PÉTROCHIMIE, 4ÈME ANNÉE / OPTION : PÉTROCHIMIE INDUSTRIELLE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Finalités de la formation

La formation en pétrochimie a pour finalité de doter l’élève d’une compréhension approfondie des processus de transformation chimique des hydrocarbures en produits de grande consommation et en intermédiaires pour l’industrie. L’objectif est de former un technicien supérieur capable de comprendre les grandes filières de valorisation du pétrole et du gaz, d’analyser les schémas de production des grands intermédiaires et de saisir les enjeux techniques et économiques de ce secteur clé de l’industrie chimique.

2. Compétences visées

À l’issue de cette année de spécialisation, l’élève devra être capable de décrire les procédés de production des grandes briques de la pétrochimie (éthylène, propylène, benzène), d’expliquer les principales voies de synthèse de leurs dérivés (polyéthylène, isopropanol, styrène) et de comprendre les principes de la polymérisation industrielle. Il pourra également identifier les différents types de polymères, leurs applications, et analyser le rôle des additifs dans la formulation des produits finis.

3. Approche Pédagogique

L’enseignement s’organise autour de l’étude des grandes filières de production, en suivant le cheminement de la matière depuis la matière première jusqu’au produit final. Chaque grand intermédiaire est analysé à travers son procédé de production (vapocraquage, reformage) et ses principaux « arbres » de dérivés. L’approche est concrète, illustrant comment les produits de la raffinerie SOCIR pourraient alimenter une future industrie pétrochimique en RDC ou comment le gaz du lac Kivu pourrait être une source d’hydrogène pour la production d’ammoniac et d’engrais.

4. Sécurité et Environnement en Industrie Pétrochimique

Une attention rigoureuse est portée aux risques spécifiques de l’industrie pétrochimique, qui manipule des produits souvent très réactifs, inflammables et toxiques, dans des conditions de pression et de température élevées. L’élève étudiera les plans d’opération, les systèmes de sécurité instrumentés (SIS), la gestion des effluents et les principes de la chimie verte visant à réduire l’impact environnemental des procédés.

 

 

Partie I : Introduction et Matières Premières de la Pétrochimie 🛢️

Cette partie établit le périmètre de la discipline et analyse en détail les matières premières qui l’alimentent. L’élève y apprendra que la pétrochimie ne se limite pas au pétrole mais englobe toute la chimie issue des hydrocarbures fossiles. La compréhension des caractéristiques des charges (feedstocks) et des procédés de conversion primaire est le point de départ de toute la chaîne de valeur.

Chapitre 1 : Définition, Histoire et Importance de la Pétrochimie

Ce chapitre positionne la pétrochimie comme une industrie centrale de l’économie moderne.

1.1. [cite_start]Définition et Place dans l’Industrie [cite: 22]

[cite_start]La pétrochimie est définie comme la chimie dérivée du pétrole et du gaz naturel, couvrant à la fois le secteur de l’industrie pétrolière et celui de l’industrie chimique qui utilise ses produits comme matières premières[cite: 22]. [cite_start]Sa position incontournable dans la chimie générale moderne sera soulignée[cite: 23].

1.2. Histoire et Essor de l’Industrie Pétrochimique

[cite_start]L’élève découvrira les circonstances de la naissance de cette industrie et son essor spectaculaire après la Seconde Guerre mondiale, transformant des sous-produits du raffinage en une source inépuisable de nouveaux matériaux et produits chimiques[cite: 149].

1.3. [cite_start]La Pétrochimie, Source de Produits du Quotidien [cite: 24]

[cite_start]L’omniprésence des produits pétrochimiques sera illustrée par des exemples concrets : les matières plastiques, les fibres synthétiques (habillement), les détergents, les peintures, les solvants, les insecticides, les médicaments et les cosmétiques[cite: 16, 24].

1.4. Les Enjeux Futurs : Perspectives et Défis

[cite_start]Les perspectives d’avenir de la pétrochimie seront discutées, incluant les défis liés à la transition énergétique, le développement de la pétrochimie « verte » (à partir de la biomasse) et l’économie circulaire (recyclage des plastiques)[cite: 149].

Chapitre 2 : Les Hydrocarbures comme Matières Premières (Feedstocks)

Ce chapitre analyse les différentes charges utilisées pour produire les grands intermédiaires.

