Déminéralisateurs

But des déminéralisateurs
Les impuretés dissoutes dans les systèmes de fluides des centrales électriques génèrent des problèmes de corrosion et diminuent efficacité due aux surfaces de transfert de chaleur encrassées. La déminéralisation de l’eau est l’une des plus méthodes pratiques et courantes disponibles pour éliminer ces impuretés dissoutes.

Dans l’usine, des déminéralisateurs (également appelés échangeurs d’ions) sont utilisés pour contenir des résines échangeuses d’ions et transporter l’eau à travers eux. Les échangeurs d’ions sont généralement classés en deux groupes : lit simple échangeurs d’ions et échangeurs d’ions à lit mixte.

Déminéralisateurs
Un déminéralisateur est essentiellement un réservoir cylindrique avec des raccords en haut pour l’arrivée d’eau et ajout de résine, et raccords en bas pour la sortie d’eau. La résine peut généralement être changé par une connexion au fond du réservoir. Les billes de résine sont conservées dans le déminéralisateur par éléments de rétention supérieurs et inférieurs, qui sont des crépines à mailles plus petit que les billes de résine. L’eau à purifier entre par le haut à un débit défini et s’écoule à travers les perles de résine, où le chemin d’écoulement provoque un effet de filtre physique ainsi qu’un échange chimique d’ions.

Déminéralisateurs à lit unique
Un déminéralisateur à lit unique contient des billes de résine cationique ou anionique. Dans la plupart des cas, il y a deux échangeurs d’ions à lit unique en série ; le premier est un lit de cations et le second est un lit d’anions. Les impuretés dans l’eau de l’usine sont remplacées par des ions hydrogène dans le lit cationique et des ions hydroxyle dans le lit d’anions. Les ions hydrogène et les ions hydroxyle se combinent alors pour former de l’eau pure.
Le Manuel de chimie, Module 4, Principes du traitement de l’eau, traite de la chimie des déminéralisateurs plus en détail.

La figure 13 illustre un déminéralisateur à lit unique. Lors de l’utilisation, l’eau s’écoule par l’entrée à un distributeur en haut du réservoir. L’eau coule à travers le lit de résine et sort par la sortie. Un écran de support au fond empêche la résine d’être expulsée de le réservoir du déminéralisateur.


Figure 13 Déminéralisateur à lit unique

Régénération à lit unique
La régénération d’un échangeur d’ions à lit unique est un processus en trois étapes. La première étape est un lavage à contre-courant, dans lequel l’eau est pompée dans le fond de l’échangeur d’ions et à travers la résine. Cela peluche la résine et lave toutes les particules entraînées. L’eau de lavage à contre-courant sort par la tuyauterie de distribution d’entrée normale en haut du réservoir, mais les vannes sont réglées pour diriger le flux vers un drain afin que les particules de lavage à contre-courant puissent être pompées vers un conteneur pour l’élimination des déchets.

La deuxième étape est l’étape de régénération proprement dite, qui utilise une solution acide pour les unités cationiques et une solution caustique pour les unités anioniques. L’acide ou la soude caustique concentrée est diluée à environ 10 % avec de l’eau en ouvrant la vanne d’eau de dilution, puis est introduite par un système de distribution immédiatement au-dessus du lit de résine. La solution de régénération s’écoule à travers la résine et sort du fond du réservoir vers le drain de déchets.

La dernière étape est un processus de rinçage, qui élimine tout excès de solution régénérante. L’eau est pompée dans le haut du réservoir, s’écoule à travers le lit de résine et sort par le drain inférieur.

Pour remettre l’échangeur d’ions en service, la vanne de vidange est fermée, la vanne de sortie est ouverte et l’échangeur d’ions est prêt à fonctionner.

Les déminéralisateurs à lit unique sont généralement régénérés « sur place ». Les résines ne sont pas pompées vers un autre emplacement pour régénération. Le processus de régénération est le même pour les lits cationiques et pour les lits anioniques ; seule la solution de régénération est différente. Il est important de réaliser que si l’échangeur d’ions a été exposé à des matières radioactives, les solutions de lavage à contre-courant, de régénération et de rinçage peuvent être hautement radioactives et doivent être traitées comme des déchets radioactifs.

