L'eau utilise pour la production devapeur peut provoquer dans lesgnrateurs et dans les conduits devapeur tout un ensemble d'inconv-nients qui iront du simple entartragepar les carbonates, aux problmesde corrosion des lments du r-seau de distribution, en passant pardes destructions mtalliques lies lacide carbonique aux points decondensation, des formations detartres sulfats ou siliceux (trsdifficiles retirer) et des phnom-nes de primage avec lessivage des conduits de vapeur par leau dechaudire en gnral fortementminralise.

Procd classique utili-sant les rsines chan-geuses dions.Il existe des techniques classiquespour prvenir une grande partie deces perturbations, qui iront du sim-ple adoucissement pour empcherles tartres carbonats la d-minralisation sur rsines chan-geuses d'ions pour les gnrateursayant des pressions de travail 12bar (Fig.1).Des produits dits de conditionne-ment sont ajouts leau d'alimen-tation des chaudires en associa-tion avec le ou les traitements enamont pour viter les formations dedpts dans le gnrateur de va-peur, pour rduire l'agressivit de lavapeur, pour combattre les risquesde corrosion dans le gnrateur etles rseaux de vapeur, enfin pourviter les accidents dus au pri-mage en chaudire.

Traitement incomplet rsul-tant d'un simple adoucis-sement pour les gnra-teurs de vapeur travaillant basse et moyenne pres-sion.

L'adoucissement en gnral rservaux petits gnrateurs travaillantavec une pression moyenne nepose pas de problmes de rejetspolluants et de risques occasionnspar la manipulation de ractifs dan-gereux puisquutilisant du sel (ouchlorure de sodium).L'adoucissement ne provoque pasde changement de la minralisationglobale. Ce traitement ne fait queremplacer le calcium et le magn-sium de leau (responsables destartres carbonats) par des ionssodium. La minralisation de leaudemeurera inchange, et souventelle limitera les possibilits de con-centration en chaudire et provo-quera des purges de dconcentra-tion importantes avec perte d'eau ,perte de calories, et pertes de pro-duits de conditionnement.

Il en sera tout autrement lorsqueloprateur dsirera dbarrasserleau de ses bicarbonates (dcarbo-natation) ou de ses sels dissous(dminralisation).

Inconvnients majeurs dusaux traitements de dcar-bonatation et de dminra-lisation sur rsines chan-geuses d'ions.

Ces techniques utilisent des ractifsdangereux, toxiques et trs pol-luantsIl faut en effet pour ces oprations

de traitement de leau (destines augmenter les taux de concentra-tion dans les chaudires et viterdes formations de tartres siliceux,sulfats, etc.) mettre en oeuvre desractifs tels que lacide chlorhydri-que ou sulfurique pour la dcarbo-natation ou pour ter les cations enpremire partie de dminralisationavec des rsines dites respective-ment : carboxyliques et cationiquesfortes.A ces acides s'ajoute la soude (engnral en solution concentr) pourparachever la dminralisation enenlevant les anions sur des rsineschangeuses d'ions rgnres enmilieu alcalin.En plus des problmes poss parces ractifs trs dangereux tantpour les manipulateurs que pour lesmatriels placs proximit, sanscompter les vapeurs corrosives ettoxiques mises par certains acides(chlorhydrique en particulier) il fautprendre en compte les rejets toxi-ques, trs polluants, et onreuxtant donns que les agences debassin taxent fortement ces eauxrsiduaires provenant dinstallationobligatoirement dclares (et quiparfois ne seront plus autorisessuivant la destination de la zone oils se situeront).Avec les matriels mettre en oeu-vre pour dminraliser les eaux(colonnes d'changes d'ions, bacs ractifs, etc.) il faut prvoir une ins-tallation complmentaire dite deneutralisation des effluents (eaux dergnrations) qui sortent des appa-reils dots de rsines, avec un ca-ractre extrmement acide ou alca-lin.

