Le procédé de distillation à multiples effets

Les eaux de mer Origine

Edmond Halley fut le premier à établir des théories scientifiques sur les origines de l’eau de mer en 1715, proposant que le sel et d’autres minéraux soient emportés dans la mer par les rivières des continents. Ceux-ci provenaient du lessivage continu des minéraux sur le sol par les pluies. Une fois dans l’océan, ces sels se concentrent de plus en plus à travers le cycle hydrologique. Halley a également réalisé que les lacs qui n’avaient pas de débouché vers la mer (comme la mer Morte ou la mer Caspienne) avaient des concentrations élevées en sel. Halley a appelé le processus « l’attrition continentale ». Cette théorie était partiellement correcte. Pour ce fait, il faut ajouter le Sodium sur le fond de l’océan quand il a été formé. Or, la présence du chlore semble provenir des fuites gazeuses de l’intérieur de la Terre et s’échapper par des éruptions hydrothermales ou volcaniques. La théorie communément acceptée est que la salinité est restée stable pendant la vie de la Terre, et que les ions de sel maintiennent un cycle continu qui les fait pénétrer et être expulsés à l’intérieur de la Terre. Ainsi, les sels réagissent avec les basaltes du fond marin qui, une fois avalés par le processus de subduction, sont à nouveau expulsés par les courants hydrothermaux et les volcans. De nos jours, il existe plusieurs publications qui traitent de la possibilité que les océans archaïques soient beaucoup plus salins qu’actuellement [B].

Le dessalement dans le monde

Le dessalement de l’eau est en très forte croissance dans le monde. En effet, l’approvisionnement en eau potable sur le plan quantitatif et qualitatif s’impose progressivement, et qui est parallèle aux risques de pollutions (vecteurs de maladies, toxines ou matières en suspension ou agents pathogènes) qui perdurent à chaque étape du parcours de l’eau. La disponibilité géographique en eau douce est inégalement répartie sur la planète. Face à cette réalité, le dessalement de l’eau de mer est venu s’imposer pour pallier à ce déséquilibre. La capacité installée de dessalement augmente chaque année en moyenne de plus de 10 %. Environs 17 000 unités de production d’eau potable, soit 58 millions de m3/jour d’eau produite, la production d’eau dessalée devrait dépasser 120 millions de m3/jour en 2019.

La technologie de l’osmose inverse, qui constituait 20% des unités de production au début des années 1980, est devenue si importante aujourd’hui. Rappelons que la capacité mondiale de production en eau potable est de l’ordre de 500 millions de m3/j [5]. La répartition des usines de dessalement dépend de trois facteurs : une forte pénurie d’eau liée à l’aridité climatique, la proximité de la mer et une altitude basse et enfin la possibilité d’assumer financièrement un fort coût énergétique ce qui exclut pratiquement les régions pauvres [5].

La Chine a annoncé la production de 1 million de m3/j d’eau de mer traitée en 2010 et jusqu’à 3 millions de m3/j en 2020. 60% des besoins en eau douce des pays du Golfe Persique sont satisfaits par le dessalement d’eau de mer. En Méditerranée, la production artificielle d’eau douce par dessalement d’eau de mer ou d’eau saumâtre souterraine a commencé d’abord dans des situations d’isolement insulaire (Malte, Baléares, Dalmatie, Chypre, Cyclades…), littorales (Libye) et désertiques (Algérie), et se répand aujourd’hui très rapidement tout autour de la Méditerranée. L’Algérie et l’Espagne ont clairement opté pour cette option pour résoudre leur problème d’insuffisance. A ce jour, la Méditerranée représente environ le quart du dessalement mondial. Vers 2030, la région pourrait approcher le chiffre du dessalement mondial actuel (soit environ de 30 à 40 millions de m3/j) [6]. Les figures (I.1) et (I.2) ci-dessous représentent la capacité du dessalement dans le bassin de la méditerranée et dans le monde entier.