Déminéralisateur à lit mixte
Un déminéralisateur à lit mixte est un déminéralisateur dans lequel les billes de résine cationique et anionique sont mélangées. En effet, cela équivaut à plusieurs déminéralisateurs à deux étages en série. Dans un déminéralisateur à lit mixte, davantage d’impuretés sont remplacées par des ions hydrogène et hydroxyle, et l’eau produite est extrêmement pure. La conductivité de cette eau peut souvent être inférieure à 0,06 micromhos par centimètre.

Régénération en lit mixte
Le déminéralisateur à lit mixte illustré à la figure 14 est conçu pour être régénéré sur place, mais le processus est plus compliqué que la régénération d’un échangeur d’ions à lit unique. Les étapes de la régénération sont illustrées à la figure 14.

La figure 14a montre l’échangeur d’ions à lit mixte en mode de fonctionnement ou en ligne. L’eau entre par un collecteur de distribution en haut et sort par la conduite en bas du récipient. La régénération entraîne une augmentation de la conductivité électrique de l’eau effluente.

La première étape de régénération est le lavage à contre-courant, comme le montre la figure 14b. Comme dans une unité à lit simple, l’eau de lavage à contre-courant entre dans le récipient par le bas et sort par le haut vers un drain. En plus de laver les particules entraînées, l’eau de lavage à contre-courant dans une unité à lit mixte doit également séparer les résines en lits cationiques et anioniques. La résine anionique a une densité plus faible que la résine cationique ; par conséquent, lorsque l’eau s’écoule à travers le lit, les perles de résine anionique plus légères flottent vers le haut. Ainsi, le lit mélangé devient un lit divisé. La ligne de séparation entre le lit d’anions en haut et le lit de cations en bas s’appelle l’interface de résine. Certaines résines ne peuvent être séparées que lorsqu’elles sont à l’état appauvri ; d’autres résines se séparent sous forme appauvrie ou sous forme régénérée.

L’étape de régénération réelle est représentée sur la figure 14c. L’eau de dilution est mélangée à une solution caustique et introduite en haut de la cuve, juste au-dessus du lit d’anions. Dans le même temps, l’eau de dilution est mélangée à de l’acide et introduite en fond de cuve, sous le lit cationique. Le débit de la solution caustique jusqu’à l’interface résine est le même que le débit de la solution acide jusqu’à l’interface résine. Les deux solutions sont retirées à l’interface et déversées dans un drain.



Figure 14 Régénération d’un déminéralisateur à lit mixte

Lors de l’étape de régénération, il est important de maintenir les résines cationiques et anioniques à leur volume approprié. Si cela n’est pas fait, l’interface de résine ne se produira pas au bon endroit dans le récipient et une partie de la résine sera exposée à la mauvaise solution de régénération. Il est également important de réaliser que si l’échangeur d’ions a été impliqué dans des matières radioactives, les solutions de lavage à contre-courant et de régénération peuvent être hautement radioactives et doivent être traitées comme des déchets radioactifs liquides.

L’étape suivante est l’étape de rinçage lent, représentée sur la figure 14d, dans laquelle le flux d’eau de dilution est poursuivi, mais les alimentations en caustique et en acide sont coupées. Lors de ce rinçage bidirectionnel, les dernières solutions régénérantes sont chassées hors des deux lits et dans le drain d’interface.

Le rinçage dans deux directions à des débits égaux empêche la solution caustique de s’écouler dans la résine cationique et de l’épuiser.

Dans l’étape de ventilation et de vidange partielle, illustrée à la figure 14e, la vanne de vidange est ouverte et une partie de l’eau est évacuée du récipient afin qu’il y ait de l’espace pour l’air nécessaire pour remélanger les résines. Dans l’étape de mélange d’air, (Figure 14f) l’air est généralement fourni par un ventilateur, qui force l’air à travers la ligne entrant dans le bas de l’échangeur d’ions. L’air mélange les perles de résine puis sort par l’évent situé au sommet du récipient. Lorsque la résine est mélangée, elle est mise en place en vidant lentement l’eau du drain d’interface pendant que le mélange d’air continue.

