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Etude paramtrique du dessalement de leau de mer par conglation
sur parois froides.
Youssef MANDRI1, Anouar RICH
1, Denis MANGIN
1*, Claudia COGNE
1, Alain
RIVOIRE2, Tijani BOUNAHMIDI
3, Ahmed BOUHAOUSS
4
1Laboratoire dAutomatique et de Gnie des Procds (LAGEP - UMR
CNRS 5007), Universit Claude Bernard Lyon 1, Universit de Lyon,
69622 Villeurbanne
2CPE Lyon, 43 boulevard du 11 Novembre 1918, 69622
Villeurbanne
3Laboratoire dAnalyse et de Synthse des Procds Industriels,
Ecole Mohammadia dIngnieurs (EMI), Universit Mohammed V-Agdal,
Rabat, Maroc
4Laboratoire de Chimie Physique Gnrale I des Matriaux,
Nanomatriaux et Environnement, Facult
des Sciences, Universit Mohammed V-Agdal, Rabat - Maroc
*(auteur correspondant : [email protected])
Rsum - Un procd innovant de dessalement par conglation a t
dvelopp pour remdier aux
inconvnients des technologies couramment utilises telles que
losmose inverse ou la distillation. Le montage exprimental mis au
point se compose dun doigt de gant plong dans une cuve double
enveloppe contenant leau traiter. Le procd complet de dessalement
est conduit en deux tapes : ltape de conglation produisant un dpt
de glace sur le doigt de gant et ltape de ressuage, effectue aprs
vidange de la saumure, qui consiste purifier en profondeur la glace
en oprant une
fusion des zones impures. La conglation a t effectue dans une
solution stagnante ou dans une
solution agite par injection dair. Ltude systmatique de
linfluence des paramtres opratoires a mis en vidence les rles
importants de vitesse de croissance de la glace et de la salinit de
la solution
initiale sur la puret de la glace produite. Dans le cas
dynamique, la solution semble tre chaque
instant en quilibre avec la glace. Une mme salinit finale de la
glace peut tre obtenue avec des
rampes de refroidissement beaucoup plus rapides quen statique.
Quelles que soient les performances de la conglation, le ressuage
est ensuite indispensable pour atteindre la norme de potabilit.
Enfin,
lvaluation conomique du procd complet de dessalement, bases sur
des points de fonctionnement exprimentaux, indique que la
consommation nergtique dune petite installation pourrait tre trs
faible en utilisant une machine frigorifique idale fonctionnant
entre lunit de ressuage et lunit de conglation.
Nomenclature (11 points, 2 colonnes)
CI
salinit de la solution initiale, g.kg-1
C1
gl salinit de la glace avant gouttage
prolong ou avant ressuage, g.kg-1
C2
gl salinit de la glace aprs gouttage
prolong ou aprs ressuage, g.kg-1
TI temprature initiale du premier bain
alimentant le tube, C
TF temprature finale du premier bain
alimentant le tube, C
Tre temprature du ressuage, C
VCR vitesse de croissance de la glace,
mm.h1
Vr vitesse de refroidissement, C.mm-1
t dure de la rampe de refroidissement du premier bain, h
tcris dure de la cristallisation, h tre dure du ressuage, h
1. Introduction
La technologie de dessalement par conglation a t propose comme
alternative de la
distillation et de losmose inverse pour le dessalement plusieurs
reprises [1-4]. Le procd de dessalement par conglation prsente
certains avantages. Losmose inverse utilise en effet
-
des membranes onreuses et trs sensibles au problme de colmatage,
qui exigent un
prtraitement pouss de leau de mer et une maintenance importante.
