L’Élémentarium
La vapocraquage consiste à chauffer, en présence de vapeur d’eau, diverses charges issues de la distillation du pétrole par exemple, le naphta, afin d’obtenir, après distillation, des composés (éthylène, propylène…) précieux pour l’industrie chimique.
Le vapocraquage est le principal moyen de fabrication des produits intermédiaires de première génération. Comme le craquage catalytique (voir le chapitre sur le pétrole), il consiste à casser les molécules de la charge, par pyrolyse, pour obtenir des molécules plus petites. De plus, il est réalisé en présence de vapeur d’eau qui sert à diluer les hydrocarbures pour éviter les réactions parasites d’aromatisation des cycloalcanes ou de Diels-Alder aboutissant à la formation de goudrons et de coke par condensation.
On utilise entre 0,25 et 1 tonne de vapeur d’eau par tonne d’hydrocarbure à craquer.
La charge peut être lourde (gazoles), moyenne (naphta) ou légère (éthane, propane, butane).
Consommations de la pétrochimie mondiale, en 2016 sur un total de 146 millions de t, répartition :
| Naphta | 43 % | Butane | 5 % | |
| Éthane | 36 % | Gasoil | 3 % | |
| Propane | 9 % | Charbon | 2 % |
Répartition de la consommation de la pétrochimie selon les régions, en 2017, hors gasoil et charbon.
| Nord Amérique | Moyen-Orient | Europe | Chine | |
| Éthane | 71 % | 66 % | 11 % | 0 % |
| Naphta | 11 % | 15 % | 78 % | 84 % |
| Butane-Propane | 18 % | 19 % | 11 % | 16 % |
Source : Deloitte, The future of petrochemicals, 2019.
En Europe et en Chine, le naphta est la matière première la plus employée ; aux États-Unis et au Moyen-Orient, l’utilisation des charges légères est majoritaire. Les conditions opératoires et la composition du produit obtenu dépendent de la nature de la charge.
Consommations de la pétrochimie, en France, en 2019, sur une total de 8,526 millions de t :
| Naphta | 4 312 | Propane | 451 | |
| Butane | 1 758 | Éthane | 9 | |
| Gazole | 941 | Divers | 262 | |
| Condensats | 266 | Recyclage | 527 |
Le tableau ci-dessous donne des exemples de composition du produit obtenu selon la charge utilisée.
| composition finale (%) pour diverses charges | éthane | propane | butane | naphta | gazole | gazole lourd |
| dihydrogène | 8,8 | 2,3 | 1,6 | 1,5 | 0,9 | 0,8 |
| méthane | 6,3 | 27,5 | 22,0 | 17,2 | 11,2 | 8,8 |
| éthylène | 77,8 | 42,0 | 40,0 | 33,6 | 26,0 | 20,5 |
| propylène | 2,8 | 16,8 | 17,3 | 15,6 | 16,1 | 14,0 |
| butadiène | 1,9 | 3,0 | 3,5 | 4,5 | 4,5 | 5,3 |
| autres C4 | 0,7 | 1,3 | 6,8 | 4,2 | 4,8 | 6,3 |
| benzène | 0,9 | 2,5 | 3,0 | 6,7 | 6,0 | 3,7 |
| toluène | 0,1 | 0,5 | 0,8 | 3,4 | 2,9 | 2,9 |
| C8 aromatiques | – | – | 0,4 | 1,8 | 2,2 | 1,9 |
| C8 non aromatiques | 0,7 | 3,6 | 2,9 | 6,8 | 7,3 | 10,8 |
| fioul | – | 0,5 | 1,7 | 4,7 | 18,1 | 25,0 |
Productions des vapocraqueurs, en 2019, en France, sur un total de 8,526 millions de t :
| Éthylène | 2 340 | Essences de pyrolyse | 1 838 | |
| Propylène | 1 443 | Gaz et dihydrogène | 1 520 | |
| Coupes en C4 | 984 | Fioul lourd | 297 |
Source : Data Lab, Ministère de l’Écologie, du Développement durable et de l’Énergie
La charge, préchauffée, est mélangée à de la vapeur d’eau. L’ensemble passe rapidement (en 0,2 à 1,2 seconde, à 300 m/s) sous 1 bar de pression dans des tubes en acier hautement allié (25 % chrome et 20 % nickel) de 6,5 à 12 cm de diamètre et 10 à 15 m de longueur, situés dans un four dont la température atteint 720 à 850°C en fonction de la charge. Les 200 à 300 tubes situés à l’intérieur du four, sont chauffés extérieurement. Les produits craqués subissent ensuite une trempe indirecte par échangeurs de chaleur à 450°C, puis une seconde, directe, à 200°C, dans un liquide constitué d’hydrocarbures lourds appelé huile de trempe.
