La conservation de la masse fournit le cadre comptable nécessaire pour mesurer les performances du dessalement. Définissez une limite autour de la membrane d’osmose inverse, de l’évaporateur ou de l’ensemble de l’installation pilote, puis imposez que la masse entrante soit égale à la masse sortante en régime permanent. Les bilans de la masse totale, de l’eau et du sel dissous permettent aux opérateurs de calculer les débits de produit et de saumure, le rejet du sel, la récupération d’eau, les variations de concentration et la cohérence interne des données mesurées.

À retenir : L’efficacité de séparation est évaluée en comparant les flux sortants mesurés aux bilans fondés sur la conservation. Une bonne unité de dessalement produit la qualité de produit et le taux de récupération requis tout en retenant le sel dans la saumure, avec une faible erreur globale et une faible erreur de bilan des composants.

Établir les limites du système

Définir l’opération unitaire

La première étape consiste à tracer une limite autour de l’équipement évalué.

Pour une unité d’osmose inverse, la limite peut inclure le module membranaire, la pompe d’alimentation ainsi que les sorties associées de produit et de concentrat. Pour un procédé thermique, elle peut entourer un évaporateur, plusieurs effets ou l’ensemble de la chaîne d’évaporation et de condensation.

Identifier tous les flux de procédé

Au minimum, le bilan doit identifier :

Flux d’alimentation : eau de mer entrant dans l’unité
Flux de produit : eau purifiée ou condensée
Flux de concentrat : saumure quittant le séparateur
Flux supplémentaires : vapeur, purge, recyclage, vidange ou flux de nettoyage, le cas échéant

Chaque flux nécessite un débit et une composition pertinente. Omettre un flux important peut donner l’impression qu’un bilan médiocre est acceptable ou produire des indicateurs de séparation trompeurs.

Appliquer le bilan massique global

Utiliser la conservation de la masse totale

À l’état stationnaire, la masse totale entrant dans le système est égale à la masse totale qui en sort :

[ F = P + C ]

où :

(F) est le débit massique d’alimentation
(P) est le débit massique de produit
(C) est le débit massique de concentrat ou de saumure

Pour un système comportant des sorties supplémentaires, l’équation devient :

[ \sum \dot{m}{in} = \sum \dot{m}{out} ]

Ce bilan permet de déterminer les débits inconnus lorsque les mesures des autres flux sont disponibles.

Vérifier la fermeture du bilan massique

Les données mesurées dans une installation pilote sont rarement parfaitement équilibrées en raison des erreurs des débitmètres, de l’incertitude d’échantillonnage, des fuites, des pertes par évaporation et des volumes retenus non mesurés.

Un indicateur de diagnostic utile est l’erreur du bilan massique total :

[ \text{Erreur du bilan massique}

\frac{\sum \dot{m}{in}-\sum \dot{m}{out}} {\sum \dot{m}_{in}} \times 100% ]

Une faible erreur renforce la confiance dans les mesures. Une erreur importante indique que les données, l’instrumentation ou les limites du système doivent être examinées avant de communiquer l’efficacité de séparation.

Appliquer les bilans des composants

Établir séparément les bilans de l’eau et du sel dissous

La conservation de la masse totale ne permet pas à elle seule de déterminer si le sel a été correctement séparé de l’eau. Des bilans des composants sont donc nécessaires.

Pour une alimentation d’eau de mer contenant de l’eau et du sel dissous :

[ F = F_w + F_s ]

où (F_w) et (F_s) sont respectivement les débits massiques d’eau et de sel dans l’alimentation.

Les bilans correspondants en sortie sont :

[ F_w = P_w + C_w ]

[ F_s = P_s + C_s ]

L’addition des bilans des composants reproduit le bilan global :

[ F_w + F_s = (P_w+P_s)+(C_w+C_s) ]

Utiliser la composition pour calculer les débits des composants

Si (x_s) est la fraction massique de sel dans un flux, alors :

[ \dot{m}_s = x_s\dot{m} ]

La fraction massique d’eau est :

[ x_w = 1-x_s ]

Pour une alimentation d’eau de mer illustrative contenant environ 3,5 % massique de sel et 96,5 % massique d’eau :

[ F_s = 0.035F ]

[ F_w = 0.965F ]

Le même calcul est appliqué aux flux de produit et de saumure en utilisant leurs concentrations de sel mesurées.

Calculer les principaux indicateurs de séparation

Récupération d’eau

La récupération d’eau mesure la quantité d’eau d’alimentation récupérée dans le produit :

[ R_w = \frac{P_w}{F_w}\times 100% ]

Si le débit de produit est utilisé comme approximation de l’eau récupérée, l’expression peut s’écrire :

[ R \approx \frac{P}{F}\times 100% ]

La forme fondée sur les composants est plus rigoureuse lorsque le produit contient encore des sels dissous résiduels.

