La spectroscopie NIR dans l'industrie pétrochimique et de raffinage : L'outil conforme à l'ASTM pour le contrôle de la qualité et la sélection des produits - Partie 2

4 oct. 2021

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Cet article est Partie 2 d'une série.

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Différences entre l'essence, le diesel et le carburéacteur

L'essence est un carburant fabriqué à partir de pétrole brut et d'autres liquides à base de pétrole, dont le nombre de carbones est généralement compris entre 4 et 12, et dont le point d'ébullition peut atteindre 120 °C. L'essence est principalement utilisée comme carburant pour les véhicules. Les raffineries de pétrole et les installations de mélange produisent de l'essence destinée à être vendue dans les stations-service. La majeure partie de l'essence produite par les raffineries de pétrole est de l'essence non finie. Ce produit non fini doit être mélangé à d'autres liquides pour contrôler des paramètres tels que l'indice d'octane et la volatilité, afin que l'essence réponde aux exigences de base d'un carburant utilisable dans les moteurs à allumage commandé.

Le carburant diesel est raffiné à partir du pétrole brut dans les raffineries de pétrole. Le terme "diesel" est le terme courant pour désigner le distillat de pétrole vendu pour être utilisé dans les véhicules à moteur qui utilisent le moteur à allumage par compression, inventé par l'ingénieur allemand Rudolf Diesel (1858–1913). Il a breveté sa conception originale en 1892. L'un des carburants envisagés à l'origine par Rudolf Diesel pour son moteur était l'huile de graine végétale, une idée qui a finalement contribué à l'invention du moteur à essence processus de production de biodiesel d'aujourd'hui.

Avant 2006, la plupart des carburants diesel contenaient de grandes quantités de soufre. Les émissions de soufre provenant de la combustion du carburant diesel entraînent une pollution de l'air très nocive pour la santé humaine. C'est pourquoi l'Agence américaine pour la protection de l'environnement a émis des exigences visant à réduire la teneur en soufre du carburant diesel à un niveau aussi bas que 15 mg/L. Le carburant diesel contient des composants dont le nombre de carbones est compris entre 8 et 21 (mais principalement entre 16 et 20) et est la fraction qui bout entre 200 °C et 350 °C.

Les carburéacteurs (ou carburants d'aviation) sont l'un des produits de base utilisés par les avions. Le carburéacteur est composé de produits pétroliers raffinés dont le nombre de carbones est compris entre 10 et 16 (bien qu'il puisse varier de 6 à 16) et dont le point d'ébullition se situe entre 150 °C et 275 °C. Ce type de carburant est fortement réglementé par les organismes nationaux et internationaux. Il existe deux principaux types de carburéacteur : Le Jet A et le Jet B. La principale différence entre les deux est le point de congélation. Le Jet B est généralement utilisé pour les opérations militaires et les lieux où les conditions météorologiques sont défavorables. Le Jet A est principalement utilisé pour alimenter les avions commerciaux.

Spectroscopie dans le proche infrarouge - un outil conforme à la norme ASTM pour évaluer la qualité de l'essence, du diesel et du carburéacteur

La spectroscopie proche infrarouge (NIRS) est une méthode établie pour un contrôle de qualité rapide et fiable dans l'industrie pétrochimique depuis plus de 30 ans. Cependant, de nombreuses entreprises n'envisagent toujours pas de mettre en œuvre la NIRS dans leurs laboratoires d'assurance et de contrôle de la qualité. Les raisons peuvent être soit une expérience limitée des possibilités d'application, soit une hésitation générale à mettre en œuvre de nouvelles méthodes.

L'utilisation de la NIRS présente plusieurs avantages par rapport aux autres technologies analytiques conventionnelles. Tout d'abord, la NIRS est capable de mesurer plusieurs paramètres en seulement 30 secondes, sans aucune préparation de l'échantillon ! L'interaction lumière-matière non invasive utilisée par la NIRS, influencée par les propriétés physiques et chimiques de l'échantillon, en fait une excellente méthode pour la détermination de ces deux types de propriétés.

