Cours -Déssalement de l_eau de mer et les eaux saumâtres

8/13/2019 Cours -Dssalement de l_eau de mer et les eaux saumtres

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Universit Kasdi Merbah Ouargla Facult des sciences, de technologie et sciences de la matire Dpartement d'hydraulique et de gnie civil

Mme L.BOUZIANE Cours : Procds de TDE Potables Dessalement de lEau de Mer Master 1 : Traitement Anne Universitaire : 2011/2012Et les Eaux Saumtres

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DESSALEMENT DE LEAU DE MER ET LES EAUXSAUMTRES

1. INTRODUCTION

Sur la Terre, plus de quatre-vingt-dix-neuf pour cent de leau est soit trop sale (ocans) soit situedans des rgions inaccessibles (calottes glaciaires). En plus, le reste de leau est rparti ingalementsur le globe. Il faut donc, dans certaines rgions, envisager de rutiliser les eaux dgout ou de traiterles eaux sales.

Les problmes de dessalement concerne nt principalement deux catgories deau :

Leau de mer : La salinit des mers ouvertes sur les masses ocaniques est de lordre de 35 g/L (lavaleur considre comme la salinit standard de leau de mer) dont la somme des ions chlorures desodium est de 85% du poids total des sels. La salinit peut tre trs diffrente dans le cas des mersfermes ou peu ouvertes sur les masses ocaniques (ex : Mer mditerran 36-39 g/L, Mer Morte 270g/L, Golfe arabo-persique 40- 70 g/L, ).

Les eaux saumtres : se sont des eaux salines non potables, de salinit infrieure celle de leau demer ( 1-10 g/L) ; elles se prsentent soit, sous forme deaux de surface, soit sous forme deauxsouterraines ; Leur composition chimique varie normment dune rgion lautre et pour une mmergion dune saison lautre. Ces variations de composition chimique dpendent de plusieurs

paramtres : leau qui pntre dans le sol dissout les sels qui composent lcorce terrestre. Les

principaux sels qui peuvent tre dissous en assez grandes quantits sont le CaCO 3, le CaSO 4, leMgCO 3 et le NaCl.

Le dessalement saccompagne par des rejets de saumures qui peuvent contenir outre des sels enconcentrations plus leves (de 1,4 2) , des produits de corrosion (chrome, nickel, cuivre,), ainsique des ractifs utiliss (antitartres, antimousses, produits anticorrosions, coagulants, compossorganochlors).

Dans le cas d installations de dessalement deau de mer, des probl mes peuvent ventuellement se poser dans le cas o les rejets de saumures ne sont pas vacus au large et dilus par les courantsmarins. Les effets long terme de ces modifications d e lenvironnement marin sont encore mal

connus. Des concentrations biologiques de polluants minraux ou organiques par des espcesaquatiques (phytoplanctons, zooplanctons, poissons) peuvent ventuellement se produire (phnomnede bio-accumulation).

Dans le cas dinstallations de dessalement deaux saumtres implantes l intrieur des terres,lvacuation des saumures est souvent un problme difficile rsoudre si lon veut viter de polluer lesnappes. Plusieurs solutions sont envisageables :

- concentration par vaporation solaire (marais salants) ;- concentration par comp ression de vapeur jusqu la cristallisation ; - transport par tuyaux grande distance.


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La quantit de saumures rsultant du dessalement des eaux sales varie suivant les procds et leursconditions de fonctionnement. Actuellement, la totalit des installations en service fait appel deuxgrandes familles de procds ; les procds par vaporation et les procds de sparation parmembranes qui sont plus rcent.

2. PROCEDES DE DISTILLATION Leau de mer chauffe met une vapeur deau pure quil suffit de condenser pour obtenir de leaudouce. Ce principe de dessalement trs simple est utilis depuis des temps forts anciens.

Les procds de distillation qui peuvent tre utiliss sont les suivants :- Distillation simple ou multiples effets ;- Distillation par dtentes successives appel aussi multiflash ou flash ;- Distillation par compression de vapeur.

2.1 Distillation simple effets Les premires units industrielles de distillation deau de mer sont apparues bord des navires enmme temps que la traction vapeur.

2.1.1 Principe Leau de mer est chauffe dans un rcipient tanche par la vapeur circulant dans un faisceautubulaire plong dans leau de mer. La vapeur forme est condense sur un autre faisceau tubulaire

plac dans la partie haute de lenceinte et parcouru par de leau de mer froide (Figure 1).

Figure 1 : Evaporation simple effet.La temprature dbullition de leau de mer (qui est suprieure celle deau pure) peut treabaisse dans la mesure o lon rduit la pression dans lenceinte dvaporation.

