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6
C
Carbone
1
H
Hydrogène
Produit organique

Le cumène est synthétisé à partir du benzène et du propylène et sert quasi exclusivement à préparer le phénol et l’acétone par oxydation à l’air qui donne l’hydroperoxyde de cumyle puis par cission formant simultanément le phénol et l’acétone. Le phénol et l’acétone sont employés pour préparer le bisphénol A obtenu avec 2 moles de phénol pour une mole d’acétone utilisé pour produire des polycarbonates. Le phénol donne aussi des résines phénoliques, du caprolactame, de l’acide adipique alors que l’acétone est utilisé comme solvant, pour élaborer le méthacrylate de méthyle destiné à la polymérisation, pour donner de l’isopropanol.

Données physico-chimiques

Cumène

Données atomiques

Formule Géométrie Masse molaire Moment dipolaire
C9H12 120,195 g.mol-1 0,79 D

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température d’ébullition Température critique Pression critique Limites  d’explosivité dans l’air, en volume Température d’autoinflammation Solubilité dans l’eau
0,862 g.cm-3 -96°C 152,4°C 357,9°C 3 210 kPa 0,9 % – 6,5 % 424°C 50 mg.L-1

Phénol

Données atomiques

Formule Géométrie Masse molaire Moment dipolaire
C6H6O 94,113 g.mol-1 1,224 D

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température d’ébullition Température critique Pression critique Limites  d’explosivité dans l’air, en volume Température d’autoinflammation Solubilité dans l’eau
1,073 g.cm-3 43°C 182°C 421°C 6 130 kPa 1,36 % – 10 % 715°C 8,3/100mL à 20°C

 

Acétone

Données atomiques

Formule Géométrie Masse molaire Moment dipolaire
C3H6O 58,08 g.mol-1 2,88 D

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température d’ébullition Température critique Pression critique Limites  d’explosivité dans l’air, en volume Température d’autoinflammation Solubilité dans l’eau
0,7845 g.cm-3, à 25°C
-94,6°C 56,05°C 235°C 4 701 kPa 2,15 % – 13 % 465°C miscible

Données industrielles

Le cumène (ou isopropylbenzène) est un dérivé du benzène. C’est un intermédiaire qui sert presque exclusivement (à 98 %) à fabriquer du phénol et de l’acétone. Possédant un indice d’octane élevé, il peut être employé comme adjuvant au carburant pour l’aviation afin de remplacer le benzène. Il peut également servir comme diluant de peintures.

Le phénol (ou hydroxybenzène) et l’acétone (2-propanone ou diméthyl cétone) sont des composés de grande importance. Bien que le phénol puisse être extrait des goudrons ou des eaux résiduaires des unités de craquage, ils sont produits en majeure partie par synthèse et le procédé utilisant le cumène comme intermédiaire est utilisé à plus de 98 %. Il fût découvert en 1944 par Hock et Lang et il est exploité depuis les années 50. Le procédé au cumène représente 90,6 % des capacités de production de l’acétone, la déshydrogénation de l’isopropanol, 1,2 %, d’autres procédés comptant pour 8,2 %.

Fabrication industrielle

Synthèse du cumène :

Le procédé UOP (Union Oil Products) est le plus utilisé pour synthétiser le cumène à partir du benzène et du propylène (ou propène). La réaction de synthèse est représentée ci-dessous :

Les conditions opératoires sont les suivantes : 34 bar de pression et une température de 190°C à l’entrée du réacteur (la réaction étant exothermique (ΔrH° = – 113 kJ/mol) le mélange sort à 250°C). La réaction a lieu en phase liquide en présence, principalement, de zéolithe comme catalyseur. On sépare le cumène des sous-produits par distillation. Parmi les sous-produits, les diisopropylbenzènes (C3H7-C6H4-C3H7), le nonène (C9H18) et l’hexène (C6H12) sont séparés pour être valorisés, le propane et les produits lourds sont incinérés. Le rendement est de 90 % par rapport au propène et de 97 % par rapport au benzène.
Les zéolithes représentent, en 2013, environ 80 % des catalyseurs employés, l’acide phosphorique 15 % et le chlorure d’aluminium 5 %.
La synthèse du cumène représente 20 % de la consommation du benzène et 4 % de celle du propylène.

