Les pompes haute-pression adaptées aux usines de dessalement d eau de mer par osmose inverse

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1 LE THÈME DU MOIS LES POMPES Les pompes haute-pression adaptées aux usines de dessalement d eau de mer par osmose inverse Pierre Corsin, Fluid Consult Cédric Masson, GLS Les pompes haute-pression d'alimentation des modules d'osmose inverse destinés au dessalement de l'eau de mer, ainsi que les dispositifs de récupération de l'énergie hydraulique du concentrat qui y sont associés, représentent des postes très importants dans la conception des usines de dessalement, tant du point de vue de l'investissement, que de celui de l'énergie électrique nécessaire à leur fonctionnement. De ce fait, il convient d'effectuer les bons choix par une parfaite connaissance des équipements existants sur le marché et de leurs spécificités au niveau de leur principe de fonctionnement, de leur conception, des gammes de débit et de pression, des rendements, de la métallurgie et des caractéristiques dimensionnelles. ABSTRACT High pressure pumps adapted to seawater desalination facilities by inverse osmosis. High-pressure pumps for sea water desalination RO-units, as well as the equipments for the concentrate hydraulic energy recovery, are very important in the desalination plants design, and this, regarding the investment cost as well as the electrical energy required for their operation. So, it is suitable to make the right choices with the help of a perfect knowledge of the equipments available on the market, of their specific operating modes, their design, their flowrate and pressure ranges, their efficiency, their metallurgy and their dimensional characteristics. P rès de la moitié du coût d'exploitation des usines de dessalement d'eau de mer est représentée par le poste "énergie électrique" et 70 % de cette énergie est absorbée par le seul dispositif de mise en pression des membranes, d'où son importance dans la structure du prix du m 3 d'eau douce produit. On a donc toujours recherché des gains au niveau des besoins en énergie électrique du dispositif d'alimentation haute-pression, en intervenant notamment sur l'amélioration des rendements des pompes, des moteurs électriques et des dispositifs de récupération de l'énergie hydraulique du concentrat. Les pompes et les moteurs électriques ont atteint aujourd'hui des rendements qui ne peuvent plus évoluer d'une manière significative, mais il convient néanmoins de faire le bon choix au niveau du type de pompe à employer et de celui du système de récupération de l'énergie hydraulique du concentrat à leur associer. Détermination des caractéristiques hydrauliques et électriques des groupes d'alimentation haute-pression Les dispositifs d'alimentation haute-pression des membranes d'osmose inverse doivent Tableau I : Valeurs moyennes de la minéralisation de l'eau des mers et des océans Mer Baltique Mer Noire Océan Atlantique Océan Pacifique Mer Méditerranée Mer Rouge Golf Arabique Mer Noire mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 57

2 Figure 1 : Principe de l'osmose directe et de l'osmose inverse. permettre d'assurer un débit d'eau à une pression donnée, tout en absorbant le minimum d'énergie. Débit Le débit d'alimentation (Q f ) est fonction : de la capacité de production désirée d'eau douce (Q p du facteur de conversion (Y) qui est égal au rapport du débit produit (Q p ) sur le débit d'alimentation (Q f Y étant exprimé en %, Q f = 100 Q p.y -1 La valeur du facteur de conversion se situe généralement entre 40 % et 50 % pour les usines de dessalement d'eau de mer. Pression Le débit d'alimentation doit être fourni aux membranes à une certaine pression, qui dépend essentiellement : de la minéralisation de l'eau, et donc de sa pression osmotique (Tableau I de sa température, et donc de sa viscosité, de l'origine des membranes (fabricant, matériau, de l'âge des membranes : celles-ci se compactant dans le temps, la pression doit être augmentée pour maintenir un flux traversier constant, du facteur de conversion. Les