Dans la suite de cet article, nous décrivons les solutions clés en main disponibles pour l'essence, le diesel et le kérosène, qui ont été développées conformément aux directives de mise en œuvre de la NIRS, à savoir ASTM E1655 (développement de méthodes), ASTM D6122 (validation de la méthode), et ASTM D8340 (validation des résultats). Ensuite, il y a une discussion sur le retour sur investissement (ROI) de l'utilisation du NIRS comme alternative au moteur CFR.

Lisez nos précédents articles de blog pour en savoir plus sur la NIRS en tant que technique secondaire.

Avantages de la NIRS : Partie 1

Avantages de la NIRS : Partie 2

Avantages de la NIRS : Partie 3

Avantages de la NIRS : Partie 4

Le NIRS accélère et simplifie le contrôle de la qualité des carburants

Sans carburants de haute qualité (essence, diesel et carburéacteur), notre vie quotidienne serait bien différente. À la fin du processus de production ainsi qu'à différentes étapes de la chaîne de distribution, la qualité du produit doit être déterminée. En règle générale, les principaux paramètres de qualité, tels que RON/MON (indice d'octane recherche et moteur), indice de cétane, et lpoint d'éclair sont déterminés en laboratoire par des méthodes chimiques et physiques. Ces méthodes entraînent non seulement des coûts de fonctionnement élevés, mais elles prennent également beaucoup de temps.

La NIRS, quant à elle, ne nécessite ni produits chimiques ni préparation d'échantillons. Cette technique peut même être utilisée par des personnes non techniques (aucun diplôme de chimie n'est nécessaire) et fournit des résultats en moins d'une minute. En outre, plusieurs paramètres chimiques et physiques peuvent être déterminés simultanément. Les avantages combinés de cette technologie font de la NIRS la solution idéale pour de nombreuses mesures quotidiennes de QA/QC ou pour des analyses ad hoc en ligne.

Metrohm propose le NIRS DS2500 Petro Analyzer pour le contrôle de la qualité et l'analyse de routine des carburants. Il est conforme à la norme ASTM D6122. Résistant à la poussière, à l'humidité et aux vibrations, cet instrument convient non seulement à une utilisation en laboratoire, mais aussi à une utilisation dans des environnements de production directe.

Pour en savoir plus, cliquez sur le lien ci-dessous.

NIRS DS2500 Petro Analyzer

Solutions clés en main : étalonnages préalables disponibles pour l'essence, le diesel et le carburéacteur

Le tableau 1 énumère tous les constituants couverts par les pré-étalonnages pour ces différents carburants. Cliquez sur le type de carburant dans le tableau pour en savoir plus sur les pré-étalonnages proposés par Metrohm.

Tableau 1. Pré-étalonnages disponibles pour une variété de paramètres de qualité clés dans l'essence, le diesel et le carburéacteur.
Type de carburant	Paramètre	Range	SECV	R²
Essence	RON	81–100	0.68	0.958
MON	81–88	0.53	0.889
Indice anti-coups	85–94	0.45	0.948
Aromatiques	20–45%	0.011	0.959
Benzene	0.15–0.70 %	0.0004	0.902
Densité	0.74–0.76 g/cm³	0.0024 g/cm³	0.797
Oléfines	0–25 %	0.013	0.909
Oxygène	0.2–2.0 %	0.00045	0.994
Diesel	Indice de cétane	46–77	0.62	0.987
Indice de cétane	45–60	0.942	0.942
Densité	0.82–0.89 g/cm³	0.0021 g/cm³	0.968
CFPP	-22–(+19) °C	2.8 °C	0.963
T95	325–410 °C	7.04 °C	0.799
Point d'éclair	56–120 °C	2.7 °C	0.97
Viscosité	2–5.5 cSt	0.15	0.91
Kérosène / Jet Fuel	Indice de cétane	36–50	1.1	0.871
Gravité de l'API	38–48 °	0.56 °	0.931
Aromatiques	10–25 %	0.01	0.851
T10	158–200 °C	4.1 °C	0.801
T20	165–205 °C	3.1 °C	0.88
T50	180–220 °C	4.1 °C	0.789
Densité	0.78–0.83 g/cm³	0.003 g/cm³	0.936
Point d'éclair	38–65 °C	4.3 °C	0.62
Point de congélation	-65–(-40) °C	3. 5°C	0.576
Hydrogène	13.2–14.2 %	0.0005	0.934
Saturés	75–90 %	0.009	0.888
Viscosité à 20 °C	3–7 cSt	0.33 cSt	0.804

Pour en savoir plus sur les possibilités d'analyse pétrochimique avec les analyseurs Metrohm NIRS DS2500, consultez notre brochure gratuite.

