Recompression mécanique des vapeurs (MVR) dans le traitement des eaux usées

L’eau est utilisée comme intrant direct dans de nombreuses étapes de la production industrielle. L’eau utilisée dans des secteurs tels que le lavage, le refroidissement, les procédés chimiques, les traitements de surface, la production alimentaire, l’exploitation minière, la production pharmaceutique et la production d’énergie se transforme en eaux usées qui transportent différents polluants à la fin du processus.

Dans un environnement de pression croissante sur les ressources en eau, l’approche évolue progressivement. Les eaux usées ne sont pas seulement des déchets qui doivent être éliminés, mais aussi des déchets qui peuvent être valorisés en termes de débit d’eau et de ressources. Les sources des Nations Unies considèrent également la réutilisation des eaux usées comme une approche importante susceptible de réduire la pression sur les ressources en eau.

Cette approche est plus importante, notamment dans les installations industrielles. Parce que les eaux usées générées dans certains processus ont une charge élevée en termes de sel, de solides dissous, d’huile, de produits chimiques ou d’autres polluants. Par conséquent, seul un traitement biologique ou physico-chimique peut ne pas être suffisant. D’autres processus sont nécessaires pour réutiliser les eaux usées ou réduire autant que possible les rejets liquides.

À ce stade, les technologies d’évaporation, de recompression mécanique de la vapeur (MVR) et de décharge liquide nulle (ZLD) entrent en jeu.

Pourquoi le traitement des eaux usées gagne-t-il en importance ?

En termes d’installations industrielles, la gestion de l’eau est confrontée à deux problèmes différents.

La première consiste à fournir l’eau nécessaire à la production.

Le deuxième est la gestion sûre et économique des eaux usées générées après la production.

Ces deux problèmes font en réalité partie du même cycle.

Lorsque l’eau utilisée dans une installation est rejetée sans traitement, ce ne sont pas seulement les polluants qui sont envoyés dans l’environnement. Dans le même temps, la partie de cette eau qui peut être utilisée dans le processus de reproduction est également perdue.

Par conséquent, l’objectif de la gestion moderne de l’eau est seulement “de traiter les eaux usées”, ce n’est pas un objectif plus large ;

utiliser → purifier → récupérer → réutiliser

il s’agit de boucler la boucle autant que possible.

L’approche Zero Liquid Discharge est une application avancée de cette idée. L’objectif du ZLD est d’éliminer les effluents de déchets liquides dans la mesure où cela est techniquement et économiquement possible et de restituer la majeure partie de l’eau au processus. Cependant, on ne peut pas dire que le ZLD soit automatiquement la solution la plus adaptée à chaque installation en raison de sa consommation d’énergie et de son coût d’investissement. Le système doit être évalué en fonction de la composition des eaux usées et des conditions du processus.

Qu’est-ce que le traitement des eaux usées ?

Le traitement des eaux usées est le processus de séparation des polluants présents dans l’eau par des processus physiques, chimiques, biologiques ou thermiques et d’amener l’eau aux conditions d’utilisation ou de rejet ciblées.

La technologie à utiliser varie en fonction de la nature des eaux usées.

Une ligne typique de traitement des eaux usées industrielles peut avoir un ou plusieurs des procédés suivants :

• Préfiltration et séparation des solides
• Élimination de l’huile et de l’émulsion
• Régulation du pH
• Coagulation et floculation
• Précipitation chimique
• Ultrafiltration
• Nanofiltration
• Osmose inverse (RO)
• Échange d’ions
• Charbon actif
• Évaporation
• Cristallisation

L’important ici est que ces processus ne soient pas considérés comme des alternatives les uns aux autres.

Par exemple, le RO est une cascade importante dans de nombreux systèmes de récupération d’eau en raison de sa faible consommation d’énergie. Cependant, à mesure que la salinité de l’eau d’alimentation augmente, les limites de fonctionnement des processus membranaires deviennent apparentes. Dans les systèmes ZLD, RO est donc souvent utilisé en conjonction avec une cascade de concentration thermique. Il est noté dans la littérature que le RO est utilisé avant les processus thermiques pour réduire le volume de saumure dans les systèmes ZLD et que la concentration thermique entre en jeu à des salinités élevées.

