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UNIVERSITE DE BLIDA1 Faculté de Technologie Département de Génie des procédés M

UNIVERSITE DE BLIDA1 Faculté de Technologie Département de Génie des procédés Mémoire de Magister En Chimie Industrielle Spécialité : Génie chimique ETUDE PRELIMINAIRE DE MODELISATION ET SIMULATION D’UNE STATION DE DESSALEMENT PAR PROCEDE D’OSMOSE INVERSE Par Asma ADDA Devant le Jury composé de : Pr.D.TOUIL professeur U S D, Blida Président Pr. A.AOUABED professeur U S D, Blida Examinateur Pr .N.MOULAI MOSTEFA professeur U S D, Médéa Examinateur Pr. M.MERZOUK professeur U S D, Blida Examinateur Pr .M.W.NACEUR professeur U S D, Blida Rapporteur Blida, avril 2015 Résumé L'objectif consacré de cette étude est l’introduction d’outil informatique, pour assurer une minimisation de la consommation spécifique d’énergie des stations de dessalement par procédé d'osmose inverse et ainsi optimiser le taux de conversion. A cet effet, on a développé un programme informatique sur l’environnement MATLAB, une optimisation de la consommation spécifique d'énergie pour les systèmes munis d'un échangeur de pression et une turbine, ce qui permettra d'optimiser les paramètres opérationnels. Ce programme, reçoit les paramètres opérationnels des différentes stations de dessalement et les recalculer pour avoir une valeur d’énergie comparable à celle qui est annoncée par les stations. La validation du programme est effectuée pour différentes usines de dessalement en Algérie telle que Fouka, Skikda et Beni Saf. Il apparait que l’énergie spécifique de consommation est légèrement comparable à celle qui est pratiquée sur les usines de dessalement et pour un taux de conversion optimale est de 47% pour les trois stations. Les résultats indiquent des performances de l’échangeur de pression par rapport à une turbine Pelton nettement superieur, permettant une diminution de l’énergie de consommation spécifique respectivement 53% et 43%. Mot clés : dessalement de l’eau de mer, procédé d’osmose inverse, modélisation, simulation, optimisation, la consommation spécifique d’énergie, gradient projeté ال ملخص يخصص الهدف من هذه الدراسة إلدخال أداة اإلعالم اآللي لل تقليل من اال ستهالك ال محدد ل لطاقة من عملية تحلية مياه البحر بواسطة عملية التناضح العكسي وتحسين معدل ال مردود من العملية. و تحقيقا لهذه الغاية ، قمنا بتطوير برنامج معلوماتي MATLAB على ال، كمبيوتر لتحسين من استهالك ال محدد ة الطاقة لل نظم ال مجهزة ب مبادل الضغط و التوربينات ، والتي سوف تمكن من تحسين المعلمات التشغيلية. يتلقى هذا البرنامج المعلمات التشغيلية لمحطات تحلية المياه المختلفة، و إعادة حساب أن يكون لها قيمة الطاقة مماثلة لتلك .التي يتم اإلعالن من قبل المحطات يتم تنفيذ التحقق من صحة البرنامج لمحطات التحلية المختلفة في الجزائر ،كفوكا سكيكدة وبني صاف. ويبدو أن استهالك الطاقة م ال حدد يشبه قليال إلى الم مارس في محطات نحلية المياه و معدل التحويل األمثل هو47 ٪ للمحطات الثالث. وتشير النتائج إلى أداء المبادالت الضغط بالنسبة لتوربينات بيلتون أعلى بكثير ، والسماح بخفض استهالك الطاقة المحددة على التوالي53 ٪ و43 ٪ . كلمات المفتاح: تحلية مياه البحر ٬ عملية التناضح ،العكسي استهالك محدد لل طاقة ، ،النمذجة ،التحسين االنحدار المتوقع. Abstract The usual objective of this study is devoted introducing the computer tool for minimizing the specific consumption of energy of desalination by reverse osmosis process and optimizes the recovery. For this purpose, we have developed a computer program on MATLAB, optimization of the specific consumption of energy for a system equipped with a pressure exchanger and a turbine, which will enable to optimize the operating parameters This program receives the operational parameters of the various desalination plants and recalculates to have an energy value similar to that which is advertised by the stations. The program validation is carried out for different desalination plants in Algeria as Fouka, Skikda and Beni Saf. It appears that the specific energy consumption is slightly below that which is practiced on the desalination plants and for optimal recovery rate is 47 % for the three stations. The results indicate the performance of the pressure exchanger