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Modéliser pour optimiser l’usage de l’eau en industrie

Date de publication
16 mars 2018
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l'eau

Comment gérer l’impact économique et le risque environnemental de l’eau tout au long de votre processus industriel ? Les laboratoires vous répondent.

Pour de nombreuses entreprises, l’eau occupe une place centrale dans le processus industriel. Cependant, sa maîtrise complète représente souvent un défi considérable.

Par ailleurs, l’eau est une ressource qui se raréfie. Sa qualité est soumise à des pressions croissantes. Les investisseurs sont eux-mêmes de plus en plus sensibles à la gestion des risques environnementaux qui y sont liés.

Or, des possibilités d’optimisation des coûts – notamment par la modélisation, comme on le lira ci-dessous –  de réduction de l’exposition aux risques ou encore de développement de procédés performants existent. Le réseau LIEU organise un évènement pour vous en faire profiter.

Le 27 mars prochain, de 16h à 19h, à Gembloux (Espace Senghor), des laboratoires compétents en la matière, réunis à l’occasion de l’évènement Lab’InSight (inscrivez-vous ici) seront à votre disposition pour vous aider à trouver des solutions applicables dans votre entreprise.

Les eaux de process : utilité et défis

Les industries utilisent souvent l’eau en tant que fluide thermique dans les circuits de refroidissement, d’alimentation de chaudière ou encore pour les dilutions de produits chimiques.

On y retrouve les eaux de refroidissement, les eaux de nettoyage, les eaux de coupe, les bains de dégraissage.

Pour que ces eaux conviennent aux besoins des industriels, ces eaux doivent être « purifiées » par différentes techniques souvent mises en œuvre successivement suivant l’eau de process voulue.

Les industries paramètrent l’eau recherchée par une ou plusieurs étapes successives afin d’obtenir une eau pure qui n’endommage pas leurs installations lors de son passage. Ces traitements peuvent être physiques, chimiques, physico-chimiques ou encore biologiques.

La modélisation au service de l’industrie

Frédéric Debaste, du TIPs de l’ULB (Transferts, Interfaces et Procédés), met en valeur les atouts de la modélisation dans l’optimisation des procédés.

« Aération » de carrière pour éviter le développement de bactéries

l'eauL’industriel ayant fait appel aux compétences de l’ULB utilise une carrière comme réservoir d’eau. Tant pour les besoins ultérieurs que pour éviter des odeurs désagréables aux alentours, il est indispensable d’éviter le développement de bactéries anaérobies dans le milieu. Celles-ci se développent dans les eaux stagnantes où l’oxygène fait défaut. Vu les dimensions de la carrière, en particulier sa profondeur, l’aération spontanée de la carrière est très lente (l’oxygène de la surface diffuse très lentement vers le fond). Des développements de micro-organismes sont donc fort probables.

 

Aérer la carrière artificiellement

Pour éviter ces développements, il « suffit » donc, a priori, d’aérer le milieu artificiellement, en injectant de l’air au fond de la carrière. Plus simple à dire qu’à faire. « Cette opération, conceptuellement simple, explique Frédéric Debaste, peut cependant s’avérer fort coûteuse :

  • d’une part en investissement : il faut aller installer des distributeurs d’air au fond de la carrière par des équipes de plongeurs,
  • d’autre part, d’un point de vue opérationnel : il faut faire fonctionner en continu les pompes qui permettent d’injecter de l’air à de telles profondeurs.

Il est donc crucial d’optimiser cette injection, c’est-à-dire d’essayer d’évaluer la quantité minimale d’injecteurs à placer pour aérer la carrière. Réaliser une telle optimisation expérimentalement nécessite d’envoyer régulièrement des plongeurs pour déplacer et installer des systèmes d’injections ce qui est à nouveau fort coûteux.

Une alternative bien meilleur marché à cette approche expérimentale s’appuie sur une modélisation de l’injection d’air à l’aide de la mécanique des fluides numériques ».

Simuler le mélange de l’eau

l'eauSur base des plans de la carrière, on peut simuler la façon dont l’injection d’air met en mouvement et, donc, mélange l’eau. On peut aussi visualiser la façon dont se réparti l’oxygène transféré du gaz vers le liquide.

Une modélisation qui est loin d’être aisée car elle requiert la simulation combinée :

  • des bulles d’air,
  • de l’eau,
  • de l’interaction entre ces deux phases.

 

Elle requiert par ailleurs une puissance de calcul importante, mais qui est aujourd’hui bon marché.

« Ce type de modélisation rentre pleinement dans les compétences du service Transferts, Interfaces et Procédés, poursuit Frédéric Debaste. Nous avons donc réalisé un grand nombre de tests pour évaluer le nombre d’injecteurs minimum à placer et l’endroit idéal où ils devraient se situer pour assurer que de l’oxygène reste disponible partout dans la carrière. L’approche de modélisation nous a permis de tester des centaines de scénarios différents en quelques mois, ce qui aurait représenté des années d’expériences et des coûts de plusieurs millions d’euros ».

