Le rôle crucial des échangeurs thermiques à plaques dans le dessalement moderne de l'eau de mer

Les ressources mondiales en eau douce sont soumises à une pression sans précédent en raison de la croissance démographique, de l'industrialisation et du changement climatique. La désalinisation de l'eau de mer, le processus d'élimination des sels et des minéraux de l'eau de mer pour produire de l'eau potable, n'est plus une technologie de niche mais une nécessité stratégique pour les régions arides et les villes côtières du monde entier. Les deux principales familles technologiques sont les suivantes :

• Désalinisation thermique : Principalement MSF et MED, qui utilisent le changement de phase (évaporation et condensation) entraîné par la chaleur fournie de l'extérieur, généralement à partir de centrales électriques ou de la chaleur résiduelle industrielle.

• Désalinisation membranaire : Dominée par le SWRO, qui utilise des pompes à haute pression pour forcer l'eau de mer à travers des membranes semi-perméables, séparant l'eau des sels.

Un défi commun et primordial pour les deux familles est la consommation d'énergie, qui constitue 30 à 50 % du coût total de l'eau produite. Par conséquent, la maximisation de l'efficacité énergétique grâce à un transfert de chaleur et une récupération d'énergie supérieurs est l'objectif le plus important pour les ingénieurs de procédés. C'est là que l'échangeur thermique à plaques affirme sa fonction essentielle.

Dans les procédés thermiques, les PHE sont déployés dans plusieurs rôles clés, remplaçant fondamentalement les échangeurs thermiques tubulaires traditionnels (S&THX) en raison de leurs performances supérieures.

• Fonction : Il s'agit du principal point d'entrée de la chaleur. Dans les usines MED, de la vapeur basse pression ou de l'eau chaude provenant d'une source externe (par exemple, un échappement de turbine) circule d'un côté du PHE. L'eau de mer (alimentation) ou la saumure en recirculation circule de l'autre côté, absorbant la chaleur et élevant sa température à la température de saumure supérieure (TBT) souhaitée.

• Impact spécifique : Le rendement thermique élevé des PHE (températures d'approche aussi basses que 1 à 2 °C) garantit que le maximum de chaleur est extrait du fluide caloporteur. Cela réduit directement le débit de vapeur requis pour un débit d'eau donné, ce qui réduit les coûts d'exploitation et l'empreinte thermique de l'usine.

• Fonction : Dans chaque effet (MED) ou étage (MSF), la vapeur générée par l'évaporation de l'eau de mer doit être condensée pour produire du distillat d'eau douce. Ce processus de condensation préchauffe simultanément l'eau de mer d'alimentation entrante.

• Impact spécifique : Les PHE servent de condenseurs inter-effets/étages. Leur compacité permet une plus grande surface d'échange thermique dans un espace confiné, favorisant une condensation de vapeur plus efficace et un préchauffage efficace de l'alimentation. Le glissement de température — le refroidissement progressif de la vapeur en condensation — est parfaitement adapté à la capacité d'écoulement à contre-courant des PHE, maximisant la différence de température moyenne logarithmique (DTML) et la récupération de chaleur.

• Fonction : Avant d'entrer dans le réchauffeur principal ou le premier effet, l'alimentation en eau de mer subit plusieurs étapes de préchauffage en utilisant la chaleur récupérée du rejet de saumure chaude et de l'eau produite.

• Impact spécifique : Les PHE sont idéaux pour cette fonction de récupération croisée. Leur capacité à traiter plusieurs flux dans une seule unité (grâce à des configurations multi-passes ou à des conceptions de châssis sur mesure) permet une cascade thermique complexe et efficace. Cela maximise la réutilisation de l'énergie thermique de qualité inférieure au sein du système, améliorant considérablement le rapport de production (GOR) — une mesure clé de l'efficacité de la désalinisation thermique définie comme la masse de distillat produite par masse de vapeur de chauffage.

La conception spécifique des PHE confère des avantages opérationnels distincts :

• Efficacité thermique élevée et compacité : Les plaques ondulées induisent un écoulement turbulent intense même à faible vitesse, brisant les couches limites et atteignant des coefficients de transfert de chaleur 3 à 5 fois supérieurs à ceux des S&THX. Cela permet une empreinte et une utilisation de matériaux beaucoup plus petites pour la même fonction.

• Flexibilité opérationnelle et évolutivité : Les blocs de plaques peuvent être facilement ouverts pour l'inspection, le nettoyage ou le réglage de la capacité en ajoutant ou en supprimant des plaques. Cette modularité est inestimable pour s'adapter aux conditions d'alimentation variables ou pour adapter la production.

• Réduction de l'encrassement et facilité d'entretien : L'écoulement turbulent minimise l'encrassement par sédimentation. Les PHE à joints peuvent être ouverts pour un nettoyage mécanique, tandis que les conceptions brasées ou soudées avancées permettent un nettoyage chimique en place (CIP). Cela réduit les temps d'arrêt et maintient l'efficacité de la conception.