Consommation de ractifschimiques.

Le rendement des rsines chan-geuses d'ions lors de leur rgnra-tion (opration consistant quandleur aptitude dminraliser leauest puise, leur enlever les ionsdes eaux traites qui les saturent, et leur confrer un nouveau pouvoirde traitement) est trs loin des100%. Il faut en gnral utiliser desquantits d'acide et de soude repr-sentant 110 - 150 - 200% voir plusdes quantits utiles pour liminerles lments correspondants deminralisation. Ces excdents mal-heureusement ncessaires de rac-tifs acides et alcalins viennent en-

Production de vapeur partir de leau traitepar le procd dosmose inverseHenry Lrat, Urs Richli Dr s sciences, Burkhalter & Partner SA

Losmose inverse est une technique de traitement deau idale pour la production devapeur. Par rapport aux solutions traditionnelles losmose inverse a de multiples avanta-ges, notamment la rduction de la consommation d'nergie calorifique et des cots d'ex-ploitation. Lobtention de fortes possibilits de concentration en chaudire conduisant defaibles taux de purge, la production de vapeur blanche dpourvue de composs vola-tils toxiques et l'limination des risques de primage sont dautres points importants.

Osmose inverse pour la production de vapeur page 2 de 6

core augmenter la charge polluanteet en plus confrent aux eaux rejeter des pH (caractre acide oualcalin) hors normes et dangereuxpour lenvironnement, les personnestravaillant proximit et les conduitsd'vacuation si ceux-ci ne sont pasen matriaux spciaux antiacide etanti-alcalins.

Performances limites destechniques de dminrali-sation sur rsines.

Il y a d'autre part dans les eaux deslments dit collodaux (lmentsexistant selon un tat semi-dissous)qui chappent totalement aux rsi-nes et qui peuvent en plus de lesempoisonner, provoquer des per-turbations dans les gnrateurs devapeur en occasionnant des prima-ges, ou en librant par hydrolysedes acides organiques qui forme-ront des mousses en ragissantavec des composs organiques.

Les micropolluants qui eux aussisont prsents dans beaucoupd'eaux de distribution chappent l'action des rsines et en se d-composant en chaudire sous leffetde la vapeur ils passeront pour par-tie avec celle-ci en la polluant.

Les changeurs d'ions reprsententun sige du dveloppement de bac-tries. Les matires organiques sefixent sur les rsines changeusesd'ions servant ainsi d'lments nutri-

tifs aux bactries qui existent danstoutes les eaux de distribution. Ils'agit normalement de bactries nonpathognes (non dangereuses pourl'homme) qui vont prolifrer et pas-ser de quelques centaines plu-sieurs millions (suivant la frquencede rgnration des rsines). Lesconduits, les vannes, les clapets,les rsines vont progressivementtre enrobs par ces dveloppe-ments. Pour les changeurs d'ionsce phnomne se traduira par desrductions importantes de pouvoird'change et des rductions decycle. Si ces derniers ne sont passuivis rgulirement, dans les instal-lations prrgles pour se rgnreraprs un certain volume d'eau pas-s sur les rsines, il y aura des ris-ques certains d'envoi d'eau nontraite vers les appareils devantutiliser de leau dminralise.

Un procd de traitement par adou-cissement peut tre mis labri deces inconvnients en prchloranttrs lgrement leau traiter. C'estrarement le cas pour la productiond'eau dminralise qui sera alorstrs pollue par des bactries m-mes banales et ceci peut tre catas-trophique pour la production devapeur car les produits de leur d-composition en chaudire, quand lapollution bactriologique est deve-nue importante, provoquent souventdes primages trs gnants et des

librations dlments de minrali-sation dans les eaux de chaudireet une contamination de la vapeuravec le passage de composs vola-tils provenant du mtabolisme desbactries.

