Dessalement d’eau de mer

Dessalement d’eau de mer

Introduction Générale

L’eau est source de vie pour la flore et la faune, elle est une substance essentielle pour la survie de l’humanité et de son développement.
Si l’eau douce disponible au niveau des lacs, fleuves, rivières et eaux souterraines ne représente que 2,5 % du volume total d’eau sur la planète, les mers et les océans couvrent par contre 74% de la terre et représentent 97% du volume d’eau.
La répartition de l’eau douce et salée sur la planète d’établit comme suit :
 Eau douce 35 millions de Km3 soit 2,5 %
 Eau souterraine 8 millions de Km3 soit 0, 56 %
 Lacs et réservoirs 105.000 Km3 soit 0,3%
 Eau salée 1.365.000.000 Km3 soit 97%
Dix pays de l’hémisphère Nord se partagent 60% des réserves d’eau douce, tandis que trente pays d’Afrique et du moyen orient sont confrontés à des pénuries d’eau. Cela signifie que 700 millions de personnes souffrent d’un manque d’eau, que la mortalité infantile est très importante dans ces pays selon l’OMS dû aux maladies d’origine hydrique et aux agents microbiologiques responsables de choléra , de fièvre typhoïde, de dysenterie et de gastro entérite. Le PNUE (programme des nations unies pour l’environnement) estime que 2,5 milliards de personnes souffriront du manque d’eau à cause de l’explosion démographique en 2050.
Les nouvelles techniques de production d’eau potable viendront sans doute au secours des populations constamment en déplacement, permettront un développement économique durable, apaiseront les tensions entre pays voisins et conduiront peut être vers une rationalisation dans la gestion de l’eau. Il s’agit du dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres facilement accessible pour les pays ayant une façade sur la mer.
Pour les pays d’Afrique subsaharienne à faible pluviométrie, les techniques de production d’eau potable consistent dans les traitements des eaux de surface et des eaux souterraines ( lacs , fleuves etc. …). La technique du dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres devient ainsi la solution indispensable pour sécuriser l’alimentation en eau potable dans les régions de pénuries en eau douce à forte concentration humaine essentiellement (70% de la population mondiale occupent les régions près des côtes maritimes).
La première usine de dessalement d’eau saumâtre par osmose a vu le jour à la fin des années 1960.Le procédé de purification par osmose inverse est actuellement le procédé le plus utilisé à travers le monde par la plupart des unités de dessalement de l’eau de mer. Cette technique est la solution salutaire face à cette problématique.
Le marché pour les équipements des stations de dessalement de l’eau de mer et des eaux saumâtres est en pleine expansion de l’ordre de 9% par an. La banque Goldman Sachs estime que le marché compte plus de 15.000 usines dont la moitié est localisée au moyen orient, évalué à plus de 5Milliards de Dollars. Le marché est donc porteur eu égard à la situation de stress hydrique des deux tiers de la population mondiale et au déplacement des populations des zones rurales des pays en développement. Deux types de procédés sont utilisés pour dessaler l’eau de mer :
 1/ Les procédés thermiques de distillation qui se sont fortement développés à partir des années 1940
 2/ Les procédés membranaires qui ont vu le jour à la fin des années 1960 .A l’heure actuelle, 53% des capacités mondiales d’eau produites par dessalement selon le procédé membranaire est l’osmose inverse qui a largement dépassé celui de la distillation depuis 2001.
Le but de notre mémoire consiste à faire les calculs des pertes de charges linéaires et singulières et pré-dimensionnement du réseau de conduites de la1er station de pompage.

Introduction Générale

SEDM jusqu’à la 3 stations de pompage, et déterminer les points de fonctionnements pour chaque station Afin de bien présenter le travail on divisera cette mémoire en trois chapitres.

Dessalement d’eau de mer

Ce chapitre nous permettra de prendre connaissance des généralités du processus de l’osmose inverse qui est l’une des techniques de dessalement d’eau de mer la plus utilisée en Algérie.

Rappel des notions de la mécanique des fluides

Ce chapitre consiste a connaitre les trois grandes parties : On commence par les bases de la mécanique des fluides ensuite les différents types des pompes et On finalisera par réseaux hydrauliques de conduites avec accessoires et appareillages d’instruments de régulation.