fabricants de membranes d'osmose inverse mettent à la disposition des concepteurs d'usines de dessalement des logiciels de dimensionnement permettant notamment de déterminer la pression nette d'alimentation. La figure 1 rappelle les principes de l'osmose directe et de l'osmose inverse. Pour permettre à l'eau de traverser les membranes, il faut que la pression d'alimentation soit supérieure à sa pression osmotique. Plus la pression d'alimentation sera élevée, plus le flux transmembranaire sera important. Au-delà de la valeur de la pression osmotique, le débit est directement proportionnel à la pression nette d'alimentation, celle-ci étant limitée par la résistance mécanique des membranes. Les valeurs de la pression d'alimentation se situent dans la gamme 60 à 80 bar. La pression osmotique d'une eau de mer standard (36 g/l pour l'océan atlantique) étant d'environ 28 bar, les pressions d'alimentation des modules sont en moyenne égales à environ 2,5 fois la pression osmotique. A la pression nette d'alimentation, il convient d'ajouter : les pertes de charge dans les tuyauteries de liaison et les collecteurs, entre pompes et modules, les pertes de charge dans les accessoires de tuyauterie et de régulation, la contre-pression existante en sortie du perméat, due aux pertes de charge dans les tuyauteries aval et à la hauteur d'élévation entre les modules et le réservoir de stockage de l'eau traitée, les pertes de charge induites par le colmatage non permanent des membranes, colmatage intervenant entre deux nettoyages chimiques. Puissances Connaissant le débit et la pression d'alimentation nécessaires, il peut être choisi la pompe définie par ces caractéristiques hydrauliques, puis le moteur électrique d'entraînement, en sachant que la puissance absorbée à l'arbre de la pompe est donnée par la formule suivante : Pa (Kw) = Q f (m 3 /h).p(bar) η p (%) avec : Q f = débit d'alimentation P = pression fournie par la pompe η p = rendement de la pompe La puissance absorbée aux bornes du moteur électrique (Pb) se déduit de la puissance absorbée à l'arbre de la pompe (Pa en prenant en compte le rendement du moteur (ηm) et éventuellement celui de la transmission (η t ) Figure 2 : Bilan des débits et pressions dans les différents circuits d'un osmoseur L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - N 265

3 Pb = Pa η t.η n Exemple : Pour une usine de dessalement ayant une capacité de production de m 3 /j à partir d'une eau de mer présentant une salinité de mg/l, et en prenant en compte les Figure 3 : Système de récupération indirecte de l'énergie du concentrat par turbine Pelton hydraulique pouvant être récupérée au niveau du concentrat, en prenant en compte le rendement (η t ) du système de récupération : 100 Y.Q f.(p f - p).ηt 100 Figure 4 : Système de récupération indirecte de l'énergie du concentrat par turbo-pompe. données suivantes, Y = 40% η p = 85 % η m = 96 % Pression nette d'alimentation (P n ) : 70,0 bar Contre-pression circuit perméat (P p ) : 1,0 bar Pression disponible à l'aspiration de la pompe HP : 1,0 bar Pertes de charge dans le système d'alimentation : 3,5 bar Temps journalier de production : 24 h Débit d'alimentation (Q f ) : 1042 m 3 /h on en déduit la puissance absorbée aux bornes des moteurs, soit 2606 kw, ce qui correspond à une énergie consommée de 6,25 kwh par m 3 produit. Puissance hydraulique du concentrat En fonction de la valeur du facteur de conversion, un certain débit (Q c ) est évacué à l'égout, Q c = 100 Y Q f 100 Figure 6 : Dispositifs d'équilibrage des poussées axiales. Figure 5 : Système de récupération directe de l'énergie du concentrat par échangeurs de pression. Ce débit est évacué à une certaine pression (P c qui est égale à la pression nette (P n ) d'alimentation des modules d'osmose inverse, à laquelle il a été : ajouté la contre-pression régnant dans le circuit perméat (P p retranché la perte de charge engendrée par la traversée des modules ( p soit : P f { P c =P n +P p - p Le bilan des débits et pressions dans les différents circuits est donné par la figure 