with respect to a significantly higher Pelton turbine, allowing a reduction in the specific energy consumption of 53% and 43 %. Keyword: desalination of seawater, reverse osmosis process, specific consumption of energy, modeling, optimization, projected gradient. Remerciement Je remercie Dieu, tout puissant pour nous avoir donné la santé et nous avoir guidés vers la connaissance Je remercie mon promoteur Pr Naceur Mohamed Wahib pour les précieux conseils qu’il m’a prodigué tout au long de mon travail. Je remercie aussi tous les membres de Jurys qui m’honorent de leurs présences et d’avoir accepté d’examiner et juger ce travail. Je remercie énormément Mr Chelali, Professeur à la faculté de mathématique pour son aide précieuse lors de la réalisation de ce travail. Je remercie également : Mr Chibane Houcine chef de projet à l’AEC Mr Diab Azzedine ingénieur d’état au sein de la Direction Générale Algérienne des Eaux Mr Saad Ghrini chef de projet à la station de dessalement du Skikda. Madame Si Smail Leila chef de projet au sein du Ministère des Ressources en Eau Grace à eux, j’ai reçu des informations sur les différentes stations de dessalement choisies pour notre travail Dédicace Je dédie ce modeste travail à La mémoire de mon cher père Ma chère mère qui ma beaucoup aidée et encourager Mes frères et mes sœurs Mes amis Hayet, Asma et Karima Mes collègues du travail Tous ceux qui mon aidées de loin et de prés dans cette thèse TABLE DES MATIERES RESUME REMERCIMENTS TALBLEAU DES MATIERES…………………………………………………..……………i LISTE DES FIGURES………………………………………………………………………vi LISTE DES TABLEAUX…………………………………………………………………….ix INTRODUCTION GENERALE………………………………………………………..…....1 CHAPITREI : PARTIE THEORIQUE I.1.Introduction…………………………………………………………………….………...4 I.2. Historique ……………………………………………………………………………..…4 I.3. Les technologies de dessalement …………………………………………………...5 I.3.2. Les procédés membranaires ……………………………….……..……….……..5 I.3.2.1.Macrofiltration (MF)…………………………………………….…..……..….6 I.3.2.2.Ultrafiltration (UF)………………………………………………..……………6 I.3.2.3.Nanofiltration (NF)…………………………………………………………….6 I.3.2.4.Osmose inverse (OI)…………………………………………................……7 I.4. Mise en œuvre du procédé d’osmose inverse………………………..……………...8 I.4.1 Les caractéristiques principales d’une unité d’osmose inverse……………...9 I.4.1.1 Mécanisme de transfert………………………………………….…….…9 I.4.1.2 Le taux de conversion …………………………………………….….….9 I.4.1.3 Le taux de rétention (sélectivité)………………………………….….…9 I.4.1.4 Densité de flux de permeat………………………………………….…10 I.4.1.5 La pression transmembranaire ……………………...........….10 I.4.1.6 Le flux d’eau à travers la membrane…………………….……10 I.4.1.7 Le flux de sel à travers la membrane…………………….…….11 I.5. Configuration des modules d’osmose inverse………………………………………11 I.5.1. Module à membrane tubulaire……………………………………………..….12 I.5.2. Module à membrane plane ……………………………………………..….....12 I.5.3. Module à membrane fibre creuse……………………………..…………...….12 I.5.4. Module à membrane spiralé……………………………………................….13 I.6 Conception du procédé d’osmose inverse………………………….................……13 I.6.1 Différents types de systèmes d’osmose inverse………………................…..13 I.6.1.1 Système mono-étage…………………………………………………….13 I.6.1.2.Système multi-étages en série………………………………………….14 I.6.1.2.1.Le montage multi-étage en série rejet ………………..….....14 I.6.1.2.2.Le montage multi-étage en série production …………..….14 I.7. Les facteurs influençant l’efficacité de l’osmose inverse…………….…………....16 I.7.1. Phénomène de polarisation de concentration…………………………....… 16 I.7.1.1. Modélisation de la polarisation …………………………………...….17 I.7.1.2. Le coefficient de transfert de masse …………………………..……17 I.7.2.Colmatage ou fouling………………………………………….……….…….…18 1.7.2.1. Mécanismes de colmatage……………………….…........................18 a. Adsorption sur le matériau membranaire………………………..18 b. la polarisation de concentration ………………………………….18 c. Couche de gel et colmatage ……………………………………..19 I.7.2.2 La résistance de colmatage………………………………19 I.7.2.3.pouvoir de colmatage…………………………………….…19 I.7.3 Entartrage (scaling)…… ……………….…………………….