Où le MVR est-il utilisé dans le traitement des eaux usées ?

Le MVR n’est pas une technologie de remplacement pour l’ensemble du système de traitement des eaux usées.

La tâche fondamentale du MVR est de réduire le besoin énergétique du processus d’évaporation en récupérant l’énergie de la vapeur formée lors de l’évaporation.

Pour cette raison, le MVR devient particulièrement important dans les systèmes où l’eau des eaux usées doit être séparée thermiquement.

Un processus simplifié peut être considéré comme suit :

Eaux usées → Prétraitement → Évaporation → MVR → Distillat + Concentré

Si le système fait partie d’une installation ZLD, le processus peut être déplacé plus loin :

Eaux usées → Prétraitement → RO → Évaporation MVR → Concentré → Cristallisation → Produit solide/Déchet

Dans cette structure, le MVR est utilisé pour séparer l’eau, en particulier dans les volumes élevés, par évaporation au niveau de concentration qu’elle sert. Ainsi, un flux de volume plus petit et de concentration plus élevée peut être envoyé vers la prochaine cristallisation ou cascade de concentration finale. Il est également indiqué dans la littérature ZLD que les concentrateurs de saumure MVC/MVR sont utilisés pour une récupération d’eau élevée et une concentration de salinité élevée.

Qu’est-ce que MVR ?

MVR est la recompression mécanique de vapeur.

La vapeur d’eau formée dans l’évaporateur est comprimée par un compresseur mécanique plutôt que d’être envoyée dans l’atmosphère ou dans le système de condenseur. En raison de la compression, la pression et la température de saturation de la vapeur augmentent et la vapeur à température plus élevée qui en résulte est à nouveau utilisée comme source de chaleur du processus d’évaporation.

Ainsi, la chaleur latente contenue dans la vapeur formée lors de l’évaporation est réutilisée dans le système.

Le principe de base du MVR peut se résumer en trois étapes :

Générer de la vapeur → comprimer de la vapeur → réutiliser la chaleur.

L’un des principaux équipements du MVR n’est donc pas l’évaporateur, mais un compresseur de vapeur.

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Comment le MVR réduit-il l’énergie ?

Dans une évaporation classique à effet unique, de l’énergie est continuellement fournie de l’extérieur pour évaporer l’eau.

Si l’eau s’évapore et que l’énergie thermique qu’elle transporte est éliminée du système, cette énergie ne peut pas être réutilisée.

Dans le MVR, en revanche, l’énergie de la vapeur formée est conservée dans le système.

La vapeur entre dans le compresseur.

Le compresseur augmente la pression de la vapeur.

Avec l’augmentation de la pression, la température de saturation de la vapeur augmente.

La vapeur comprimée à température plus élevée est envoyée à l’échangeur de chaleur et utilisée pour évaporer à nouveau le liquide.

Par conséquent, l’énergie requise par le système depuis l’extérieur peut être considérablement réduite. En retour, l’énergie électrique est principalement utilisée pour entraîner le compresseur de vapeur.

Mais il y a ici un point d’ingénierie important :

La consommation énergétique du MVR ne dépend pas uniquement de “combien de tonnes d’eau sont évaporées”.

La puissance nécessaire au compresseur ;

• débit de vapeur,
• pression d’aspiration,
• pression de compression,
• rapport de pression,
• augmentation de la température,
• densité de vapeur,
• pertes de charge dans le système

il est déterminé par des paramètres tels que.

Par conséquent, la conception correcte du système MVR ne consiste pas seulement à déterminer la capacité de l’évaporateur.

Pourquoi le compresseur MVR est-il l’équipement critique du système ?

Dans le système MVR, le compresseur est l’équipement qui fournit le cycle énergétique du processus.

Lorsque le débit et les propriétés de la vapeur sortant de l’évaporateur changent, le point de fonctionnement du compresseur change également.

En particulier dans les eaux usées industrielles, les paramètres suivants peuvent affecter directement la conception du compresseur :

Flux de vapeur

Il s’agit du débit de vapeur réel que le compresseur doit traiter.

Pression d’entrée

C’est la pression de vapeur à la sortie de l’évaporateur.

