L'oxyde d'éthylène..........................................................................60 4.5.0. Quelques propriétés .........................................................60 4.5.1. Importance économique...................................................61 4.5.1. Procédé de fabrication......................................................61 4.6. Le phénol .......................................................................................65 4.6.0. Quelques propriétés .........................................................65 4.6.1. Importance économique et utilisation ...............................65 4.6.2. Procédé de fabrication......................................................67 4.7. Procédés divers .............................................................................72 4.7.1. L'oxyde de propylène........................................................72 4.7.2. Le formaldéhyde ou formol...............................................72 4.7.3. Le cyclohexanol et le cyclohexanone ...............................73 4.7.4. Les dérivés acétiques.......................................................73 4.7.5. L'acétaldéhyde .................................................................74 4.7.6. L'acrylonitrile.....................................................................74 4.7.6. L'oxydation du toluène en phénol .....................................74 5. Les alcools de bases..................................................................................75 5.1. Le méthanol ...................................................................................75 5.1.0. Quelques propriétés .........................................................75 5.1.1. Importance économique...................................................75 5.1.2. Procédé de fabrication......................................................77 5.1.2.1. Constitution du gaz de synthèse.........................78 5.1.2.2. Transformation du gaz de synthèse....................79 5.2. L'éthanol ........................................................................................84 5.2.0. Quelques propriétés .........................................................84 5.2.1. Importance économique...................................................85 5.2.2. Procédé de fabrication......................................................85 6. Résumé sur l'industrie organique industrielle ..............................................89 7. Ouvrages de référence................................................................................91 8. Questions relatives au chapitre ...................................................................93 9. Thèmes du chapitre.....................................................................................98 10. Index..........................................................................................................99 Chimie industrielle Organique - 1 - L'INDUSTRIE ORGANIQUE "The man who has ceased to learn ought not to be allowed to wander around loose in these dangerous days." M. M. Coady 1. Le pétrole 1.1. Introduction Un des premiers principaux objectifs de l'industrie organique de base est de synthétiser des molécules simples[1] qui contiennent 1 ou 2 carbones. Pour avoir une vague chance d'y arriver, il est préférable de partir d'une matière première qui en contient et si possible beaucoup. Les principales ressources à carbone sont : - les combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel, mais qui sont en quantités limitées, donc caractérisées par des réserves et des ressources. Les réserves actuelles de pétrole seraient estimées à deux centaines de Gigatonnes[2], vu que la consommation annuelle est d'environ 3.5 Gigatonnes, il en resterait pour une soixantaine d’années à ce rythme. [1] Qui sont appelés des produits intermédiaires de base ou "commodity chemicals". [2] 1 Gigatonne = 1 milliard de tonnes 1 Téra = 1000 milliards Chimie industrielle Organique - 2 - Pour le gaz naturel, les ordres de grandeurs sont sensiblement les mêmes, soit environ 100 Téram3. Par contre, les réserves de charbon sont estimées à plus de 100 ans. Pour chaque matière, les ressources sont heureusement plus élevées mais pas toujours estimées avec suffisamment d'exactitude. Comme exemple, on peut citer le charbon, dont les ressources sont estimées à environ 1000 ans. - La biomasse qui représente tout le CO2 (dioxyde de carbone) fixé sous forme de sucre (comme le glucose ou le saccharose) par la synthèse photochimique. La matière sucrée est une matière industrielle en devenir. Il faut y ajouter la lignine qui est un tiers de la matière sèche du bois, ainsi que les graisses qui peuvent aussi être transformées. - Le dioxyde de carbone et les carbonates, les ressources sont fabuleuses, mais leur niveau énergétique est fort bas, il faut donc y apporter beaucoup d'énergie pour la mise en oeuvre, ce qui est un gros inconvénient. Avant