Enfin, il faut savoir que les rsinesanioniques utilises sous forme trsalcaline en dminralisation de leaulibrent en permanence et quel quesoit leur anciennet, des amines etdes phthalates toxiques. Ces pro-duits passeront eux aussi avecla vapeur qui perdra toute qualitpour demeurer une vapeur blan-che ou une vapeur alimentaire, ouencore une vapeur strile.

Procd dpuration deleau par osmose in-verse.L'osmose inverse est un procd detraitement des eaux mettant enoeuvre des membranes semi-permables c'est dire trs per-mables leau pure et pratique-ment impermables aux lmentsde minralisation.L'eau purer est admise souspression au contact immdiat desmembranes, leau pure diffuse danslpaisseur de la membrane semi-permable, et les impurets minra-les, organiques, bactriennes, etc.sont vacues lextrieur sous

Fig. 1 PRETRAITEMENT DE LEAU POUR LA PRODUCTION DE VAPEUR

eau brute

eau brute

eau brute

adoucissement

dminralisation

osmose inverse

chaudire

vapeur

concentrat purge

acide / base

Na+

Na+

Ca2+

Mg2+

Ba2+

Sr2+

Ca2+

Mg2+

Ba2+

Sr2+

cationsanions

adoucissement

purge

vapeur

vapeur

chaudire

chaudire

purge

Fig. 2 OSMOSE INVERSE, UNE FILTRATION CROSS-FLOW

permat

membrane

eau brute concentrat

Osmose inverse pour la production de vapeur page 3 de 6

forme d'un rejet qui reprsente enmoyenne le du volume d'eaupure produit (Fig.2).De plus ces membranes en mat-riau plastique trs rsistant, ne lib-rant aucun compos chimique r-sultant de leur structure (pour lesmembranes ayant reu un agr-ment d'organismes tels que le Mi-nistre Franais de la Sant, et delAssociation Amricaine pourlAlimentation et la Pharmacie: U.S.Food and Drug Association) ne sontdotes d'aucune porosit. Ellesseront de ce fait, sauf accident oumauvaise conception de montagede ces membranes, une barrirequasiment infranchissable par lesmicroparticules, les substancescollodales, les bactries, les virus,les composs organiques de massemolaire gale ou suprieure 250daltons, etc.Ces structures semi-permablessont dotes d'une qualit suppl-mentaire appele pouvoir de cou-pure qui leur confre la propritd'liminer plus de 99% de la pluspart des substances toxiques appe-les aussi micropolluants qui sontdues la prsence de compossorganiques comme les pesticides,les herbicides, les fongicides, lesbiocides, les dtergents durs, lescomposs phnols, etc.Nous voyons de suite que ce pro-cd ralise en une seule oprationde multiples purations la foismicrophysique, chimique, organiqueet bactriologique.

Importance capitale de laconnaissance de leau pourles socits mettant enoeuvre les techniques d'os-mose inverse.

Pour travailler efficacement, detelles membranes doivent tre ali-mentes avec une eau dite prtrai-te c'est dire adapte par desmoyens simples ce mode d'pura-tion. Leur fiabilit dpend de ceprtraitement, lequel bien que sim-ple n'est valable que si il est conupar des spcialistes du traitementde leau. Le systme le plus classi-que et le plus simple de mise enoeuvre de losmose inverse consistedans son association un adoucis-sement pour le prtraitement (afinde prvenir le risque de formationde dpts carbonats sur les mem-

branes accompagn d'une filtrationde scurit dfinie en fonction descaractristiques physiques de leau traiter.

Les membranes modernespermettent avec un seulappareil d'osmose d'limi-ner 98 99% de la minrali-sation de leau purer.