Calcul les pertes des charges linéaires et singulières sur le réseau station de pompage vers ADE

Ce chapitre porte sur les bases de la théorie de la mécanique des fluides permettant de calculer les différentes pertes de charge du réseau hydraulique et On déterminera les points de fonctionnements pour chaque station pompe utilisée

DESSALEMENT D’EAU DE MER

Dessalement d’eau de mer

Introduction

Pour faire face à cette pénurie annoncée d’eau, de nouvelles techniques de production d’eau potable devront être mises en place pour satisfaire les besoins de la population croissante. Une des techniques prometteuses pour certains pays est le dessalement de l’eau de mer ou des eaux saumâtres. Les techniques de dessalement de l’eau de mer sont opérationnelles depuis de nombreuses années. Mais leur coût (de 1 à 2 euros / m3 ) limite souvent leur utilisation aux pays riches. Cependant dans les dernières années, la capacité des usines de dessalement s’est fortement accrue et les coûts de production par m3 ont connu une forte diminution.

Caractéristiques des eaux marines et saumâtres

Les eaux marines

La caractéristique la plus importante des eaux de mer est leur salinité, c’est-à-dire leur teneur globale en sels (chlorures de sodium et de magnésium, sulfates, carbonates). La salinité moyenne des eaux des mers et océans est de 35 g/l (27,2 g/l de NaCl, 3,8 g/l de MgCl2, 1,7 g/l MgSO4, 1,26 g/l CaSO4, 0,86 g/l K2 SO4).
Cette salinité peut être différente dans le cas de mers fermées :
 mer Méditerranée : 36 à 39 g/l
 mer Rouge : environ 40 g/l
 mer Caspienne : 13 g/l
 mer Morte : 270 g/l
 Golfe Arabo-Persique : 36 à 39 g/l
Le PH moyen des eaux de mer varie entre 7,5 et 8,4 : l’eau de mer est un milieu légèrement basique.

Les eaux saumâtres

On appelle eau saumâtre une eau salée non potable de salinité inférieure à celle de l’eau de mer. La plupart des eaux saumâtres contiennent entre 1 et 10 g de sels par litre. Ce sont parfois des eaux de surface mais le plus souvent des eaux souterraines qui se sont chargées en sels en dissolvant certains sels présents dans les sols qu’elles ont traversés. Leur composition dépend donc de la nature des sols traversés et de la vitesse de circulation dans ces sols. Les principaux sels dissous sont le CaCO3, le CaSO4, le MgCO3 et le NaCl.

Les principales technologies de dessalement des eaux

Les technologies actuelles de dessalement des eaux sont classées en deux catégories, selon le principe appliqué :
 Les procédés thermiques faisant intervenir un changement de phases : la congélation et la distillation.
 Les procédés utilisant des membranes: l’osmose inverse et l’électrodialyse.
Parmi les procédés précités, la distillation et l’osmose inverse sont des technologies dont les performances ont été prouvées pour le dessalement d’eau de mer. En effet, ces deux procédés sont les plus commercialisés dans le marché mondial du dessalement. Les autres techniques n’ont pas connu un essor important dans le domaine à cause de problèmes liés généralement à la consommation d’énergie et/ou à l’importance des investissements qu’ils requièrent.
Quel que soit le procédé de séparation du sel et de l’eau envisagé, toutes les installations de dessalement comportent 4 étapes :

Dessalement d’eau de mer

 une prise d’eau de mer avec une pompe et une filtration grossière,
 un prétraitement avec une filtration plus fine, l’addition de composés biocides et de produits anti-tarte,
 le procédé de dessalement lui-même,
 le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l’eau produite.
A l’issue de ces 4 étapes, l’eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement, elle doit alors contenir moins de 0,5 g de sels par litre.

L’osmose inverse

L’osmose inverse est un procédé de séparation de l’eau et des sels dissous au moyen de membranes semi-perméables sous l’action de la pression (54 à 80 bars pour le traitement de l’eau de mer). Ce procédé fonctionne à température ambiante et n’implique pas de changement de phase. Les membranes polymères utilisées laissent passer les molécules d’eau et ne laissent pas passer les particules, les sels dissous, les molécules organiques de 10-7 mm de taille.
L’énergie requise par l’osmose inverse est uniquement celle électrique consommée principalement par les pompes haute pression.
La teneur en sels de l’eau osmosée est de l’ordre de 0,5 g/l

Principe de l’osmose inverse

On appelle osmose le transfert de solvant (eau dans la plupart des cas) à travers une membrane semi-perméable sous l’action d’un gradient de concentration.

