Dessalement de l’eau de mer par congélation sur parois froides : aspect thermodynamique et influence des conditions opératoires

Desalination sea water by indirect freezing : thermodynamics aspect and influence of operating conditions

• Auteur / Autrice : Anouar Rich
• Direction : Jean-Paul Klein, Stéphane Veesler, Tijani Bounahmidi, Ahmed Bouhaouss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 12/12/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université Mohammed V-Agdal (Rabat, Maroc ; 1993-2014)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Roman Peczalski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mangin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Espitalier, Hervé Muhr

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau potable

Cristallisation

Eau de mer

Eau salée -- Dessalement

Mots clés libres

Dessalement

Eau de mer

Modèle thermodynamique

Propriété physique

Cristallisation en milieu fondu

Ressuage

Eau potable

Desalination

Seawater

Thermodynamic model

Physical property

Crystallization of molten medium

Sweating

Drinking water

Résumé

Le travail vise à développer un procédé de dessalement de l’eau de mer par congélation sur parois froides. L’étude thermodynamique a permis de quantifier l’effet de la composition et de la salinité de l’eau sur la température de congélation et la température de précipitation de Na2SO4,10 H2O. Les résultats sont bien décrits par le code de calcul de Frezchem, dérivé du modèle de Pitzer. Les essais de dessalement par congélation ont été conduits avec des solutions eau/NaCl de différentes concentrations, ainsi qu’avec de l’eau de mer de Rabat, Nice et Marseille. Le montage expérimental mis au point se compose d’un doigt de gant plongé dans une cuve double enveloppée contenant l’eau à traiter. Le procédé complet de dessalement est conduit en deux étapes: l’étape de congélation produisant un dépôt de glace sur le doigt de gant et l’étape de ressuage, effectuée après vidange de la saumure, qui consiste à purifier en profondeur la glace en opérant une fusion des zones impures. Une caméra filme la couche de glace et fournit la cinétique de croissance de la couche. La congélation a été effectuée dans une solution stagnante ou dans une solution agitée par injection d’air. Elle est conduite en appliquant deux rampes de refroidissement, respectivement dans le doigt de gant et dans la double enveloppe, qui peuvent être ou non identiques. Les essais ont montré la nécessité d’ensemencer la couche de glace sur le tube et d’ajuster finement la température initiale de la rampe de refroidissement. L’étude systématique de l’influence des paramètres opératoires a mis en évidence les rôles importants de la rampe de refroidissement et de la salinité de la solution sur la pureté de la glace produite. En l’absence d’agitation, la température de la double enveloppe a également un effet notoire sur la pureté de la glace à cause des gradients de température, et par suite, des courants de convection qu’elle peut engendrer au sein de la solution. En régime agité, la solution semble être à chaque instant en équilibre avec la glace. Une même salinité finale de la glace peut être obtenue avec des rampes de refroidissement beaucoup plus rapides qu’en statique. Quelles que soient les performances de la congélation, le ressuage est ensuite indispensable pour atteindre la norme de potabilité. La recherche de conditions opératoires optimales a permis de réduire la durée du procédé global à 8h (5h de cristallisation et 3h de ressuage). Les résultats de ce travail montrent la faisabilité de la technique et donnent une bonne idée des conditions de fonctionnement qui peuvent être employées pour produire l'eau potable

The work aims to develop a process for freezing desalination of seawater on cold walls. The thermodynamic study has quantified the effect of composition and of salinity on the freezing temperature and the precipitation temperature of Na2SO4,10 H2O. The results are well described by the calculation code Frezchem, derived from the model of Pitzer. The experiments were performed with water/NaCl solutions of different concentrations and with samples of sea water from Nice, Rabat and Marseille. The pilot crystallizer consists of a cooled tube immersed in a cylindrical double jacketed tank containing water to be treated. The complete process of desalination is conducted in two steps: the freezing step, leading to the crystallization of the ice layer and the sweating step, which consists of purifying in depth the ice layer by melting the impure zones. A camera films the ice and provides the growth kinetics of the layer. Freezing was performed in a stagnant solution to a stirred solution or by injecting air. It is conducted by applying two cooling ramps, respectively in the tube and the double jacket that may or may not be identical. Tests have shown the need to seed the ice on the tube and fine-tune the initial temperature of the cooling ramp. The systematic study of the influence of operating parameters has highlighted the important role of the cooling ramp and salinity of the solution on the purity of the ice produced. In the absence of stirring, the temperature of the double jacket also has a noticeable effect on the purity of the ice due to temperature gradients, and consequently, convection currents that may result in the solution. Steady stirring, the solution seems to be at all times in equilibrium with ice. Same final salinity of the ice can be obtained with ramps cooling much faster than static. Whatever the performance of the freezing, the sweating is then necessary to meet the standard for drinking water. The search for optimum operating conditions has reduced the duration of the overall process to 8 hours (5 hours the crystallization and 3 hours of sweating). The results of this work show the feasibility of the technique and give a good indication of operating conditions that can be used to produce drinking water