Échangeur de pression - Pressure exchanger

Schémas d'un échangeur de pression rotatif. A : côté haute pression, B : côté basse pression, C : rotation du rotor, D : zone scellée, 1 : entrée d'eau de rejet haute pression, 2 : eau de mer sous pression, 3 : entrée d'eau de mer basse pression, 4 : eau de rejet basse pression vidange   ,: Rejeter l'eau / concentré   ,: Piston / barrière   ,: Eau de mer

Un échangeur de pression transfère l' énergie de pression d'un flux de fluide haute pression à un flux de fluide basse pression. De nombreux procédés industriels fonctionnent à des pressions élevées et ont des flux de déchets à haute pression. Une manière de fournir un fluide à haute pression à un tel procédé consiste à transférer la pression de déchet vers un courant à basse pression en utilisant un échangeur de pression.

Un type d'échangeur de pression particulièrement efficace est un échangeur de pression rotatif. Ce dispositif utilise un rotor cylindrique avec des conduits longitudinaux parallèles à son axe de rotation. Le rotor tourne à l'intérieur d'un manchon entre deux couvercles d'extrémité. L'énergie de pression est transférée directement du flux haute pression au flux basse pression dans les conduits du rotor. Un peu de fluide qui reste dans les conduits sert de barrière qui empêche le mélange entre les flux. Cette action de rotation est similaire à celle d'une mitrailleuse à l'ancienne tirant des balles à haute pression et elle est continuellement remplie de nouvelles cartouches de fluide . Les conduits du rotor se chargent et se déchargent pendant que le processus de transfert de pression se répète.

Les performances d'un échangeur de pression sont mesurées par l'efficacité du processus de transfert d'énergie et par le degré de mélange entre les flux. L'énergie des flux est le produit de leurs volumes d'écoulement et de leurs pressions. L'efficacité est fonction des différentiels de pression et des pertes volumétriques (fuite) à travers le dispositif calculées avec l'équation suivante:

où Q est le débit, P est la pression, L est le débit de fuite, HDP est le différentiel de haute pression, LDP est le différentiel de basse pression, l'indice B fait référence à l'alimentation basse pression de l'appareil et l'indice G fait référence à l'alimentation haute pression du dispositif. Le mélange est fonction des concentrations des espèces dans les flux d'entrée et du rapport des volumes d'écoulement au dispositif.

Osmose inverse

Schémas d'un système d' osmose inverse (dessalement) utilisant un échangeur de pression. 1 : Arrivée d'eau de mer, 2 : Débit d'eau douce (40%), 3 : Débit de concentré (60%), 4 : Débit d'eau de mer (60%), 5 : Concentré (vidange), A : Débit de pompe haute pression (40 %), B : pompe de circulation, C : unité d'osmose à membrane, D : échangeur de pression

Une application dans laquelle les échangeurs de pression sont largement utilisés est l'osmose inverse (RO). Dans un système RO, les échangeurs de pression sont utilisés comme dispositifs de récupération d'énergie (ERD). Comme illustré, le concentré haute pression des membranes [C] est dirigé [3] vers l'ERD [D]. L'ERD utilise ce flux de concentré haute pression pour pressuriser le flux d'eau de mer basse pression (le flux [1] devient le flux [4]), qu'il fusionne ensuite (à l'aide d'une pompe de circulation [B]) dans la pression la plus élevée. jet d'eau de mer créé par la pompe haute pression [A]. Ce flux combiné alimente les membranes [C]. Le concentré quitte l'ERD à basse pression [5], expulsé par le débit d'eau d'alimentation entrant [1].

Les échangeurs de pression économisent de l'énergie dans ces systèmes en réduisant la charge sur la pompe haute pression . Dans un système d' OI d' eau de mer fonctionnant à un taux de récupération d'eau membranaire de 40%, l'ERD fournit 60% du débit d'alimentation de la membrane. De l'énergie est consommée par la pompe de circulation, cependant, parce que cette pompe ne fait que circuler et ne met pas l'eau sous pression, sa consommation d'énergie est quasiment négligeable: moins de 3% de l'énergie consommée par la pompe haute pression. Par conséquent, près de 60% du débit d'alimentation de la membrane est pressurisé avec presque aucune entrée d'énergie.