…..20 I.7.4.biofouling (colmatage par la matiere organique ) ………..….…21 I.7.5.prevention et lutte contre le colmatage………………………...…22 I.8 Aspect énergétique………………………………………………………………….… 23 I.8.1 la consommation d’énergie d’une station de dessalement par procédé d’osmose inverse ……………………………………….…………….23 I.8.1.1 Introduction……………………………………………………..…………23 I.8.1.2 évaluation de la consommation d’énergie par le procédé osmose inverse……………………………………………………………24 I.8.2 La nécessité de système de récupération……………………………………..24 I.8.3. Historique et évolution de système de récupération …………………...…..25 I.8.4 Les différents systèmes de récupération………………………….…..26 I.8.4.1 Turbine………………………………………………………….… 26 I.8.4.2 Echangeur de pression ……………………………………….....27 I.8.4.3 quelque aspects de l’etat de l’art…………………………….…..29 I.8.5 Modélisation la consommation d’énergie du procédé d’osmose Inverse………………………………………………………………………..30 I.8.5.1 Technologies avancés …………………………………………….30 I.8.5.2 facteurs influençant la consommation d'énergie ………………..31 I.8.5.2.1 L’influence de nombre d’étage……………………………….32 I.8.5.2.2 Influence de taux de conversion……………………………..32 CHAPITRE II Optimisation : Etude des cas II.1. Introduction…………………………………………………………………………….33 II.2. Aperçu sur les stations de dessalement en Algérie……………………………….33 II.2.1. Présentation de la station de dessalement de l’eau de mer de fouka…………34 II.2.1.1.Les caractéristiques des membranes utilisées dans la station ………..35 II.2.1.2.Les paramètres opérationnels du procédé……………………………….35 II.2.2.Présentation de la station de dessalement de l’eau de mer de Skikda………..36 II.2.2.1.Les caractéristiques des membranes utilisées dans la station …………37 II.2.2.2.Les paramètres opérationnels de la station……………………………….37 II.2.3. Présentation de la station de dessalement de l’eau de mer de Beni Saf……..38 II.2.3.1.Les caractéristiques des membranes utilisées dans le procédé………..39 II.2.3.2.Les paramètres opérationnels de la station…………………………….…39 II.3. Modélisation du procédé d’osmose inverse……………………………………….41 II.3.1 Procédé sans installation du système de récupération d’énergie ………….….41 II.3.2 Procédé avec installation de système de récupération d’énergie………………………………………………………………………………….….42 II.3.2.1. installation de l’échangeur de pression………………………………..….43 II.3.2.2 installation de la turbine…………………………………………….………44 II.4. Méthode de minimisation de la consommation d’énergie d’une station de dessalement ……………………………………………………………..…………..…45 II.4.1 Méthode de résolution mathématique : méthode du gradient projeté…………45 II.4.1.2. Principe de la méthode ……………………………………………………46 II.4.1.2. Algorithme de la méthode…………………………………………………46 II.4.2. Logiciel utilisé………………………………………………………………………..47 II.4.3. Présentations des contraintes …………………………………..……………….48 II.5. L’organigramme de la méthode du gradient projeté……………………………….49 II.6. Validation du programme………………………………………………………..……58 II.6.1. Introduction..…………………………………………………………………………52 II.6.2. Exécution et résultats du programme……………………………………………..52 II.6.2.1. Procédé sans installation de système de récupération d’énergie…..52 II.6.2.2.Procédé avec installation du système de récupération d’énergie….....52 II.6.2.2.1.Système de la récupération l’échangeur de pression….......53 II.6.2.2.2.Système de la récupération d’énergie la turbine Pelton …....55 II.6.3. Exécution du programme …………………………………………………...……..60 II.7. L’influence des paramètres de fonctionnement …………………………………...61 II.7.1. influence de pression d’alimentation……………………………………….……..61 II.7.2. Influence de taux de conversion ………………………………………………….63 II.7.3. Influence d’efficacité de la pompe à haute pression ……………………………65 II.7.4. Influence d’efficacité du système de recuperation ………………….……….….67 CONCLUSION GENERALE ……………...……………………….……………………..70 Liste des symboles…………………………………………………………………………71 Références Bibliographique……………………………………………………………….74 Annexe VI Liste des figures Figure I.1 : Classification des procédés barométriques membranaires selon la taille de uploads/Litterature/ memoire-de-magister-departement-de-genie-des-procedes.pdf