2.1. Les Coupes Pétrolières Issues du Raffinage

[cite_start]L’élève apprendra que les principales charges pour la pétrochimie sont issues du raffinage : les gaz de raffinerie, le naphta (coupe la plus importante pour le vapocraquage) et les gazoles[cite: 149].

2.2. Le Gaz Naturel et ses Composants

Le gaz naturel sera présenté comme une matière première de plus en plus importante. L’élève distinguera l’utilisation du méthane (pour le gaz de synthèse) de celle des liquides de gaz naturel (LGN) comme l’éthane et le propane, qui sont des charges de choix pour produire de l’éthylène.

2.3. [cite_start]Les Lubrifiants et les Solvants comme Bases Spécifiques [cite: 155]

Certains produits de spécialité du raffinage, comme les huiles lubrifiantes et les solvants pétroliers, seront présentés. [cite_start]L’élève comprendra que bien qu’étant des produits finis, ils peuvent aussi servir de base à des formulations plus complexes intégrant des additifs pétrochimiques[cite: 155].

2.4. [cite_start]Les Paraffines et les Bitumes [cite: 149]

[cite_start]L’élève étudiera les paraffines, sous-produits des huiles, et leurs usages (bougies, emballages), ainsi que les bitumes et leurs applications routières[cite: 149]. [cite_start]Ces produits, bien que moins transformés chimiquement, font partie intégrante de la valorisation du brut[cite: 149].

Chapitre 3 : Les Grands Procédés de Conversion Primaire

Ce chapitre décrit les technologies qui permettent de « casser » les molécules d’hydrocarbures pour produire les briques de base.

3.1. Le Vapocraquage (Steam Cracking)

[cite_start]Le vapocraquage sera présenté comme le procédé central de la pétrochimie, permettant de produire les oléfines légères (éthylène, propylène) par craquage thermique de charges comme l’éthane ou le naphta en présence de vapeur d’eau[cite: 159].

3.2. Le Reformage Catalytique

[cite_start]Le reformage catalytique sera étudié comme le principal procédé de production des hydrocarbures aromatiques (benzène, toluène, xylènes – BTX) à partir du naphta[cite: 159]. [cite_start]Le rôle des catalyseurs à base de platine sera souligné[cite: 159].

3.3. Le Craquage Catalytique en Lit Fluidisé (FCC)

Le FCC sera présenté comme un procédé de raffinage dont le but est de produire de l’essence à haut indice d’octane, mais qui co-produit également des quantités importantes d’oléfines (propylène, butènes), devenant une source majeure pour la pétrochimie.

3.4. La Production de Gaz de Synthèse (Syngas)

Les différentes méthodes pour produire le gaz de synthèse (un mélange de monoxyde de carbone CO et d’hydrogène H₂), principalement par vaporeformage du gaz naturel, seront décrites. L’élève comprendra que ce mélange est la porte d’entrée de la « chimie du C1 ».

 

 

Partie II : Les Grands Intermédiaires : La Chimie des Oléfines 🧪

Cette partie est consacrée à l’étude des oléfines légères (C₂, C₃, C₄), qui sont les véritables briques de construction de la pétrochimie et représentent la plus grande part de sa production en volume. L’élève y découvrira en détail la production et les principales voies de valorisation de l’éthylène, du propylène et des coupes C₄, qui mènent à une immense variété de produits finis.

[cite_start]Chapitre 4 : L’Éthylène : Production et Dérivés Majeurs [cite: 155]

Ce chapitre se concentre sur la molécule la plus importante de la pétrochimie.

4.1. Production et Purification de l’Éthylène

[cite_start]Le procédé de production par vapocraquage sera révisé, en se concentrant sur les étapes de séparation et de purification cryogénique qui permettent d’obtenir un éthylène de haute pureté (« grade polymère »)[cite: 155]. [cite_start]Les techniques de stockage et de transport de l’éthylène liquéfié seront également abordées[cite: 155].

4.2. La Polymérisation : Le Polyéthylène (PE)

La principale application de l’éthylène, la production de polyéthylène, sera étudiée. [cite_start]L’élève distinguera les deux grandes familles de PE : le polyéthylène basse densité (PEBD) et le polyéthylène haute densité (PEHD), en expliquant leurs différences de procédé, de structure et de propriétés[cite: 155].

4.3. L’Oxydation de l’Éthylène : Oxyde d’Éthylène et Glycols

L’oxydation de l’éthylène en oxyde d’éthylène, un intermédiaire très réactif, sera décrite. Son hydrolyse pour produire l’éthylène glycol (principal composant des antigels et matière première du polyester) sera analysée.