2. On peut tirer de ce bilan la puissance Le rendement des systèmes de récupération existants varie de 60 à 90 %. En reprenant l'exemple précédent et en estimant p à 2 bar et ηt à 90 %, la puissance hydraulique du concentrat est égale à 1078 kw, soit 41 % de la puissance nécessaire à l'alimentation des modules. Pour réduire le coût de l'énergie électrique nécessaire à l'alimentation des modules d'osmose inverse, il convient donc de récupérer un maximum de cette énergie, donc de viser un rendement maximum du système de récupération. Systèmes de récupération de l'énergie du concentrat Il existe actuellement deux systèmes de récupération de l'énergie hydraulique : récupération indirecte : la puissance hydraulique du concentrat sert à soulager : ² soit le moteur de la pompe haute-pression (figure 3 ² soit la pompe haute-pression, et donc son moteur (figure 4). récupération directe : la puissance hydraulique est transférée directement dans le circuit d'alimentation (figure 5). Dans ce dernier cas, il est à remarquer l'exis- N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 59

4 Tableau II : Classification des différents dispositifs de mise en pression des modules d'osmose inverse Dans ce comparatif, il n'a pas été retenu les pompes centrifuges multi-étagées à plan de joint et double volute qui sont économiquement plus adaptées à des débits importants. Pour ce dernier type de pompes, il est à noter que leur rendement peut atteindre 85 %, valeur qui se rapproche de celle des pompes volumétriques les plus performantes au niveau énergétique. Tableau III : Classification des pompes haute-pression en fonction de leur gamme de débits tence d'une pompe de surpression destinée à compenser les pertes de charge induites dans les échangeurs de pression. Cette pompe se singularise par une faible Tableau IV : Comparatif des différents types de pompes pour un débit d'eau de mer de 45 m 3 /h à 72 bar et 20 C Type Vitesse de Transmission Rendement Puissance rotation moteur- (%) absorbée (tr/min) pompe à l'arbre (kw) Pompe à trois vis Directe 70,8 127,1 Pompe à cinq pistons 300 Courroies 87,2 103,2 Pompe à tube de pitot Multiplicateur 58,7 153,3 à engrenages Pompe centrifuge monoétagée Multiplicateur ,7 grande vitesse à engrenages Pompe centrifuge multiétagée Directe à corps segmenté HMT, de l'ordre de 50 mc.e., par contre ses composants doivent présenter une pression de service au moins égale à la pression d'alimentation des modules d'osmose, soit plus de 70 bar. Les différents dispositifs de mise en pression des modules d'osmose inverse Le tableau II classifie les différents dispositifs de mise en pression, en fonction : du type d'actionneur : moteurs électriques ou autres, du type de pompe : volumétriques, centrifuges ou autres. Il n'a pas été retenu les pompes à rotor excentré, du fait que leur pression de refoulement est en général limitée à 24 bar. Le tableau III les classifie en fonction de leur capacité en débit. Le tableau IV met en évidence les spécificités de chacun des types de pompes, concernant leur vitesse de rotation, leur mode d'entraînement et la puissance absorbée à l'arbre, pour des caractéristiques hydrauliques identiques, à savoir un débit de 45 m 3 /h pour une pression différentielle correspondante de 72 bar. Figure 7 : Dispositifs d'amélioration du NPSHr. Particularités des pompes centrifuges haute-pression Dans les applications haute-pression, les roues radiales des pompes centrifuges subissent de fortes poussées axiales qu'il est obligatoire d'équilibrer par la mise en place (figure 6) : soit de pistons d'équilibrage pour les pompes à corps segmenté, soit en adoptant des corps de pompe à double volute, les forces axiales de chaque volute s'opposant. Ces pompes se singularisent également par des valeurs importantes du NPSH requis. Pour l'améliorer, il est placé en amont du premier étage un dispositif de gavage qui peut être (figure 7) : une vis, pour les pompes centrifuges monoétagées à grande vitesse, une première roue radiale à large passage pour les pompes centrifuges multi-étagées à corps segmenté, une première roue à double aspiration 60 - L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - N 265

