Le raffinage est un ensemble d'opérations et de traitements (mécaniques ou chimiques) qui permet d'améliorer les caractéristiques d'un produit et de fabriquer, à partir d'un produit brut, un produit commercial.

La formation du pétrole est un phénomène naturel. Il intervient lorsque des sédiments sont enterrés et soumis, de fait, à des températures et des pressions élevées.
Au fil des siècles, des fragments de roches et des minéraux issus de l'érosion ainsi que de la matière organique, essentiellement du plancton et du phytoplancton, se déposent sous forme de sédiments.

Ceux-ci sont progressivement enfouis sous plusieurs centaines de kilomètres d'autres couches sédimentaires. Le processus peut prendre plusieurs millions d'années (soixante en moyenne) et plus il est lent, meilleure est la conservation de la matière organique. Si les conditions sont bonnes, on observe la formation d'une roche-mère qui renferme dans ses porosités de la matière organique préservée.

La présence dans les sédiments de 1 à 2 % de matière organique suffit à espérer la formation d'hydrocarbures. Cependant, plus il y a de matière organique dans les sédiments, plus le potentiel de formation d'hydrocarbures est important.

À un kilomètre sous terre, la température atteint environ 60 °C et la pression quelque 250 bars. La matière organique se transforme alors en kérogène, un mélange d'eau, de CO2, d'hydrogène et de carbone dans des proportions diverses.
Lorsque la température et la pression augmentent encore avec l'enfouissement, entre 2.000 et 3.800 mètres, les roches-mères entrent dans ce que l'on appelle « la fenêtre à huile ». Les liaisons chimiques du kérogène se brisent. Les atomes de carbone et d'hydrogène se recombinent pour former du pétrole. Selon la composition initiale du kérogène et les conditions thermodynamiques de l'environnement, cela se produit à une température comprise entre 60 et 120 °C

Le pétrole brut - ou plutôt les pétroles bruts puisqu'il en existe de nombreux types (noirs, bruns, visqueux, fluides) - ne peut être utilisé tel quel. Il doit subir des opérations de raffinage. Ce terme désigne dans ce cas, toutes les transformations (distillation, craquage, désulfuration, etc.) que subit le pétrole brut à la sortie des puits. Des opérations qui permettent de séparer les différentes coupes du pétrole qui seront ensuite transformées en divers produits intermédiaires (le naphta, par exemple, ingrédient de base de la fabrication des plastiques) ou commercialisables (l'essence, le diesel, etc.).

Le processus commence généralement par la distillation atmosphérique, qui sépare le pétrole brut en fractions légères (comme l'essence et le kérosène) et lourdes à températures différentes. Les fractions plus lourdes peuvent ensuite subir des procédés supplémentaires tels que le craquage catalytique pour briser les grosses molécules en molécules plus petites, augmentant ainsi le rendement en essence. La désulfuration est également cruciale pour réduire le soufre dans les produits finaux, minimisant ainsi les émissions de dioxyde de soufre, un polluant majeur.

L’objectif du raffinage est de transformer le pétrole brut en produits commercialisables tels que l’essence, le diesel ou les plastiques.

Le pétrole brut se compose à 85 % de carbone et à 10 % d'hydrogène. Pour le reste, il contient diverses impuretés (sédiments, eau, sel, soufre et azote) qu'il conviendra d'éliminer au cours du raffinage pour éviter tout problème de corrosion ou d'encrassement et pour répondre aux contraintes réglementaires.

Le pétrole brut contient, en proportions variables, quatre types d'hydrocarbures qui influencent la qualité des produits finaux :

•   les paraffines, des chaînes de carbone et d'hydrogène linéaires,
•   les isoparaffines, des chaînes de carbone et d'hydrogène non-linéaires,
•   les naphtènes, des hydrocarbures cycliques
•   et les aromatiques, des hydrocarbures cycliques qui présentent des liaisons carbone doubles.

L'unité de distillation fonctionne à une température d'environ 360 °C et à une pression de quelque 2 bars. Elle permet de séparer le pétrole brut en différentes coupes qui constitueront les bases des produits finaux.

Plus le nombre d'atomes de carbone et la température d'ébullition sont faibles, plus les composés se trouvent en haut de la colonne de distillation. De haut en bas, on trouve donc :

•   des gaz avec un nombre d'atomes de carbone compris entre 1 et 4, comme le méthane,
•   le naphta, un liquide présentant 5 ou 6 atomes de carbone et qui sera utilisé pour la fabrication des plastiques,
•   l'essence qui contient entre 7 et 11 atomes de carbone,
•   le kérosène qui présente jusqu'à 13 atomes de carbone
•   et le diesel, qui compte jusqu'à 25 atomes de carbone.

