Conception des installations de dessalement

Conception de système

Une installation de dessalement est un système complet, avec arrivée de l'eau d'alimentation et tuyaux de déversement séparés pour le concentrat et le perméat. Les données des tuyaux d'entrée et de sortie doivent toujours être comparées avec les analyses de l'eau, les pressions d'eau d'alimentation et la rétention du sel.
Le concepteur d'un système d'osmose inverse vise à atteindre une pression de membrane et des coûts d'installation les plus faibles possibles et une récupération du sel maximum.

Le taux de récupération d'une installation de dessalement pour de l'eau saumâtre est d'environ 85% (85% de l'eau traitée est dans le perméat). Cela dépend de la solubilité des solides en suspension qui sont présent dans l'eau d'alimentation. Lors du dessalement de l'eau de mer un taux de récupération de 40 à 50 pourcent est souhaitable. Le taux de recouvrement de la dessalement de l'eau de mer dépend de la pression osmotique de l'eau d'alimentation et du type de membranes utilisées dans le procédé. 

Procédé continu

Un système de filtration sur membrane est en général conçu pour fonctionner dans un procédé continu. On peut choisir de travailler avec un processus continu lorsque les conditions, tels que le débit de l'eau d'alimentation et le débit du perméat sont continues. 

Représentation schématique d'un procédé continu

Le système est le même pour l'osmose inverse. Ces systèmes sont aussi conçu pour des procédés continus avec un débit du perméat continu et un taux de recouvrement stable.
Les variations de la température de l'eau et des concentrations en impuretés de l'eau d'alimentation sont compensées par des ajustements de la pression d'alimentation.

Système multi-étape

Les systèmes qui comportent plus d'une étape sont appelés systèmes multi-étapes. Ces systèmes peuvent atteindre des taux de récupération plus élevés, sans dépasser la limite de l'élément seul. Pour augmenter le taux de recouvrement jusqu'à 70%, deux étapes doivent être installer dans le système de traitement de l'eau.

Représentation Schématiques d'un système deux-étapes

Pour des taux de recouvrement plus élevés, on doit utiliser 3 étapes. Ces valeurs sont basées sur l'hypothèses que l'on utilise des réservoirs sous pression standard avec six éléments. Avec des réservoirs plus petits on doit doubler le nombre d'étages. 

Plug-flow et recirculation du condensat

Le concept du plug-flow est le concept standard pour un système d'osmose inverse pour des applications dans le dessalement de l'eau. C'est à dire qu'il n'y a pas recirculation du condensat 
Une fraction de l'eau d'alimentation passe à travers la membrane pour produire le perméat. Le reste de l'eau d'alimentation est envoyé vers un second module pour la deuxième étape. 

Lorsque le nombre d'éléments membranaires dans un système plug-flow est trop faible pour atteindre un taux de recouvrement suffisant, on peut mettre en place une recirculation du concentrat. Une partie du concentrat est redirigée vers l'eau d'alimentation. Le concentrat recyclé est mélangé à l'eau d'alimentation et est traité une fois de plus.

Représentation schématique d'une installation avec recirculation du concentrat

Nombre d'éléments dans chaque réservoir

Les systèmes d'osmose inverse sont généralement conçus pour un débit particulier de perméat. Pour atteindre ce débit, un certain nombre d'éléments membranaires sont nécessaires. Le nombre d'éléments membranaires dans l'installation dépend du flux.
Pour le dessalement de l'eau de mer le facteur limitant est la pression d'alimentation, elle ne doit pas dépasser 69 bars. 

En ce basant sur le flux, on peut déterminer la production par unité:

Production par élément = flux x surface élément 

Nombre d'éléments = débit perméat / production par élément

Nombre de réservoirs sous pression = nombre d'éléments / nombre d'éléments par réservoir

On calcule le débit de l'alimentation, au moyen du débit du perméat et du taux de recouvrement requis:

Débit d'alimentation = débit perméat / recouvrement

Pression de l'eau d'alimentation

Une certaine pression de l'alimentation est nécessaire, qui dépends de la conception du système. Le débit, la perte d'énergie dans le système et le pression osmotique détermine la pression de l'eau d'alimentation nécessaire. La pression requise augmente lorsque lorsque les éléments membranaires deviennent contaminés au cours des ans. On utilise alors une pompe qui permet un débit plus élevé que celui théoriquement nécessaire pour garder le pression d'alimentation continue. En pratique une pompe qui augmente la pression d'alimentation de 25M est satisfaisante. 
Quand le système démarre, la situation initiale est enregistrée. Tous les paramètres pertinent doivent être enregistré et noté dans un journal de bord. En se basant sur ces données les performances de l'installation peuvent être examiné et régulé après que le système ait été mis en action.  