Le dessalement de l’eau en Algérie

L’expérience de dessalement des eaux en Algérie est étroitement liée au développement de l’industrie et tout particulièrement de l’industrie pétrolière et sidérurgique. Le recours au dessalement pour la production de l’eau est incontournable. En 1964, trois petits blocs de 8 m³/h chacun a été installés au complexe Gaz liquéfié d’Arzew (ville côtière à l’ouest du pays). Le procédé utilisé fut la distillation à multiple effet. En 1969, une autre installation a eu lieu à Arzew avec une capacité de production de 4560 m³/j. Le procédé utilisé est le multi stage flash. D’autres installations ont été mises en exploitation pour les besoins en eau de haute pureté nécessaire au processus des complexes de production d’électricité (Cap Djanet à l’Est d’Alger) et l’industrie de liquéfaction (Arzew et Skikda) [7]. Dans le cadre d’un programme d’urgence dans les wilayas de Tlemcen, Oran, Tipaza, Alger, Boumerdès, Skikda et Tizi-Ouzou, l’Algérienne des Eaux (entreprise nationale) a entamé sa première expérience en matière de dessalement de l’eau de mer par la gestion de 23 stations monobloc, d’une capacité totale de 57 500 m3/j. 14 autres grandes stations d’une capacité totale environ de 2 000 000 m3/j ont été réalisés entre 2005 et 2014 [8].

D’autres stations ont été également mises en service dans les années 2009, 2010 et 2011. Il s’agit notamment des stations de Skikda (100 000 m3/j), Beni Saf (200 000 m3/j), Souk Tlata et Honaine à Tlemcen (200 000 m3 /j de chacune), Mostaganem (200 000 m3/jour), Fouka et Oued Sebt à Tipaza (respectivement 120 000 m3/j et 100 000 m3/j) et Cap Djinet à Boumerdès (100 000 m3/j). Encore d’autres sont, également, en cours de réalisation à la wilaya de Chlef (200 000 m3/j), El Tarf (50 000 m3/j) et la plus importante station est celle de Magtaâ, à Mostaganem, avec une capacité de production de 500 000 m3/j. La production en eau dessalée, selon les experts, passe de 500 000 m3/jour en 2008 à 1 100 000 m3/jour en 2009 et 2 260 000 m3/jour en 2011 pour atteindre 4 m3/j en 2020 [7]. Dans une déclaration faite par le ministre des Ressources en eau de l’Algérie en février 2019, la proportion d’eau dessalée est estimée à 17 % de l’eau distribuée qui est l’équivalent de 1.36 million m3/j [9].

Le procédé de distillation à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation MSF).Ce procédé appelé Flash maintient l’eau sous pression pendant toute la durée du chauffage, quand elle atteint une température d’environ 120°C, elle est introduite dans une enceinte (ou étage) où on trouve une pression réduite. Il en résulte une vaporisation instantanée par une détente appelée Flash. Une partie de l’eau s’évapore puis va se condenser sur les tubes condenseurs placés en haut de l’enceinte, et l’eau liquide est recueillie dans des réceptacles en dessous des tubes. C’est alors l’eau de mer chaude qui se refroidit pour fournir la chaleur de vaporisation. L’ébullition s’arrête quand l’eau de mer atteint la température d’ébullition qui correspond à la pression qui se trouve dans l’étage considéré. Le phénomène de flash est reproduit ensuite dans un deuxième étage où règne une pression encore plus réduite. La vaporisation de l’eau est ainsi réalisée par détentes successives dans un ensemble d’étages où il y’a des pressions de plus en plus réduites. On peut trouver jusqu’à 40 étages successifs dans une unité MSF industrielle [3]. La figure II.4 ci-dessous schématise un distillateur par détentes successives Pour la chauffer jusqu’à 120°C, l’eau de mer circule d’abord dans les tubes des condenseurs des différents étages en commençant par le dernier étage où la température est la plus faible, elle est ensuite préchauffée en récupérant la chaleur de condensation de la vapeur d’eau. Et finalement, elle est portée à 120°C grâce à la vapeur qui est à une température supérieure à 120°C produite par une chaudière ou qui provient d’une centrale de production d’électricité.