Le prtraitement requis par la technologie de conglation est
beaucoup moins contraignant et la maintenance de
lensemble du procd est simple. Le procd par conglation pose
galement moins de problmes de corrosion et dentartrage que la
distillation, compte tenu des niveaux bas des tempratures de
travail. On distingue deux types de procds par conglation, cette
dernire
pouvant tre directe ou indirecte. Le principe de la conglation
directe repose sur la
formation de cristaux de glace par contact direct entre un
rfrigrant et leau de mer. Ce rfrigrant peut tre leau de mer
elle-mme : la chaleur est soustraite la saumure par une vaporation
flash sous pression rduite. Ce procd est appel VFVC (Vacuum
Freezing
Vapour Compression) dans la littrature anglo-saxonne. La
conglation directe peut
galement tre assure par un rfrigrant secondaire: le
refroidissement est obtenu par la
dtente dun gaz comprim et froid inject directement dans la
saumure. Le procd est alors appel SRF (Secondary Refrigerant
Freeze). Dans le cas de la conglation indirecte, le
refroidissement est assur par un changeur de chaleur et une
couche de glace est dpose sur
les parois froides de lchangeur. Cette couche peut tre racle,
pour donner une suspension. Les cristaux sont ensuite spars de la
saumure au moyen dune colonne spciale. La couche peut galement tre
conserve sur la paroi froide. La sparation sobtient alors par
simple vidange de la saumure.
Quelques petites units de dessalement par conglation ont t
dveloppes au cours des
quarante dernires annes, mais la technologie na jamais t utilise
commercialement pour produire de leau potable. Les units pilote de
Wrightsville beach en Caroline du Nord (USA) et dEilat (Israel)
utilisaient la technologie VFVC ; une unit construite en Floride
(USA) tait base sur le procd SRF [5]; lusine pilote de Yanbu
(Arabie Saoudite) utilisait la technologie de conglation indirecte
[6].
Nous avons choisi de travailler par conglation indirecte avec
formation et conservation de
la couche de glace sur une paroi froide. Le procd sapparente la
cristallisation en milieu fondu [7-8]. Lopration se droule en deux
tapes: ltape de conglation produisant un dpt de glace sur le tube
initialement ensemenc et ltape de ressuage, effectue aprs vidange
de la saumure, qui consiste purifier en profondeur la glace en
oprant une fusion
des zones impures. Nous verrons que le procd require une
conduite trs prcise et un
ressuage efficace pour produire de leau potable.
2. Dispositif exprimental
La figure 1 prsente le montage exprimental. Il se compose dun
tube en acier inoxydable (1) immerg lintrieur dun cristallisoir
double envelopp en verre (2). Une camra quipe dun vido zoom permet
de filmer la couche de glace et fournit ainsi la cintique de
croissance de la couche. Les images de la croissance de la glace
sont enregistres en continu
toutes les deux minutes et sont analyses laide du logiciel
Digimizer. Deux bains thermostats sont utiliss pour ajuster la
temprature des fluides frigoporteurs circulant
respectivement dans le tube et dans la double enveloppe de la
cuve. Les tempratures au
niveau des points principaux du dispositif sont mesures et
enregistres en continu laide dun systme dacquisition de donnes
(Compact Field-Point avec logiciel LabVIEW de National Instrument).
Aprs talonnage, une prcision de 0,05C est obtenue sur la mesure
des tempratures dans le domaine [-10C ; 5C]. Les essais en
dynamique sont mens en
injectant un flux d'air travers une spirale en polythylne, place
en bas de la cuve dans
l'espace annulaire. Le tuyau de 5 mm de diamtre extrieur est
perc de 4 trous de 0,5 mm.
Avant son entre dans la cuve, l'air est refroidi travers un
serpentin plong dans un bain
thermostat.
-
Des solutions synthtiques eau - NaCl de diffrentes
concentrations sont prpares et
introduites dans la cuve en verre puis refroidies jusqu' la
temprature initiale. La masse
introduite est de 300g pour le mode statique et de 280g pour le
mode dynamique.
Figure 1 : Schma du pilote de dessalement par conglation
Lensemencement de la surface du tube cylindrique par une fine
couche de glace est ncessaire pour que la croissance dmarre ds le
dbut de la rampe de refroidissement. La
couche d'ensemencement a une masse denviron 3g. On rgle ensuite
la temprature du tube cylindrique la temprature d'quilibre de la
solution puis on l'introduit dans la cuve. On
lance alors la rampe de refroidissement. Pour le mode dynamique,
le circuit d'air est ouvert
avant le remplissage de la cuve par la solution initiale.
