SAAFA-76-MRRRCH
PROTOTYPES DES SYSTEMES DE DISTILLATION
PROCEDES DE DESSALEMENT
LA CONGELATION Le dessalement par congélation est basé sur le changement de phase liquide-solide de l’eau de mer. Selon la thermodynamique, la glace formée à partir de l’eau de mer est pure. Elle peut être séparée de la solution concentrée, puis fondue afin d’obtenir une eau douce. En pratique, la glace est contaminée par les sels lors de la congélation pour des raisons cinétiques, et par la saumure elle-même pendant la séparation glace solution. Le procédé doit permettre de minimiser cette contamination. Les opérations unitaires d’un procédé de dessalement par congélation sont : Le prétraitement de l’eau de mer (élimination des solides en suspension, élimination desv gaz dissouts pour les procédés sous vide) ; La formation des cristaux de glace à partir de la solution saline (pour les procédés env suspension, des cristaux de grande taille sont souhaités pour faciliter le lavage) ; Le lavage et/ou ressuage des cristaux de glace (pour les procédés continus, lavage dansv une colonne par environ 5% de l’eau produite) ; La fusion des cristaux de glace.v Chapitre 01 : Techniques de dessalement 7 Les procédés de congélation peuvent être divisés en trois catégories : la congélation primaire sous vide, la congélation secondaire et la congélation indirecte [1]. Congélation primaire (sous vide) : utilise directement l’eau contenue dans l’eau de merv comme réfrigérant ; à pression réduite, l’eau s’évapore et extrait la chaleur de la saumure, ce qui conduit à une congélation partielle de la solution. Les cristaux formés sont lavés dans une colonne et fondus Congélation secondaire : La technique fonctionne en mode continu et utilise un réfrigérant inerte et non miscible avec l’eau de mer. Le réfrigérant froid, sous pression et à l’état liquide est injecté directement dans l’eau de mer. Sa vaporisation provoque alors le refroidissement de la solution et la formation des cristaux de glace ; Les cristaux de glace sont ensuite séparés de la saumure, passent dans la colonne de lavage puis sont envoyés dans le fondoir. Les vapeurs de réfrigérant sont comprimées puis condensées par échange de chaleur avec les cristaux de glace dans le fondoir, [4]. Congélation indirecte : L’enthalpie nécessaire pour la congélation partielle de l’eau dev mer est évacuée par transfert de chaleur indirect à travers une paroi, elle peut être opéré en mode continu ou en mode discontinu ; conduisant à la formation de cristaux de glace en suspension grâce à un ensemencement qui permet d’éviter le dépôt sur la surface froide [1] ou en raclant le dépôt formé sur la surface froide, les cristaux de glace, en suspension dans la saumure, sont ensuite lavés et fondus respectivement dans des colonnes de lavage et de fusion, la glace formée subit un drainage par une fusion partielle jusqu’à ce que la glace résiduelle soit potable [5]. 1.2.2. L’ELECTRODIALYSE L’électrodialyse est un procédé chimique qui permet de séparer les ions Na+2 et les ions Cl-2 contenus dans une solution salée afin de ne conserver que les molécules d’eau. Il est composé de plusieurs compartiments séparés alternativement par des membranes anioniques ou cationiques et à chaque extrémité du système on dispose une cathode et une anode. Chapitre 01 : Techniques de dessalement 8 Une membrane anionique ne laisse passer que les anions, c’est-à-dire les ions Cl-2 et une membrane cationique ne laisse passer que les cations, c’est-à-dire les ions Na+2. Ces membranes sont des parois minces, denses et insolubles entre deux phases aqueuses. Le transfert d’un ion à travers une membrane est accompli par l’action d’un champ électrique. Les procédés électro-dialytiques utilisent des membranes organiques composées de matériaux similaires à ceux des résines échangeuses d’ions. La structure de la membrane est fabriquée à partir d’un matériau polymère, comme du chlorure de polyvinyle La nature des ions détermine le type de membrane : les membranes cationiques sont perméables aux cations et les membranes anioniques sont perméables aux anions. Parfois un prétraitement de la solution est nécessaire. En effet, les particules en suspension d’un diamètre supérieur à 10 nm sont susceptibles de boucher les pores de la membrane. De plus certaines substances chimiques sont capables de neutraliser les effets sélectifs de la membrane tels que les anions organiques de grandes tailles, les oxydes de fer ou de manganèse. Les cations sont attirés par la cathode et traversent donc une membrane cationique pour se diriger vers cette électrode. Les anions sont au contraire attirés par l’anode et traversent une membrane anionique pour se diriger vers cette autre électrode. Ainsi, chaque ion après avoir traversé une membrane se retrouve « prise au piège » dans le compartiment suivant. Ainsi les compartiments déjà traversées sont remplis de molécules d’eau uniquement et s’appellent «compartiments de dilution» donnant de l’eau pure. Les autres compartiments s’appellent « compartiments de concentration », car ils s’enrichissent en sel dissous.
