LRP613 Carburants et Biocarburants

Introduction

Les carburants sont des produits dont la combustion en présence d'air permet le
fonctionnement des moteurs thermiques à pistons (moteurs à essence ou Diesel) ou à flux
continu (réacteurs d'avion, turbines à gaz).

Les carburants classiques proviennent essentiellement du pétrole. Celui-ci subit des opérations
de raffinage très poussées pour obtenir plusieurs types de produits (essences, gazole,
carburéacteur, carburants lourds) destinés à alimenter des véhicules très différents, depuis les
voitures particulières jusqu'aux avions et navires.

En dehors du pétrole, d'autres filières permettent d'obtenir des carburants : les biocarburants,
le mélange CO + H2 (gaz de synthèse) , l’houille et le gaz naturel.

Deux grands types de carburants sont actuellement utilisés selon le mode de fonctionnement
des moteurs à combustion interne mis en œuvre : les essences, distribuées sous forme de
divers supercarburants et destinées à alimenter les moteurs à allumage commandé, les gazoles
dédiés à l'alimentation des moteurs Diesel (moteurs à allumage par compression).

Chapitre I Les essences

I. Introduction

L’essence est un liquide inflammable, issu de la distillation du pétrole, utilisé comme

carburant dans les moteurs à allumage commandé. C'est un mélange d’hydrocarbures,
auxquels peuvent être ajoutés des additifs pour améliorer les caractéristiques de combustion.
De nombreux types d'essence sont fabriqués et mis sur le marché. On y trouve en moyenne :

20 % à 30 % d’alcanes, (Paraffines) ;

5 % de cycloalcanes, hydrocarbures saturés cycliques (Naphtènes);

30 % à 45 % d’alcènes, hydrocarbures insaturés ;(Oléfines)

30 % à 45 % d’hydrocarbures aromatiques.

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La composition détaillée des essences est très variable ; En fait le mélange ne peut être
commercialisé que s'il vérifie des contraintes très strictes sur les propriétés physiques (densité,
volatilité) énergétiques (pouvoir calorique) et chimiques (indice d'octane, limitation des
teneurs en certains composants).

Par exemple, pour être vendu le (super 95), il doit avoir les normes suivantes :

Propriété Norme
densité 0,72 et 0,78 kg/L à 15 °C
indice d'octane 95 au moins
benzène inférieure à 1 %,
soufre inférieure à 150 mg/kg
plomb inférieure à 5 mg/L

I.1. Obtention des essences

Les essences proviennent essentiellement du pétrole. Celui-ci subit des opérations de

raffinage.

. Distillation
Le pétrole brut qui parvient dans une raffinerie subit en premier lieu une série de distillations
destinées à le fractionner en un certain nombre de « coupes » correspondant à l’ensemble des
constituants dont les points d’ébullition sont compris entre deux valeurs déterminées.

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Puis interviennent toute une série d’opérations visant à transformer certaines de ces fractions.

. Craquage (« Craking »)
Sous le nom de craquage, on fait subir à ces fractions lourdes des traitements conduisant à la
rupture des chaînes carbonées et à la production d’une quantité supplémentaire de carburant
léger ; ce résultat peut être obtenu par l’action de la chaleur ou par l’action conjuguée de la
chaleur et d’un catalyseur (« craquage catalytique »).
Le procédé de craquage catalytique permet de transformer les distillats sous vide (C20—C50)
en différentes coupes plus légères.
D’un point de vue thermodynamique, la réaction de craquage est favorisée à haute
température et basse pression. Le catalyseur utilisé est un catalyseur acide constitué d’une
zéolithe et d’une matrice à base de silice-alumine.
Dans un réacteur à lit fluidisé, les conditions opératoires sont les suivantes :
– température : 500 °C ;
– pression : 1 à 3 bar ;
– temps de contact : quelques secondes.

