FST PFE

Année Universitaire : 2009-2010

Pour l’obtention du Diplôme d’Ingénieur d’Etat :

Présenté par :

Kamal NASSEREDDINE

Soutenu publiquement le 22 juin 2010 devant les membres de Jury :

Economie de l’eau de procédé àPMP

(Pakistan Maroc Phosphore)

II

Remerciements

Au terme de ce travail, je tiens à exprimer mes vifs remerciements à La direction dePakistan Maroc Phosphore (PMP) pour son accueil.Ce stage s’est déroulé sous le parrainage de Monsieur Mohammed KOUIS, Ingénieur etChef de service sulfurique et utilités de Pakistan Maroc Phosphore, que je remercievivement pour sa disponibilité, ses précieux conseils et ses encouragements permanentstout au long de ma période de stage.Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Monsieur Abellatif CHEIKH, Ingénieur Docteuret Chef de division de production à Pakistan Maroc Phosphore, pour son accueil, sadisponibilité et ses précieux conseils.Mes remerciements s’adressent également à Monsieur Aziz AMINE, mon parrain destage à l’établissement pour sa disponibilité, l’aide précieuse et les conseils qu’il m’adonné pendant l’élaboration de mon PFE.J’exprime également ma gratitude à M. Kamal KHAMLACH, M. Mohammed ELHATTAB,M. Youssef KHALFAOUI, M.Youssef ELAMRANI, M. Radouane JEDBAOUI, M. ASSIMI, M.Hicham KARIM, M. Fakhreddine ELHAMI, les agents de la salle de contrôle sulfurique etphosphorique de PMP ainsi que les agents du laboratoire CERPHOS pour leurdisponibilité, les informations qu’ils m’ont donné et leur aide.Enfin, que toute personne ayant contribué de près ou de loin à la réalisation de cetravail, trouver ici l’expression de mon profond respect et gratitude.

Kamal NASSEREDDINE

III

Glossaire & Abréviations

ACP : acide phosphoriqueCAP : unité de concentration de l’acide phosphorique 28% en acide concentré de titre54%.Conditionnement des eaux : c’est un procédé par lequel les eaux d’alimentation de lachaudière de production de vapeur subissent un traitement de réglage de pH,d’élimination de l’oxygène dissoute et l’élimination des traces de sels responsables del’entartrage.Contournement : c’est un système de sécurité dans la centrale à vapeur sert à détendreet désurchauffer la vapeur HP en cas d’arrêt à l’improviste de la turbine à vapeur, cesystème comporte principalement une vanne de détente (de 60 bar à 4,5 bar) et unevanne d’injection d’eau pour abaisser la température (de 400°C à 260°C).Cuve d’attaque : réacteur polyphasique dont les réactifs sont, l’acide sulfurique, l’eau etle phosphate brut.Eaux alimentaires : c’est une eau désilicée (déminéralisée avec élimination poussée dela silice par une résine anionique forte), conditionnée (ajout de réactifs) et préchaufféedestinée à l’alimentation de la chaudière sulfurique.NORIA : il s’agit d’un circuit fermé d’eau de refroidissement de certains équipements etcourants chauds. Ce circuit dispose de deux pompes de refoulement de grandepuissance, d’un ballon d’appoint et d’un réfrigérant à eau de mer.PAP : Phosphoric Acid Plant ou Atelier phosphorique comporte 4 grandes étapes detransformation des phosphates brutes en acide phosphorique, préparation de la boue,attaque dans le réacteur, filtration et enfin concentration.PMP : Pakistan Maroc Phosphore, c’est une filiale du Groupe OCP dont le capital estdivisé en 50% pour l’OCP et 50% pour le groupe pakistanais Fauji.SAP : Sulfuric Acid Plant ou Atelier sulfurique de production de l’acide sulfurique.TED : Unité de traitement des eaux dont les produits principaux sont l’eaudéminéralisée et l’eau potableTraçage de souffre : un procédé avec lequel le souffre est maintenu à l’état liquide dansson transport et son stockage à l’usine.Turbosoufflante : Une turbine à vapeur sert à faire tourner un ventilateur de grandepuissance qui permet d’aspirer le débit d’air nécessaire à la combustion du souffre.