Les capacités de production, par four, atteignent 200 000 t/an pour une charge liquide et 250 000 t/an pour une charge gazeuse et par usine, 1,5 million de t/an.
Le dépôt de coke nécessite, tous les 30 à 60 jours, l’arrêt de la production pendant 2 à 3 jours avec injection d’air à la place de la charge d’hydrocarbures afin de brûler le coke déposé.
Les différents produits issus des deux trempes sont ensuite séparés au cours de plusieurs distillations qui se font à basse température. Les produits craqués, refroidis à -120°C, sont distillés dans le déméthaniseur où on extrait le méthane et le dihydrogène. Les résidus (hydrocarbures C2+) sont distillés dans le dééthaniseur. En tête de colonne (- 33°C) on récupère d’une part l’acétylène (il est hydrogéné en éthane qui est recyclé en début de vapocraquage) et de l’éthylène (voir ce chapitre) de très haute pureté. Les résidus (hydrocarbures C3+) sont distillés dans le dépropaniseur. En tête de colonne (20°C) on récupère le propylène (voir ce chapitre). Les résidus (hydrocarbures C4+) sont une nouvelle fois distillés dans le débutaniseur. En tête de colonne (50°C), et après une distillation extractive, on récupère le butadiène. Les résidus, après hydrogénation partielle et extraction, fournissent la coupe aromatique (voir le chapitre « benzène, toluène, xylènes« ).
En 2015 et ( ) nombre. Monde, en 2019 : 207,58 millions de t/an de capacités de production d’éthylène (264 vapocraqueurs), Union européenne, en 2019 : 22,320 millions de t/an (43 vapocraqueurs).
| États-Unis | 28 426 (34) | Iran, en 2017 | 7 300 (7) | |
| Chine, en 2017 | 24 200 (27) | Taipei chinois | 4 540 (6) | |
| Arabie Saoudite | 13 155 (14) | Pays Bas | 4 045 (5) | |
| Japon | 6 645 (13) | Singapour | 3 980 (5) | |
| Allemagne | 5 514 (11) | Émirats Arabes Unis | 3 550 (3) | |
| Corée du Sud | 5 630 (11) | Thaïlande | 3 532 (7) | |
| Canada | 5 236 (6) | Brésil | 3 500 (6) |
Carte des vapocraqueurs et des raffineries en Europe (source : APPE)
Localisation, opérateur, capacités de production d’éthylène des 10 principales installations de vapocraqueurs dans l’Union européenne, en 2019 :
| Vapocraqueurs | Opérateurs | Capacités et ( ) nombre d’installations |
| Terneuzen (Belgique) | Dow | 1 825 (3) |
| Geleen (Pays-Bas) | Sabic | 1 310 (1) |
| Anvers (Belgique) | Total | 1 160 (2) |
| Anvers (Belgique) | BASF | 1 080 (1) |
| Gelsenkirchen (Allemagne) | BP | 1 073 (1) |
| Wesseling (Allemagne) | LyondellBasell | 1 040 (2) |
| Köln – Worringen (Allemagne) | Ineos | 946 (1) |
| Moerdijk (Pays-Bas) | Shell | 910 (1) |
| Wilton (Royaume-Uni) | Sabic | 786 (1) |
| Fife (Royaume Uni) | ExxonMobil/Shell | 770 (1) |
Localisation, opérateur, capacités de production d’éthylène des principaux vapocraqueurs français, en 2019 :
| Vapocraqueurs | Opérateurs | Capacités | |
| Lavéra (13) | Naphtachimie1 | 740 | |
| Gonfreville (76) | Total | 525 | |
| Aubette (Berre) (13) | LyondellBasell | 470 | |
| Notre Dame de Gravenchon (76) | ExxonMobil | 425 | |
| Dunkerque (59) | Versalis (ENI) | 380 | |
| Feyzin (69) | A.P. Feyzin2 | 250 |
Source : APPE
1 Naphtachimie : 50 % Ineos – 50 % Total
2 A.P. Feyzin : 57,5 % Total – 42,5 % Ineos