Dans le domaine du traitement des eaux, divers types d'échangeurs d'ions sont couramment utilisés. Qu'il s'agisse d'adoucisseurs, de déminéraliseurs ou de désalcaliseurs, ils reposent tous sur le même principe de permutation des ions. Bien que leur mode de fonctionnement soit relativement simple, comprendre la manière de dimensionner ces systèmes peut parfois être complexe.
En effet, étant donné que l'échange d'ions est une méthode de traitement particulière, le calcul de la dimension nécessaire pour un échangeur d'ions requiert la prise en compte de plusieurs aspects.
Alors, comment faire pour dimensions les échangeurs d'ions ?
Pour commencer, ajuster le débit de traitement d'un échangeur d'ions se fait en modifiant le diamètre du lit de résine. Intuitivement, un réservoir avec un plus grand diamètre permettra un débit plus élevé.
Quant au débit en fonction du temps de contact nécessaire, il est ajusté en modifiant le volume de résine dans le réservoir. Plus il y aura de résine dans le réservoir, plus l’eau restera longtemps en contact avec les résines. En fonction du type de résine et de sa vitesse de traitement, la quantité de résine viendra affecter le débit permissible.
En d'autres termes, le débit est ajusté grâce au diamètre du lit de résine, tandis que le temps de contact dépend du volume de résine ou de la "profondeur" du lit de résine.
Pour comprendre le débit possible en fonction du diamètre :
Les réservoirs d'échangeurs d'ions sont constitués de plusieurs composants internes permettant le traitement de l'eau. Cependant, en ce qui concerne le débit possible, le diamètre du réservoir est l'aspect principal à prendre en compte. C'est crucial, car une augmentation de la pression aurait un impact sur la vitesse d'écoulement de l'eau dans le réservoir. Ainsi, lors du calcul du diamètre nécessaire pour atteindre un débit spécifique en gallons par minute, la vitesse de traitement de la résine est prise en compte.
Le calcul utilisé pour cette étape est le suivant :
Où :
• D est le diamètre du lit de résine de l'adoucisseur (en unités de longueur, par exemple, pouces ou centimètres).
• Q est le débit d'eau requis en gallons par minute (GPM).
• V est la vitesse de traitement de la résine (en gallons par minute par pied carré).
• π est une constante, environ égale à 3.14159.
Une vitesse de traitement de la résine adéquate est essentielle pour garantir une efficacité optimale de l'échange ionique. Une vitesse trop faible peut entraîner un contournement de la résine par l'eau (chemin préférentiel), tandis qu'une vitesse trop élevée peut réduire le temps de contact entre l'eau et la résine, compromettant ainsi l'efficacité de l'échange ionique. De façon générale, les résines offrent des débits permissible alternant entre 1 et 4 GPM par pieds carrés.
Prenons un exemple concret : supposons un débit d'eau requis de 10 gallons par minute (GPM) et une vitesse de traitement de la résine de 5 gallons par minute par pied carré (GPM/ft²). Appliquons ces valeurs à la formule pour trouver le diamètre du lit de résine :
Dans ce cas, le diamètre du réservoir devrait être d'au moins 1.59 pied pour permettre le débit nécessaire.
Petite note avant d’aller plus loin, la vitesse de traitement des résines est généralement un intervalle. Puisque le calcul ne prend pas ça en compte, certaines disparités peuvent apparaitre. Par exemple, dans cette situation, nous suggèrerions un réservoir de 18 pouces de diamètre.
Comprendre le débit possible en fonction du temps de contact et le nombre de pi.cu de résine
Le débit doit être également ajusté en fonction de la quantité de résine et des niveaux de contaminants dans l'eau, en raison du temps de contact nécessaire pour que la résine permette ces contaminants. Il est a noté que le temps de contact varie selon de nombreux facteurs, mais de façon générale le débit optimal par pied cube de résine est généralement autour de 3 gallons par minute (GPM).
Ensuite, considérons la capacité de traitement de la résine, généralement mesurée en grains par pied cube. Les principales catégories de résines comprennent les résines anioniques, cationiques et à lit mixte, chacune ayant une capacité moyenne de traitement différente.
- Résine anionique : 20 000 à 25 000 grains par pied cube
- Résines cationiques : 20 000 à 25 000 grains par pied cube
- Résines à lit mélangées : 10 000 à 15 000 grains par pied cube
Normalement, au lieu de parler de 20 000 grains, on utilisera l’expression KGR pour définir des kilograin. On dirait donc 20 KGR.
Calcule :
Prenons un exemple concret : si une résine cationique a une capacité de permutation de 24 000 grains par pied cube de résine, cela signifie qu'elle peut échanger 24 000 ions positifs par pied cube avant d'être saturée.