IV

Table des matièresIntroduction…………………………………………………………………………………………………………XIProblématique et contexte du projet………………………………………………………………………..XII

Chapitre I : Présentation de la société et description des ateliers de l’usineI. Présentation de PMP ............................................................................................................................ 2II. Description des procédés de fabrication au sein de PMP ...................................................... 41. Atelier sulfurique ............................................................................................................................... 41.1. Combustion..................................................................................................................................41.2. Conversion ...................................................................................................................................41.3. Absorption....................................................................................................................................51.4. Circuit eaux de l’atelier sulfurique...................................................................................... 52. Atelier utilités ......................................................................................................................................72.1. Unité de traitement des eaux douces (TED) ...................................................................72.2. Centrale à vapeur....................................................................................................................... 83. Atelier phosphorique..................................................................................................................... 113.1. Principe générale.................................................................................................................... 113.2. Section manutention et broyage du phosphate.......................................................... 113.3. Section attaque....................................................................................................................... 113.4. Section filtration ..................................................................................................................... 133.5. Concentration de l’acide ...................................................................................................... 13Chapitre II : Partie ProjetI. Collecte des données de bases........................................................................................................ 141. Usage des eaux dans l’usine PMP.............................................................................................. 142. Qualité des différents types d’eau (hors eaux de mer)..................................................... 142.1. Eaux douces ou brutes.......................................................................................................... 142.2. Eaux déminéralisées (désilicées) ..................................................................................... 142.3. Eaux alimentaires................................................................................................................... 153. Bilans de masse (eaux douces & déminéralisée) ................................................................ 153.1. Bilans globaux.......................................................................................................................... 153.1.1. Atelier sulfurique (SAP) .............................................................................................. 153.1.2. Centrale à vapeur........................................................................................................... 153.1.3. Unité de traitement des eaux de procédé (TED) .............................................. 163.1.4. Atelier Phosphorique (PAP) ...................................................................................... 17

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4. Identification des pertes (quantité et qualité), sources de pertes………………………194.1. Etude quantitative.................................................................................................................. 204.1.1. Débits totaux.................................................................................................................... 204.1.2. Débits partiels des rejets ............................................................................................ 214.1.2.1. Atelier sulfurique ...................................................................................................... 214.1.2.2. Centrale à vapeur ...................................................................................................... 214.1.2.3. Unité de traitement des eaux................................................................................ 214.1.2.4. Atelier phosphorique............................................................................................... 214.2. Etude qualitative..................................................................................................................... 224.2.1. Rejets de l’atelier sulfurique...................................................................................... 224.2.2. Rejets de la centrale à vapeur ................................................................................... 224.2.3. Rejets de l’unité de traitement des eaux............................................................... 224.2.4. Rejets de l’atelier phosphorique .............................................................................. 22II. Solutions proposées.............................................................................................................................. 241. Actions à la source pour limiter les pertes............................................................................ 241.1. Identification du nombre de purgeurs automatiques à caractère défaillant .. 241.2. Gestion du bac à effluents phosphorique…………………………………………………....242. Actions en aval pour récupérer les rejets. ............................................................................. 242.1. Récupération des rejets de l’atelier sulfurique et de la centrale à vapeur....... 242.2. Etude de la faisabilité technique de la proposition ................................................... 272.2.1. Conception et dimensionnement des différents appareillages ................... 272.2.1.1. Filtre du condensat de traçage de soufre......................................................... 272.2.1.1.1. Support métallique du filtre............................................................................ 272.2.1.1.2. La cartouche du filtre......................................................................................... 282.2.1.2. Dimensionnement du réfrigérant des eaux collectées .............................. 282.2.1.2.1. 1er choix : Echangeur à tube de faisceau et calandre ........................... 282.2.1.2.2. 2ème choix : Echangeur à plaques .............................................................. 302.2.1.3. Dimensionnement de l’aérocondenseur .......................................................... 302.2.1.4. Dimensionnement des fosses ............................................................................... 312.2.1.4.1. Fosse sulfurique................................................................................................... 312.2.1.4.2. Fosse centrale à vapeur .................................................................................... 332.2.1.5. Tuyauterie et pertes de charges .......................................................................... 332.2.1.5.1. Tuyauterie.............................................................................................................. 332.2.1.5.2. Pertes de charges ................................................................................................ 342.2.1.6. Dimensionnement des pompes........................................................................... 342.2.1.6.1. Calcul de la HMT de chaque pompe ............................................................. 342.2.1.6.2. Calcul de la puissance hydraulique utile.................................................... 342.3. Récupération des effluents de l’unité de traitement des eaux douces .............. 35III. Etude économique……………………………………………………………………………………………....361. Evaluation des gains directs des actions proposées .............................................................. 36