. Reformage (« Reforming »)
Les moteurs modernes exigent des carburants de haute qualité (valeur élevée de l’indice
d’octane), et les essences obtenues au cours des opérations précédentes ne répondent pas
toujours aux spécifications exigées. Le reformage a pour objet d’améliorer leur qualité en
provoquant, sous l’action de la chaleur et de catalyseurs, des isomérisations des chaînes
linéaires en chaînes ramifiées, ainsi que des cyclisations et des déshydrogénations conduisant
à des hydrocarbures benzéniques.
Réaction d’isomérisation des paraffines en isoparaffines ;

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– la réaction de déshydrogénation des naphtènes en aromatiques ;

– la réaction de déshydrocyclisation des paraffines en aromatiques ;

I.2. Caractéristiques des essences

I.2.1 Masse volumique

Elle est généralement mesuré à 15°C, au moyen d’un aéromètre (méthode NF T 60-101), elle
s’exprime en kg/l. ρT =ρ15 – k (T-15)

T: température en °C , ρT et ρ15 : la masse volumique respectivement à T°C et à 15°C

I.2.2 Densité

La densité conditionne la puissance du moteur et la consommation en essence. Si la densité

est faible : on aura une forte vaporisation et grande consommation.Si la densité est grande : on
aura une faible vaporisation et formation des dépôts.Le tableau suivant représente la densité
des différant type d'essence.

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I.2.3 Indice d’octane

L’indice d’octane est une caractéristique essentielle qui détermine la qualité de l’essence et
ces conditions optimales d’utilisation qui sont liées au rendement thermodynamique du
moteur. Il caractérise les propriétés antidétonantes (ou la résistance au cliquetis) d’une
essence.

Le cliquetis est une combustion anormale entraînant une résonance de l'explosion sur les
parois de la chambre de combustion et du piston. Il s'agit d'un bruit métallique bien connu des
motoristes.

La détermination de l’indice d’octane est obtenue avec un moteur d’essai monocylindrique

(CFR Cooperative Fuel Research) dans lequel le carburant de référence est un mélange
d’isooctane et de n-heptane.

 l’isooctane (2,2, 4- triméthylpentane) : antidétonant NO=100.

 n-heptane : très détonant NO =0.

Une essence présente un indice d’octane X si elle se comporte, dans des conditions
expérimentales bien définies, comme un mélange de X % en volume d’isooctane et de
(100 – X) % de n-heptane.

Les indices d’octane des hydrocarbures dépendent étroitement de leur structure chimique.

. Pour les n-paraffines, le RON, très élevé pour les constituants les plus légers, décroît
régulièrement lorsque la longueur de la chaîne augmente et s’annule pour le n-heptane.

. Le RON augmente toujours avec la ramification.

. Les indices d’octane des oléfines, dépendent étroitement de la longueur et de la

ramification des chaînes. Le RON des oléfines est généralement supérieur à celui des
paraffines de même squelette carboné. Le déplacement de la double liaison vers le centre de
la molécule tend à améliorer le RON.

. Les naphtènes présentent toujours des indices d’octane supérieurs à leurs homologues non
cycliques.

. Les aromatiques présentent tous des RON largement supérieurs à 100 (jusqu’à 115-120).

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L’essence idéale doit être brûlée
harmonieusement sans détonation, et possède
les iso paraffines et les oléfines dans la partie
légère et les aromatiques dans la partie de la
queue.

Pour améliorer l'indice d'octane, on ajoute

des produits anti-détonants (par exemple du
tétra éthyle de plomb, interdit maintenant
dans le monde entier pour les carburants
automobiles et encore utilisé dans les essences d’aviation)

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Détermination des indices d’octane

Il existe deux procédures normalisées de détermination des indices d’octane: la méthode

“Recherche” ou Fl et la méthode “Moteur” ou F2. Les indices correspondants sont désignés
par les symboles RON (Research Octane Number) et MON (Motor Octane Number) . Chaque
méthode se caractérise par des conditions expérimentales spécifiques.

Les distinctions entre les deux procédures RON et MON portent essentiellement sur le régime
de rotation, les températures d’admission et l’avance à l’allumage.