Surveillance

Pour surveiller le système, on mesure le débit, la pression et la conductivité. Pour vérifier les conditions hydrauliques du système on doit mesurer la pression d'alimentation de chaque étage et le débit du perméat. La pression d'alimentation dépend de la température de l'eau d'alimentation. Quand  les températures sont faibles, on a besoin de plus de pression pour atteindre le même recouvrement qu'avec de l'eau plus chaude. Quand les température fluctuent, on a besoin de normaliser le débit du perméat, pour permettre les comparaisons avec la situation de départ. 

Quand les installations fonctionnent correctement la conductivité du perméat est faible, du fait de l'élimination des ions mono et bivalents. Quand il y a une fuite dans un élément membranaire la conductivité augmente. C'est pourquoi on effectue des mesures de conductivité. 
Ces mesures sont faites dans le canal de récupération du perméat. 
Une surveillance du système permet à l'utilisateur de savoir quand le système a besoin d'être nettoyé. 

Protection du matériel

Pour les installations de dessalement le matériel doit posséder une certaine résistance à la corrosion, Ceci est valable pour les parties externes, qui sont exposées à une atmosphère salée ( fuites, dispersion...) aussi bien que pour les parties internes. La corrosion des parties externes du systèmes peuvent en général être empêcher en recouvrant la surface d'une couche protectrice (galvanisation, peinture) et par une maintenance périodique du système et en bouchant les fuites. 
En plus du fait que les matériaux sont protégés contre une corrosion potentielle, ils doivent aussi être capable de résister à la pression, aux vibrations et aux changements de température. 
Pour éviter la corrosion et les réactions chimiques dans les parties du système où la pression est faible (<10 bar), des matériaux non-métalliques tels que le PVC et la fibre de verre sont en général utilisés. Dans les parties sous hautes pressions (10 - 70 bars), comme par exemple au niveau des pompes, des canaux et des couvercles,  on doit utiliser des métaux pour avoir le même type de protection. 
Le PVC et certains métaux ne résistent pas suffisamment à la corrosion. Quand ils commencent à se corroder ils peuvent contaminer les membranes. On doit garder cela à l'esprit quand on pense à) la protection contre la corrosion.
Le principal matériau qui est utilisé pour les parties sous hautes pressions est l'acier inoxydable. L'avantage de l'acier inoxydable est qu'il est résistant à la corrosion et à l'érosion. L'acier inoxydable est rarement atteint par la corrosion galvanique.

Les tuyaux et les composants de l'installation sont généralement construit dans les matériaux suivants: 

Filtres bougies et réservoirs: filtre en polypropylène dans réservoirs en PVC ou acier inoxydable
Pompes: acier inoxydable
Tuyaux basse-pression: PVC
Tuyaux haute-pression: acier inoxydable
Système de nettoyage: PVC ou autre matériau synthétique résistant au produits chimiques

Economie d'énergie

Dans un système de dessalement le concentrat est rejeté sous haute pression, c'est pourquoi il est important de récupérer de l'énergie du débit de concentrat. Ceci peut être fait en utilisant un échangeur de pression. Le flux du concentrat provenant des membranes est dirigé à travers l'échangeur de pression, où il transfert directement de l'énergie à une partie du flux d'alimentation avec un maximum d'efficacité. 
Le flux d'alimentation est dirigé vers une petite pompe booster qui corrige les pertes hydrauliques du flux. 
Ce flux rejoint alors le flux d'alimentation provenant de la pompe haute pression. 
Dans une installation qui utilise un échangeur de pression, la pompe haute pression fournit 41% de l'énergie, la pompe booster 2% et l'échangeur de pression 57%. L'échangeur de pression n'utilise aucune énergie extérieure donc l'économie d'énergie totale est de 57%.

On peut de plus réduire de 60% la taille de la pompe haute pression, on fait donc aussi des économies d'achat.

* Les images graphiques viennent de FILMTEC membranes

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