VI

1.1. Gains des actions à la source .................................................................................................. 361.2. Gains des actions de récupération en aval........................................................................ 362. Evaluation du coût d’investissement ........................................................................................... 362.1. Principaux équipements .......................................................................................................... 362.1.1. Echangeurs de chaleur..................................................................................................... 362.1.1.1. Echangeur à faisceau tubulaire............................................................................ 362.1.1.2. Echangeur à plaques ................................................................................................ 382.1.2. Aérocondenseur ................................................................................................................ 392.1.3. Fosses à eaux ...................................................................................................................... 402.1.4. Pompes .................................................................................................................................. 402.1.5. Filtre de condensat du traçage du soufre ................................................................. 412.1.6. Tuyauterie ............................................................................................................................ 413. Coût opératoire .................................................................................................................................... 434. Amortissement via les gains............................................................................................................ 44Conclusions & perspectives………………………………………………………………………………………45Références bibliographique………………………………………………………………………………………46Annexe 1………………………………………………………………………………………………………………….47Annexe 2………………………………………………………………………………………………………………….56Annexe 3………………………………………………………………………………………………………………….57Annexe 4………………………………………………………………………………………………………………….61

VII

Liste des tableaux

Tableau I.1 : Analyse physico-chimique de l’eau brute ................................................................. 14Tableau I.2 : Analyse physico-chimique de l’eau déminéralisée................................................ 14Tableau I.3 : Analyse physico-chimique de l’eau alimentaire de la chaudière sulfurique15Tableau I.4 : Débits d’entrée et de sortie en eau de l’atelier phosphorique .......................... 17Tableau I.5 : Tableau récapitulatif des bilans globaux................................................................... 19Tableau I.6 : Tableau récapitulatif des rejets des différents ateliers ....................................... 20Tableau I.7 : Qualité des eaux de rejets de l’atelier sulfurique................................................... 22Tableau I.8 : Qualité des eaux de rejets de la centrale à vapeur ................................................ 22Tableau I.9 : Qualité des eaux de rejets de l’unité de traitement des eaux ............................ 22Tableau I.10 : Qualité des eaux collectées dans le bac à effluents phosphorique ............... 23Tableau II.1 : Propriétés et conditions d’exploitation du filtre .................................................. 27Tableau II.2 : Dimensions du filtre ........................................................................................................ 27Tableau II.3 : Caractéristiques techniques de la cartouche filtrante........................................ 28Tableau II.4 : Données de dimensionnement du réfrigérant des rejets collectés ............... 29Tableau II.5 : Simulation du réfrigérant à faisceaux tubulaires ................................................. 29Tableau II.6 : Simulation de l’échangeur à plaques de refroidissement des rejets............. 30Tableau II.7 : Simulation de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazagethermique........................................................................................................................................................ 31Tableau II.8 : Tuyauterie du circuit proposé pour récupérer les rejets.................................. 33Tableau II.9 : Pertes de charges linéaires et singulières dans la tuyauterie du circuitproposé............................................................................................................................................................. 34Tableau II.10 : Calcul de la puissance utile des pompes du circuit proposé ......................... 34Tableau III.1 : Quantité récupéré et gains réalisés………………………………………………………38Tableau III.2 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à faisceau tubulaire.. ……………36Tableau III.3 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à faisceau tubulaire 37Tableau III.4 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaques ........................................ 38Tableau III.5 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à plaques.................... 38