DISTILLATION A SIMPLE EFFET
Le distillateur simple effet reste un dispositif très présent dans la littérature, malgré son très mauvais rendement énergétique, donc sa quasi-disparition dans le domaine industriel, cela parce que, c’est un dispositif, dont le principe est très facile à comprendre. C’est un puissant moyen pédagogique. Les premières unités industrielles de distillation d’eau de mer sont apparues à bord des navires ; c’étaient dans la plupart des cas des bouilleurs simple effet à faisceau noyé. L’eau de mer est chauffée dans un récipient étanche par de la vapeur circulant dans un faisceau tubulaire plongé dans un récipient étanche par de la vapeur circulant dans un faisceau tubulaire plongé dans l’eau de mer qu’il porte à ébullition. La vapeur montante produite se condense sur un autre faisceau tubulaire placé dans la partie haute de l’enceinte, parcouru cette fois-ci par de l’eau de mer froide. La vapeur qui se condense est alors recueillie dans un réceptacle, la température d’ébullition de l’eau peut être abaissée dans la mesure où l’on réduit la pression dans la chambre d’évaporation DISTILLATION A MULTIPLES EFFETS Ce procédé permet d’améliorer la consommation spécifique de l’évaporateur à simple effet afin d’en augmenter le rendement en récupérant la chaleur d’apport pour une nouvelle distillation et le processus s’effectue comme suit : Dans la première cellule de distillation, l’eau de mer ruisselle sur un serpentin de tubesv chauffés ou sur des plaques, grâce à la chaudière. Elle se transforme ainsi en vapeur à seulement 70°C, grâce à une pression inferieure à la pression atmosphérique. Cela évite l’entartrage des tuyaux. L’eau de mer non transformée en vapeur s’accumule au fond de la cellule. Elle se concentrev davantage de sels car celui-ci n’est pas vaporisable. L’eau est pompée, puis envoyée dans la cellule 2.v La vapeur entre dans la deuxième cellule, puis se condense dans le serpentin.v Ce passage à l’état liquide dégage assez d’énergie pour en céder à l’eau de mer. Celle-civ ruisselle sur les tubes ainsi chauffés et se vaporise. Le même processus se répète dans la troisième cellule. En pratique, on peut placer en sériev jusqu’à 6 ou 7 cellules de distillation. Le dernier serpentin est refroidi par l’eau de mer.v La vapeur condensée dans les serpentins donne de l’eau douce. Il faut 2 à 4 litres d’eauv salée pour obtenir 1 litre d’eau douce. La chaleur à fournir à une unité de distillation à multiples effets est uniquement celle qui est nécessaire pour réchauffer l’appoint d’eau de mer dans le premier effet et pour vaporiser la production de ce seul