5 Tableau VI : Composition des aciers inoxydables de fonderie Nuances Famille Composition (%) (Normes Européennes) Symbolique Numérique Austénitique Austéno- Cr Ni Mo N ferritique GX5 Cr Ni Mo X 18 à 20 9 à 12 2 à 2,5 - GX2 Cr Ni Mo X 18 à 20 9 à 12 2 à 2,5 max 0,2 GX2 Cr Ni Mo N X 21 à 23 4,5 à 6,5 2,5 à 3,5 0,12 à 0,2 pour les pompes à double volute et plan de joint. Le tableau V illustre et décrit les différents types de pompes haute-pression utilisés pour l'alimentation des osmoseurs de dessalement d'eau de mer. Métallurgie des pompes haute-pression "eau de mer" Les composants des pompes haute-pression en contact avec de l'eau de mer sont généralement en acier inoxydable : soit austénitique, soit austéno-ferritique, souvent dénommé Duplex, fortement allié en molybdène et en azote. Pour les aciers inoxydables de fonderie on peut citer : dans la première famille, le GX2-Cr Ni Mo (classification numérique : dans la deuxième famille, le GX2-Cr Ni Mo (classification numérique ). Pour assurer une bonne résistance à la corrosion par piqûres, les aciers inoxydables doivent répondre à la condition suivante : % Cr + 3,3 (% Mo) 28 Conclusion Après avoir déterminé les caractéristiques hydrauliques du dispositif d'alimentation des modules d'osmose inverse destinés au dessalement de l'eau de mer, il convient de faire le bon choix quant au type de pompe hautepression à adopter, mais aussi quant à celui du dispositif de récupération de l'énergie hydraulique du concentrat à y associer. Si le choix est assez large pour les petites et moyennes capacités, il est très restreint pour les débits importants, car il se résume à des pompes centrifuges à double volute et à plan de joint, associées à des turbines Pel- avec récupéra- teurs d'énergie incorporés. Les critères de choix à prendre en compte concernent, pour l'ensemble du dispositif alimentation-récupération, les rendements, l'encombrement et le poids pour certaines applications, la métallurgie, sans omettre les coûts des équipements qui sont éminemment variables d'un type à l'autre. Tableau V : Illustration et description des différents types de pompes haute-pression pour l'alimentation des osmoseurs de dessalement Pompe à pistons Pompe à vis Pompe centrifuge à grande vitesse Pompe volumétrique 3 pistons plongeurs, équipée d'accumulateurs hydropneumatiques pour amortir les pulsations - Nombre de pistons : 3 ou 5 Pompe volumétrique à trois vis ton de récupération, en attendant la mise au point des pompes volumétriques actionnées hydrauliquement, Pompe centrifuge monoétagée entraînée par l'intermédiaire d'un multiplicateur à engrenages - Vitesse de rotation pouvant atteindre tr/min. Le tableau VI donne les compositions des aciers inoxydables de fonderie les plus courants. Les cotes de corrosion des différentes nuances sont, pour la résistance aux piqûres, égales à : 24,20 à 28,25 pour le , 24,20 à 28,25 pour le , 29,25 à 34,55 pour le On constate donc que seul l'acier inoxydable austéno-ferritique (Duplex) satisfait largement à la condition de résistance aux corrosions par piqûres. Pompe centrifuge à vitesse normale Pompe à tube de Pitot Pompe centrifuge multi-étagée à corps segmenté avec roue d'aspiration largement dimensionnée et équilibrage des forces radiales par piston Pompe centrifuge multi-étagée à double volute permettant l'équilibrage des forces radiales - Equipée d'une roue d'aspiration à double aspiration pour améliorer le NPSHr. L'eau pénètre dans le rotor, où elle est accélérée jusqu'à atteindre la vitesse du rotor. L'anneau liquide ainsi formé se déplace sur la périphérie du rotor et atteint une pression correspondante aux lois de la force centrifuge - Le tube de Pitot fixe est muni d'un orifice circulaire situé au plus près du diamètre maximum du rotor, la pression y règnant est faible, le liquide sous-pression entre donc dans un tube où son énergie cinétique est convertie en pression. N L EAU, L INDUSTRIE, LES NUISANCES - 61