Pour des utilisations en Gnie M-dical, dans lindustrie Pharmaceuti-que, pour certaines applicationsdans lindustrie Agro-alimentaire etdans les activits concernantlindustrie Electronique, leau djpure par un appareil d'osmosepeut tre retraite par un secondappareil pour obtenir une eau trspure ne contenant plus que desmicro-traces de minralisation.Avec ce mode d'exploitation, le seulractif mis en oeuvre est du sel(chlorure de sodium) non toxique,non dangereux tant pour la manipu-lation que pour le stockage.

Osmose inverse et laproduction de vapeur.Compte tenu des oprations multi-ples d'puration que ralise ce pro-cd en une seule opration, pr-sente des avantages inestimablespour les exploitants de chaufferieset les installations de production devapeur.

Possibilit de travailleravec de forts taux de con-centration en chaudire ac-compagne dimportantesconomies.

Suivant le type de gnrateur devapeur, la minralisation de leau dechaudire est limite des teneursbien prcises. Dans le Tab. 1 quel-ques valeurs typiques sont prsen-ts.

Les facteurs de concentration sontcalculs sur la base d'une eau deminralisation trs courante delordre de 0,5 g/l.

Notion de purge de d-concentration.

La purge de dconcentration (rejet lgout d'eau, de calories, de pro-duits de conditionnement) est fonc-tion de la vapeur perdue produitepar la chaudire et du taux de con-centration C .

La formule pour calculer les purges(t /h) est :

P = Vp / (C-1) (1)

Vp vapeur perdue en tonne/heureC facteur de concentration

Exemple chiffr

Choisissons un gnrateur de va-peur travaillant 12 - 15 bar avecpour eau d'alimentation une eauadoucie contenant 0,5 g/l de min-ralisation moyenne, sans teneurexcessive en chlorures, bicarbona-tes, sulfates, et silice. La tempra-ture de leau de chaudire est 12bar de 188C. La production devapeur perdue est de 8 t/h. Le fac-teur de concentration moyen est de4 (2g / 0.5g).

En utilisant la formule (1) ci dessus,la perte en eau de purge par heuresera:

8 / (4 - 1) = 2,667 m3/h.

Si leau a t traite par un appareild'osmose inverse liminant au mi-nimum 98% de la minralisationglobale, sa teneur rsiduelle en selsdissous, y inclus la silice, sera de 10mg/l soit 50 fois moins.

Le facteur thorique de concentra-tion sera de 2g / 0.01g = 200. Sur leplan pratique, pour maintenir desteneurs acceptables en TAC et enTA, il se limitera 25 - 30.

Mme en prenant le facteur deconcentration de 25 la perte en eaude purge ne sera plus que de :

8 / (25 - 1) = 0.333 m3/h

soit 8 fois moins, ce qui correspond une conomie en eau de chau-dire 188C considrable.

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Pour comparer les cots des deuxprocds il faut garder lesprit lespoints suivants:

par rapport un adoucissementle prtraitement pour losmoseinverse est un peu plus cher.

avec un rendement hydrauliquede 75% losmose inverse creun rejet qui est 1/3 de la quantitde leau produite ce qui aug-mente lgrement la consomma-tion de leau brute.

ce surplus deau consommedoit aussi tre prtrait

losmose inverse utilise despompes haute pression quicrent des cots supplmentai-res

ladoucissement comme prtrai-tement ncessite des purgesplus importantes ce qui corres-pond une grande perte ennergie de chaleur.

A raison de 8 heures de travail parjour et 5 jours par semaines, sur unan avec 46 semaines d'activit,lconomie en eau sera de :

(2.667 - 0.333) 8 5 46 = 4'294m3/an.

Au seul plan du cot de leau pris Fr. 3.50 le m3, lconomie sera deprs de Fr. 15029.- .

L'eau de purge 12 bar contient795 kJ/kg ou 795490 kJ/m3 depurge.

Le fuel oil domestique libre 41868kJ/kg. 4292 m3 de purge conomi-ss reprsentent donc

795000 4292 = 3415834060 kJ

Cela reprsente une conomie de

3415834060 / 41868 = 81586 kgou

81,6 tonnes de fuel.