Dessalement d’eau de mer

Soit un système à deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable et contenant deux solutions de concentrations différentes (figure 1). Le phénomène d’osmose va se traduire par un écoulement d’eau dirigé de la solution diluée vers la solution concentrée. Si l’on essaie d’empêcher ce flux d’eau en appliquant une pression sur la solution concentrée, la quantité d’eau transférée par osmose va diminuer. Il arrivera un moment où la pression appliquée sera telle que le flux d’eau s’annulera. Si, pour simplifier, nous supposons que la solution diluée est de l’eau pure, cette pression d’équilibre est appelée pression osmotique
Une augmentation de la pression au delà de la pression osmotique va se traduire par un flux d’eau dirigé en sens inverse du flux osmotique (voir figure I.2), c’est-à-dire de la solution concentrée vers la solution diluée : c’est le phénomène d’osmose inverse.

Éléments constitutifs d’une unité d’osmose inverse

Les éléments constitutifs d’une unité d’osmose inverse sont schématisés sur la figure 2.Le dessalement par osmose inverse nécessite d’abord un pré-traitement très poussé de l’eau de mer pour éviter le dépôt de matières en suspension sur les membranes qui conduirait très rapidement à une diminution des débits produits.
Il est nécessaire de retenir toutes les particules de dimension supérieure de 10 à 50 µm selon le type de module d’osmose inverse. Ceci est réalisé à l’aide d’une préfiltration grossière puis d’une filtration sur sable pour éliminer les matières en suspension les plus grosses. Puis un traitement biocide et une acidification sont nécessaires pour éviter le développement de microorganismes sur la membrane et éviter la précipitation de carbonates. Enfin une filtration sur cartouches permet de retenir les particules de taille de l’ordre de quelques dizaines de µm qui n’ont pas été retenues par le filtre à sable.
La pompe haute pression permet ensuite d’injecter l’eau de mer dans le module d’osmose inverse dans lequel se trouvent les membranes.
De plus, un deuxième phénomène intervient lors de l’osmose inverse, il s’agit de la polarisation de concentration de la membrane. En effet, au cours du temps, la concentration de la solution salée augmente puisque la majorité des molécules sont retenues d’un seul côté de la membrane. De ce fait, la pression osmotique augmente également près de la couche limite, avec des risques de précipitation des composés à faible produit de solubilité. Pour un même rendement, la pression à appliquer est donc plus élevée. Pour éviter ce phénomène on balaye la membrane du côté de la solution salée par un flux d’eau continu. Toute l’eau n’est pas filtrée, une partie sert à nettoyer la membrane. Ce procédé est donc semblable à une filtration tangentielle. L’eau non filtrée est appelée rétentat tandis que l’eau qui a traversé la membrane est appelée perméat.
Afin de limiter la consommation d’énergie du procédé, on peut placer sur le circuit du rétentat une turbine qui permet de récupérer une partie de l’énergie contenue dans ce fluide sous haute pression

Les procédés de distillation

Dans les procédés de distillation, il s’agit de chauffer l’eau de mer pour en vaporiser une partie. La vapeur ainsi produite ne contient pas de sels, il suffit alors de condenser cette vapeur pour obtenir de l’eau douce liquide. Il s’agit en fait d’accélérer le cycle naturel de l’eau.
En effet l’eau s’évapore naturellement des océans, la vapeur s’accumule dans les nuages puis l’eau douce retombe sur terre par les précipitations. Ce principe de dessalement très simple a été utilisé dès l’Antiquité pour produire de très faibles quantités d’eau douce sur les bateaux.
L’inconvénient majeur des procédés de distillation est leur consommation énergétique importante liée à la chaleur latente de vaporisation de l’eau. En effet pour transformer un kg d’eau liquide en 1 kg d’eau vapeur à la même température il faut environ 2250 kilojoules (si le changement d’état se fait à 100°C). Afin de réduire la consommation d’énergie des procédés industriels, des procédés multiples effets qui permettent de réutiliser l’énergie libérée lors de la condensation ont été mis au point.
Deux procédés se partagent le marché du dessalement thermique : le procédé de distillation à détentes étagées (Multi-Stage Flash distillation MSF) et le procédé de distillation à multiples effets (Multi-Effet distillation MED).

Inconvénients du dessalement

Néanmoins le dessalement de l’eau présente quelques inconvénient comme :
 Coût énergétique encore élevé
 Rejet des saumures concentrées au double de la salinité naturelle en mer ou injectées dans le sol
 Rejet d’eaux chaudes en mer dans le cas de la distillation
 Emploi de produits chimiques pour nettoyer les membranes (chlore)
 Traces de cuivre échappés des installations
 Aucune législation spécifique concernant la potabilité de l’eau issue de ces traitements.