• Approche de température étroite : La capacité d'atteindre des approches de température de 1 à 2 °C est essentielle pour maximiser la récupération de chaleur dans le train de préchauffage, ce qui améliore directement l'efficacité thermodynamique globale de l'usine.

• Faible volume de rétention de liquide : Cela se traduit par des temps de démarrage plus rapides et une réponse plus rapide aux changements de charge, améliorant l'exploitabilité de l'usine.

Bien que le SWRO soit entraîné par la pression plutôt que par la chaleur, les PHE jouent deux rôles de plus en plus vitaux :

C'est sans doute l'innovation la plus importante en matière d'efficacité du SWRO au cours des deux dernières décennies.

• Fonction : Après avoir traversé les membranes RO, ~55 à 60 % de l'eau d'alimentation sous pression devient du perméat (eau douce). Les 40 à 45 % restants, maintenant une saumure concentrée, sont toujours à une pression légèrement inférieure à la pression d'alimentation (par exemple, 55 à 60 bars). Traditionnellement, cette énergie était gaspillée à travers un robinet d'étranglement.

• Impact spécifique : Les dispositifs échangeurs de pression (PX) basés sur les PHE, tels que ceux commercialisés par Energy Recovery Inc., utilisent une conception de chambre isobarique brevetée. Ils transfèrent directement la pression hydraulique du flux de saumure à haute pression à une partie de l'eau de mer d'alimentation à basse pression avec une efficacité remarquable (>96 %). Les deux flux ne se mélangent jamais. Le flux d'alimentation maintenant sous pression est ensuite amplifié à la pression finale de la membrane par une pompe de circulation plus petite et moins puissante. Cette technologie réduit la consommation d'énergie d'une grande usine SWRO jusqu'à 60 %, faisant des PHE une pierre angulaire de la conception SWRO à faible consommation d'énergie.

• Fonction : Dans les régions où les écosystèmes marins sont sensibles, la température du rejet de saumure est régulée pour minimiser la pollution thermique. De même, l'eau produite peut avoir besoin d'être refroidie avant d'entrer dans le réseau de distribution.

• Impact spécifique : Les PHE refroidissent efficacement le rejet de saumure chaude (qui gagne en température grâce aux pompes haute pression) en utilisant de l'eau de mer froide entrante. Cela atténue l'impact environnemental et peut également améliorer légèrement les performances de la membrane RO en abaissant la température d'alimentation (réduisant la viscosité).

L'eau de mer est un milieu très corrosif et encrassant. Le succès des PHE dans la désalinisation repose sur des matériaux de pointe :

• Plaques : L'acier inoxydable 316L est courant pour les applications moins agressives. Pour les applications plus chaudes et plus salines, des nuances comme l'acier 254 SMO (super austénitique), le titane (grade 1 ou 2) et les alliages de nickel (par exemple, l'alliage 254, l'alliage C-276) sont utilisés pour leur résistance exceptionnelle à la corrosion par piqûres et à la corrosion caverneuse, en particulier due aux chlorures.

• Joints : Pour les PHE à joints, des élastomères comme l'EPDM (pour l'eau chaude), le nitrile et des polymères avancés comme les conceptions encapsulées en PTFE sont sélectionnés pour leur compatibilité avec la température, la pression et la chimie de l'eau de mer.

• Types de conception : Au-delà des PHE à joints, les PHE brasés (BHE) et les PHE entièrement soudés (WHE) sont utilisés pour les applications à haute pression/température (comme les boucles de suralimentation ERD) ou lorsque la compatibilité des joints est une préoccupation, offrant des performances robustes et étanches.

L'échangeur thermique à plaques n'est pas simplement un composant d'une usine de désalinisation ; c'est un facteur fondamental de sa viabilité économique et environnementale. Dans la désalinisation thermique, ses caractéristiques de transfert de chaleur supérieures et sa flexibilité augmentent le rapport de production, conservant directement l'énergie thermique coûteuse. Dans le SWRO à membrane, son incarnation dans les dispositifs de récupération d'énergie isobarique remplit la tâche essentielle de récupérer l'énergie hydraulique, réduisant la consommation électrique — le coût d'exploitation le plus important — à des niveaux sans précédent.

L'évolution continue des PHE — grâce à des géométries de plaques avancées pour une turbulence accrue, des matériaux supérieurs résistants à la corrosion et des conceptions soudées robustes — continue de repousser les limites des performances de la désalinisation. Alors que la demande mondiale d'eau douce s'intensifie, le rôle de l'échangeur thermique à plaques pour rendre la désalinisation plus durable, abordable et efficace ne fera que croître. Sa fonction spécifique est claire : servir de système nerveux central pour le transfert et la récupération d'énergie, en veillant à ce que chaque joule possible d'énergie thermique ou hydraulique soit utilisée dans la production d'eau pure à partir de la mer.