Lorsque la temprature finale est atteinte, l'tape de conglation
est acheve et la solution
concentre en sel est vacue par la vanne de fond. Le tube est
rapidement amen la
temprature de ressuage Tre qui est maintenue constante pendant
toute la dure de ltape de ressuage. La temprature choisie entrane
une fusion partielle de la couche, permettant de
purifier les zones impures. Finalement, la couche de glace
restante est fondue. Les solutions
issues de la cristallisation, du ressuage et de la fusion sont
analyses par extrait sec partir
dchantillons d'environ 1ml placs dans une tuve pendant 12h 90C.
Les paramtres de conduite de ltape de conglation sont donc : les
tempratures initiales
et finales dans les bains thermostats 1 et 2 qui alimentent
respectivement le tube et la double
enveloppe de la cuve, le temps de refroidissement (t), la
salinit initiale de leau (Ci). Les paramtres opratoires de ltape de
ressuage sont : la temprature de ressuage (Tre) applique dans le
doigt de gant et dans la double enveloppe de la cuve vide et le
temps de ressuage
(tre).
3. Rsultats exprimentaux
3.1. Mode statique
3.1.1 La conglation
Ltape de conglation conduite en mode statique est principalement
influence par trois paramtres : la concentration initiale de la
solution, la vitesse de croissance, et le gradient
thermique appliqu ventuellement entre le doigt de gant et la
double enveloppe de la cuve
[9].
-
La Figure 1 montre l'effet de la concentration initiale sur la
puret de la couche de glace
pour des essais conduits en l'absence de gradient thermique, en
appliquant des rampes de
refroidissement identiques dans le tube et dans la double
enveloppe de la cuve. Toutes les
conglations ont t effectues avec des vitesses de croissance
moyennes voisines
(correspondant environ 40g de glace cristallise en 20 heures,
soit VCR0,12mm/h). Aprs la cristallisation et la vidange de la
saumure, on a poursuivi lgouttage pendant une heure, en fixant la
double enveloppe la temprature de 5C. Cela permettait aussi de
refondre la
surface de la glace contamine par la solution. Les salinits
reportes sur la Figure 1 sont les
salinits finales obtenues.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 10 20 30 40 50 60 70
Concentration initiale (g/kg)
Co
nc
en
tra
tio
n f
ina
le (
g/k
g)
Figure 1. Effet de la concentration initiale de la solution sur
la puret de la glace (VCR0,12mm/h).
La Figure 1 montre galement que les salinits de la glace sont
globalement leves pour la
vitesse de croissance trs faible choisie. Ces valeurs leves sont
probablement dues laspect dendritique de la couche qui favorise le
pigeage de la solution mre. Des essais antrieurs,
galement effectus en mode statique, mais en imposant un gradient
thermique entre la double
enveloppe et le doigt de gant, donnaient une glace plus lisse et
moins sale [9].
3.1.2. Le ressuage
Lobjectif de cette partie est dtudier linfluence de ltape du
ressuage sur la salinit de la glace. Le ressuage a t tudi pour
trois couches de glace de salinits initiales avant ressuage
(C1
gl) diffrentes comprises entre 5,33 g.kg-1
et 14,68 g.kg-1
. Ces couches, denviron 100g, ont t obtenues en modifiant le
temps et la vitesse de refroidissement lors de la conglation
tout
en appliquant un gradient thermique initial T de 2C (la
temprature de la double enveloppe de la cuve est maintenue
constante pour ces essais).
Pour chaque exprience de ressuage, une nouvelle couche initiale
de glace est forme en
appliquant les conditions opratoires adquates. La figure 2
compare la concentration de la
glace avant et aprs ressuage pour deux tempratures (Tre = -0,8C
et Tre = 0C) et deux
dures (tre = 2h et tre = 8h) de ressuage. A 0C, et pour une
concentration initiale de la glace de 14,68 g.kg
-1, le ressuage sest avr impossible durant 8 h, car la glace se
dtachait du doigt de gant. Globalement, le ressuage
amliore de faon importante la puret, et plus la glace est pure
au dpart, meilleure est sa
puret finale. A 0C et pour une dure de 8h, la concentration
initiale ne semble plus avoir
deffet ; il semble quon atteigne un seuil. Toutefois, dans ces
conditions, la salinit de la glace aprs ressuage est
systmatiquement nettement infrieure aux normes de l'eau potable
qui correspondent une salinit denviron 0,5 g.kg-1.