Pression de décharge

C’est la pression que le compresseur doit fournir pour envoyer de la vapeur vers l’échangeur de chaleur.

Élévation de température

C’est l’augmentation de température que le compresseur doit créer.

Densité de vapeur

La densité réelle de la vapeur affecte directement le débit volumétrique et la conception aérodynamique du compresseur.

Rapport de pression

Il s’agit du rapport entre la pression de compression et la pression d’aspiration et constitue l’un des paramètres critiques pour déterminer les besoins en énergie du compresseur.

Par conséquent, le compresseur MVR ne doit pas être considéré comme un ventilateur standard. Le choix de l’équipement doit être fait en fonction des conditions thermodynamiques du procédé et des caractéristiques réelles de la vapeur.

Salinité, tartre et encrassement dans les systèmes MVR pour eaux usées

L’un des problèmes techniques les plus importants du MVR dans le traitement des eaux usées n’est pas l’énergie, mais la difficulté physique du processus à mesure que la concentration augmente.

Lorsque l’eau quitte le système pendant l’évaporation, les substances dissoutes se concentrent.

C’est particulièrement le cas :

• TDS élevé,
• chlorure,
• sulfate,
• silice,
• calcium,
• magnésium,
• substances organiques

cela peut augmenter le risque d’entartrage et d’encrassement des courants qui le contiennent.

Une élévation excessive de la concentration peut entraîner des précipitations sur les surfaces de transfert de chaleur, réduisant ainsi le coefficient de transfert de chaleur et augmentant le besoin de nettoyage.

C’est également au centre de l’approche qu’il a développée pour résoudre ce problème dans le système de particules de nettoyage fluidisées du système MVR qui assure un nettoyage continu des surfaces de transfert de chaleur qu’il est constaté que la société déclare que cette structure vise à maintenir les performances de transfert de chaleur plus stables en contrôlant l’encrassement et la formation d’entartrage.

Par conséquent, l’objectif de la conception MVR n’est pas seulement d’atteindre une concentration maximale.

Approche plus précise :

concentration maximale + risque d’entartrage acceptable + transfert de chaleur durable + fonctionnement fiable du compresseur

pour établir l’équilibre.

Relation entre MVR et ZLD

MVR et ZLD ne sont pas la même chose.

MVR est une technologie de processus.

ZLD est un concept de gestion et de processus de l’eau.

Dans un système ZLD, MVR peut être utilisé ; cependant, MVR seul n’exécute pas l’intégralité du ZLD.

Un système ZLD typique peut être structuré comme suit :

1. Prétraitement

L’huile, les matières en suspension, la charge organique ou les composants susceptibles d’affecter négativement le processus MVR/évaporation sont réduits.

2. Concentration membranaire

Dans des cas appropriés, une partie importante de l’eau est récupérée et un plus petit volume de concentré est obtenu grâce à des procédés membranaires tels que RO.

3. Évaporation MVR

L’eau du flux concentré est séparée thermiquement. La vapeur résultante est comprimée par le compresseur MVR et utilisée à nouveau comme source de chaleur du processus.

4. Concentration finale / Cristallisation

La saumure à haute concentration restant après le MVR peut être envoyée au cristallisoir ou à une autre cascade de concentration finale, selon la conception du processus.

5. Récupération d’eau

Si le distillat obtenu répond aux exigences de qualité nécessaires, il peut être renvoyé dans l’eau de traitement ou soumis à des processus de polissage supplémentaires.

Par conséquent, le MVR est une caractéristique particulière du système ZLD au stade de la concentration, où un volume élevé d’eau doit être séparé par une faible énergie, il joue un rôle important.

Dans quelles eaux usées le MVR peut-il être utilisé ?

Le type d’eaux usées dans lesquelles le MVR peut être utilisé est assez large. Il ne faut cependant pas considérer que le MVR peut être appliqué directement sur n’importe quelle eau usée.

L’application doit être évaluée en fonction de la composition chimique de l’effluent et de la concentration finale visée.

Les principaux domaines d’application sont les suivants

Industrie chimique

Réduire le volume d’eaux usées hautement concentrées générées dans les processus de production chimique et récupérer l’eau.

Industrie pharmaceutique

Concentration et valorisation hydrique des eaux usées complexes issues des procédés pharmaceutiques.