de les analyser, mettons en évidence que ce dernier point est fondamental, ce n'est pas seulement le carbone qu'on recherche mais aussi l'énergie nécessaire pour le transformer. Le problème des matières premières comme le CH4 ou le CO ou le CO2, c'est qu'elles sont difficiles à transformer. En effet, en vue de la synthèse des molécules à deux carbones (ou plus), elles sont soit peu énergétiques (CO et surtout CO2), soit quasi inertes (CH4). En ce qui concerne le CH4, l'orientation actuelle se situe principalement dans le chauffage domestique car il est peu polluant et de transport facile, ainsi que pour la production de gaz de synthèse. Précisons que le gaz naturel est fréquemment associé aux gisements de pétrole (par exemple en Algérie, en Libye, en Russie, en Azerbaïdjan, etc.). Le charbon est difficile et cher à transformer tout simplement parce que c'est un solide. Cela pose des problèmes de transport, d'entretien du matériel, etc. Il faut bien reconnaître que la mécanique des solides n'est pas aussi bien connue que la mécanique des fluides. Il y a bien des techniques de liquéfaction du charbon mais ces techniques restent très coûteuses. La gazéification des couches de charbon est une technique qui commence à se répandre. Pour l'industrie chimique, on ne peut pas encore dire que le charbon est compétitif, son prix est fixé par le secteur énergétique et il reste encore trop élevé. La biomasse est largement disponible en termes de quantité. Chaque année, la photosynthèse génère 120 Gigatonnes de biomasse sur les continents et 60 dans les océans, contenant respectivement 50 et 25 Gigatonnes de carbone. La biomasse, c'est notamment le bois, il y en a 300 milliards de m3 dans les forêts du monde et 2.5 milliards sont exploités dont 30% pour en faire de l'énergie. Il est admis que l’on pourrait exploiter jusqu'à 20 milliards de m3 sans perturber les ressources. Le problème du bois, c'est qu'il est chimiquement difficile à transformer. La Chimie industrielle Organique - 3 - biomasse, c'est aussi la cellulose, l'amidon, facilement utilisable et déjà fabriquée en industrie, le sucre produit d'ailleurs à raison de 100 Mégatonnes par an. Seulement, les inconvénients de la biomasse sont la teneur élevée en eau (plus grandes quantités à manipuler, faut évaporer, etc.), la matière complexe et hétérogène (grain, bois, etc.) plus difficile à transformer, les problèmes saisonniers (influence climatique, stockage coûteux, détérioration de la récolte, sensibilité, etc.), le niveau énergétique est faible (teneur élevée en oxygène, nécessité de beaucoup de matières, etc.). Il semble qu'après cette revue éliminatoire, il reste le pétrole, c'est en effet le plus pratique mais il devient ou va devenir de plus en plus rare et donc de plus en plus cher. En fait au début de l'ère industrielle, le pétrole était à un prix dérisoire[3] et une grande partie de l'industrie s'est installée sur base du pétrole. Maintenant, c'est plus cher mais entre temps, les techniques qui utilisent le gaz naturel, le charbon, la biomasse, etc. ont été peu suivies et actuellement, elles en sont au stade de rattrapage du temps perdu. Par conséquent, le pétrole constitue encore la source de carbone la plus importante de la chimie industrielle organique (ainsi que des autres d'ailleurs) et l’on va naturellement s'y intéresser un peu plus dans les paragraphes suivants. 1.2. Les produits pétroliers Le pétrole avait déjà été découvert en PERSE et aussi en SICILE, mais c'est vraiment depuis sa découverte aux ETATS-UNIS qu'il a pris son essor. A ses débuts, le pétrole était notamment utilisé comme produit médical contre les rhumatismes, les crises de gouttes, la névralgie, etc. Par la suite, un certain Samuel KIER développa un procédé de distillation de pétrole brut pour améliorer les qualités de combustibles et éliminer la "mauvaise odeur". Il avait appelé son produit, l'huile de carbone ("carbon oil"). La demande a alors vite dépassé l'offre, ce qui a entraîné des recherches intensives pour découvrir des sites d'exploitations (voir l'histoire du Colonel DRAKE, à TITUSVILLE en PENNSYLVANIE). Ces premières tentatives de distillation du pétrole ont bien vite conduit à la naissance du raffinage du pétrole pour le séparer en plusieurs fractions. A ses débuts, il n'y avait que quelques fractions comme la fraction kérosène pour les lampes, la fraction huile de lubrification, la fraction paraffine pour la cire et les bougies. La fraction légère contenant les gaz (les L.P.G.) était jugée dangereuse et éliminée. [3] On en rit encore mais le rire est devenu rictus. Chimie industrielle Organique - 4 - L'avènement de l'automobile et du moteur à essence a encore accéléré l'utilisation du pétrole. Actuellement, les moyens de transport représentent au moins 40% de la consommation annuelle du pétrole, plus de 80% si on ajoute la combustion. Au début cependant, l'essence n'était pas uploads/Industriel/ chind-orga.pdf