Synthèse du phénol et de l’acétone :

On ne décrira que le procédé au cumène pour lequel 1 tonne de cumène donne au plus 0,78 tonne de phénol. Cette synthèse, dont le rendement est de 90 %, a lieu en deux étapes indépendantes :

La première consiste à oxyder le cumène par de l’air, à une température comprise entre 90°C et 130°C, sous une pression de 5 à 10 bar en phase liquide et à un pH d’environ 9,5 pour éviter que la réaction de cission ait lieu dans le même réacteur. La réaction est exothermique (ΔrH° = – 117 kJ/mol). Elle aboutit à la formation d’hydroperoxyde de cumyle :

Par distillation et entraînement à la vapeur, on obtient l’hydroperoxyde de cumyle à 80 %. Le taux de conversion est de 40 %.

La seconde est la cission de l’hydroperoxyde de cumyle en phénol et acétone suivant la réaction exothermique (ΔrH° = – 252 kJ/mol) suivante :

Cette réaction a lieu à 50°C en présence d’acide sulfurique (0,1 à 2 %), puis le mélange est ensuite neutralisé par du phénolate de sodium et distillé (procédé Phenol Chemie). On peut également travailler à 60°C sous pression en présence d’acide sulfurique en solution dans le phénol (procédé Rhône-Poulenc) ou dans l’acétone (procédé Hercule). On obtient des sous-produits valorisables, en particulier de l’acétophénone et de l’alpha-méthylstyrène ; dus à des réactions secondaires, mais surtout 0,6 tonne d’acétone par tonne de phénol.

Bilan matière :

0,872 t de benzène et 0,470 t de propylène donnent 1,310 t de cumène qui donne à son tour 1 t de phénol et 0,612 t d’acétone.

Productions

Cumène : les capacités mondiales de production, en 2018, sont de 17,59 millions de t/an.

En 2015, la capacité de l’Europe de l’Ouest y compris Norvège et Turquie est de 3,580 millions de t/an.

En 2020, la production de l’Union européenne est de 1,357 million de t dont 796 485 t en Allemagne.

Commerce international : en 2020.

Principaux pays exportateurs sur un total de 1,403 million de t.

en milliers de t
Pays Bas 514 Allemagne 59
Singapour 428 Russie 46
Japon 224 Corée du Sud 30
États-Unis 71 Taipei chinois 14

Source : ITC

Les exportations des Pays Bas sont destinées à 75 % à la Belgique, 22 % à l’Allemagne.

Principaux pays importateurs sur un total de 1,414 million de t.

en milliers de t
Belgique 551 Italie 36
Chine 525 Brésil 21
Taipei chinois 129 Allemagne 16
États-Unis 66 Inde 14

Source : ITC

Les importations belges proviennent à 80 % des Pays Bas, 11 % d’Allemagne, 6 % de Russie.

Phénol : les capacités mondiales de production, en 2018, sont de 13,850 millions de t/an.

En 2016, la capacité de production chinoise est de 2,51 millions de t/an, en 2018, la capacité de production de la Corée du Sud est de 1,28 million de t/an, celle de Taipei chinois de 1,08 million de t/an, celle de la Thaïlande de 470 000 t/an.

En 2015, la production mondiale a été de 11,4 millions de t.

En 2020, la production de l’Union européenne est de 2,061 millions de t dont 711 824 t en Allemagne. En 2018, la production de la Corée du Sud est de 1,338 million de t, celle de Taipei chinois de 1,034 million de t, celle du Japon de 587 400 t, celle de la Thaïlande de 552 000 t.

Commerce international : en 2020.

Principaux pays exportateurs sur un total de 2,434 millions de t en 2018.

en milliers de t
Belgique 549 Arabie Saoudite 190
États-Unis 343 Taipei chinois 181
Corée du Sud 267 Singapour 116
Thaïlande 225 Inde 51

Source ITC

Les exportations belges sont destinées à 47 % aux Pays Bas, 38 % à l’Allemagne.

Principaux pays importateurs.

en milliers de t
Chine 710 Inde 160
Belgique 441 Taipei chinois 106
Pays Bas 299 Japon 104
Allemagne 266 Royaume Uni 54

Source ITC

Les importations chinoises proviennent à 25 % de Taipei chinois, 22 % d’Arabie Saoudite, 18 % de Thaïlande, 13 % de Corée du Sud, 9 % de Singapour.

Acétone : les capacités mondiales de production, en 2018, sont de 9,0 millions de t/an. Répartition, en 2017 :

 
Asie-Pacifique 46 % Amérique du Nord 21 %
Europe 26 %

Source : BerOe

En 2016, la capacité de production chinoise est de 1,52 million de t/an.