Rejet du sel

Pour le dessalement membranaire, le rejet du sel évalue l’efficacité avec laquelle l’unité empêche le sel de pénétrer dans le produit :

[ \text{Rejet du sel} = \left(1-\frac{C_{s,P}}{C_{s,F}}\right)\times 100% ]

où (C_{s,P}) et (C_{s,F}) sont les concentrations de sel dans le produit et dans l’alimentation.

Une spécification de produit telle que moins de 0,05 % massique de sel peut être comparée directement à la composition mesurée du produit. Cette concentration constitue une cible de fonctionnement illustrative et non une exigence universelle pour toutes les applications de dessalement.

Facteur de concentration de la saumure

Le bilan du concentrat montre dans quelle mesure le sel a été concentré :

[ \text{Facteur de concentration} = \frac{x_{s,C}}{x_{s,F}} ]

Une fraction massique de sel plus élevée dans la saumure indique généralement qu’une plus grande quantité d’eau a été retirée par rapport au sel. Elle doit néanmoins être évaluée conjointement avec la récupération, la qualité du produit, le risque d’entartrage et les conditions de fonctionnement.

Passage du sel

Le passage du sel est la fraction du sel d’alimentation qui apparaît dans le produit :

[ \text{Passage du sel} = \frac{P_s}{F_s}\times 100% ]

Pour un séparateur de dessalement efficace, le passage du sel doit être faible, tandis que la quantité de sel retenue dans la saumure doit être élevée.

Appliquer les bilans à l’osmose inverse

Analyser la membrane comme un séparateur

Dans un module d’osmose inverse, l’alimentation se divise en eau de produit et en concentrat. Le bilan global est :

[ F=P+C ]

Le bilan du sel est :

[ F x_{s,F}=P x_{s,P}+C x_{s,C} ]

Si le débit d’alimentation, le débit de produit, la salinité de l’alimentation et la salinité du produit sont connus, le bilan peut être utilisé pour calculer le débit ou la concentration attendue du concentrat.

Interpréter les performances lors de variations du débit d’alimentation

La répétition des bilans à différents débits d’alimentation montre si la récupération et le rejet restent stables.

Par exemple, une augmentation du débit d’alimentation peut modifier le débit de produit, le débit de concentrat, les conditions de pression ou le passage du sel mesuré. Le bilan n’explique pas à lui seul toutes les causes, mais il quantifie de manière cohérente les performances de séparation qui en résultent.

Appliquer les bilans au dessalement thermique

Établir le bilan de chaque effet de l’évaporateur

Dans un évaporateur à effets multiples, la saumure liquide devient progressivement plus concentrée à mesure que l’eau se vaporise.

Pour chaque effet :

[ L_{in}=L_{out}+V ]

où (L) représente le débit massique de liquide et (V) représente l’eau vaporisée.

Le bilan du sel est :

[ L_{in}x_{s,in}=L_{out}x_{s,out} ]

lorsque le sel ne sort pas avec la vapeur. Cette hypothèse convient à un bilan d’évaporation idéalisé, mais les installations réelles peuvent nécessiter la prise en compte de l’entraînement ou du report de gouttelettes si ces pertes sont importantes.

Établir le bilan de la vapeur condensée

La vapeur générée dans chaque effet est condensée et recueillie comme eau de produit. Pour l’ensemble du système :

[ F=P+C ]

Le bilan global du sel reste :

[ F x_{s,F}=P x_{s,P}+C x_{s,C} ]

Si le sel est effectivement retenu dans la saumure liquide, le produit issu de la vapeur contient très peu de sel par rapport à l’alimentation. La salinité mesurée du produit reste toutefois nécessaire pour évaluer les performances réelles.

Suivre la concentration à travers les étages

L’application des bilans à chaque effet produit un profil de concentration allant du premier étage au flux final de saumure.

Par exemple, un système pilote peut être évalué sur sa capacité à augmenter la concentration en sel du liquide d’environ 3,5 % massique à 5,0 % massique tout en mesurant la quantité d’eau condensée produite. Les bilans indiquent si la concentration observée et le rendement en eau sont cohérents avec les mesures de l’alimentation et des sorties.

Utiliser la conservation de la masse comme test de qualité des données

Comparer les flux mesurés et calculés

Une installation pilote peut mesurer directement le débit d’alimentation, mais estimer le débit de produit ou de saumure à partir des niveaux des réservoirs, de l’étalonnage des pompes ou du temps de collecte. Les bilans massiques fournissent une vérification indépendante.