Dessalement d’eau de mer en Algérie

Introduction

Les ressources hydriques de l’Algérie restent limitées ; tout d’abord, pour des raisons climatiques : une pluviométrie irrégulière qui oscille entre 100 et 600 mm/an seulement.
L’accroissement rapide des besoins en eau potable ainsi qu’en eau pour l’irrigation et l’industrie a été fort et reste continu. Une période de sécheresse assez longue a, par ailleurs, amené à une surexploitation des réserves hydriques jusqu’à épuisement d’une grande partie de celles-ci.
C’est pourquoi une nouvelle politique de l’eau est vite apparue indispensable. Elle a été mise en place à partir d’une loi nouvelle, et s’articule autour de principes nouveaux de gestion.
L’option fondamentale est celle d’une gestion intégrée, participative, économique et écologique. L’édifice institutionnel sur lequel a reposé l’action de tous les intervenants dans le secteur de l’eau s’est trouvé ainsi renforcé.
Le recours au dessalement de l’eau de mer a pu, dans le cadre de la rénovation des choix et des modes de gestion, être promû comme une alternative stratégique permettant de sécuriser l’alimentation en eau potable de certaines villes du littoral et d’agglomérations proche.
Le gouvernement Algérien n’a pas tardé de faire du dossier de l’eau un dossier de sécurité national stratégique qui doit être pris en charge le plutôt possible. Pour cela il a été décidé de promouvoir une politique de dessalement d’eau de mer et de faire de l’Algerienne Energy Company (AEC) son fer de lance pour le développement des projets de dessalement en Algérie.

Présentation de Algerian energy company société par action (A E C):

Algerian Energy Company SpA (AEC) est une Entreprise Publique Économique, créée le 23 mai 2001 sous forme de société par actions de droit algérien, par SONATRACH et SONELGAZ., cette compagnie a principalement le rôle de développeur des projets en partenariat avec des sociétés étrangères dans le domaine de la production d’énergie électrique et dessalement d’eau de mer.