En 2015, la production mondiale a été de 7,8 millions de t.

En 2020, la production de l’Union européenne est de 1,354 million de t dont 433 501 t en Allemagne, en 2019, 319 263 t en Espagne, 137 738 t en Italie, 28 751 t en Pologne.

Commerce international : en 2020.

Principaux pays exportateurs sur un total de 1,941 million de t.

en milliers de t
Belgique 477 Arabie Saoudite 181
Taipei chinois 226 Singapour 147
Corée du Sud 214 États-Unis 103
Thaïlande 205 Allemagne 91

Source : ITC

Les exportations belges sont destinées à 45 % à l’Allemagne, 17 % aux Pays Bas, 14 % au Royaume Uni, 5 % à la France.

Principaux pays importateurs.

en milliers de t
Chine 707 Inde 81
Belgique 348 États-Unis 74
Pays Bas 158 Mexique 60
Allemagne 136 Suisse 55

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent à 26 % de Taipei chinois, 24 % de Corée du Sud, 21 % de Thaïlande, 21 % d’Arabie Saoudite.

Principaux producteurs : d’après leurs capacités annuelles de production de phénol, en 2018.

en milliers de t/an
Ineos Phenol (Royaume Uni) 1 870 LG Chem (Corée du Sud) 600
Mitsui (Japon) 815 Sinopec (Chine) 550
CEPSA (Espagne) 790 Kumho P&B (Corée du Sud) 550
FCFC (Taipei chinois) 700 AdvanSix (États-Unis) 500
Sabic (Arabie Saoudite) 640 PTT, (Thaïlande) 470
Chang Chun Plastics (Taipei chinois) 600 Shell (États-Unis) 360

Sources : rapports des sociétés et Nexant

  • La société Ineos (Royaume Uni) a fait l’acquisition de Phenol Chemie (groupe Degussa) en 2001 pour devenir Ineos Phenol, premier producteur mondial de phénol et d’acétone. Par ailleurs, a acquis, en octobre 2015, la branche aromatiques de Axiall avec une capacité de production de 907 000 t/an de cumène à Pasadena, au Texas. Ineos Phenol possède 5 sites de production : Mobile (Alabama, États-Unis) avec 540 000 t/an de phénol et 280 000 t/an d’acétone, Pasadena (Texas, États-Unis) avec 907 000 t/an de cumène, Gladbeck (Allemagne) avec 650 000 t/an de phénol et 400 000 t/an d’acétone, Marl (Allemagne) avec 260 000 t/an de cumène et Anvers (Belgique) avec 680 000 t/an de phénol et 480 000 t/an d’acétone. La capacité totale de production de cumène est de 1,167 million de t/an et celle d’acétone de 1,160 million de t/an. La capacité de production à Mobile doit être portée à 850 000 t/an de phénol et celle de Marl à 750 000 t/an de cumène pour 2021.
  • Mitsui (Japon), possède deux usines au Japon, une dans la province d’Osaka avec 200 000 t/an de phénol et 120 000 t/an d’acétone et une dans la province de Chiba avec 190 000 t/an de phénol et 114 000 t/an d’acétone, une usine à Singapour, avec 300 000 t/an de phénol et 180 000 t/an d’acétone et une usine, en Chine, à Shanghai, en joint venture avec Sinopec, d’une capacité de 250 000 t/an de phénol et 150 000 t/an d’acétone. La capacité totale de production de cumène est de 1,18 million de t/an.
  • CEPSA, détenu par le groupe d’Abu Dhabi Mubadala Invesment Company, possède à Palos de la Frontera, dans la province de Huelva, en Espagne, des capacités de production de 1 million de t/an de cumène, 600 000 t/an de phénol et 370 000 t/an d’acétone. A Shanghai, en Chine, possède à 75 % avec 25 % à Sumitomo, des capacités de production de 360 000 t/an de cumène, 250 000 t/an de phénol et 150 000 t/an d’acétone.
  • FCFC (Formosa Chemicals & Fibre Corp., Taipei chinois), exploite, à Taipei chinois, une usine à Mailiao, avec des capacités de 540 000 t/an de cumène, 400 000 t/an de phénol et 246 000 t/an d’acétone et à Ningbo, en Chine, une capacité de production de 450 000 t/an de cumène, 300 000 t/an de phénol et 180 000 t/an d’acétone.
  • Sabic exploite, aux États-Unis, une usine à Mount Vernon dans l’Indiana, avec 350 000 t/an de phénol et 208 000 t/an d’acétone, une usine à Jubail, en Arabie Saoudite, avec 290 000 t/an de cumène, 220 000 t/an de phénol et 135 000 t/an d’acétone, une usine, en joint venture 50/50 avec Sinopec, à Binhai, province de Tianjin, en Chine, avec 220 000 t/an de phénol et 130 000 t/an d’acétone.
  • LG Chem produit, Corée du Sud, à Yeosu et Daesan, 805 000 t/an de cumène, 600 000 t/an de phénol et 355 000 t/an d’acétone.
  • Sinopec, produit, en Chine au travers de diverses joint-ventures avec Mitsui, à Shanghai, avec CEPSA, à Shanghai, avec Sabic à Binhai, province de Tianjin, avec FCFC à Ningbo ainsi qu’en propre, à Caojing avec 135 000 t/an de phénol et 85 000 t/an d’acétone.
  • Kumho P&B, joint venture entre Kumho Petrochemical à 78,2 % et Nippon Steel Chemical, possède une capacité de production, à Yeosu, en Corée du Sud, de 900 000 t/an de cumène, 680 000 t/an de phénol et 420 000 t/an d’acétone.
  • AdvanSix société issue de Honeywell, exploite, aux États-Unis, une usine à Frankford, en Pennsylvanie, avec une capacité de production de 500 000 t/an de phénol et 308 000 t/an d’acétone. Le phénol produit est destiné, à 80 %, à produire du caprolactame.
  • PTT produit en Thaïlande 492 000 t/an de phénol et 304 000 t/an d’acétone.
  • Altivia (Etats-Unis), a acquis, en novembre 2015, aux États-Unis, l’usine de Haverhill, dans l’Ohio, à la société Haverhill Chemicals, avec une capacité de production de 300 000 t/an de phénol et 173 000 t/an d’acétone.
  • Shell qui exploitait une usine, aux États-Unis, à Deer Park, au Texas, avec une capacité de production de 725 000 t/an de cumène, de 600 000 t/an de phénol et 366 000 t/an d’acétone a fermé, en 2018, l’une de ses 3 lignes de production soit une capacité de 240 000 t/an.
  • Versalis (ENI, Italie), produit du cumène à Priolo, en Italie, avec 320 000 t/an et de l’acétone et du phénol, à Mantoue, avec 300 000 t/an de phénol et 185 000 t/an d’acétone.
  • Olin a acquis, en octobre 2015, les activités de Dow Chemical dans la chlorochimie et les résines époxy avec aux Pays Bas, à Terneuzen, une usine de production de cumène de 700 000 t/an et aux États-Unis, une usine à Freeport, au Texas, de 295 000 t/an de phénol et 180 000 t/an d’acétone.