Si les flux de produit et de saumure mesurés ne correspondent pas à la somme du flux d’alimentation, les opérateurs doivent examiner les fuites, la vapeur non mesurée, les pertes lors de l’échantillonnage, le fonctionnement transitoire, le volume retenu dans les réservoirs et l’étalonnage des instruments.

Distinguer le régime permanent du démarrage

Les équations simples ci-dessus s’appliquent principalement en régime permanent, lorsque l’accumulation à l’intérieur de l’unité est négligeable.

Lors du démarrage, de l’arrêt ou de la modification des conditions de fonctionnement, le bilan doit inclure l’accumulation :

[ \text{Entrées} - \text{Sorties} = \text{Accumulation} ]

Ignorer ce terme peut conduire à qualifier à tort une unité correctement opérationnelle d’inefficace.

Comprendre les compromis

La récupération et la qualité du produit sont des objectifs différents

Une récupération d’eau élevée ne signifie pas automatiquement une efficacité de séparation élevée. L’augmentation de la récupération peut concentrer la saumure et accroître le risque d’entartrage, tandis qu’un débit de produit excessif peut s’accompagner d’un passage du sel plus important.

Les performances doivent donc être communiquées à l’aide de plusieurs indicateurs, notamment la récupération, le rejet ou le passage du sel, la salinité du produit, la concentration de la saumure et la fermeture du bilan massique.

Le bilan total seul est insuffisant

Une unité peut satisfaire le bilan massique total tout en présentant une répartition incorrecte du sel entre le produit et la saumure.

Pour cette raison, les bilans de la masse totale, de l’eau et du sel doivent être évalués conjointement.

Les hypothèses de composition influencent le résultat

Utiliser une eau de mer composée approximativement de 96,5 % massique d’eau et de 3,5 % massique de sel est utile pour un calcul de base en installation pilote. L’eau de mer réelle contient plusieurs espèces dissoutes ; les études détaillées peuvent donc nécessiter un bilan plus large des solutés ou une mesure de la salinité représentant les solides dissous totaux plutôt que le seul NaCl.

Les systèmes thermiques présentent des pertes supplémentaires

Dans les évaporateurs, l’entraînement de vapeur, les fuites, la condensation incomplète et le condensat non mesuré peuvent affecter le bilan apparent.

Une limite entourant l’ensemble du système d’évaporation et de condensation est souvent préférable pour évaluer la récupération totale du produit, tandis que les bilans de chaque effet sont utiles pour diagnostiquer l’emplacement des pertes.

Comment appliquer cela à votre installation pilote

Utilisez le flux de travail suivant pour évaluer objectivement une unité de dessalement :

Si votre priorité est la récupération d’eau : Mesurez les débits d’alimentation, de produit et de saumure, puis calculez (R_w=P_w/F_w) et vérifiez la fermeture du bilan massique global.
Si votre priorité est l’élimination du sel : Mesurez la salinité de l’alimentation et du produit, puis calculez le rejet et le passage du sel à l’aide du bilan des composants.
Si votre priorité est la concentration de la saumure : Appliquez un bilan du sel à chaque sortie ou à chaque effet de l’évaporateur et comparez la concentration prédite à la valeur mesurée.
Si votre priorité est la fiabilité de l’installation pilote : Incluez chaque flux pertinent, tenez compte de l’accumulation pendant les régimes transitoires et examinez toute erreur importante du bilan massique avant d’interpréter l’efficacité.
Si votre priorité est de comparer les conditions de fonctionnement : Répétez les mêmes bilans total et des composants pour chaque débit d’alimentation, réglage de récupération ou configuration d’étages.

Un bilan massique bien défini transforme les mesures d’une installation pilote en preuves solides de l’efficacité avec laquelle l’unité de dessalement sépare l’eau des sels dissous.

Tableau récapitulatif :

Indicateur	Formule ou vérification	Ce qu’il indique
Bilan massique global	F = P + C	Si les flux mesurés sont complets et cohérents
Récupération d’eau	Rw = Pw / Fw x 100%	Pourcentage de l’eau d’alimentation récupérée comme produit
Rejet du sel	(1 - Cs,P / Cs,F) x 100%	Efficacité avec laquelle le sel est retenu dans la saumure
Passage du sel	Ps / Fs x 100%	Fraction du sel d’alimentation entrant dans le produit
Facteur de concentration de la saumure	xs,C / xs,F	Degré de concentration du sel dans la saumure
Erreur du bilan	(Entrées - Sorties) / Entrées x 100%	Fiabilité des mesures et des limites du système

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