Analyseur DS2500 - Accroître l'efficacité du laboratoire de contrôle qualité grâce à la spectroscopie proche infrarouge (NIRS)

Exemple d'application : contrôle de la qualité du diesel avec le NIRS DS2500 Petro Analyzer

L'indice de cétane (ASTM D613), point d'éclair (ASTM D56), point de colmatage du filtre à froid (CFPP) (ASTM D6371), D95 (ISO 3405), et viscosité à 40 °C (ISO 3104) sont parmi les paramètres clés permettant de déterminer la qualité du diesel. Les méthodes d'essai primaires pour ces paramètres demandent beaucoup de travail et sont difficiles à mettre en œuvre en raison de la nécessité de recourir à de multiples méthodes analytiques.

Figure 1. Contrôle de la qualité du carburant diesel effectué par l'analyseur Metrohm NIRS DS2500 Petro.

Dans cette solution clé en main, les échantillons de diesel ont été mesurés en mode transmission avec un analyseur NIRS DS2500 Petro sur toute la gamme de longueurs d'onde (400-2500 nm). La chambre à échantillon intégrée à température contrôlée a été réglée à 40 °C pour assurer un environnement stable à l'échantillon. Pour des raisons de commodité, des flacons jetables d'une longueur de trajet de 8 mm ont été utilisés (figure 1), ce qui a rendu la procédure de nettoyage inutile.

Les spectres Vis-NIR obtenus (figure 1) ont été utilisés pour créer des modèles de prédiction pour la détermination des paramètres clés du diesel. La qualité des modèles de prédiction a été évaluée à l'aide de diagrammes de corrélation qui montrent la corrélation entre la prédiction Vis-NIR et les valeurs de la méthode primaire. Les figures de mérite respectives (FOM) indiquent la précision attendue d'une prédiction lors d'une analyse de routine (figure 2).

Cette solution démontre que la NIRS est parfaitement adaptée à l'analyse de multiples paramètres dans le carburant diesel, fournissant des résultats en moins d'une minute, sans préparation d'échantillon ni réactifs chimiques.

Vous souhaitez en savoir plus ? Téléchargez notre note d'application gratuite.

Contrôle de la qualité du diesel - Détermination rapide et simple de l'indice de cétane, du point d'éclair, du CFPP, du D95 et de la viscosité à l'aide de la NIRS

Retour sur investissement : Moteur CFR vs. NIRS

L'essence nécessite des contrôles intensifs de plusieurs paramètres de qualité qui doivent être conformes à certaines spécifications avant d'être commercialisée. Ces paramètres, qui peuvent également être contrôlés par analyse NIRS, comprennent l'indice d'octane de recherche (ASTM D2699) et l'indice d'octane du moteur (ASTM D2700), également connu sous le nom de RON/MON.

Il est important de mesurer ces valeurs avec précision non seulement pour se conformer à la réglementation, mais aussi pour permettre aux fabricants de réaliser des économies. À titre d'exemple, les valeurs RON dépassant les exigences fixées seront toujours acceptées par le marché, mais ces produits comprendront alors une quantité plus importante de molécules organiques lucratives à longue chaîne. Cette "perte de RON" est estimée à environ 0,5 RON par baril, ce qui représente un manque à gagner de 2,25 millions de dollars par mois pour un processus de production de 100 000 barils par jour.

Figure 3. CFR® F1/F2 Octane Rating Unit Combination Research & Motor Method. (Source : CFR Engines Inc.)