Récupération d'énergie

Les usines de dessalement d' eau de mer produisent de l'eau potable depuis de nombreuses années. Cependant, jusqu'à récemment, le dessalement n'était utilisé que dans des circonstances spéciales en raison de la forte consommation d'énergie du procédé.

Les premières conceptions d'usines de dessalement utilisaient diverses technologies d'évaporation. Les plus avancés sont les dessalinisateurs à évaporation d'eau de mer à distillation flash à plusieurs étages, qui utilisent plusieurs étages et ont une consommation d'énergie de plus de 9 kWh par mètre cube d'eau potable produite. Pour cette raison, les grands dessalinisateurs d'eau de mer ont été initialement construits dans des endroits à faible coût énergétique, comme le Moyen-Orient, ou à proximité d'usines de traitement avec de la chaleur résiduelle disponible.

Dans les années 1970, le procédé d'osmose inverse de l'eau de mer (SWRO) a été développé qui a rendu l'eau potable à partir de l'eau de mer en la forçant sous haute pression à travers une membrane étanche filtrant ainsi les sels et les impuretés. Ces sels et impuretés sont évacués du dispositif SWRO sous la forme d'une solution de saumure concentrée dans un flux continu, qui contient une grande quantité d'énergie à haute pression. La majeure partie de cette énergie peut être récupérée avec un appareil adapté. De nombreuses premières usines SWRO construites dans les années 1970 et au début des années 1980 avaient une consommation d'énergie de plus de 6,0 kWh par mètre cube d'eau potable produite, en raison de la faible performance de la membrane, des limitations de perte de charge et de l'absence de dispositifs de récupération d'énergie.

Un exemple où un moteur d'échange de pression trouve une application est la production d'eau potable en utilisant le procédé de membrane d'osmose inverse. Dans ce processus, une solution saline d'alimentation est pompée dans un réseau de membranes à haute pression. La solution saline d'entrée est ensuite divisée par le réseau de membranes en solution super saline (saumure) à haute pression et eau potable à basse pression. Alors que la saumure haute pression n'est plus utile dans ce processus en tant que fluide, l'énergie de pression qu'elle contient a une valeur élevée. Un moteur d'échange de pression est utilisé pour récupérer l'énergie de pression dans la saumure et la transférer vers une solution saline d'alimentation. Après le transfert de l'énergie de pression dans le flux de saumure, la saumure est expulsée à basse pression pour s'égoutter.

La quasi-totalité des usines d'osmose inverse exploitées pour le dessalement de l'eau de mer afin de produire de l'eau potable à l'échelle industrielle sont équipées d'un système de récupération d'énergie à base de turbines. Ceux-ci sont activés par le concentré (saumure) sortant de l'installation et transfèrent l'énergie contenue dans la haute pression de ce concentré généralement mécaniquement vers la pompe haute pression. Dans l'échangeur de pression, l'énergie contenue dans la saumure est transférée hydrauliquement et avec un rendement d'environ 98% à l'alimentation. Cela réduit considérablement la demande d'énergie pour le processus de dessalement et donc les coûts d'exploitation. Il en résulte une valorisation énergétique économique, les temps d'amortissement de tels systèmes variant entre 2 et 4 ans selon le lieu d'exploitation.

La réduction des coûts d'énergie et d'investissement signifie que, pour la première fois, il est possible de produire de l'eau potable à partir d'eau de mer à un coût inférieur à 1 dollar par mètre cube dans de nombreux endroits du monde. Bien que le coût puisse être un peu plus élevé sur les îles où les coûts d'électricité sont élevés, le PE a le potentiel d'élargir rapidement le marché du dessalement de l'eau de mer.

Au moyen de l'application d'un système d'échange de pression, qui est déjà utilisé dans d'autres domaines, une efficacité de récupération d'énergie considérablement plus élevée des systèmes d' osmose inverse peut être obtenue qu'avec l'utilisation de pompes ou de turbines à marche arrière. Le système d'échange de pression convient avant tout aux installations plus grandes, c'est-à-dire env. ≥ 2000 m3 / j de production de perméat.

Voir également

  • Richard Stover , a été le pionnier du développement d'un dispositif de récupération d'énergie actuellement utilisé dans la plupart des usines de dessalement d'eau de mer par osmose inverse

Les références