Dans l’étape de rinçage finale, représentée sur la figure 14g, l’air est coupé et le récipient est rempli d’eau qui est pompée par le haut. La résine est rincée par de l’eau courante à travers le récipient de haut en bas et hors du drain, jusqu’à ce qu’une lecture de faible conductivité indique que l’échangeur d’ions est prêt à être remis en service.

Régénération externe
Certains déminéralisateurs à lit mixte sont conçus pour être régénérés de manière externe, les résines étant retirées de la cuve, régénérées puis remplacées. Avec ce type de déminéralisateur, la première étape consiste à évacuer le lit mélangé avec de l’eau (parfois assistée par une pression d’air) vers un réservoir de cations dans une installation de régénération. Les résines sont lavées à contre-courant dans ce réservoir pour éliminer les solides en suspension et séparer les résines. Les résines anioniques sont ensuite acheminées vers un réservoir d’anions. Les deux lots de résines séparées sont régénérés par les mêmes techniques utilisées pour les échangeurs d’ions à lit unique. Ils sont ensuite évacués dans un réservoir de rétention où l’air est utilisé pour les remélanger. Les résines mélangées et régénérées sont ensuite renvoyées vers le déminéralisateur.

La régénération externe est généralement utilisée pour les groupes de déminéralisateurs de condensat. Le fait d’avoir une installation de régénération centrale réduit la complexité et le coût d’installation de plusieurs déminéralisateurs.

La régénération externe permet également de conserver un lit de réserve de résines dans un bac de rétention. Ensuite, lorsqu’un déminéralisateur doit être régénéré, il n’est hors service que pendant le temps nécessaire pour évacuer le lit appauvri et évacuer un lit frais à partir du réservoir de rétention. Une installation de régénération centrale peut également comprendre un nettoyeur à ultrasons qui peut éliminer le revêtement fortement adhérent de saleté ou d’oxyde de fer qui se forme souvent sur les billes de résine. Ce nettoyage par ultrasons réduit le besoin de régénération chimique.

Résumé des déminéralisateurs

La déminéralisation de l’eau est l’une des méthodes les plus pratiques et les plus courantes utilisées pour éliminer les contaminants dissous. Les impuretés dissoutes dans les systèmes de fluides des centrales électriques peuvent générer des problèmes de corrosion et réduire l’efficacité en raison de surfaces de transfert de chaleur encrassées. Les déminéralisateurs (également appelés échangeurs d’ions) sont utilisés pour maintenir les résines échangeuses d’ions et transporter l’eau à travers elles. Les échangeurs d’ions sont généralement classés
en deux groupes : les échangeurs d’ions à lit unique et les échangeurs d’ions à lit mixte.

Un déminéralisateur est essentiellement un réservoir cylindrique avec des raccords en haut pour l’arrivée d’eau et l’ajout de résine, et des raccords en bas pour la sortie d’eau. La résine peut généralement être changée par une connexion au fond du réservoir. Les billes de résine sont maintenues dans le déminéralisateur par des éléments de rétention supérieurs et inférieurs, qui sont des crépines dont la taille des mailles est inférieure aux billes de résine.

L’eau à purifier entre par le haut à un débit défini, s’écoule à travers les billes de résine où le chemin d’écoulement provoque un effet de filtre physique ainsi qu’un échange d’ions chimique. La chimie de l’échange de résine est expliquée en détail dans le Chemistry Fundamentals Handbook.

Il existe deux types de déminéralisateurs, à lit simple et à lit mixte.
Les déminéralisateurs à lit unique ont une résine de sites d’échange de cations ou d’anions. Les déminéralisateurs à lit mixte contiennent à la fois de la résine anionique et cationique.

Tous les déminéralisateurs finiront par être épuisés par l’utilisation. Pour régénérer la résine et augmenter l’efficacité du déminéralisateur, les déminéralisateurs sont régénérés. Le processus de régénération est légèrement différent pour un déminéralisateur à lit mixte par rapport au déminéralisateur à lit simple. Les deux méthodes ont été expliquées dans ce chapitre.

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