A environ Fr. 0.40 le kg (il s'agitdune approximation) pour des pro-duits usage industriel, ceci repr-sente une conomie calorifique de

0.4 81586 = Fr. 32634.-.

L'conomie totale thorique serasans compter lconomie en pro-duits de conditionnement de

15029.- + 32634.- =Fr. 47663.-

Lconomie relle sera lconomietotale thorique calcule ci-dessus,diminue du montant des dpensessupplmentaires en eau et en ner-gie occasionnes par le traitementde leau sur membranes dosmose.

Les besoins annuels en eau traitepar osmose pour alimenter la chau-dire produisant 8 t/h de vapeurperdue, 8 heures par jour, 5 jourspar semaine, et 46 semaines par anseront :

(8 m3 vapeur + 0.33 m3 purge ) 8 5 46 =

15333 m3 /an.

Losmoseur ayant un rendement de75% il y a un quart du volume deauosmose produit qui est perdu sousforme de rejet. Ce volume de rejetsera de 5111 m3 /an.

La consommation annuelle en eauprtraite sera de

15333 m3 + 5111 m3 =20444 m3 .

Il y aura ici trois dpenses suppl-mentaires

1. Par rapport leau simplementadoucie, leau prtraite pourlosmose cote Fr. 0.25 de pluspar m3 . Comme il en sera con-somm 20444 m3 le surcot estde

20444 m3 0.25 Fr./m3 =Fr. 5111.-

A cause du rendement delosmoseur qui est de 75% il y a5111 m3 /an deau prtraite quiseront perdus sous forme de re-jet. Cette eau prtraite cotantFr. 3.50 le m3 , le supplment dedpense d leau perdue serade

5111 m3 Fr. 3.50 =Fr. 17888.-

2. Le surplus de consommationdeau totale est de 818 m3. Lescots additionnels slvent

818 m3 0.50 Fr./m3 =Fr. 409.-

Pour un osmoseur travaillant 15 -20 bar il faut en moyenne pour desdbits de 6 - 8 m3 /h environ 1.35kWh dnergie par m3 deau osmo-se.

Remarque :

Nous ralisons souvent, grce detoutes nouvelles membranes, desappareils dosmose dont la con-sommation dnergie est proche dukWh/m3 deau osmose produit,mais nous avons prfre prendreune valeur correspondant

Valeurs limites de leau de chaudire (0.5 g/l)

pression defonctionnement

bar

minralisationmax.

g/l

taux deconcentration

5 - 6 3 - 4 6 - 8

7 - 12 2.2 4 - 4.4

15 - 20 2 4

25 - 45 1 2

> 45 0.2- 0.5

Tab.1

Osmose inverse pour la production de vapeur page 5 de 6

lnergie consomme par unegrande majorit dinstallations.

La consommation annuellednergie lectrique est de

20444 m3 1.35 kWh/m3 =27599 kWh

En prenant le kW au prix moyen deFr. 0.15 , la dpense annuelle sera :

27599 kWh 0.15 Fr./kWh= Fr. 4140.-

Tous ces calculs nous amnent lvaluation des conomies effecti-ves lies au traitement de leau parosmose inverse :

Economies total delosmose inverse:

Fr. 47663.-

Dpenses additionnellesde losmose inverse:

Fr. 27548.-

Economieseffectifs: Fr. 20115.-

Remarque :

Quand la chaudire est alimenteen eau uniquement adoucie, laconsommation deau sous forme depurge est d peu prs 4300 m3supplmentaires par an, vis--vis deleau osmose. Ces m3 supplmen-taires deau adoucie entranent laconsommation dun certain nombrede m3 deau de rgnration euxaussi supplmentaires du fait queles adoucisseurs fourniront plusdeau adoucie.