Les résidus sont traités sous vide dans une seconde colonne de distillation pour produire des huiles de lubrification industrielles, des paraffines, du fioul lourd et du bitume.

Après la distillation, la proportion d'hydrocarbures lourds reste généralement importante eu égard à la demande commerciale en produits plus légers. Les molécules lourdes sont donc cassées en plusieurs molécules plus légères. C'est ce que l'on nomme l'opération de craquage. Elle a généralement lieu à environ 500 °C et en présence d'un catalyseur. Cette opération est relativement énergivore.

De manière générale, les produits issus de ces deux premières étapes devront subir des traitements supplémentaires avant de pouvoir être commercialisés.
La coupe essence, par exemple, doit passer par une étape de réduction de sa teneur en soufre, celle-ci devant être nulle pour répondre aux contraintes européennes. L'opération a lieu dans un réacteur à des températures avoisinant les 400 °C et à une pression comprise entre 40 et 80 bars. Dans ces conditions, de l'hydrogène injecté dans le mélange réagit avec les atomes de soufre pour former du sulfure d'hydrogène qui peut ensuite être éliminé. Il est aussi nécessaire d'augmenter l'indice d’octane de cette coupe essence. Pour ce faire, le produit est injecté dans une unité de reformage. À une température de 500 °C et une pression de 20 bars, les paraffines et les naphtènes se transforment alors en aromatiques dont l'indice d'octane est plus élevé.

Dans l'industrie papetière également, des opérations de raffinage sont mises en œuvre. Elles correspondent à un traitement mécanique (compression et cisaillement) appliqué à la pâte à papier et visent, par exemple, à améliorer les propriétés d'imprimabilité des papiers.

En plus de la compression et du cisaillement, le raffinage du papier peut inclure des étapes comme le blanchiment et le calandrage. Le blanchiment élimine les colorants et autres impuretés pour améliorer la blancheur du papier, tandis que le calandrage lisse la surface du papier, améliorant ainsi la qualité d'impression et la consistance.

Les métaux peuvent, eux aussi, subir des opérations de raffinage (distillation et électrolyse) afin d'éliminer au maximum les traces d'impuretés.

L'électrolyse est l'une des techniques les plus importantes dans le raffinage des métaux comme le cuivre et l'aluminium. Elle permet de déposer le métal pur sur une cathode en éliminant les impuretés qui restent en solution ou s'accumulent à l'anode. Quant à la distillation, elle est principalement utilisée pour des métaux à point d'ébullition faible comme le zinc et le cadmium.

Le raffinage représente donc une étape essentielle dans la production de nombreux produits industriels et commerciaux. Que ce soit le pétrole, le papier ou les métaux, chaque industrie a développé des méthodes spécifiques pour traiter efficacement ses produits bruts afin de répondre aux exigences du marché en termes de qualité et de performance environnementale.

Aluminium, fer, argent… Les métaux reflètent la plupart du temps une teinte grisée et brillante appelée « éclat métallique ». Une propriété due à la configuration de leurs électrons.
Pour bien comprendre pourquoi les métaux sont gris, rappelons d'abord que la couleur d'un objet provient de sa capacité à absorber certaines longueurs d’onde de la lumière. Une tomate est ainsi rouge car elle absorbe toutes les autres longueurs d'onde du spectre visible sauf le rouge.

Le métal possède lui une structure où un grand nombre d'électrons sont libres, c'est-à-dire liés à aucun atome en particulier. Ils peuvent donc facilement vibrer sous l'effet des ondes électromagnétiques incidentes et renvoient la lumière visible sous le même angle qu'elle leur parvient (contrairement à un objet blanc, qui renvoie la lumière dans toutes les directions). D'où leur aspect réfléchissant, exploité pour la fabrication des miroirs notamment.
Une des exceptions : le cuivre, qui n’est pas gris. Il est un parfait conducteur électrique. © Sergey Ryzhov, fotolia

Cet « éclat métallique » se ternit pourtant lorsque le métal est oxydé (volontairement ou pas) : la fine couche d'oxydation à la surface absorbe alors les photons et renvoie une teinte grisée. Certains métaux, comme le cuivre ou l'or, font toutefois exception. Dans ces derniers, les transitions entre les couches d'électrons absorbent une partie de la lumière visible, en l'occurrence le violet, le vert et le bleu. Ils réfléchissent donc les couleurs restantes, en l'occurrence un mélange de rouge, d'orange et de jaune.

Le raffinage représente donc une étape essentielle dans la production de nombreux produits industriels et commerciaux. Que ce soit le pétrole, le papier ou les métaux, chaque industrie a développé des méthodes spécifiques pour traiter efficacement ses produits bruts afin de répondre aux exigences du marché en termes de qualité et de performance environnementale.