Situation française

En 2020.

Seqens (ex Novacap) a repris les activités du groupe Rhodia dans ce domaine et est le seul producteur français dans son usine de Roussillon (38) avec une capacité de production de 260 000 t/an de cumène, 185 000 t/an de phénol et 114 000 t/an d’acétone.

Cumène :

  • Exportations : confidentielles.
  • Importations : 9 849 t à 68 % d’Espagne, 31 % d’Allemagne.

Phénol :

  • Exportations : confidentielles.
  • Importations : 15 159 t à 52 % d’Espagne, 22% de Belgique, 9 % d’Allemagne, 8 % de Finlande.

Acétone :

  • Exportations : 18 762 t à 35 % vers l’Italie, 24 % la Suisse, 21 % l’Allemagne, 14 % l’Espagne.
  • Importations : 47 830 t à 23 % d’Espagne, 22 % d’Arabie Saoudite, 18 % d’Allemagne, 8 % de Belgique.

Utilisations

Consommations

Cumène : 15,4 millions de t, en 2019, dans le monde. Répartition :

Asie du Nord-Est (Chine, Japon, Taipei chinois et Corée du Sud) 46 % Europe 19 %
Amérique du Nord 19 %

Source : IHS Markit

Phénol : 11 millions de t, en 2019, dans le monde. Répartition :

en milliers de t
Chine 24 % Europe 20 %
Autres pays d’Asie 33 % Moyen Orient 2 %
Amériques 21 %

Source : IHS Markit

En 2014, la consommation chinoise est de 1,573 million de t.

Acétone : 7 millions de t, en 2020, dans le monde. Répartition, en 2015 :

Chine 23 % Europe de l’Ouest 20 %
États-Unis 21 %

Source : IHS Markit

Secteurs d’utilisation

Cumène : à 98 % pour produire du phénol et de l’acétone.