Suivant la duret de leau, ces m3supplmentaires utilises pour unplus grand nombre de rgnrationspeuvent facilement reprsenter 150 200 m3 /an quen principe il fau-drait dduire de la consommationeau de rejet de losmose pour avoirun calcul plus exact. Ici nous ne lesprendrons pas en compte.

Ces conomies devront tre rdui-tes du montant annuel

des consommables incluant l'usure des membranes, desmoteurs de pompe, des corps de

pompe eux-mmes, et des fraisannexes relatifs la filtration avantosmose et dpendants des caract-ristiques physique de leau traiter(le cot du sel pour les adoucis-seurs est inclus dans le prix de leauadoucie).

L'conomie de fonctionnement seradonc de lordre de Fr. 20000.- laquelle il faudra ter le montant desamortissements du matriel (horsconsommables). Ces dductionssupplmentaires dpendent dusystme d'amortissement utilis parlentreprise.

Conclusion

Losmose inverse est une mthodesimple, peu polluante et plus co-nomique par rapport aux traite-ments conventionnels aveclutilisation de rsines et des quanti-ts considrables dacide et debase.Pour le choix des installations nou-velles les caractristiques de fonc-tionnement et de lexploitation parrapport lenvironnement devien-nent de plus en plus dterminantes.

A la diffrence du traitement surrsines changeuses d'ions en d-minralisation qui laisse passerintgralement les polluants organi-ques, les bactries, les collodes,les dtergents, les phnols nonioniss, et qui en plus libre dansleau des amines toxiques et desphthalates, le procd d'purationde leau par osmose inverse assureen plus de sa dminralisation unepuration organique, micro-particulaire, bactriologique, virale,etc.

Mis part le systme d'adoucisse-ment et le procd de dcarbonata-tion (qui n'assure qu'une dminra-lisation partielle) losmose est leseul procd de dminralisationqui permet en aval de produire unevapeur strile telle que lentendentles pharmaciens, les responsablesde production de produits alimentai-res, les ingnieurs spcialiss dansla rgulation hygromtrique strilepour les salles d'opration et deranimation.Les produits organiques volatils demasse molaire 250 et plus ont tlimins par l'osmose ainsi que lesbactries, les virus.

Mme si il y a des entranementsvsiculaires (faible primage) d'eaude chaudire avec la vapeur pro-duite, il n'y a dans leau aucunebactrie thermorsistante, ni germesporul ni substance collodale nidtergent lourd (non. biodgrada-ble) comme cela peut exister sileau avant d'tre admise en chau-dire est simplement dminralisesur rsines.

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Les membranes semi-permablesd'osmose inverse liminent les mi-cro-particules solides qui peuventcrer en surface du plan d'eau enchaudire des zones de surchauffetrs localises occasionnant unetrs forte bullition cause du pri-mage.

De mme, si il demeure dans leaudes traces de dtergents, des ma-tires organiques, des bactries,

des composs organo-mtalliquesnon ioniss et chappant la dmi-nralisation sur rsines, tout oupartie de ces lments indsirablesprovoquera des mousses et duprimage qui peuvent tre responsa-bles du dpart de la quasi totalit deleau en chaudire avec la vapeur,et occasionner dans le gnrateurun coup de feu qui peutlendommager fortement.

Les membranes d'osmose inverse

assurent l'limination des lmentsprcits et protgent d'une part legnrateur contre les risques d'en-tranements vsiculaires (primage)et d'autre part empchent que lavapeur soit pollue.

Toutes ces avantages font delosmose inverse la mthode dechoix pour le traitement de leaupour la production de vapeur.

FIG. 3 COMPARAISON DES PRETRAITEMENTS

fuel fuel

372913 kg

Consommation en eau19627 m3 /Jahr

le tout chauff 188 C

291327 kg

Consommation en eau20444 m3 /Jahr

seulement 15333 m3 chauffs 188 C

100%vapeur

purge 81586 kg = 486 fts

Adoucissement Adoucissement + osmose

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