2.1.2 Consommation dnergie Compte tenue du fait quune partie de la chaleur de cond ensation de la vapeur utilise pour

prchauffer leau de mer, la consommation spcifique dnergie est gale :

Q : consommation spcifique dnergie calorifique (kJ/kg) L : chaleur latente de vaporisation de leau (kJ/kg ) ;k : rapport entre le dbit dappoint deau de mer et le dbit deau douce produite ;

T : diffrence de temprature entre leau de mer en bullition et leau de mer la sortie ducondenseur (C) ;

Cp : chaleur latente de vaporisation de leau de mer (kJ.k g.C -1).


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2.2 Distillation multiple effets

Dans la distillation simple effet, la consommation nergtique spcifique de lvaporateur est trsleve (de lordre de 2 500 kJ/kg deau douce) do la ncessit de lamliorer. Ceci a t obtenugrce la distillation multiples effets. Ce type de distillation relativement ancien, puisque des

appareils industriels six effets ont t construits par les Anglais il y a prs de 200 ans.

2.2.1 Principe

La chaleur de condensation de la vapeur produite dans une premire chambre dvaporation pourfaire fonctionner le faisceau de chauffe dune seconde chambre pression et temprature plusfaibles, et ainsi de suite (Figure 2).

Figure 2 : Distillation multiples effets

2.2.2

Consommation dnergie La chaleur fournir une unit de distillation multiple effets est uniquement celle qui estncessaire pour rchauffer lappoint deau de mer dans le premier effet et pour vaporiser la

production de ce seul effet.

Si les productions des n eff ets sont identiques, lquation prcdente de la consommationspcifique de chaleur devient :

avec n: nombre deffets de linstallation.

La quantit dnergie calorifique Q fournie au niveau du rchauffeur pour produire 1 kg deau

douce reprsente le rendement thermique de lunit de dessalement not R. Donc, .Dans le cas dune unit de dessalement multiple effets, le ratio R se situe entre 0,8n et 0,9n.

2.2.3 Dtermination du nombre deffets

Le choix du nombre deffets doit faire lobjet dune optimisation conomique entre le cot desinvestissements et le cot de la consommation dnergie.


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- Le cot dinvestissement augmente avec le nombre deffets selon la relation : ou I sp reprsente linvestissement spcifique dun effet.

- Le cot dnergie diminue avec le nombre deffets (Tableau 1).

Le nombre deffet (pratiquement compris entre 4 et 12) dpend de la temprature de tte choisie

pour le premier effet (entre 55 et 110C), la temprature de leau de mer (entre15 35 C) et delcart de temprature adopt pour le chauffage de chaque vaporateur ( t).

Tableau 1 : Consommation spcifique dun multiples effets en fonction du nombre deffets.

n K t (C) R Energie consomme(kJ/kg)4 3,5 7 3,5 6858 3,5 3,5 7 343

12 3,5 2,5 10 230

2.3 Distillation par dtentes successives appel aussi multiflash

Ce procd sest particulirement dvelopp partir de 1960 par suite des difficults dues lentartrage des surfaces dchange de certains vaporateurs utiliss dans la distillation multipleseffets.

2.3.1 Principe

Considrons une cellule (Figue 3), contenant de le au de mer en quilibre avec sa vapeur temprature t. si on introduit une quantit D e deau de mer la temprature (t+ t), tout en

maintenant la pression stable, on constate la vaporisation dune quantit deau D v telleque : D eC p t=D vL

Dans la partie suprieure de la cellule, la vapeur se condense au contact dun changeuraliment en eau de mer une temprature t 0


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La temprature la plus basse t 0 est donne par la temprature de leau de mer tandis que latemprature la plus haute est choisie par le constructeur entre 80 et 115C.

Leau de mer circule lintrieur des condenseurs de la cellule la plus froide vers la pl uschaude. En traversant les n cellules la temprature slve de t 0 (t 0 + t). Un rchauffeur

porte ensuite sa temprature (t 0 + n t).

Elle est alors admise dans la cellule la plus chaude, o rgne la temprature t. cela provoque la premire dtente. La vapeur produite est transfre dans la cellule voisine, ose produit la deuxime dtente. Ce processus se reproduit jusqu la cellule la plus froide.A la sortie de celle-ci, on obtient une saumure la temprature t et un distillat la mmetemprature.

2.3.2 Consommation dnerg tique

Lchauffement total du dbit deau de mer circulant dans les condenseurs (n. t) est

provoqu par la condensation de la production deau douce P et par le refroidissement decette eau dont le dbit varie de P/n P entre la chambre 1 et la chambre n.

La valeur de la production deau douce P est donne par la relation :

avec:

D : Dbit deau de mer lentre des condenseurs ;

Cp : chaleur latente de vaporisation de leau ;n: nombre de chambres.

t: lvation de temprature de leau de mer dans chaque chambre ;P : dbit de production deau douce; L: chaleur latente moyenne de vaporisation.

La consommation de vapeur dans le rchauffeur est gale la quantit de chaleur rcupre par leau de mer D Cp t-t divise par la chaleur latente de vaporisation L :

Par ailleurs, l nergie thermique Q levant la temprature de leau de mer de (t0 + n t)

(t + n t) est gale :

On en dduit la consommation thermique spcifique R :

( )

2.4 Distillation par compression de vapeur

2.4.1 Principe

Leau dessaler est port bullition dans une enceinte thermiquement isole. La vapeur produiteest aspire par un compresseur qui lve sa temprature de saturation.