VIII

Tableau III.6 : Evaluation du prix d’achat de l’aérocondenseur................................................. 39Tableau III.7 : Evaluation du coût d’investissement de l’aérocondenseur ............................ 39Tableau III.8 : Evaluation du coût d’investissement d’une fosse ............................................... 40Tableau III.9 : Evaluation du prix d’achat d’une pompe................................................................ 40Tableau III.10 : Evaluation du coût d’investissement d’une pompe......................................... 41Tableau III.11 : Evaluation du coût d’achat du filtre....................................................................... 41Tableau III.12 : Evaluation du coût d’achat de la tuyauterie ....................................................... 41Tableau III.13 : Coût d’investissement global avec échangeur à faisceau tubulaire .......... 42Tableau III.14 : Coût d’investissement global avec échangeur à plaques .............................. 42Tableau III.15 : Calcul du coût de revient énergétique du circuit proposé……………………43

IX

Liste des figures

Figure I.1 : Bilan global en eau de l’atelier sulfurique.................................................................... 15Figure I.2 : Bilan global en eau de la centrale à vapeur ................................................................. 16Figure I.3 : Bilan global en eau l’unité de traitement des eaux................................................... 16Figure I.4 : Bilan global en eau de l’atelier phosphorique ............................................................ 17Figure I.5 : Schéma récapitulatif des bilans globaux effectués sur la totalité des ateliers18Figure I.6 : Sources de pertes en eaux dans la SAP……………………………………………………...19Figure I.7 : Sources de pertes en eaux dans la centrale à vapeur…………………….……………20Figure II.1 : Flow-sheet simplifié de la modification proposée pour récupérer les rejetsde l’atelier sulfurique et la centrale à vapeur.................................................................................... 25Figure II.2 : Schéma montrant l’approvisionnement en eau de refroidissement des rejetscollectés............................................................................................................................................................ 26Figure II.3 : Image et composantes du support métallique du filtre ........................................ 28Figure II.4 : Fosse de collecte des effluents collectés dans l’atelier sulfurique .................... 32Figure II.5 : Fosse de collecte des purges de la centrale à vapeur............................................. 33Figure II.6 : Réseau de collecte et d’évacuation des effluents de la TED ................................ 35

XI

Introduction

La réutilisation de l'eau, le recyclage et la récupération de l'eau, expressions largementutilisées ces dernières années, désignent l'utilisation bénéfique des rejets correctementet soigneusement récupérés.Grâce à la réutilisation de l'eau, les rejets ne sont plus envisagés comme un problème demise au rebut mais comme une ressource précieuse qui peut conduire à une économieimportante en eau et par conséquent une réduction des rejets d’où la minimisation del’impact sur le milieu naturel que se soit par la préservation des ressources de la régionou bien la limitation des rejets pollués.Combien coûte votre eau en tenant compte de l'achat, du pompage, de conditionnement,du traitement, du stockage ainsi que de la maintenance, de la main d'œuvre et de la miseau rebut des rejets ? Et quels sont les gains que peut générer la réutilisation ?