Dans toutes les régions du monde, on retrouve le type de classification des carburants :
super/ordinaire, avec ou sans plomb. Les niveaux d’octane peuvent être assez différents d’un
pays à l’autre, en fonction de l’équipement plus ou moins moderne du parc automobile et des
possibilités du raffinage local. La suppression du plomb tend à se généraliser partout où
existent à la fois une forte densité automobile et des contraintes anti-pollution très sévères.

Aux États-Unis, les différentes qualités de carburants ne sont pas définies comme en Europe
par des valeurs minimales de RON et MON, mais par la combinaison des deux indices, plus
précisément par la demi-somme AKI = (AKI : Anti Knock Index) Knock ‫الطرق‬

Il existe ainsi trois variétés de carburants (Regular, Intermediate, Premium) avec

respectivement des valeurs d’AKI = 87, 90 et 93 .

Ces indices correspondent par exemple aux RON et MON suivants :

- AKI 87 = RON 92 et MON 82

- AKI 89 = RON 94 et MON 84

- AKI 91 = RON 97 et MON 87

Indice d’octane pour quelques composés organiques

Composé n-C6 Cycle- C6 n-Hexène CH3OH C2H5OH C3H7OH Benzène Toluène

NO 26 77 78 98 99 100 >100

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I.2.4 Tension de vapeur

Elle caractérise la volatilité d’essence et par conséquent la teneur en éléments légers. La

tension de vapeur est le résultat des effets combinés des divers composants qui les constituent.
La tension de vapeur de ces mélanges ne peut être déterminée aussi facilement que pour les
produits purs, à partir de tables connues. On a recours pour apprécier leur volatilité à la
tension de vapeur Reid (TVR), qui est la valeur absolue de la pression de vapeur obtenue à
37,8 °C (100 °F) à partir d’un échantillon liquide disposé dans une enceinte étanche (bombe
Reid).

Les éléments légers favorisent le démarrage en hiver mais risque en été de provoquer la
formation de bouchon de vapeur, et donc l’arrêt du moteur.

TVR= 0.650 kg / cm2 en été.

TVR= 0.800 kg / cm2 en hiver.

La TVR conditionne directement les fuites et les pertes pendant le stockage.

I.2.5 Distillation ASTM

La distillation ASTM s’effectue au laboratoire. La température à laquelle distille un certain

volume d’essence, nous permet d’obtenir des points qui se rassemblent entre eux en donnant
la courbe de distillation ASTM. La courbe de distillation ASTM donne une idée suffisante des
proportions relatives d’hydrocarbures légers, moyen, et lourds contenus dans un produit.

I.2.6 Teneur en Plomb (PTE et PTM)

Les agents chimiques PTE et PTM ou le mélange des deux ont la propriété d’inhiber la
formation des peroxydes et de retarder la détonation du carburant et sa combustion dans le
cylindre du moteur.

a) Le plomb tétraéthyle (PTE) est un liquide toxique et polluent, insoluble dans l’eau avec une
T eb= 200°C et densité = 1,6.

b) Le plomb tétraméthyle (PTM ) est un composé plus léger T eb = 100°C dont l’action est
plus sensible sur les parties légères de l’essence .

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I.3. Formulation des essences

C’est l’ensemble des opérations qui consistent à mélanger les différentes bases de raffinerie
pour obtenir, en quantités suffisantes, un produit final conforme aux spécifications requises.
(pression de vapeur, courbe de distillation , les indices d’octane , la limitation des teneurs en
certains composants et le prix).

Les produits des raffineries classiques utilisés pour la formulation des essences sont :

Type de base RON MON

Butane 95 92
Isopentane 92 89
Essence légère 68 67
Réformat moyenne pression 94 85
Réformat basse pression 99 88
Réformat lourd 113 102
Essence totale FCC* 91 80
Essence légère FCC 93 82
Essence lourde FCC 95 85
Alkylat 95 92
Isomérisat 85 82
Dimersol (ollgomérisation d’oléflnes légères) 97 82
MTBE (Méthyl t-butyl éther ) 115 99
ETBE (Ethyl t-butyl éther) 114 98

*FCC fluid catalytic cracking .