Maintenant, si l'eau à traiter contient 10 grains par gallon (gpg) de CaCO3 (carbonate de calcium), nous devons d'abord convertir cette mesure en grains par pied cube (gpc).
1 gallon d'eau = 7,48 pieds cubes d'eau (environ)
Donc, 10 gpg * 7,48 = 74,8 grains par pied cube (gpc) de CaCO3.
Maintenant, si la capacité de permutation de la résine cationique est de 24 000 grains par pied cube, nous divisons ce nombre par la quantité de grains par pied cube de CaCO3 pour obtenir le volume d'eau que la résine peut traiter avant d'être saturée :
- Capacité de permutation de la résine / Grains par pied cube d'ions dans l'eau = Volume d'eau traité
Donc, 24 000 grains par pied cube de résine / 74,8 grains par pied cube = environ 320 pieds cubes d'eau traités avant saturation.
Cela signifie que pour chaque pied cube de résine, un échangeur d’ions peut traiter environ 320 pieds cubes d'eau avec une dureté de 10 gpg de CaCO3 avant d'avoir besoin d'être régénéré. Cela équivaut à environ 2393,77 gallons d’eau.
La capacité de traitement
Il est important de préciser que l’augmentation du nombre de pieds cubes de résine est généralement effectuée dans l’optique d’étaler les intervalles entre les régénérations. Pour reprendre l’exemple précédent, un échangeur d’ions ayant 1 pied cube de résine devrait être régénéré à tous les 2393,77 gallons d’eau traitée. En augmentant le nombre de pieds cube à 2, on devrait régénérer à tous les 4787,2 gallons d’eau traitée.
Mise en situation :
En réutilisant les exemples utilisés ci-haut, voici une petite mise en situation. Après avoir au préalable testé votre eau et défini vos besoins en eau traitée, vous avez besoin des caractéristiques suivantes :
- 10 GPM à raison de 8 heures par jour
- Vous devez extraire 10 GPG de cation ou d’anion.
À 10 gallons par minute pendant 8 heures par jour, cela équivaut à 14 400 gallons d’eau par jour.
(10 gallons x 60 minutes) x 8 heures
Pour éviter une régénération toutes les 76,8 minutes, on va augmenter la quantité de résine présente dans le réservoir.
2393 gallons (capacités) / 14 400 gallons (demande)= 0,16
8 heures = 480 minutes
0.16 x 480 = 76.8 minutes
Pour être optimal, dans ce système, il faudrait 5 pieds cubes de résine. Ce qui permettrait de traiter environ 12 000 gallons d’eau. La régénération s’effectuerait donc une fois par jour.
En résumé, pour atteindre 10 gallons par minute en extractant 10 gpg de CaCo3, un système de 18 pouces de diamètre avec 5 pieds cubes de résine serait optimal.
La relation entre GPM par pieds carré et GPM par pieds cube.
La relation entre le débit en gallons par minute par pied carré (GPM/ft²) et le débit en gallons par minute par pied cube de résine (GPM/ft³) est essentielle dans la planification et l'optimisation des systèmes d'échange d'ions. En plus des caractéristiques mentionnées précédemment, il est crucial de considérer cette relation pour éviter des problèmes tels que la rupture de la résine.
En effet, lorsque la couche de résine est trop épaisse ou si la différence de pression (Delta P) augmente de manière significative, les billes de résine peuvent se fissurer. Pour simplifier, une règle générale est suivie : à quelques exceptions près où une épaisseur allant jusqu'à 60 pouces est tolérée, les lits de résine ne devraient pas dépasser une épaisseur de 48 pouces. En général, les épaisseurs de lit de résine se situent entre 36 et 48 pouces.
Conclusion:
Comme l’expression le dit si bien, ceci n’est que la pointe de l’iceberg. Après avoir bien dimensionné le système, il importe de calculer les quantités de régénérant nécessaires puisque celui-ci peut être dispendieux à long terme. Ensuite viennent les types de résines, même si on parle de résines à lit mixte, de résine cationique et de résine anionique, il existe des panoplies de résines offrant différentes capacités de traitement. On peut notamment penser à une meilleure vitesse de traitement, une capacité en grain plus élevé, un accent sur certains contaminants récalcitrants, des capacités particulières, des utilisations spécifiques, etc.
Bref, ces calculs peuvent vous aider à dimensionner le système dont vous avez besoin et à préparer vos attentes, mais d’autres aspects doivent être envisagés. Sans oublier que ces calculs peuvent être complexes à effectuer.
C’est pourquoi, même si nous préférons vous mettre cartes sur table, nous vous suggérons toujours de faire appel aux experts Durpro pour avoir un système qui répond réellement à vos besoins .