Le moteur d'indice d'octane Combination Cooperative Fuel Research (CFR) (modèle F1/F2) est utilisé pour déterminer la qualité d'octane de l'essence et des composants de mélanges de carburants. Cet appareil est reconnu et approuvé par les normes ASTM D2699 et D2700. Le moteur est équipé d'un carter robuste, d'un cylindre à compression variable, d'un carburateur avec un rapport carburant/air réglable et d'un équipement de mesure du cliquetis (figure 3).

Des systèmes NIRS prêts à l'emploi sont également disponibles pour contrôler plusieurs paramètres de qualité de l'essence qui couvrent des plages variées et leurs précisions respectives (tableau 1). En outre, les fabricants d'analyseurs NIRS proposent généralement une aide à l'application afin d'étendre ces plages ou d'améliorer la précision.

Le tableau 2 donne un aperçu des coûts estimés pour l'analyse du RON et du MON avec un moteur CFR par rapport à l'analyseur Metrohm NIRS DS2500 Petro. L'amortissement complet est atteint en deux ans si l'on considère que seulement 50 % de la méthode d'analyse primaire (CFR Engine) est remplacée par le NIRS. Ce calcul est basé sur 2000 analyses par an (1000 RON + 1000 MON), avec des coûts d'exploitation totaux d'environ 32,50 $ par analyse (produits chimiques, maintenance et main-d'œuvre).

Tableau 2. Coût de possession du moteur CFR par rapport au DS2500 Petro Analyzer.

^{1Hypothèse selon laquelle l'instrument a été acheté précédemment et que ce coût n'est donc pas pris en compte dans le calcul du retour sur investissement.}
Analyses totales RON + MON par an	2000	2000
Coût de l'opérateur par heure	$25.00	$25.00
Coût de l'analyseur	Moteur CFR	NIRS DS2500 Petro Analyzer
Analyseur	$500,000.00	$55,000.00
Coûts initiaux totaux	$0.00¹	$55,000.00
Frais de fonctionnement consommables / Produits chimiques / maintenance
Produits chimiques par an (ASTM D2699/D2700)	$20,000.00	$0.00
Coût d'entretien par an	$20,000.00	$1,500.00
Produits chimiques et coûts d'entretien par analyse	$20.00	$0.75
Coût total de fonctionnement par an	$40,000.00	$1,500.00
Temps consacré à l'analyse	30 minutes	< 1 minute
Coût de la main-d'œuvre pour 1000 analyses de RON (ASTM D2699)	$12,500.00	$416.50
Coût de la main-d'œuvre pour 1000 analyses de MON (ASTM D2700)	$12,500.00	$416.50
Coût de la main-d'œuvre par analyse	$12.50	$0.42
Coût total de la main-d'œuvre par an	$25,000.00	$833.00
Coût total de fonctionnement par an	$65,000.00	$2,333.00

Pour plus d'informations sur l'analyse du RON/MON et d'autres paramètres de l'essence, consultez nos notes d'application gratuites ci-dessous.

Contrôle de la qualité de l'essence - Détermination rapide du RON, du MON, de l'AKI, de la teneur en aromatiques et de la densité à l'aide de la NIRS

Contrôle en ligne de l'indice d'octane pendant le reformage catalytique par NIRS conformément aux normes ASTM D2699 et ASTM D2700

Dans cet exemple, l'analyse RON/MON a été utilisée pour montrer les économies et le retour sur investissement de l'utilisation de la NIRS en complément d'une méthode primaire. Toutefois, si l'on étend cette analyse à d'autres paramètres de qualité clés, tels que ceux indiqués dans le tableau 1, les incitations financières pour un tel investissement sont encore plus convaincantes.

Résumé

La spectroscopie dans le proche infrarouge est très bien adaptée à l'analyse des principaux paramètres de qualité de l'essence, du diesel et du carburéacteur. Les étalonnages préalables disponibles sont développés et validés conformément aux lignes directrices de l'ASTM. Les aspects positifs de l'utilisation de la NIRS en tant que technologie alternative sont le court délai d'obtention des résultats (moins d'une minute), l'absence de produits chimiques ou d'autres équipements coûteux, et la facilité de manipulation, de sorte que même les travailleurs postés et les non-chimistes peuvent effectuer ces analyses en toute sécurité.

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