Table des matières

Remerciements
Dédicaces
Liste des figures
Nomenclature
Introduction Générale 
Chapitre 1 : Dessalement d’eau de mer
A – Dessalement d’eau de mer
Introduction
I. Caractéristiques des eaux marines et saumâtres
I.1. Les eaux marines
I.2. Les eaux saumâtres
II Les principales technologies de dessalement des eaux
II.1. L’osmose inverse
II.1.1 Principe de l’osmose inverse
II.1.2 Éléments constitutifs d’une unité d’osmose inverse
II .2 Les procédés de distillation
III . Inconvénients du dessalement
B – Dessalement d’eau de mer en Algérie
Introduction
I Présentation de Algerian energy company société par action (A E C)
9 II – Station de dessalement de Souk-Tleta
III – Présentation de la Station de dessalement de Souk-Tleta
IV – Description et fonctionnement normal des installations du processus
Chapitre 2 : Rappel sur les notions de la mécanique des fluides
Section A Rappel sur les notions de la mécanique des fluides
I -Dynamique des fluides
I-1 La Pression
I-2 Débit
I-3 Relation entre débit massique et débit volumique
I-4 Dynamique des fluides incompressibles
I.4.1 Ecoulement permanent
I.4.2 Equations de conservation de la masse (équation de continuité)
I.4.3 Ligne de courant
I.4.4Conservation du débit
I.4.5 Expression du débit en fonction de la vitesse
I.4.6 Vitesse moyenne
I.4.7 Nombre de Reynolds (Re)
I.4.8 -Coefficient de perte de charge linéaire λ
II – Equation de Bernoulli
II.1 Cas des Fluides Parfaits (non visqueux)
II .2 Cas des Fluides réels (visqueux)
III. Perte de charge
III .1- Pertes de Charge linéaires
III .2 -Pertes de Charge Singulières
IV – Viscosité cinématique et dynamique
IV.1 -Viscosité Dynamique
IV. 2 – Viscosité Cinématique
V – Diagramme de Moody
Section B les pompes
Introduction
I -Classification générale des pompes hydraulique
Partie A  » Pompe Volumétrique « 
II.1 Pompe à palettes libres
II.2 Pompe à palettes souples
II.3 -Pompe à rotor hélicoïdal excentré
II.4 -Pompe péristaltique
II.5 Pompe à engrenages
II.6 Pompe à lobes
II-7 Pompe à disque excentré
III- Principaux incidents dans l’exploitation des pompes volumétriques alternatives
III.1 Débit insuffisant ou nul
III.2 La pompe déclenche par surcharge électrique
III.3 Variations excessives de pression au refoulement
III.4 Vibrations importantes
IV- Pompes alternatives
VI.1 Pompe à Piston
VI .2 Pompe à membrane
Partie B : V. Pompe Roto- Dynamique
V.1 Pompe à hélice
V.2Pompe hélico centrifuge
V.3 Pompe centrifuge
V.2 Domaines d’utilisation du pompe centrifuge
V.6 Constitution d’une pompe centrifuge
V.5- Principe de fonctionnement
V.6 Les différents types des pompes centrifuges
V.7 Caractéristiques d’une pompe centrifuge
V.8 Les roues d’une pompe centrifuge
V.9 Choix de la pompe
VI Géométrie de l’écoulement du liquide dans la roue
VI.1 Triangle des vitesses
VI.2 Equation fondamentale des turbopompes
VI.3- Hauteur d’élévation théorique dans le cas d’une roue à nombres d’aubes indéfiniment grands d’une pompe centrifuge
VI.4 La hauteur manométrique totale HmT
VI.5 La puissance utile
VI.6 Rendements
VI.6.1 Rendement globale
VI.6.2 Rendement mécanique
VI.6-3 Rendement volumétrique
VI.6.4 Rendement hydraulique
VI.6.5 Rendement Globale
VI.7 NPSH
VI.7.1 NPSH de la pompe
VI.7.2 NPSH de l’installation
VII- Problèmes d’installation et fonctionnement d’une pompe centrifuge
VII.1 Surcharge
VII.2 Fluide inadapté
VII.3 Fonctionnement à vide
VII.4 Fuite
VII.5 Corps étrangers
VII.6 Pompe immergée
VII.6.1 Pompe en charge
VII.6.2 Pompe en dépression
VII.7 Cavitation
VIII Courbes caractéristique de la pompe centrifuge
VIII.1 Courbe hauteur-débit
VIII.2-Courbe Puissance – débit
VIII.3 Courbe Rendement – débit
VIII.4 Courbe NSPH – Débit
Partie C : Réseau de Conduites
Introduction
I- Définition de la conduit
I.1) Conduites simples
I.2) Conduite Mixte
I.3) Conduite Multiple
II- Types de conduites
II.1-Tuyaux en Fonte ductile
II.2 Tuyau en PEHD
Conclusion
Chapitre 3 : calcul pertes de charge linière et singulier
Introduction
I – Réseaux hydraulique
I-1Vu générale sur le réseau (schéma synoptique )
I.2 Les données
I.2.1 Cas de la station de pompage SDEM
I.2.2 Cas de la station de pompage SP1
I.2.3 Cas de la station de pompage SP2
I.2.4 Cas du 1 er transvasement
I.2.5 Cas 2eme Transvasement
I.3 Caractéristiques des pertes de charge linéaires et singulières
I.4 Caractéristiques des pompes centrifuges
II – Calcul des pertes de charges
II.1. Tronçon AB
II.2 Tronçon BC
II.3. Tronçon CD
II.4. Tronçons DE
II .5. Tronçon E-J
III – Calcul des points de fonctionnements des stations de pompages SDEM, SP1, SP2
III.1 Calcul de point de fonctionnement de la station de pompage SDEM
III.1.1 -Courbe caractéristique des deux réseaux
III.1. 2 -Courbe caractéristique de la pompe parmi les 12 pompes en parallèles SDEM
III.1.3 Point de fonctionnement de la station de pompage SDEM pour 1 pompe
III.1.4 Points de fonctionnements de la station de pompage SDEM pour 3 pompes
III.1.5 Point de fonctionnement de la station de pompage SDEM pour 6 pompes
III.1.6 Points de fonctionnements de la station de pompage SDEM pour 12 pompes
III.2 Calcul de point de fonctionnement de la station de pompage SP1
III.2 .1 Courbe caractéristique des deux réseaux
III.2.2 Courbe caractéristique de la pompe parmi les 3 pompes en parallèles SP1
III.2.3 Points de fonctionnements de la station de pompage SP1
III.3 Calcul de point de fonctionnement de la station de pompage SP2
III.3.1 Courbe caractéristique des deux réseaux
III.3.2 Courbe caractéristique de la pompe parmi les 3 pompes en parallèles SP2
III.3.3 Points de fonctionnements de la station de pompage SP2
Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexe
Résumé

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