-
00,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Concentration de la glace avant ressuage (g/Kg)
Co
ncen
trati
on
de l
a g
lace
ap
rs r
essu
ag
e (
g/K
g)
Tre=-0.8C; tre=2h
Tre=0C; tre=2h
Tre=0C; tre=8h
Figure 2. Effet des paramtres de ressuage sur la puret de
glace.
Le ressuage saccompagne bien videmment dune perte de masse, qui
peut devenir importante si lcart entre la puret initiale et finale
de la glace est grand. Cette perte de masse est prjudiciable en
termes de consommation dnergie. On rduira cette perte de masse en
amliorant la puret initiale de la glace et donc en augmentant la
dure de ltape de cristallisation. Un compromis entre la dure totale
du procd et le rendement doit donc tre
trouv.
3.2. Mode dynamique
La Figure 3 montre lvolution de la salinit des couches de glace
obtenues en mode dynamique en fonction de la vitesse de croissance,
pour des salinits de la solution initiale
gale 35g.kg-1
. Pour pouvoir comparer avec le mode statique, nous avons prsent
sur la
mme figure les rsultats obtenus en mode statique (glaces
initiales utilises pour ltude du ressuage). On constate alors que
lefficacit de la sparation est meilleure pour le mode
dynamique.
Figure 3. Comparaison des salinits des glaces obtenues en modes
statique (T=2C) et dynamique (pas de gradient thermique impos), C0
= 35 g.kg
-1.
Globalement, par comparaison avec l'tude de la conglation en
statique, on constate que
l'agitation permet de travailler avec des vitesses de croissance
plus leves et sans imposer de
gradient thermique entre la double enveloppe et le doigt de
gant. En dynamique, le sel rejet
linterface glace/solution est transport par l'agitation. La
concentration l'interface et par suite la concentration des poches
de solution incorpores dans la couche de glace sont alors
-
moins marques. La couche de glace forme en dynamique est
galement lisse. Lagitation par le bullage semble ainsi permettre de
rduire les incorporations de solution en assurant une
croissance plus harmonieuse de la couche.
4. Bilan dnergie
Dans cette partie, nous effectuons un bilan sur la consommation
nergtique dune unit de dessalement en mode statique et en mode
agit, partir de points de fonctionnement
exprimentaux. La figure 4 prsente le schma du procd. Leau de mer
est refroidie par lchange de chaleur avec leau de mer concentre et
leau potable produite. Le liquide de ressuage est recycl dans
lalimentation. Leau de mer charge dans le rservoir ainsi que les
tubes sont ensuite refroidis jusqu la temprature dquilibre, grce
une premire machine frigorifique. Leau de mer est pompe enfin vers
un changeur de chaleur constitu de tubes verticaux pour raliser les
tapes de cristallisation, de ressuage et de fusion.
Figure 4 : Schma du procd de dessalement
par conglation sur parois froides.
Figure 5 : Cycle de rfrigration alimentant
deux units de dessalement par conglation
pendant la cristallisation, le ressuage et la
fusion.
Les tubes du cristallisoir sont connects une seconde machine
thermique qui permet le
refroidissement des tubes durant la cristallisation, et le
chauffage durant les tapes de
ressuage et de fusion. Dans le procd global, deux cristallisoirs
sont donc intgrs dans le
cycle de rfrigration de la pompe chaleur (figure 5). Pendant que
le premier cristallisoir
opre en mode de cristallisation comme vaporateur, lautre
cristallisoir opre en mode de ressuage ou de fusion comme
condenseur. Lvaporateur de la pompe chaleur absorbe la chaleur de
cristallisation pendant la cristallisation et le condenseur fourni
la chaleur ncessaire
pour le ressuage ou la fusion.
Le bilan dnergie dune unit de dessalement est donn dans ce qui
suit (Tableau 1), en se basant sur les rsultats exprimentaux qui
donnent le rendement de la conglation et du
ressuage pour les deux modes statique et agit. Ainsi, la capacit
de production deau douce de linstallation est denviron 19 m3 par
cycle de 23 heures en mode statique et denviron 26,5 m
3 par cycle de 17 heures en mode agit. On a suppos un
cristallisoir de gomtrie carre
contenant 150 x 150 tubes de 2cm de diamtre chacun, et spars
dune distance de 2 cm.
-
Tableau 1 : bilan dnergie dune unit de dessalement en mode
statique et en mode agit.