Modélisation de l’ozonation pour prédire la capacité à respecter une nouvelle norme

l'eauUn autre industriel ayant fait appel aux services de l’ULB utilise, lui, une technique d’ozonation pour traiter son eau et ainsi respecter les normes environnementales en vigueur. Il apparait cependant que sur impulsion européenne, la norme va devenir plus restrictive. En particulier, certains micro-organismes supplémentaires vont devoir être éliminés s’ils s’avèrent être présents.

« Le partenaire industriel voulait savoir si son installation existante était capable de répondre aux exigences de la future norme et ce dans toutes les conditions pratiques (débit, température, pH,…), poursuit Frédéric Debaste. Répondre à cette question n’est pas intuitif, en particulier lorsque l’on regarde l’impact de la température. Celle-ci a en effet un impact différent sur les principaux aspects clés du procédé (transfert de l’ozone, résistance des micro-organismes,…). Cependant, il est économiquement inimaginable de tester expérimentalement complètement ne serait-ce que l’une des conditions les plus extrêmes. Cela impliquerait un risque de contamination et une mise à l’arrêt beaucoup trop longue de l’installation ».

Modélisation complète de l’opération d’ozonisation

Le service TIPs a donc proposé une modélisation complète de l’opération d’ozonation pour pouvoir simuler l’ensemble des conditions d’intérêt en s’appuyant sur un faible nombre d’expériences. Le modèle développé combine une modélisation par mécanique des fluides numériques et une modélisation cinétique.

  • La mécanique des fluides numérique permet de prédire l’écoulement de l’eau et de l’air enrichi en ozone ainsi que le transport d’ozone dans l’installation.
  • Le modèle cinétique, lui, permet d’évaluer le taux d’élimination des micro-organismes dans les conditions rencontrées localement dans l’installation d’ozonation.

 

l'eauCe modèle combiné requiert quelques données expérimentales pour l’alimenter et ainsi garantir une certaine fiabilité des résultats. En particulier, des mesures de l’écoulement dans l’installation et des mesures de mortalité des micro-organismes sont nécessaires. « L’avantage de la modélisation est que nous pouvons aller collecter ces données séparément. Ainsi les mesures relatives à l’écoulement peuvent être réalisées sur l’installation sans l’arrêter et les cinétiques de dégradation sont obtenues en laboratoire, évitant tout risque inutile de contamination ».

Avec le modèle complet, l’ensemble des conditions d’intérêts ont pu être testées. Le modèle a ainsi montré que l’installation existante était capable de répondre aux exigences de la norme à venir dans la majorité des conditions. Pour quelques conditions extrêmes, ce n’est plus le cas.

Le modèle peut cependant à nouveau être utile pour son pouvoir prédictif.

Il est ainsi possible d’évaluer quel paramètre devrait être modifié pour permettre de gérer ces situations extrêmes. Cette évaluation ne requiert pas ou peu d’essais complémentaires et permet donc au partenaire industriel de facilement chiffrer le coût de modification. Le modèle devient alors un outil d’aide à la décision. Par exemple, le modèle montre que dans certaines conditions, augmenter de 50% la concentration en ozone dans l’air injecté suffit à respecter la norme.

Cette augmentation est possible sans investissement car l’installation d’ozonation est capable de fournir cette quantité majorée d’ozone. Le seul surcoût engendré est énergétique. Mais grâce au modèle, il est possible de ne réaliser cette augmentation que quand c’est réellement nécessaire.

D’autres laboratoires à découvrir

Outre le TIPs de l’ULB et le témoignage d’un industriel (SPADEL) confronté à la gestion de l’exposition aux risques liés à l’eau dans les entreprises, le CEBEDEAU, centre d’expertise en traitement et gestion de l’eau, présentera au travers de cas concrets et de bonnes pratiques les contraintes externes réglementaires et les opportunités de diagnostic. Le réseau LIEU évoquera les opportunités de financement de projets de recherche industrielle dans ce domaine.

Durant cette journée, il sera également question :

• De l’optimisation des traitements primaires et secondaires | UCL-INMA, UMons- Control Engineering, ULB-TIPS
• Des performances des traitements tertiaires et quaternaires, innovations technologiques | ULB-TIPS (suite), ULiège-NCE
• Des traitements en cours de process : récupération et revalorisation des molécules d’intérêt | Centre d’études et de recherches des catégories agronomique, paramédicale et technique de la Haute Ecole Louvain en Hainaut (CERISIC)
• Des analyses des risques écologiques des rejets | UNamur-Laboratoire d’écologie environnementale des écosystèmes

Inscrivez-vous à cet évènement. Vous pourrez y rencontrer des laboratoires universitaires très utiles pour optimiser vos process. Vous êtes actifs dans d’autres secteurs, dans d’autres domaines? Vous recherchez des compétences externes pour appuyer vos développements? L’équipe d’InnovaTech peut vous aider à les identifier. Prenez contact avec nous.

 

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