4.4. Les Autres Dérivés : Chlorure de Vinyle et Styrène

Deux autres dérivés majeurs seront présentés : le chlorure de vinyle monomère (CVM), obtenu par chloration de l’éthylène, qui est le précurseur du PVC ; et l’éthylbenzène, obtenu par alkylation du benzène, précurseur du styrène (monomère du polystyrène).

[cite_start]Chapitre 5 : Le Propylène : Production et Voies de Valorisation [cite: 155]

Ce chapitre explore la chimie du deuxième grand intermédiaire oléfinique.

5.1. Les Sources de Propylène

L’élève apprendra que le propylène est principalement un co-produit du vapocraquage et du craquage catalytique (FCC). Les procédés de production « à la demande » (déshydrogénation du propane) seront également introduits.

5.2. La Polymérisation : Le Polypropylène (PP)

Le polypropylène, l’un des plastiques les plus polyvalents, sera étudié comme le principal débouché du propylène. [cite_start]Ses propriétés (résistance thermique, mécanique) et ses applications (automobile, emballage, fibres) seront détaillées[cite: 155].

5.3. L’Hydratation : L’Isopropanol

La réaction d’hydratation du propylène pour former l’isopropanol (alcool isopropylique) sera décrite. [cite_start]Ses usages comme solvant et comme produit de désinfection seront mentionnés[cite: 155].

5.4. L’Oxydation et l’Ammoxydation : Acrylonitrile et Oxyde de Propylène

[cite_start]L’élève découvrira deux voies de valorisation importantes : l’ammoxydation (réaction avec l’ammoniac et l’oxygène) pour produire l’acrylonitrile (précurseur des fibres acryliques et du caoutchouc nitrile)[cite: 155], et l’oxydation en oxyde de propylène (base des polyuréthanes).

Chapitre 6 : La Filière des Hydrocarbures en C4 (Butadiène, Butènes)

Ce chapitre se concentre sur la valorisation de la coupe C₄ issue du vapocraquage.

6.1. La Composition de la Coupe C4

La composition complexe de la coupe C₄ (mélange de butadiène, isobutène, butènes linéaires et butanes) sera présentée. L’importance de la séparation de ses constituants sera soulignée.

6.2. Le Butadiène et les Caoutchoucs Synthétiques

Le butadiène sera identifié comme le constituant le plus important de la coupe C₄. Son utilisation principale dans la fabrication de caoutchoucs synthétiques par polymérisation (polybutadiène, styrène-butadiène-rubber SBR) sera expliquée.

6.3. L’Isobutène et ses Dérivés

L’isobutène sera présenté comme une brique de base pour la production d’additifs pour essence (MTBE) et de caoutchoucs spéciaux comme le caoutchouc butyle.

6.4. Les Butènes Linéaires

La valorisation des butènes linéaires (but-1-ène et but-2-ène) comme co-monomères dans la fabrication de polyéthylène et comme précurseurs de produits chimiques par oxydation (vers l’anhydride maléique) sera abordée.

 

 

Partie III : La Chimie des Aromatiques et du Gaz de Synthèse 🏭

Cette partie explore les deux autres piliers de la pétrochimie. La chimie des aromatiques (benzène, toluène, xylènes) est à la base de nombreux polymères de performance, solvants et intermédiaires. La chimie du gaz de synthèse, issue principalement du gaz naturel, ouvre la voie à la production massive d’ammoniac (essentiel pour les engrais) et de méthanol.

[cite_start]Chapitre 7 : La Production des Aromatiques (BTX) [cite: 159]

Ce chapitre se concentre sur l’obtention des grands intermédiaires aromatiques.

7.1. Le Reformage Catalytique comme Source Principale

Le reformage catalytique sera réaffirmé comme la principale source de BTX (Benzène-Toluène-Xylènes). [cite_start]Le reformat obtenu est une coupe riche en aromatiques qui doit être traitée[cite: 159].

7.2. La Pyrolyse de l’Essence (Vapocraquage)

[cite_start]L’essence de pyrolyse, un co-produit liquide du vapocraquage, sera présentée comme une autre source importante d’aromatiques, notamment de benzène[cite: 159].

7.3. Les Procédés d’Extraction des Aromatiques

[cite_start]L’élève étudiera les procédés d’extraction liquide-liquide (comme le procédé UDEX) qui permettent de séparer sélectivement les aromatiques des autres hydrocarbures présents dans le reformat ou l’essence de pyrolyse[cite: 159].