Mode statique Mode agit
Pr-refroidissement de la solution 700 kWh 709 kWh
Refroidissement des tubes en polypropylne
de 0C -2C 7 kWh 7 kWh
Quantit de chaleur totale vacuer durant
ltape de conglation 4103 kWh 4137 kWh
Quantit de chaleur fournir pour le ressuage 2347 kWh 1681
kWh
Quantit de chaleur fournir pour la fusion 1757 kWh 2456 kWh
Energie consomme par les 2 machines
frigorifiques 149 kWh 150 kWh
Consommation des pompes P1 P5 (figure 4) 7,4 kWh 7,3 kWh
Consommation du ventilateur pour le
recyclage de lair utilis pour lagitation - 40 kWh
Consommation nergtique (machines
frigorifiques + pompes + ventilateur) par
m3 deau douce produite
8,3 kWh.m-3
24 kWh.m-3
Lnergie consomme par les machines frigorifiques est la somme de
3 termes, relatifs respectivement au refroidissement des tubes, au
pr-refroidissement de la solution
dalimentation et aux frigories ncessaire la conglation en tenant
compte du coefficient de performance (COP). Ce coefficient dpend
fortement de la diffrence de temprature entre le
condenseur et lvaporateur. La machine thermique utilise pour le
refroidissement de la solution et des tubes est suppose fonctionner
entre -6 et 20C (le condenseur est la
temprature de leau de mer). Dans ces conditions, le coefficient
de performance est estim 14.
Si lon considre que la machine thermique utilise pour la
cristallisation et le ressuage/fusion de la couche opre entre -6 et
0C, (-6C tant la temprature de
fonctionnement de lvaporateur et 0C est celle du condenseur), le
COP est estim 59. Ce COP est trs lev grce la faible diffrence de
temprature entre lvaporateur et le condenseur. Les pincements dans
les changeurs sont trs faibles, car la conglation est trs
lente.
Du point de vue de la consommation nergtique, la conglation en
mode statique se
positionne entre losmose inverse, moins gourmande, et la
distillation. Le dessalement de leau de mer par conglation peut
toutefois devenir une technique particulirement intressante mettre
en uvre lorsquon dispose de froid (couplage avec un appareil de
climatisation, dstockage de gaz liqufi)[10].
En mode dynamique, la consommation nergtique du systme daration
est norme, compare aux deux autres postes nergtiques. Lavantage
apport par le bullage sur la puret de la glace et la dure du procd
est donc loin de compenser le surcot nergtique. Il est
clair que pour dvelopper un tel procd, il est essentiel
doptimiser cette agitation.
-
5. Conclusion
Dans ce travail, nous avons tudi la conglation comme mthode de
dessalement de l'eau
de mer. La matrise des conditions opratoires est essentielle
pour obtenir une qualit et un
rendement levs. Le mode statique est a priori intressant de par
sa simplicit. L'agitation de
la solution par les bulles d'air a permis daugmenter la vitesse
de croissance et de diminuer la salinit finale de la glace. Cela a
pour consquence la diminution du temps et l'amlioration
du rendement.
La consommation nergtique a t estime environ 8 kWh/m3 pour le
mode statique et
environ 24 kWh.m-3
pour le mode agit. En mode agit, le bullage entrane une
surconsommation leve, qui nest pas compense par lamlioration du
rendement observe par rapport au mode statique. Le dveloppement de
ce procd ncessite une poursuite des
travaux engags en optimisant les conditions de fonctionnement en
mode statique. Sa mise en
uvre parait surtout intressante dans le cadre de revalorisation
de frigories.
Rfrences
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Bebon, N. Semlali, J.P.Klein, T.
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of sea water in a static layer
crystallizer, desalination and water treatment, 13 (2010)
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[10] Peng Wang, Tai-Shung Chung, 2012, A conceptual
demonstration of freeze desalination
membrane distillation (FDMD) hybrid desalination process
utilizing liquefied natural gas (LNG) cold
energy, Water Research, 46(13), 4037-4052.
Remerciements
Ce travail est ralis dans le cadre de l'Action Intgre n
MA/06/150, programme
Volubilis, les auteurs tiennent remercier le Comit Mixte
Franco-Marocain.
