Adoucissement ou correction de la
dureté.
Remarques préliminaires.
Rappel :
Lorsque l'eau est utilisée en distribution ou pour le
refroidissement d'unités diverses, la moindre
élévation de température provoque la
décomposition de ces sels avec une formation, en particulier,
de carbonate de calcium insoluble, générateur de
dépôts, d'entartrage et finalement d'obstruction des
tuyauteries.
En chaudière, dans le cas d'un traitement de l'eau
d'alimentation par simple adoucissement, les bicarbonates de sodium
de l'eau permutée se décomposent en carbonate et en
hydroxyde, d'où l'augmentation très rapide de
l'alcalinité et par suite des purges de
déconcentration, formation considérable d'une
quantité d'acide carbonique qui attaque tous les circuits de
vapeur et d'eau condensée, provoquant leur mise hors d'usage
au bout d'un très bref laps de temps.
A noter :
L'adoucissement concerne la réduction des duretés
carbonatées et non carbonatées.
Selon le procédé utilisé, nous aurons donc :
- une diminution de la dureté totale (TH) et du TAC (exprimant principalement les carbonates et bicarbonates),
- une diminution des sels de calcium et de magnésium (diminution du TH, le TAC ne changeant pas).
Les différents procédés d'abaissement des duretés sont :
Il ne sera question dans ces pages, que des
procédés par précipitation (par
décarbonatation) et d'échanges d'ions (adoucisseurs)
qui sont à l'heure actuelle les plus fiables et /ou
économiques, et traités dans le logiciel
Equilwin
Adoucissement par
décarbonatation -
Réduction de la dureté
carbonatée (TH et TAC)
Principe du traitement à la
chaux
(avec la soude raccourci> ici)
L'introduction de chaux éteinte Ca[OH]2,
entraîne les réactions simultanées :
(précipitation sous forme de carbonate de calcium
CaCO3)
- Réduction de la dureté carbonatée calcique :
A noter que la réduction de la dureté carbonatée magnésienne (TH Mg) n'est réalisable uniquement qu' à pH > 9,5.
Cette réaction peut se poursuivre jusqu'à un
degré TAC (ou TH) résiduel de 1,5°F .
Mais aussi,
- Neutralisation du CO2 libre :
- Ca[OH]2 (74 mg) + 2CO2 (88 mg) >>> Ca(HCO3)2 (162 mg ou 10°F)
(soit, 0.84 mg Ca[OH]2 utilisée par mg de CO2 neutralisé)
La quantité totale de réactif nécessaire est donc (en produit pur 100%) :
avec, CO2 en mg/l et duretés en °F, et D
correspondant à l'écart entre les valeurs
initiales et finales.
A noter l'évolution du TAC au cours de la réaction
:
avec, TAC et THCa en °F, CO2 libre en mg/l.
Lorsque la décarbonatation et l'adoucissement maximaux sont
atteints, on a TAC = 2 TA.
Le tableau ci-après rappelle les quantités théoriques et pratiques de réactif nécessaires, ainsi que le poids de carbonate formé (sans tenir compte du CO2 libre) :
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En pratique et en première approche, on peut utiliser la formule suivante :
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Principe de la
décarbonatation à la soude :
(nous avons les réactions successives suivantes)
(1) > précipitation de carbonate de calcium CaCO3 et formation de carbonate de sodium.
Na2CO3 (106 mg) + Ca[HCO3]2 >>> CaCO3 (100 mg ou 10°F) + 2 NaHCO3 (84x2=168 mg ou 10°F)
(2) > précipitation de
carbonate de calcium CaCO3 et formation de bicarbonate
(hydrogènocarbonate) de sodium.
Nota : le carbonate de sodium Na2CO3
formé, peut aussi réagir sur la dureté
permanente suivant les réactions ci-dessous (toutefois
seulement à pH élevé) :
Et aussi, il y a neutralisation du CO2 libre :
(soit, 0.91 mg NaOH utilisée par mg de CO2 neutralisé)
Taux de soude théorique pour adoucir.