XII

Problématique et contexte du projet

Le diagnostic, la mise en place d’un plan d’actions et le suivi. Thermes très entendus enmanagement industriel. Le diagnostic représente un moyen précieux pour identifier lesanomalies et détecter ses origines, le plan d’actions représente la procédure à suivrepour y remédier et le suivi reste le seul moyen pour contrôler et poursuivre le bondéroulement de ces actions.Dans ce contexte, vient ce projet pour diagnostiquer le problème des pertes en eaux à laPMP notamment l’eau décilisée dans la centrale à vapeur et la SAP et pour proposer desactions susceptibles de conduire à une consommation rationnelle des eaux.Notre objectif est la mise en place des actions permettant une limitation des pertes quese soit par des actions à la source ou bien d’autres en aval dont le but de les évaluer etles réutiliser.De même une sensibilisation du personnel peut être envisagée pour lutter contre legaspillage et inciter les gens à penser à la philosophie de l’économie d’eau.

Chapitre I : Présentation de la société et

description des ateliers de l’usine

Description des ateliers de l’usine

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I. Présentation de PMP

Pakistan Maroc Phosphore (PMP) est une joint-venture entre l’Office Chérifien desPhosphates (OCP) et le groupe pakistanais Fauji Fertilizer. En Septembre 2004, troisentreprises pakistanaises, Fauji d'engrais Bin Qasim (FFBL), Fondation Fauji (FF), etsociété Fauji d'engrais (FFC) sont entrées dans une joint-venture avec l'Office Chérifiendes Phosphates (Groupe OCP) pour créer "Pakistan Maroc Phosphore S.A", avec unchiffre d'affaires de 800 millions de dirhams. Le groupe OCP tenait 50% des parts alorsque les 50% restants sont partagés entre les sociétés pakistanaises (FFBL 25%, FF12,5%, et FFC 12%).La construction de PMP a démarré en janvier 2005, pour un montant d’investissementglobal de 2,03 milliards de dirhams et sur une superficie de 18 hectares. Cette usinecomporte une unité de production d’acide sulfurique de 1.125.000 tonnes/an dédié pourla production d’acide phosphorique, une unité de production d’acide phosphorique de375.000 tonnes/an destiné à couvrir le 2/3 des besoins du marché pakistanais ainsiqu’une centrale thermoélectrique de 32 MW pour couvrir les besoins en énergieélectrique.La production de l’acide phosphorique au sien de PMP a démarrée en avril 2008 avecune capacité de production annuelle de 375.000 tonnes d’acide phosphorique dontenviron 2/3 est destinée à Fauji au Pakistan. PMP a assurée la création 180 emploispermanents pendant la phase d’exploitation et ses besoins en phosphate sont 1,370million de tonnes/an.Pakistan Maroc Phosphore comporte quatre principaux ateliers :

Atelier SulfuriqueUne unité de production d’acide sulfurique de capacité 3 410 TMH/J utilisant le procédéà double absorption, MONSANTO (USA).Cette installation comporte principalement :- Une Turbosoufflante ;- Une chaudière ;- Des échangeurs thermiques ;


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- Un convertisseur ;- Un four de combustion.

Atelier Phosphorique

Une unité de production d’acide phosphorique de capacité 1135 tonnes d’acidephosphorique (P2O5) par jour.Le procédé utilisé est JACOBS. Cette installation comporte :- Un Hangar de stockage des phosphates bruts ;- Un système de broyage : broyage humide avec un système de sélection et deséparation des grains ;- 1 réacteur avec flash-cooler ;- Une unité de lavage des gaz venant de la réaction d’attaque des phosphates;- 2 filtres à cellules basculantes ;- Quatre échelons de concentration de 330 tonnes P2O5 par jour chacun, àéchangeurs tubulaires de graphite ;- Des réservoirs de stockage de l’acide 28% et 54%. Atelier des Utilités

- Une centrale thermoélectrique avec un groupe turboalternateur de 32 MW ;- Une unité de traitement des eaux de capacité maximale de 200 m3/h ;- Un bassin de reprise d’eau de mer de 15.000 m3/h ;- Une station de compression d’air. Atelier services généraux

PAKISTAN MAROC PHOSPHORE dispose de plusieurs ateliers de services :- Maintenance mécanique- Maintenance électrique & régulation;- génie civil ;- magasin général des pièces de rechanges.