On remarque lors du phénomène de flash que des gouttelettes d’eau salée peuvent être entraînées avec la vapeur, elles sont séparées grâce à un dévésiculeur constitué par une sorte de grillage qui limite le passage des gouttelettes et ensuite qui retombent alors au fond de l’enceinte. L’avantage principal du procédé MSF est que l’évaporation de l’eau de mer ne se produit pas autour des tubes de chauffe puisque le liquide flash ceci limite les risques d’entartrage. L’énergie requise est principalement l’énergie thermique à fournir à la chaudière, cette énergie peut être peu coûteuse si on récupère de la vapeur basse pression à la sortie d’une turbine de centrale électrique. Il est nécessaire de fournir également de l’énergie électrique pour les pompes de circulation de l’eau de mer. Le procédé MSF ne permet pas une flexibilité d’exploitation. Aucune variation de production n’est tolérée, c’est pour cette raison que ce procédé est surtout utilisé pour les très grandes capacités de plusieurs centaines de milliers de m3 d’eau dessalée par jour. Cette technologie est apparue en 1960 pour résoudre les problèmes d’entartrage que connaissaient les procédés de distillation à multiples effets .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Généralités sur le dessalement de l’eau et normes de potabilité
I.1. Introduction
I.2. Caractéristiques des eaux de mer et des eaux saumâtres
I.2.1. Les eaux de mer
I.2.2. Les eaux saumâtres
I.3. Le dessalement de l’eau dans le monde et en Algérie
I.3.1. Définition du dessalement de l’eau de mer
I.3.2. Le dessalement dans le monde
I.3.3. Le dessalement de l’eau en Algérie
I.3.3.1. Les stations de dessalement en Algérie
I.3.3.2. Stations monoblocs
I.4. Impacts de rejets de dessalement
I.4.1. La saumure
I.5. Normes de potabilité de l’eau
I.5.1. Paramètres organoleptiques
I.5.1.A. La couleur
I.5.1.B. Goûts et odeurs
I.5.2. Paramètres physicochimiques
I.5.2.1. La turbidité
I.5.2.2. Potentiel d’hydrogène « pH »
I.5.2.3. La température
I.5.2.4. Matières en suspension
I.5.2.5. Matières organiques dissoutes
I.5.2.6. Conductivité électrique
I.5.2.7. La dureté totale de l’eau
I.5.2.8. L’alcalinité
I.5.2.9. Cations et anions
I.5.2.10. Pollution des eaux par les métaux lourds
I.5.3. Paramètres microbiologiques
I.6. Conclusion
Chapitre II : Procédés de dessalement de l’eau
II.1. Introduction
II.2. Structure générale d’une installation de dessalement
II.2.1. La prise d’eau de mer
II.2.2. Le poste de pompage
II.2.3. Le poste de prétraitement
II.2.4. Le Prétraitement par les procédés membranaires
II.2.5. Le Poste de traitement
II.2.5.a. Les traitements de neutralisation ou de reminéralisation des eaux
II.2.5.b. La décarbonatation
II.2.5.c. La désinfection
II.2.5.d. L’aération
II.3. Les procédés de dessalement
II.3.1. Les procédés de distillation
II.3.1.1. Distillation à simple effet
II.3.1.2. Le procédé de distillation à multiples effets (Multi-Effet distillation MED)
II.3.1.3. Le procédé de distillation à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation)
II.3.1.4. La distillation solaire
II.4. Dessalement par électrodialyse
II.4.1. Définition
II.4.2. Principe de fonctionnement
II.4.3. Les membranes d’électrodialyse
II.4.4. Avantages et inconvénients
II.5. Dessalement membranaire (Osmose Inverse)
II.5.1. L’Osmose inverse (OI)
II.5.2. Schéma général d’une installation d’osmose inverse