Textile et teinture

Applications de concentration et de ZLD, notamment dans les eaux usées de peinture et de textile à haute teneur en sel.

Placage et galvanoplastie des métaux

Eaux de rinçage, procédés de revêtement et courants à haute teneur en TDS résultant du traitement de surface.

Mines et métallurgie

Eaux de traitement et ruisseaux de saumure à fortes concentrations en minéraux et en sel.

Centrales électriques

En particulier, le MVR peut être utilisé dans la concentration d’effluents constitués de procédés FGD humides. La mise à l’échelle dans ces applications constitue un problème de conception majeur.

Alimentation et boissons

Concentration des eaux de traitement, récupération des eaux et séparation thermique des flux d’eaux usées avec certaines charges organiques.

Traitement de l’huile de palme

L’effluent de l’usine d’huile de palme (POME) est un processus complexe d’eaux usées à haute teneur en matière organique.

Rejet RO et saumure

Le courant de rejet à haute concentration restant après RO peut être évalué avant ou avec MVR, en particulier dans les systèmes ZLD où l’on souhaite augmenter la récupération d’eau.

Le MVR peut-il être appliqué à chaque eau usée ?

Non.

L’adéquation du MVR ne peut pas être déterminée en examinant uniquement le débit.

Avant de concevoir un système MVR, il convient de connaître au moins les informations suivantes :

• Débit d’eaux usées
• Température
• Pression
• TDS
• Densité
• pH
• Principaux ions et sels
• Contenu organique
• Quantité d’huile et d’émulsion
• Matière solide en suspension
• Potentiel d’échelle
• Élévation du point d’ébullition
• Qualité de distillat souhaitée
• La concentration finale souhaitée
• Temps de travail
• Profil de travail quotidien/hebdomadaire

En particulier l’élévation du point d’ébullition (BPE). Elle est importante dans la conception du MVR.

À mesure que la concentration de la solution augmente, la température d’ébullition augmente par rapport à l’eau pure. Cela peut affecter la température d’évaporation et l’augmentation de température que le compresseur doit fournir.

Par conséquent, l’hypothèse selon laquelle le même compresseur MVR peut être utilisé pour deux eaux usées différentes avec le même débit d’eau n’est pas correcte.

Comment évaluer la performance énergétique dans les systèmes MVR ?

Les performances des systèmes MVR ne doivent pas être évaluées uniquement sur la puissance du moteur du compresseur.

Un indicateur important est l’énergie électrique dépensée pour une quantité unitaire d’eau récupérée.

Par exemple:

Consommation énergétique spécifique = Puissance du compresseur / Production de distillats

cela peut être évalué comme suit.

Cependant, les performances réelles du système ne se limitent pas à cette valeur.

Les échangeurs de chaleur, les pompes, les équipements auxiliaires, le prétraitement, les condenseurs et les étapes de concentration finale doivent également être inclus dans la consommation totale d’énergie.

En outre, l’avantage économique du MVR doit être pris en compte ainsi que les coûts d’élimination des eaux usées.

Comme le souligne MKR dans les applications d’eaux usées industrielles, la production continue d’eaux usées, le coût élevé de leur élimination et la nécessité de récupérer l’eau de traitement comptent parmi les principales conditions dans lesquelles MVR devient économiquement significatif.

Sélection du compresseur dans la conception MVR

Le choix du compresseur, cœur du système MVR, n’est pas une simple fonction de la capacité de l’évaporateur.

Les points de processus suivants doivent être pris en compte ensemble lors du choix d’un compresseur :

Débit de vapeur : kg/h ou m³/h

Pression d’aspiration : KPa (a) ou bar (a)

Pression de décharge : KPa (a) ou bar (a)

Température d’aspiration : °C

Température de décharge : °C

Rapport de pression : P₂/P₁

Élévation de température : ΔT

Composition de la vapeur : Si la vapeur est composée uniquement de vapeur d’eau

Densité de vapeur : kg/m³

Teneur en humidité : Risque de gouttelettes de liquide à l’entrée du compresseur

À ce stade, la qualité de la vapeur avant son entrée dans le compresseur est particulièrement importante.