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I. Description des procédés de fabrication au sein de PMP

1. Atelier sulfurique

- Capacité nominale : 3410 T/j d’acide sulfurique;- Procédé : MONSANTO à double absorption.

La fabrication de l’acide sulfurique est réalisée en trois étapes :- Combustion de soufre en dioxyde de soufre;- Conversion de dioxyde de soufre SO2 en trioxyde de soufre SO3;- Absorption de SO3 dans de l’eau pour avoir de l’acide sulfurique H2SO4.Ces réactions de transformation sont extrêmement exothermiques ce qui permet àl’usine PMP une certaine autonomie énergétique par la récupération de cette chaleurpour produire de l’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des différentséquipements de l’usine

1.1. CombustionLe soufre est reçu à PMP sous forme liquide : fondu et filtré. Il est stocké dans deux bacsréchauffés pour le maintenir à l’état liquide.Le soufre liquide passe dans une fosse pour qu’il soit pompé vers le four où se fera lacombustion avec de l’air sec. Ce dernier qui provient de la tour de séchage après avoirété aspiré par la turbosoufflante. Au niveau du four, il y a combustion du soufre endioxyde de soufre SO2 à une température de 1120°C.L’équation de la réaction est :S + O2 → SO2Ensuite, les gaz de combustion passent dans la chaudière pour se refroidir et par la suitenous obtenons de la vapeur saturée qui est ensuite surchauffée dans des surchauffeurspour avoir de la vapeur HP, une partie de cette vapeur est dédiée pour faire tourner laturbosoufflante alors que la grande partie de cette vapeur est consacrée dans la centralethermoélectrique pour produire de l’énergie électrique.

1.2. ConversionLes gaz de combustion sont envoyés vers le convertisseur de 4 lits catalytiques depentoxyde de vanadium, dont le but est de transformer SO2 en SO3 selon la réactionexothermique suivante:


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SO2 + ½ O2 ⇄ SO3Lors du passage d’un lit à autre les gaz SO2 et SO3 sont refroidit par l’intermédiaired’échanges thermiques gaz / gaz ou liquide /gaz (économiseurs ou surchauffeurs).1.3. Absorption

C’est la dernière étape du processus, elle consiste à absorber le gaz SO3 provenant duconvertisseur et le transformer en acide sulfurique H2SO4 au niveau des deux toursd’absorption intérimaire et finale.SO3 + H2O → H2S04Ensuite l’acide sulfurique est stocké pour être acheminé vers l’atelier phosphorique eten faible quantité vers l’atelier de traitement des eaux.

1.4. Circuit eaux de l’atelier sulfuriqueLes eaux préchauffées et conditionnées venant de la centrale passent au premier lieudans des économiseurs pour récupérer l’énergie dégagée lors de la conversion et avoirune eau sous forme de liquide saturé, ensuite ces eaux passent dans le ballon de lachaudière pour se vaporiser et produire une vapeur saturée qui passe dans dessurchauffeurs pour produire de la vapeur HP qui est par la suite utilisée en partie pourentrainer la rotation de la turbosoufflante et en autre partie pour générer de l’énergieélectrique nécessaire au fonctionnement des différents équipements de l’usine. L’eauutilisée dans la dilution de l’acide venant des tours d’absorption est une eaudéminéralisée livrée directement de la TED sans conditionnement. Pour plus de détailsur ce circuit voir le flow sheet de l’atelier dans la page suivante, courants désignés enbleu.


6Circuit gaz

Circuit acide

Circuit eaux et vapeur


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2. Atelier utilités

3. Unité de traitement des eaux douces (TED)

Cette unité comporte principalement :- Deux chaînes de traitement d’eau permettant la production de différentesqualité d’eau : Eau filtrée, eau désilicée et eau potable ;- Une station de compression d’air permettant le conditionnement d’air pour lesbesoins d’instrumentation et de service.