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Cette vapeur traverse ensuite un faisceau tubulaire plac la base d e lenceinte et se condense en provoquant lbullition de leau sale.

Leau de mer se vaporise, par exemple, la temprature de 90C et pression de 0,7 bar(Figure 4). La vapeur ainsi produite est ensuite comprime jusqu la pression de 1 bar absolu,

puis envoye dans le faisceau de chauffe du bouilleur o elle se refroidit pression constante, puisse condense, en cdant leau de mer la chaleur ncessaire son bullition.

Figure 4 : Compression de vapeur.

2.4.2 Thermocompression et compr ession mcanique

La compression de la vapeur peut tre obtenue par deux procds:

- Thermocompression. Il est favorable dans la ralisation des units de petites dimensionsde 20 1500 m3/jour fonctionnant des tempratures trs basse (


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2.5 Compression de vapeur et multiples effets

La performance nergtique dunit de distillation multiples effets p eut tre amlioreconsidrablement grce la compression de vapeur et ceci, sans augmentation importante delinvestissement.

2.5.1 Thermocompression et mul tiples effetsDans le cas o lon dispose de vapeur une pression comprise entre 1,5 et 3 bars absolu,thermocompresseur peut tre utilis pour aspirer la vapeur produite par le dernier effet etlenvoyer se condenser dans le premier effet. On peut ainsi obtenir avec une unit dedistillation 4 effets un taux de performance ou ratio de 7 8 tonnes deau douce par tonne devapeur, ce qui diminue denviron un facteur 2 la consomm ation nergtique de multipleseffets.

2.5.2 Compression mcani que et multi ples eff etsDans le cas o lon ne dispose que de lnergie lectrique, le thermocompresseur peut treremplac par n compresseur mcanique. Cette solution prsente lavantage dun meill eur

rendement nergtique mais le cot dinvestissement dun compresseur mcanique est beaucoup plus lev que celui dun thermocompresseur et la taille des compresseurs actuelslimite la capacit de production aux environ 5 000 m3/jour.

2.6 Problmes spcifiques aux procds de dessalement par distillation

2.6.1 Le problme des gaz incondensablesSous laction de la chaleur, le db it deau de mer se dgaze en librant de lair, du gaz

carbonique et ventuellement des gaz tels que H2S. (ex, 2 )Les gaz incondensables provoquent :- Une diminution des coefficients dchange de chaleur ;- Des problmes de corrosion.

Il est indispensable dassurer leur extraction au moyen soit dune pompe air, soit dunjecteur eau ou vapeur si les dbits extraire sont importants.

2.6.2 Pr oblme des moussesLa production de mousse lors de lvaporation de leau de mer est provoque par la prsencede tensioactif (souvent en trs faibles quantits) qui enferme les bulles des vapeurs deaudouce dans une pellicule de liquide. Ces bulles trs lgres ainsi sont entranes et la quantitde liquide qui accompagne la vapeur peut tre si importante quelle rende lvaporateur inapteau service demand. La solution est laddition dagents antimousses.

2.6.3 Problmes dencrassement Une teneur en matires en suspension de plusieurs centaines de ppm dans leau prtraite esten gnral admise. Ceci peut provoquer un encrassement progressif des tubes de condenseurs.Ce problme est rsolu par le systme de nettoyage Taprogge ou le nettoyage de la surfaceinterne des tubes se fait au moyen dune circulation de boules de caoutchouc spongieux.


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2.7 Perspectives de la distillation

Les perspectiv es de dveloppement de la distillation pour le dessalement de leau de mer sontimportantes et ce dautant plus que ce procd prsente des points forts dj voqus et que nousrappelons succinctement :

1) Les performances et les cots de la distillation sont pratiquement indpendants de la salinitde leau de mer traiter : ceci est particulirement intressant dans le cas du Golfe o lasalinit peut atteindre 55 g/L et plus.

2) Les procds de distillation ne n cessitent pas de prtraitement sophistiqu de leau de mer :une filtration classique et une chloration pour viter la prolifration dorganismes marins sontgnralement suffisantes.

3) La salinit de leau produite par distillation est trs faible (de 5 30 mg/L). On peut mmeatteindre 1 mg/L ou moins si on le souhaite.

4) Une grande partie de lnergie ncessaire (hors pompage et hors compression mcanique de

vapeur) est constitue par de lnergie bas niveau. La mise en service fin 2005 Arzew en Algrie dune installation de dessalement deau de mer pardistillation Flash de 90 000 m3/jour confirme que la distillation peut tre prfre losmose inversecompte tenu des conditions particulires locales :

- eau de mer trs pollue ;- nergie bon march ;- eau dminralise de faible salinit souhaite.

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