7.4. La Séparation des Aromatiques (Distillation et Cristallisation)

Une fois extraits, le mélange de BTX est séparé par distillation fine. La séparation des xylènes (ortho-, méta-, para-) entre eux, qui ont des points d’ébullition très proches, nécessite des techniques plus complexes comme la cristallisation fractionnée.

Chapitre 8 : Les Grandes Réactions de la Chimie Aromatique

Ce chapitre explore les voies de valorisation des BTX.

8.1. Le Benzène : Vers le Styrène, le Phénol et le Cyclohexane

Les trois principales voies de transformation du benzène seront étudiées : l’alkylation avec l’éthylène pour produire l’éthylbenzène/styrène (polystyrène), l’oxydation via le procédé au cumène pour co-produire du phénol et de l’acétone, et l’hydrogénation en cyclohexane (précurseur du nylon).

8.2. Le Toluène et ses Dérivés

La valorisation du toluène sera abordée, notamment sa conversion en benzène (hydrodésalkylation) ou son utilisation dans la synthèse du diisocyanate de toluène (TDI), un des composants des mousses de polyuréthane.

8.3. Les Xylènes et les Fibres Polyesters

L’importance du para-xylène sera mise en avant. Son oxydation en acide téréphtalique, un des deux monomères du polyéthylène téréphtalate (PET, utilisé pour les bouteilles et les fibres textiles polyesters), sera décrite.

8.4. [cite_start]Les Solvants, Gommes et Résines [cite: 159]

[cite_start]L’utilisation des composés aromatiques et de leurs dérivés comme solvants industriels performants et dans la fabrication de gommes et de résines synthétiques sera rappelée comme un débouché important[cite: 159].

Chapitre 9 : Le Gaz de Synthèse et la Chimie du C1 (Ammoniac, Méthanol)

Ce chapitre se concentre sur la valorisation du méthane via le gaz de synthèse.

9.1. La Production de l’Hydrogène

L’élève apprendra que la production d’hydrogène à grande échelle, étape clé pour la synthèse de l’ammoniac et pour l’hydrotraitement en raffinerie, se fait majoritairement par vaporeformage du gaz naturel.

9.2. [cite_start]La Synthèse de l’Ammoniac (NH₃) [cite: 159]

Le procédé Haber-Bosch de synthèse de l’ammoniac à partir d’azote et d’hydrogène sera étudié en détail. [cite_start]L’importance des hautes pressions et de la catalyse (à base de fer) sera soulignée[cite: 159]. La RDC, avec ses ressources en gaz, a un potentiel pour développer une industrie d’engrais basée sur ce procédé.

9.3. La Synthèse du Méthanol (CH₃OH)

La production de méthanol à partir du gaz de synthèse (CO + 2H₂) sera présentée. Le méthanol est un intermédiaire majeur, utilisé comme solvant et comme matière première pour produire du formaldéhyde et de l’acide acétique.

9.4. Les Débouchés de la Chimie du C1

Les grandes filières issues du méthanol et de l’ammoniac seront résumées : les engrais azotés (urée, ammonitrates) à partir de l’ammoniac, et les résines, les adhésifs et les plastiques techniques à partir du méthanol.

 

 

Partie IV : Des Monomères aux Polymères et Applications 🧬

Cette dernière partie est la synthèse de la pétrochimie, car la production de matières plastiques et de fibres synthétiques est son principal débouché. L’élève y découvrira les principes de la transformation des monomères en macromolécules, explorera les grandes familles de polymères et leurs applications, et s’initiera aux additifs qui permettent d’ajuster leurs propriétés pour des usages spécifiques.

Chapitre 10 : Principes de la Polymérisation Industrielle

Ce chapitre détaille les réactions qui permettent de créer les longues chaînes de polymères.

10.1. [cite_start]Définition et Classification des Polymères [cite: 159]

Les notions de monomère, polymère et degré de polymérisation seront définies. [cite_start]L’élève apprendra à classifier les polymères selon leur origine (naturels, synthétiques), leur structure (linéaire, ramifié, réticulé) et leur comportement thermique (thermoplastiques, thermodurcissables)[cite: 159].

10.2. La Polymérisation en Chaîne (par Addition)

Le mécanisme de la polymérisation en chaîne, typique des monomères contenant des doubles liaisons (éthylène, propylène, styrène), sera étudié. Les étapes d’amorçage, de propagation et de terminaison seront décrites.