( par rapport aux réactions (1)
et (2) )
Pour une mole de NaOH on élimine :
- 1 mole de Ca2+
- 2 moles de HCO3-
- on forme 1 mole de CO32-
et si l'on raisonne en milliéquivalents, il y a donc diminution de 2° TH pour 1° TAC.
Pour précipiter 1°F de Ca, il faut donc 0,1
mmole/l de NaOH soit 4 mg/l de soude pure 100%.
D'autre part la soude injectée neutralise le CO2
libre présent dans l'eau :
Pour neutraliser 1 mg de CO2 libre, il faut 0.91 (40/44) mg de soude (pure 100%).
On en déduit l'expression théorique du taux de soude total à appliquer (g/m3) :
avec, THCa en °F et CO2 en mg/l.
A noter l'évolution du TAC au cours de la réaction
:
avec, TAC et THCa en °F, CO2 libre en mg/l.
Le tableau ci-après rappelle les quantités
théoriques et pratiques de réactif nécessaires,
ainsi que le poids de carbonate formé
(sans tenir compte du CO2 libre)
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En pratique et en première approche, on peut utiliser la formule suivante :
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La phase d'épuisement (production) sera suivie d'une phase de régénération, soit
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NOTA :
Les capacités totales des résines sont de
l'ordre de 2 équivalents par litres de résine
(10 000°F/l).
Les capacités utiles sont fonction du sens
et du taux de régénération
employés et de l'analyse de l'eau à traiter.
Les fuites ioniques sont également fonction des
éléments de l'eau à traiter et des
quantités de régénérant.
A noter que la régénération à
contre-courant du sens d'épuisement permet un gain
substantiel en capacité et en fuite de dureté.
(exemple donné : Résine HP 111E (Imac HP de Rohm & HAAS), remplacé par HP1110 Na ).
Facteur de correction C
(fonction de la dureté totale)
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Exemples de fuites ioniques, en fonction des
taux de régénération, du sens de celle-ci (co ou
contre-courant), de la salinité totale et de la teneur en
sodium
(facteurs de correction A & B)
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La fuite moyenne est obtenue en multipliant la fuite de base (voir graphes ci-dessus) par les facteurs de correction A et B (tableaux), soit : Fuite moyenne = fuite de base x A x B
Le mode et le taux de régénération choisis permettent de déterminer au moyen des figures une capacité utile de base qu'il faut multiplier :
- par le facteur de correction C (tableau ci-dessus) pour une régénération à co-courant
- par les facteurs de correction C et D (tableaux) pour une régénération à contre-courant.
donc : Capacité utile = cap. utile de base x C x D
Données :
Résultats :
- Capacité utile (pour le taux et le sens de
régénération choisi) : 1,2 x 0,95 (C) x 1,0 (D)
= 1,140 eq/litre de résine R , ou 1140 meq/l R (5 700
°F/litre R),
- Fuite moyenne (en sortie de l'échangeur) : 0,010 x 1,9 (A) x
1(B) = 0,019 meq/l (ou 0,095 °F),
- Calcul d'un by-pass de l'eau brute (partie du débit non
traitée) :
Débit eau traitée (m3/h) :
soit,
Débit total d'eau traitée :
50 x (40 - 12)
= 35,083, arrondi à 35,1 m3/h (soit, 70,2 % du débit total)
(40 - 0.095)
Débit total de by-pass (eau brute dérivée donc non traitée) :
(débit total de production - débit d'eau traitée)
50 - 35,1 = 14,9 m3/h (soit, 29,8 % du débit total).
Volume de résine (VR) :
Nota : si l'on prend comme base, une
régénération pour un cycle de production
d'eau traitée de 20 heures, nous obtenons un volume
d'eau traitée de 702 m3 par cycle (35,1 m3/h x
20) ou 702 000 litres.
avec D dureté = (dureté entrée - dureté en sortie), VR en litres
soit,
VR = [35,1 x 20 x 1000 x (40-0,095)] / 5700 = 4914,62 litres
> 4 915 litres (arrondi au litre supérieur), ou 4,915 m3
NB - ions échangés (eau
brute>résine) = (40-0,095), en °F = 39,905 ou en meq :
(8-0,019) = 7,981 meq/l
et ions totaux à fixer (pendant un cycle) = (7,981 x 702), en
equivalents = 5602,662 eq.