3.1.1. Description de l’unité TED

Dans le but de satisfaire les différents besoins des ateliers de PMP en eau, l’usine disposed’une station de traitement des eaux (TED). Elle délivre différentes qualités d’eaux- L’eau filtrée, utilisée généralement pour l’alimentation des chaînes dedéminéralisation, le bac d’eau potable et pour le lavage des filtres ;- L’eau potable;- L’eau déminéralisée ;- L’eau brute, sans aucun traitement livrée vers l’atelier phosphorique.L’eau arrive au bassin de stockage 1 (voir figure 4), puis elle est pompée vers leréservoir de stockage 2.Le traitement des eaux commence dans les chaines de filtration (3 & 4) où les eauxsubissent une filtration sur sable pour éliminer la matière en suspension suivie d’uneautre sur charbon pour éliminer la matière organique et le chlore résiduel. L’eauproduite de cette filtration est stocké dans un réservoir d’eau filtré (5), l’eau filtréalimente la chaine de déminéralisation qui comporte un échangeur cationique fort suivied’un dégazeur et un échangeur anionique à deux lits, un faible (partie inférieur) et unautre fort (partie supérieur). L’eau produite est stocké dans un bac à eauxdéminéralisées. Enfin les eaux utilisées pour alimenter la chaudière de production de lavapeur HP subissent un plissage sur un échangeur à lit mélangé et envoyées vers lacentrale.


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Figure 4 : schéma détaillée de la TED

3.2. Centrale à vapeur

La centrale à vapeur comporte :- Un groupe turbo alternateur de 32 MW, permettant la production de l’énergieélectrique par la transformation de l’énergie thermique récupérée au niveau del’atelier de production d’acide sulfurique ;- Condenseur à eau de mer de la vapeur BP restants après détente de la vapeurHP dans la turbine,- Barillet collecteur de vapeur BP satisfaisant les besoins en BP dans la centralealimentant l’unité de concentration de l’acide phosphorique avec de la vapeurBP avec les exigences d’exploitation de cette dernière,

1 : Bassin de stockage de l’eau brute2 : Réservoir de stockage de l’eau brute3 : Filtre bicouche à sable4 : Filtre à charbon actif5 : Réservoir d’eau filtré6 : Echangeur cationique7 : Dégazeur de CO28 : Echangeur anionique9 : Réservoir d’eau déminéralisée10 : Echangeur Mixed Bed11: Fosse à effluents de la TED

23E2

13E2

33E2

83E2

4E2

63E2

73E2

93E25 10

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- Bâche alimentaire équipé d’un dégazeur thermique de l’eau alimentaire avec dela vapeur venant du barillet collecteur de vapeur BP.3.2.1. Circuit eaux de la centrale à vapeurAu départ, l’eau désilicée venant de la TED subit un préchauffage dans le réchauffeur(voir flow sheet), après cette étape nous procédons par un dégazage thermique auniveau du dégazeur accompagné d’un autre chimique dans la bâche alimentaire parinjection de l’hydrazine. De même une correction de pH par ajout de l’ammoniac estréalisée dans cette étape. Les eaux préchauffées et conditionnées dans la centrale sontenvoyées vers la SAP par des pompes de grandes puissances qui débitent 180 m3/h sousune pression d’environ 80 bars.De la SAP, la centrale reçoit deux charges : la vapeur HP qui est envoyée directementvers la turbine pour produire de l’électricité et la vapeur BP envoyée vers le Barilletcollecteur de la vapeur BP. Après détente dans la turbine une partie de la vapeur BP estcollectée dans le barillet alors que le reste est condensé dans un condenseur à eaux demer et envoyé sous forme de retour condensat à la TED. Les besoins en vapeur BP pourle dégazage thermique et l’atelier phosphorique sont assurés par la vapeur BP collectéedans le barillet.