10.3. La Polymérisation par Étapes (Polycondensation)

Le mécanisme de la polycondensation, qui implique la réaction entre des monomères possédant deux groupes fonctionnels avec élimination d’une petite molécule (comme l’eau), sera présenté. La synthèse du nylon et du polyester en sont des exemples.

10.4. Les Procédés de Polymérisation Industrielle

Les différentes techniques de mise en œuvre de la polymérisation à grande échelle seront décrites : en masse, en solution, en suspension et en émulsion. Le choix du procédé dépend de la cinétique de la réaction et de la gestion de la chaleur.

Chapitre 11 : Les Grandes Familles de Polymères

Ce chapitre dresse un panorama des principaux polymères et de leurs marchés.

11.1. Les Polyoléfines (PE, PP)

[cite_start]Le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP) seront présentés comme les plastiques de grande diffusion par excellence, utilisés dans l’emballage, les biens de consommation et l’automobile[cite: 155, 159].

11.2. Les Polymères Vinyliques (PVC, PS)

Le polychlorure de vinyle (PVC), utilisé dans la construction (tuyaux, fenêtres), et le polystyrène (PS), utilisé pour l’emballage (pots de yaourt) et l’isolation (polystyrène expansé), seront étudiés.

11.3. Les Polyesters (PET) et les Polyamides (PA)

Ces deux familles seront présentées comme les reines des fibres textiles synthétiques. Le PET sera également étudié pour son usage dans les bouteilles de boissons gazeuses, et les polyamides (Nylon) pour leurs excellentes propriétés mécaniques.

11.4. Les Élastomères et les Thermodurcissables

L’élève distinguera les élastomères (caoutchoucs synthétiques) qui ont des propriétés élastiques, des thermodurcissables (résines époxy, phénoliques) qui forment des réseaux tridimensionnels rigides et infusibles après mise en forme.

Chapitre 12 : Additifs, Mise en Forme et Avenir de la Pétrochimie

Ce chapitre final aborde les aspects pratiques de l’utilisation des plastiques et les perspectives du secteur.

12.1. [cite_start]Les Additifs pour Polymères [cite: 155]

[cite_start]L’élève découvrira que les propriétés d’un polymère sont souvent ajustées par l’ajout d’additifs : plastifiants (pour augmenter la souplesse), stabilisants (anti-UV, antioxydants), charges (pour réduire le coût ou améliorer les propriétés mécaniques) et colorants[cite: 155].

12.2. Les Techniques de Mise en Forme des Plastiques

Les principaux procédés de transformation des polymères en objets finis seront introduits : l’extrusion (pour les profilés, tubes, films), le moulage par injection (pour les pièces complexes) et le thermoformage.

12.3. L’Impact Environnemental des Matières Plastiques

La problématique de la durabilité et de la fin de vie des matières plastiques sera abordée, en insistant sur la pollution causée par les déchets plastiques et la nécessité de développer des stratégies de gestion.

12.4. Le Recyclage et la Pétrochimie Verte

Le cours se conclura sur les perspectives d’avenir : le développement du recyclage mécanique et chimique des plastiques, et l’essor de la « chimie du végétal » (bio-sourcée) qui vise à produire des monomères et des polymères à partir de la biomasse, une voie prometteuse pour un pays au fort potentiel agricole comme la RDC.

Annexes

Cette section fournit des documents de référence pour une consultation rapide et une meilleure assimilation des concepts.

1. Glossaire des Termes de la Pétrochimie

Une définition claire des termes techniques clés (ex: vapocraquage, oléfine, aromatique, polymérisation, thermoplastique) est fournie pour assurer la maîtrise du vocabulaire spécialisé.

2. Grandes Filières Pétrochimiques (Arbres de Produits)

Des schémas synoptiques illustrant les principales filières de valorisation à partir des grands intermédiaires (éthylène, propylène, benzène), montrant la cascade de produits dérivés.

3. Tableau des Principaux Polymères et de leurs Applications

Un tableau récapitulatif présentant pour chaque grand polymère (PE, PP, PVC, PS, PET, etc.) son nom, son sigle, ses propriétés clés et ses domaines d’application majeurs.

4. Exemples de Schémas de Procédés (Vapocraquage, Synthèse d’Ammoniac)

Des schémas de procédés simplifiés pour le vapocraquage d’éthane et la synthèse d’ammoniac (procédé Haber-Bosch), illustrant l’agencement des équipements et les principaux flux de matière et d’énergie.