A noter que la charge volumique (production d'eau
traitée) sera de 7,14 V/V
(35,1/4,915)
[Vol eau (m3/h) /Vol R]
Analyse de l'eau en sortie d'échangeur :
Nota : nous pouvons constater que ce traitement à
ajouté 128,8 mg/l de sodium (environ) à la teneur
existante dans l'eau de départ (10 mg/l).
Dimensionnement des échangeurs :
- si l'on choisi une hauteur de résine de 1,50 m (pour
VR=4,915 m3), on obtient une section circulaire intérieure
d'un bidon (échangeur) de 3,277 m² (4,915/1.50), et donc
un diamètre interne de 2,043 m
( racine² de [4 x 3,277 / p]
).
Choisissons (par exemple), deux bidons identiques, donc
de volume de résine (unitaire) de 2,458 m3,
soit avec une hauteur inchangée de 1,50 m, une section de
1,638 m² et un diamètre de 1,444 m (1 444 mm) pour chaque
bidon (ajouter la valeur de l'épaisseur pour les
diamètres hors-tout).
Débit : (35,1/2)= 17,55 m3/h, et
vitesse de passage [Q/S] : (17,55/1,638)= 10,71 m3/h/m²
(m/h).
Quantité totale de sel (solution de chlorure de sodium à 100 gNaCl /litre eau)
Taux = 100 g/litre de résine ou 100 kg/m3 résine, soit :
Volume total de solution (concentration à 100 gNaCl/l) = 4
915 litres de solution (4,915 m3),
soit 2 457,5 litres (2,4575 m3) de solution par bidon.
Temps de contact minimum de 30 mm > débit de régénération / bidon : (2,4575 / 30 x 60) = 4,915 m3/h
Rinçage :
Volumes de rinçage par bidon :
(à contre-courant)
- Vol/Rinçage lent : (2,4575 *2) = 4,915 m3 (2 vol. eau/vol. résine)
- Vol/Rinçage rapide : (2,4575 *3) = 7,373 m3 (3 vol/vol.)
Débit de rinçage par bidon :
- Q/Rinçage lent : identique au débit de régénération, soit 4,915 m3/h,
- Q/Rinçage rapide : identique au débit d'eau traitée, soit 17,55 m3/h.
Durée de rinçage :
- T/Rinçage lent : (60 / 4,915 x 4,915 ) = 60 mn,
- T/Rinçage rapide : (60 / 17,55 x 7,373 ) = 25,21 mn environ (0,42 heure).
Remarque finale :
Les eaux adoucies peuvent présenter un caractère
agressif et/ou corrosif ; en effet le remplacement des ions calcium
par des ions sodium, ne permet plus d'envisager un dépôt
protecteur de carbonate de calcium (couche de Tillmans) ; et par
ailleurs la présence de sulfates et/ou chlorures
accélère les tendances corrosives des eaux vis à
vis des métaux. C'est en partie pour cette raison, qu'il est
conseillé, pour les eaux de distribution (et de chauffage) de
ne pas descendre le TH en dessous de 5°F).
Contrôle du procédé :
La mesure de la dureté (TH total) est la méthode qui
permet un suivi d'une installation d'adoucissement : mesure en sortie
de bidon (fuite) et sortie de l'installation (après le
mélange des eaux).
Ci-joint un exemple de courbe de suivi :
Méthode de calcul.
Programme gratuit proposé par l'auteur : voir Programmes
informatiques >>>
AdouEI
(Adoucissement par
Echanged'Ions)
> calculs par tableur (feuille type Excel),
Nota : les calculs sont valables quel que soit le volume d'eau à adoucir, donc installation domestique ou industrielle (la connaissance des paramètres dimensionnels, physico-chimiques de l'eau et de la résine E.I. sont indispensables