Le transport de gouttelettes de liquide de l’évaporateur vers le compresseur peut avoir un impact négatif sur les performances du compresseur et la fiabilité mécanique. Par conséquent, la connexion évaporateur–séparateur–éliminateur de brouillard–compresseur doit être conçue dans son ensemble. C’est pourquoi l’utilisation d’un éliminateur de brouillard avant compresseur dans les systèmes MVR est particulièrement soulignée dans les sources techniques.

Conclusion : Évaluer les eaux usées en tant que ressource et non en tant que déchet

La pénurie d’eau n’est pas seulement un problème de recherche de plus d’eau.

Tout aussi importante est la manière dont l’eau utilisée est gérée après le processus.

L’utilisation de grandes quantités d’eau dans les installations industrielles et la création en retour d’eaux usées à fortes charges salines et polluantes révèlent les limites de l’approche classique “utilisation et rejet”.

L’approche moderne est différente :

Utiliser moins d’eau propre. Puri
fier l’eau usagée.
Récupérer l’eau.
Réduire la concentration.
Éliminer les rejets de liquide si nécessaire.

MVR ne résout pas tout ce cycle à lui seul. Cependant, il peut entreprendre une tâche importante en réutilisant l’énergie de la vapeur formée lors de l’évaporation, en particulier au point où les eaux usées industrielles à grand volume doivent être concentrées thermiquement.

Dans un système correctement conçu, le prétraitement, le RO ou d’autres technologies de concentration, l’évaporation MVR, la cristallisation et la récupération de l’eau deviennent des processus complémentaires.

Le succès du MVR n’est donc pas déterminé par le seul choix “d’un compresseur à haut rendement”.

Performance réelle;

caractérisation des eaux usées + conditions d’évaporation + élévation du point d’ébullition + contrôle de l’entartrage/encrassement + transfert de chaleur + conception du compresseur + consommation d’énergie + qualité cible de l’eau

cela dépend de l’équilibre technique entre les deux.

La principale valeur du MVR, en particulier dans les applications d’eaux usées industrielles à TDS élevé et de ZLD, n’est pas seulement l’évaporation de l’eau pour obtenir une récupération d’eau à grand volume avec un besoin énergétique plus gérable en réutilisant l’énergie générée lors de l’évaporation dans le processus.

Questions fréquemment posées

À quelle étape du processus le MVR est-il utilisé dans les systèmes de traitement des eaux usées ?

Le MVR est généralement utilisé après les processus de prétraitement et de membrane, dans l’étape d’évaporation, où les eaux usées sont concentrées thermiquement. En particulier, le rejet RO peut être intégré dans le processus d’évaporation afin d’obtenir une récupération d’eau plus élevée dans les eaux de traitement à TDS élevé et les applications ZLD.

Pourquoi le rapport de pression est-il important dans le système MVR ?

Le rapport de pression est le rapport entre la pression de pression du compresseur et la pression d’aspiration. Cette valeur affecte directement l’augmentation de pression que le compresseur doit créer et donc la consommation d’énergie. À mesure que la concentration des eaux usées et l’élévation du point d’ébullition augmentent, le droit de compression requis peut également changer.

Comment les eaux usées à TDS élevé affectent-elles la conception du MVR ?

Un TDS élevé peut augmenter la température d’ébullition de la solution et augmenter le risque d’entartrage lors de l’évaporation. À mesure que l’élévation du point d’ébullition augmente, une différence de température plus élevée peut être nécessaire pour assurer le même transfert de chaleur. Cela peut affecter le rapport de pression, les besoins en puissance et les conditions de fonctionnement du compresseur MVR.

Pourquoi la mise à l’échelle et l’encrassement sont-ils importants dans les systèmes MVR ?

Lorsque l’eau est éliminée lors de l’évaporation, les sels dissous et les autres composants se concentrent. Une précipitation des surfaces de transfert de chaleur peut se produire si les limites de solubilité sont dépassées. Le tartre et l’encrassement peuvent réduire le coefficient de transfert thermique, entraînant une perte de capacité, une consommation d’énergie plus élevée et la nécessité d’un nettoyage plus fréquent.

Pourquoi faut-il empêcher le transport de fluide vers le compresseur MVR ?