effet LA DISTILLATION A DETENTE SUCCESSIVES OU MULTI STAGE FLASH La vaporisation instantanée, plus connue sous son appellation anglo-saxonne MSF pour Multi-Stage Flash, consiste à chauffer l’eau de mer (de 25 °C à 85 °C, à la pression de 1013 mbar, sur la figure 02) puis à l’introduire dans une suite de cellules où la pression est inférieure à la pression de saturation16 (passage de 1013 à 60 mbar sur la figure). L’eau surchauffée va donc bouillir spontanément et assez violement, d’où le nom de « flash », pour retourner à l’état d’équilibre thermodynamique (pression 60 mbar, température 35 °C). La vapeur produite est condensée en utilisant l’eau de mer qui est ainsi préchauffée, ce qui permet d’économiser une partie de l’énergie nécessaire DISTILLATION PAR COMPRESSION DE VAPEUR La distillation par compression de vapeur est aussi un procédé permettant de produire de l’eau en minimisant la consommation d’énergie. Elle est toujours associée au procédé multipleeffet, le nombre d’effets pouvant être réduit à un seul. Le principe est le même que celui des pompes à chaleur, le fluide de travail subissant le cycle thermodynamique étant cette fois l’eau. Contrairement à une pompe à chaleur, le circuit du fluide thermodynamique est ouvert au lieu d’être fermé. La compression peut être réalisée avec un compresseur mécanique ou avec un thermo compresseur [12]. 2.5.1. COMPRESSION MECANIQUE DE VAPEUR (MVC) Dans ce procédé, l’eau à dessaler est portée à ébullition dans une enceinte isolée thermiquement. La vapeur produite est aspirée par un compresseur qui élève sa température de saturation. Cette vapeur traverse ensuite un faisceau tubulaire et se condense en provoquant l’ébullition de l’eau salée
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 01 TECHNIQUES DE DESSALEMENT
1.1.INTRODUCTION
1.2.PROCEDES DE DESSALEMENT
1.2.1.LA CONGELATION
1.2.2.L’ELECTRODIALYSE
1.2.3.ECHANGE D’IONS
1.2.4.L’OSMOSE INVERSE
1.2.5.DISTILLATION SOLAIRE
1.3.CONCLUSION
CHAPITRE 02 LA DISTILLATION
2.1.INTRODUCTION
2.2.DISTILLATION A SIMPLE EFFET
2.3.DISTILLATION A MULTIPLES EFFETS
2.4.LA DISTILLATION A DETENTE SUCCESSIVES OU MULTI STAGE FLASH
2.5.DISTILLATION PAR COMPRESSION DE VAPEUR
2.5.1.COMPRESSION MECANIQUE DE VAPEUR (MVC)
2.5.2.THERMOCOMPRESSION DE VAPEUR (TCV)
2.6.DISTILLATION SOLAIRE
CHAPITRE 03 L’ENERGIE SOLAIRE
3.1.INTRODUCTION
3.2.L’ENERGIE SOALIRE
3.2.1.DEFINITION DU SOLEIL
3.2.2.ASPECT GEOMETRIQUE DU RAYONNEMENT
3.2.2.1.POSITIONNEMENT DE LA TERRE PAR RAPPORT AU SOLEIL
3.2.2.2.REPERAGE SOLAIRE
3.2.2.3.COORDONNEES DU SOLEIL
3.2.3.RAYONNEMENT SOLAIRE
3.2.3.1.ESTIMATION DU RAYONNEMENT SOLAIRE SUR UNE SURFACE
