Chapitre VII: Analyse thermo-économique et optimisation du procédé de dessalement par
VII.14 Etude de l’effet de la compression à refroidissement multiple
L’une des méthodes les plus utilisées pour minimiser la consommation de l’énergie spécifique de compression est l’utilisation de la compression multiple à refroidissement au lieu d’une seule compression. Cette section de ce chapitre est consacrée à l’étude de l’effet de la compression multiple de la vapeur avec refroidissement en utilisant le procédé de mélangeage avec l’eau liquide saturée au lieu des échangeurs de chaleur de refroidissement comme illustré dans la figure 21. Chaque fois, après avoir subir une opération de compression, la vapeur sortant du compresseur est une vapeur surchauffée qui peut être refroidie par une injection d’un flux d’eau liquide saturée à la même pression que la vapeur comprimée, conduisant ainsi à convertir la vapeur surchauffée en une vapeur saturée, la chaleur de sur-chauffage est convertie en une chaleur latente d’évaporation, produisant ainsi l’évaporation d’une portion de l’eau liquide saturée. De ce fait, deux résultats positifs sont obtenus en adoptant ce procédé : 1- Refroidissement de la vapeur comprimée, ce qui permet de réduire la consommation d’énergie spécifique dans la compression qui suit, 2- Génération d’une portion supplémentaire de la vapeur motrice.
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Figure VII.22. Flowsheet du procédé d’évaporation à effets multiple à compression de vapeur multiple à refroidissement
Figure VII.23. Compression multiple à refroidissement représentée sur le diagramme P-h
Compression multiple
à refroidissement Compression ordinaire
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Le travail spécifique consommé lors de la compression de vapeur est exprimé par l’équation :
(30)
Avec : hin et hout sont des enthalpies spécifiques de la vapeur à l’entrée et la sortie du compresseur (exprimées en kJ/kg).
Le travail électrique consommé lors de chaque compression est calculé par l’équation suivante : ̇ ̇
⁄ (32)
Avec : et sont respectivement : l’efficacité isentropique et l’efficacité électrique du compresseur. La quantité supplémentaire de la vapeur générée par refroidissement de la vapeur surchauffée est estimée par la relation suivante :
̇ ̇ ∫ thermique spécifique de la vapeur comprimée (exprimée en kJ/kg/K).
Les résultats de simulation sont basés sur les données de design obtenu dans les sections précédentes. Le tableau 11 présente les résultats de calcul du taux de réduction de la consommation de l’énergie spécifique de la compression et le débit supplémentaire de la vapeur générée par refroidissement de la vapeur comprimée. Ces résultats montrent que la réduction supplémentaire de la puissance électrique peut dépasser 31% par rapport à la consommation, aussi, le refroidissement multiple de la vapeur comprimée par évaporation d’eau liquide saturée permet d’augmenter le débit de la vapeur motrice par à peu près 20%. En plus, cela conduit à la réduction en termes d’énergie sensible de chauffage au niveau du premier effet. De ce fait, à partir de cette analyse, l’utilisation de compression multiple avec refroidissement de la vapeur comprimée permet
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Tableau VII.11. Résultats de calcul du procédé de compression multiple à refroidissement
Capacité (m3/jour) 5 10 100
Ecole Mohammadia des Ingénieurs- Rabat dessalement par évaporation à effets multiple combinée avec la compression mécanique de vapeur.
Les modèles de simulation développés dans ce chapitre sont basés sur les lois de conservation d’énergie et de transfert thermique ainsi que le second principe de thermodynamique (analyse d’exergie). Le travail d’optimisation combine entre l’utilisation de la méthode de résolution itérative à point fixe et l’algorithme génétique. Le premier objectif a été de déterminer les
Les variables considérés dans l’optimisation sont au nombre de sept: la température du premier effet, le taux d’évaporation, le rapport de pression (Pcomp/Pn), la capacité de production, le nombre d’effets, les dimensions des tubes et dimensions des échangeurs à plaques de récupération de d’échange (l’augmentation du coefficient d’échange thermique est compensée par la diminution de la différence de température), et elle n’a presque aucun impact sur la consommation de l’énergie électrique de compression;
Le coût de production d’eau douce passe par un point optimal par rapport au rapport de pression et la capacité de production ;
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L’augmentation du nombre d’effets permet de réduire la consommation d’énergie électrique de l’unité de dessalement mais elle conduit à l’augmentation de sa taille (augmentation de la surface d’échange thermique globale).
Pour minimiser la destruction d’exergie (augmenter l’efficacité exergétique), il est nécessaire de diminuer la différence de température entre le premier et le dernier effet, ce qui permet aussi de minimiser la consommation d’énergie de compression.
Cependant cela conduit une augmentation significative de la surface d’échange thermique globale (augmentation du coût d’investissement de l’unité d’évaporation).
Globalement, il a été prouvé dans cette étude que, l’utilisation de la combinaison entre l’évaporation à effet multiple et la compression mécanique de vapeur est plus avantageuse au point de vue économique que l’évaporation à effets multiple sans compression. En effet, le coût a été réduit par 46% dans le cas des petites capacité de production et plus de 43 % pour les grandes capacité de production pour être même inférieur au coût moyen de production d’eau potable au Maroc (moins que 0.6~0.7 Euro/m3).
En s’inspirant du procédé de compression multiple à refroidissement utilisé dans les cycles des turbines à gaz. Il a été proposé de subdiviser la compression en plusieurs étages à refroidissement simultané par mélangeage avec l’eau liquide saturée. Et il a été prouvé que cette proposition permet de minimiser davantage la consommation d’énergie par à peu près 31% tout en augmentant la quantité de la vapeur motrice par 20% et en réduisant la puissance thermique sensible de chauffage de l’eau d’alimentation au niveau du premier effet. Ainsi, cette amélioration peut conduire à une réduction davantage du coût de production de l’eau douce.
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