Phénol : dans le monde, en 2015.

Bisphénol A 49 % Caprolactame 7 %
Résines phénoliques 30 % Acide adipique 2 %
Alkyl phénol 8 %

Source : ICIS

Le bisphénol A est produit par réaction entre deux moles de phénol et une mole d’acétone.

Il est utilisé comme monomère pour obtenir le polycarbonate et comme agent durcisseur des résines époxydes utilisées comme revêtements de boîtes de conserve, de canettes… Depuis le 1er janvier 2015, cet usage comme revêtement de boîtes est suspendu en France. La consommation de polycarbonate, en 2018, est de 4,4 millions de t, celle de résines époxydes de 2,6 millions de t.

Les résines phénoliques sont élaborées par réaction entre le phénol et le formaldéhyde. Elles sont utilisées, par exemple, dans la fabrication du contre-plaqué. La Bakélite est une résine phénolique qui fut la première résine synthétique commercialisée.

Le caprolactame ((CH2)5C(O)NH) est un intermédiaire de la synthèse du nylon 6. Il est obtenu à partir de la cyclohexanone ((CH2)5CO) provenant elle-même, en partie, de l’hydrogénation partielle du phénol :

C6H5OH + 2 H2 = (CH2)5CO

L’utilisation en chimie fine regroupe de nombreux produits, qui ne sont pas synthétisés en grande quantité, mais sont d’une grande importance : acide salicylique pour la synthèse de l’aspirine, acétylparaaminophénol pour le paracétamol, chlorophénols pour les herbicides, hydroquinone et ses dérivés pour l’alimentation.

Secteurs d’utilisation de l’acétone

En 2019, dans le monde (Source : Merchant Research & Consulting)

Le méthacrylate de méthyle (MMA, CH2=C(CH3)CO2CH3) est le monomère du polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Il est obtenu à partir d’acétone et de cyanure d’hydrogène en passant par la cyanohydrine d’acétone.

La méthylisobutylcétone (MIBK) est principalement utilisée dans la dilution des résines époxydes, vinyliques et acryliques.

L’alcool isopropylique (ou isopropanol) peut être préparé à partir d’acétone, le procédé classique étant à partir du propylène. Novapex a ainsi construit, en France, une unité de production à Roussillon (38), à partir d’acétone, d’une capacité de 40 000 t/an, selon un procédé développé par Mitsui.

Toxicité

Phénol :

Le phénol est rapidement absorbé lors de son introduction dans l’organisme. L’absorption est estimée à 70 à 80 % en 6 heures pour une exposition à des vapeurs de phénol à des concentrations comprises entre 1,6 à 5,2  ppm. Le phénol est ensuite rapidement distribué dans tous les tissus, les organes cibles sont le cerveau et les reins.
Les effets locaux rapportés sont des érythèmes ou des dépigmentations cutanées et, dans les cas les plus sévères, des corrosions pouvant même atteindre le stade de nécrose.
Le phénol est classé par l’Union Européenne comme mutagène catégorie 3 : substance préoccupante pour l’homme en raison d’effets mutagènes.
En France, le ministère du travail a fixé à 5 ppm, soit 19 mg/m3, la valeur limite moyenne d’exposition (VME).

Bisphénol A :

Le bisphénol A est un perturbateur endocrinien qui a des effets sur la reproduction, le métabolisme et des pathologies cardiovasculaires. Il est classé reprotoxique de catégorie 3. Ces effets sont avérés sur l’animal et suspectés chez l’homme. Sa principale voie d’introduction dans l’organisme est la voie alimentaire, à partir d’aliments contenus dans des matériaux en polycarbonate ou revêtus de résines époxydes. Ces effets pourraient être observés même à de faibles niveaux d’exposition, au cours des phases sensibles du développement de l’individu (femmes enceintes, nourrissons, jeunes enfants).
Pour cette raison, il est interdit dans les biberons, en France, depuis le 23 juin 2010.
En France, la loi du 24 décembre 2012, a suspendu, a compter du 1er janvier 2013, l’utilisation du bisphénol A dans tous les conditionnements, contenants et ustensiles destinés à entrer en contact direct avec des denrées alimentaires pour les nourrissons et enfants en bas âge.
Cette suspension a pris effet le 1er janvier 2015 pour tout autre conditionnement, contenant ou ustensile comportant du bisphénol A et destiné à entrer en contact direct avec des denrées alimentaires.

Bibliographie