3.2.3.2.ESTIMATION DU RAYONNEMENT SOLAIRE SUR UN PLAN INCLINE
3.3.SYSTEMES D’ENERGIE LIES AU SOLAIRE
3.3.1.SOLAIRE PHOTOVOLTAÏQUE
3.3.2.LE SOLAIRE THERMIQUE
CHAPITRE 04 PROTOTYPES DES SYSTEMES DE DISTILLATION
4.1.INTRODUCTION
4.2.DIFFERENTS TYPES DE SYSTEMES DE DISTILLATION
4.2.1.DISTILLATEUR MONO-INCLINE AVEC UN CONDENSEUR SEPARE
4.2.2. CAPTEURS PARABOLIQUES
4.2.3.DISTILLATEUR SOLAIRE A CAPTEURS CYLINDRO-PARABOLIQUES 31
4.2.4.DISTILLATION SOLAIRE A EFFET DE SERRE
4.2.5.DISTILLATEUR SOLAIRE INCLINE A CASCADES
4.2.6.DISTILLATEUR SOLAIRE INCLINE A MECHE
4.2.7.DISTILLATION SOLAIRE A MULTIPLES EFFETS
4.2.8.DISTILLATEURS STATIQUES
4.2.9.DISTILLATEURS A RUISSELLEMENT
CHAPITRE 05 CONCEPTION DU PROTOTYPE DE DISTILLATION
5.1.INTRODUCTION
5.2.CHOIX DU TYPE DE PROTOTYPE A REALISER
5.3.AVANTAGES ET INCONVENIENTS DE CE TYPE DE DISTILLATEUR
5.4.DIMENSIONNEMENT DU PROTOTYPE
5.4.1.DIMENSIONNEMENT DU PRISME
5.4.2.DIMENSIONNEMENT DU BAC ET DE L’ABSORBEUR
5.4.3.SUPPORT ET TABLE ELEVATRICE
5.4.4.CONCEPTION DU SYSTEME D’EVACUATION DE L’EAU DESTILLEE
5.4.5.CONCEPTION DU SYSTEME DE RECCUPERATION DU PERMEAT
5.4.6.SYSTEME D’ALIMENTATION DU BASSIN PAR LA SAUMURE
5.4.7.SYSTEME D’ISOLATION
5.5.SYSTEME DE MESURE
5.5.1.COMPOSANTS ET CAPTEURS ELECTRONIQUES
5.5.2.LECTURE DES VALEURS
5.5.3.AUTRES COMPOSANTS
5.6.CONCLUSION
CHAPITRE 06 RESULTATS ET DISCUSSIONS
6.1.INTRODUCTION
6.2.ANALYSE ET DISCUSSION DES EAUX DE MER
6.3.MISE A EAU DE MER DU PROTOTYPE ET MESURES
6.4.RESULTATS DES PARAMETRES MESURES A PARTIR DU PROTOTYPE 52
6.5.DISCUSSIONS DES RESULTATS DES MESURES DU PROTOTYPE
6.5.1.VARIATIONS DES TEMPERATURES INTERNES DU PRISME
6.5.2.VARIATION DES TEMPERATURES INTERNES AVEC CELLE DE L’AIR
6.5.3.VARIATION DES TEMPERATURES INTERNES AVEC L’HUMIDITE
6.5.4.VOLUME DISTILLE EN FONCTION DE L’HUMIDITE
6.5.5.VOLUME DISTILLE EN FONCTION DES TEMPERATURES INTERNES 62
6.6.DISCUSSIONS DES RESULTATS D’ANALYSES DU PERMEAT
6.7.CONCLUSION
CHAPITRE 07 ETUDE DE CAS
7.1.INTRODUCTION
7.2.ETUDE DU MILIEU PHYSIQUE DE LA ZONE CHOISIE
677.3.ESTIMATION DEMOGRAPHIQUE ET DES BESOINS EN EAU
7.4.DESCRIPTION DU TISSU URBAIN ET DE LA COTE DE BAIGNADE
7.5.CONCEPTION DU PROJET DE DISTILLATION
7.5.1.SYSTEME DE CAPTAGE DES EAUX DE MER
7.5.2.OUVRAGE DE DISTILLATION
7.5.3.POSTE DE TRAITEMENT ET STOCKAGE EAU TRAITEE
7.5.4.STATION DE POMPAGE ET DE DEVELOPPEMENT
7.5.5.DIMENSIONNEMENT DES CANALISATIONS ET DES POMPES
7.5.5.1.REFOULEMENT VERS LA BÂCHE DE LA PLAGE
7.5.5.2.REFOULEMENT VERS LE RESERVOIR DU HAMEAU D’ELBEKHATA
7.6.SYNTHESE
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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