Les compresseurs MVR sont principalement conçus pour traiter la phase vapeur. La présence de gouttelettes de liquide dans la vapeur sortant de l’évaporateur peut affecter négativement les performances aérodynamiques et la fiabilité mécanique du compresseur. Pour cette raison, les systèmes de séparation et d’élimination du brouillard sont des éléments aussi importants de la conception des processus que la sélection des compresseurs.

MVR et RO peuvent-ils être utilisés ensemble ?

Oui. MVR et RO n’ont pas besoin d’être des alternatives l’un à l’autre dans la plupart des applications ZLD. RO peut récupérer la majeure partie de l’eau de l’eau d’alimentation avec une consommation d’énergie plus faible dans des conditions favorables. Si le rejet à haute concentration restant après RO peut être envoyé au système d’évaporation MVR, une récupération supplémentaire de l’eau peut être obtenue.

Quelle est la principale différence entre MVR et ZLD ?

MVR one est une technologie de récupération d’énergie thermique et d’évaporation. ZLD est une approche de processus intégrée qui vise à éliminer autant que possible les rejets de déchets liquides de l’installation. Le MVR peut agir comme l’une des cascades d’évaporation ou de concentration du système ZLD.

Quelle quantité d’eau peut être récupérée à partir des eaux usées avec MVR ?

Il n’est pas correct de donner un taux de récupération fixe. La quantité d’eau pouvant être récupérée dépend du TDS et de la composition chimique des eaux usées, de la tendance à l’entartrage, du type d’évaporateur, de la concentration finale ciblée, de la qualité du distillat et de la conception du processus du système.

Comment est calculée la consommation énergétique du système MVR ?

La performance énergétique du système MVR ne doit pas être évaluée uniquement sur la puissance du moteur. La puissance du compresseur, le débit de distillat, la consommation d’équipements auxiliaires et le besoin électrique total du procédé doivent être évalués ensemble. Un indicateur courant est la consommation énergétique spécifique par unité de quantité d’eau récupérée :

SEC = Consommation totale d’électricité / Quantité de distillat récupérée

Quelles analyses des eaux usées sont nécessaires pour le système MVR ?

Il n’est généralement pas suffisant de connaître uniquement les valeurs de débit et de TDS avant la conception du processus. Au moins des paramètres tels que la température, le pH, la densité, le TDS, les ions majeurs, le chlorure, le sulfate, la silice, le calcium, le magnésium, les matières en suspension, la charge organique et la teneur en huile/émulsion doivent être évalués. Le risque d’entartrage et d’encrassement doit également être examiné séparément.

Le MVR convient-il à toutes les eaux usées industrielles ?

Non. L’applicabilité du MVR dépend du caractère, du débit, de la concentration, des propriétés thermiques des eaux usées et du taux de récupération d’eau ciblé. La conception du processus doit être modifiée en conséquence, en particulier s’il existe des polluants susceptibles de présenter un risque de charge organique élevée, de moussage, de composants volatils, de potentiel d’entartrage élevé ou de compresseur.

Le distillat peut-il être réutilisé directement dans le système MVR ?

Pas toujours. Le point de réutilisation du distillat dépend de la qualité de l’eau requise par le procédé. Il peut être nécessaire de vérifier la conductivité, la DCO, les composants volatils ou d’autres contaminants spécifiques du distillat obtenu après évaporation. Des étapes de polissage ou de purification supplémentaires peuvent être appliquées si nécessaire.

Comment l’adéquation économique des investissements MVR est-elle évaluée ?

La faisabilité économique du MVR ne doit pas être évaluée uniquement au coût d’investissement initial. La consommation d’électricité, le coût actuel de la vapeur ou de l’énergie thermique, le coût d’élimination des eaux usées, la valeur économique de l’eau récupérée, la durée d’exploitation, le besoin de maintenance et le taux de récupération d’eau ciblé doivent être évalués ensemble.

Une sélection incorrecte des équipements dans les systèmes MVR peut entraîner l’arrêt de l’ensemble du processus, et pas seulement une perte d’énergie. Pour la caractérisation des eaux usées spécifiques à votre installation, les calculs thermodynamiques et la sélection précise du ventilateur radial MVR, contactez immédiatement l’équipe d’ingénierie experte d’Efsan Contact’’s.