Afin de respecter les spécifications, l'obtention d'une essence implique, de la part du raffineur,
une sélection très rigoureuse de ces différents composés.

Compositions typiques des carburants par origine des bases

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I.4. Présentation des principaux polluants

Les substances émises par le trafic routier sont très nombreuses dont les principaux sont :

1- Les oxydes de carbones (CO et CO2),

Le CO est un gaz toxique puissant qui peut bloquer la fixation de l'oxygène par les globules
rouges. La diffusion du CO est très rapide (densité voisine à celle de l'air).

2- Les oxydes d'azote (NOx),( NO, N2O, N2O3, N2O4 ,NO2).

L'azote (N) et l'oxygène (O) entrent en réaction dans les conditions de hautes températures et
de pression des moteurs pour former du monoxyde d'azote (NO) . Une fois rejetée dans
l'atmosphère, NO s'oxyde pour former du dioxyde d'azote (NO2)

Le NO2 est toxique (40 fois plus que le CO, 4 fois plus que le NO). Il pénètre profondément
dans les poumons.

3- Les Composés Organiques Volatils (COV), parmi lesquels Les Hydrocarbures

Aromatiques Polycycliques (HAP)

Les HAP sont des composés organiques dont la structure cyclique comprend au moins deux
cycles aromatiques. Ils proviennent essentiellement de phénomènes de pyrolyse-pyrosynthèse
de la matière organique.

Les BTX (Benzène, Toluène, et Xylènes) sont les principaux COV émis par la circulation
automobile essence surtout depuis l’introduction de nouveaux antidétonants ( les aromatiques
remplaçant le plomb tétraéthyl) . Les BTX sont très dangereux pour la santé (atteinte du
système nerveux central ).

4- Le dioxyde de soufre (SO2).

Les émissions de dioxyde de soufre dépendent de la teneur en soufre des combustibles. Ce

gaz irrite les muqueuses de la peau et des voies respiratoires supérieures. On estime que la
génération de SO2 par la combustion génère dans le monde environ 60 millions de tonnes/an
de SO2. Ce SO2 contribue essentiellement à la pollution urbaine et aux pluies acides.

5- Les particules

Le terme "particule" concerne, en général, les aérosols crées par la dispersion dans l'air de
solides et de liquides poudres ou gouttelettes .Elles constituent un ensemble très hétérogène

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dont les principaux composés sont : Des noyaux carbonés , des sulfates SO4-- des nitrates
NO3- des ions métalliques et des sels d'ammonium.

Les particules sont classées selon leur taille ; les particules ayant un diamètre inférieur à 10
μm sont désignées par le terme PM10, diamètre inférieur à 2,5 μm : PM2,5.

6- Les métaux lourds, (Pb, zinc, cadmium..).

Le plomb, élément très toxique, est issu de la combustion des carburants contenant du plomb
tétraéthyl. Dans les villes, 90 % du plomb est émis par les véhicules ; 10% du plomb retombe
dans un rayon de 100 m autour de la route, le reste est largement dispersé.

Le zinc et le cadmium sont produits par l'usure des pièces mécaniques, galvanisées, des
pneumatiques et des lubrifiants.

I.5. Additifs de finition

Les essences contiennent toujours des additifs en faible quantité dont les principaux sont :

– Des colorants (4 mg/l) permettant de distinguer les produits entre eux et d'éviter des
mélanges frauduleux ‫ احتيالي‬.

– Des anti-oxydants, assurant la bonne conservation des essences au stockage.

– Des additifs anti-récession des sièges de soupapes pour compenser l’absence de plomb dans
les super.

– Des produits détergents ou surfactants empêchant la formation de dépôts dans le circuit

d'admission (injecteurs, tubulure, soupapes) et les chambres de combustion du moteur.

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