II.5.3. Modules d’osmose inverse
II.5.3.1. Modules plans
II.5.3.2. Modules spiraux
II.5.3.3. Modules tubulaires
II.5.3.4. Modules fibres creuses
II.5.4. Coût d’investissement et d’exploitation
II.5.5. Les Avantages et Les inconvénients de l’osmose inverse
II.5.5.a. Avantages
II.5.5.b. Inconvénients
II.6. Conclusion
Chapitre III : Présentation et description de la station de dessalement de Honaine
III.1. Situation géographique
III.2. Présentation du promoteur de projet
III.3. Structure du projet
III.4. Installations principales
III.5. Description du process utilisés dans le traitement des eaux
III.5.1. Pompage de l’eau de mer
III.5.2. Le Prétraitement
III.5.2.1. Le pré-traitement physico-chimique
A- Filtration à sable et charbon
La première phase est constituée de 48 filtres contenants chacun
La deuxième phase est constituée de 32 filtres contenants
B- Filtration à cartouches
Chloration
Coagulation-Floculation
Dosage de dioxyde de carbone
Dosage de bisulfite de sodium
Dosage d’inhibiteur « anti-scalant »
Dosage d’hydroxyde de sodium
III.5.3. L’étape d’osmose inverse
III.5.3.A. Le châssis à membrane
III.5.3.B. La pompe à haute pression
III.5.3.C. La pompe de recirculation
III.5.3.D. Le système de récupération de pression (ERIS)
III.5.4. Le Post-traitement
a) Reminéralisation de l’eau dessalée
b) Réservoir d’eau traitée
III.6. Caractéristiques de l’eau traitée
III.7. Equipements auxiliaires de la station sont
III.8. Traitement des rejets liquides
Eaux résiduelles
Solution de nettoyage chimique
La saumure
Saumure de nettoyage des filtres
III.9. Institut de formation
Chapitre IV : Matériel et méthodes
IV.1. Analyses physico-chimiques des eaux traitées
IV.1.1. Prélèvement et échantillonnage
IV.1.1.1. Sites de prélèvements
IV.1.1.2. Mode de prélèvement
IV.1.3. Paramètres physicochimiques
IV.1.3.1. Mesure de la Température
IV.1.3.2. Mesure du pH
IV.1.3.3. Mesure de la Turbidité
IV.1.3.4. Mesure de la conductivité
IV.1.3.5. Mesure de l’Alcalinité
IV.1.3.5.1. Titre alcalimétrique simple
IV.1.3.5.2. Titre alcalimétrique complet
IV.1.3.6. Mesure de la Dureté Total (TH)
IV.1.3.7. Mesure de calcium (Ca2+)
IV.1.3.8. Mesure de Magnésium (Mg2+)
IV.1.3.9. Mesure du chlore Cl-
IV.1.3.10. Mesure des solides dissous totaux (TDS)
IV.1.3.11. Mesure des matières en suspension (MES)
IV.1.3.12. Mesure de l’indice de colmatage (SDI)
IV.2. Paramètres hydrauliques
IV.2.1. Sites de contrôle
Chapitre V : Résultats et interprétations
V.1. Introduction
V.2. Performances de fonctionnement hydraulique
V.2.1. Taux de conversion totale de la station
V.2.2. Taux de rejet total de la station
V.2.3. L’indice de colmatage (SDI)
V.2.4. Le débit spécifique
V.2.5. Taux de conversion du rack N°05
V.2.6. Le débit du perméat produit par le rack N°5
V.2.7. Variation du débit spécifique en fonction de la pression
V.2.8. Pression de la pompe HP et pression de sortie du concentrat
V.2.9. Pression d’entrée et de sortie de la pompe booster
V.2.10. Pression de l’eau perméat et de l’eau concentrat
V.3. Performances de traitement et qualité de l’eau
V.3.1. La température
V.3.2. Le pH
V.3.3. La conductivité
V.3.4. Le TDS
V.3.5. Matières en suspension (MES)
V.3.6. Dureté
V.3.7. L’alcalinité totale
V.3.8. L’indice de Langelier
Conclusion générale
Tables des matières
BIBLIOGRAPHIE
WEBOGRAPHIE
Annexe

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