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4. Atelier phosphorique

- Capacité nominale : 1135 tonnes de P2O5/Jour d’acide, qualité marchande54% ;- Procédé : JACOBS;- Système de broyage : broyage humide ;- Filtration : filtre à cellules basculantes ;- Concentration : Quatre échelons de 330 tonnes P2O5 par échelon, à. échangeurs tubulaires en graphite.

4.1. Principe généraleL’atelier phosphorique sert à produire de l’acide phosphorique concentré à 54% enP2O5. Cet atelier comporte cinq sections principales :- Section de manutention et Broyage du phosphate ;- Section Attaque ;- Section Filtration ;- Section concentration ;- Section Stockage.L’acide est obtenu par attaque directe du phosphate brut par l’acide sulfurique.

4.2. Section manutention et broyage du phosphate

Le broyage se fait par voie humide, un débit d’eau est injecté proportionnellement audébit du phosphate (0,5 m3 d’eau /tonne phosphate).La pulpe est collectée dans un petit bac légèrement agité pour assurer le dégazage etéviter la cavitation des pompes situées sur les circuits de la pulpe.La pulpe est ensuite criblée, le refus des cribles est broyé avant d’alimenter le bac destockage de pulpe, qui est équipé d’un agitateur pour le maintien des solides ensuspension, avant de l’acheminer vers la cuve d’attaque.4.3. Section attaqueCette section comporte essentiellement :

- Une cuve d’attaque ;


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- Un système de refroidissement ;- Trois cuves de digestion.

4.3.1. Cuve d’attaque

La cuve d’attaque est une cuve circulaire construite en béton armé.La réaction d’attaque des phosphates bruts est donnée par l’expression suivante : 3 4 2 4 2 4 2 3 42

Ca PO 3H SO 6H O 3 CaSO ,2H O 2H PO Chaque compartiment est équipé avec des agitateurs à pales, permettant une bonneincorporation des éléments entrants et un bon mélange.D’autre part, les compartiments de la cuve d’attaque sont communiquant permettantainsi à la bouillie de circuler d’un compartiment à l’autre avant de passer vers les 3digesteurs.La cuve d’attaque dispose d’un flash-cooler avec deux pompes de circulation de granddébit permettant le refroidissement de la bouillie.Les gaz de réaction sont collectés par deux ouvertures (hottes) pour être envoyés vers lesystème de lavage des gaz. Celui-ci maintient une légère dépression dans la cuve demanière à éviter l’échappement des gaz de réaction à l’atmosphère.La pulpe de phosphate provenant du bac à pulpe est introduite dans la cuve d’attaqueoù elle sera attaquée avec de l’acide sulfurique concentré.4.3.2. Le système de refroidissement

Les réactions chimiques se produisant dans la cuve d’attaque ainsi que la dilution del’acide sulfurique étant exothermiques, il est nécessaire de refroidir la bouille à unetempérature de l’ordre de 78 °C. Pour cela un flash-cooler est mis en place.4.3.3. Cuves de digestion

Ces digesteurs, sous forme de bacs agités, servent à augmenter les temps de séjour dela bouillie permettant de maximiser le rendement chimique pour cristalliser le gypse di-hydrate pour avoir une bonne filtration par la suite.


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4.4. Section filtration

La bouillie venant de la cuve d’attaque alimente deux filtres horizontaux à cellulesbasculantes sous vide. A la sortie des cellules nous obtenons de l’acide phosphorique28% P2O5 et le gypse.Le gypse est finalement lavé à l’eau de procédé et déchargé, par rotation de la cellulebasculante, dans une trémie arrosée avec de l’eau de mer pour l’évacuer vers la mer.L’acide phosphorique 28% P2O5, est acheminé vers une unité de stockage et puis, selonla cadence, il est envoyé vers les échelons de concentration pour avoir de l’acide 54%.4.5. Concentration de l’acide

L’acide phosphorique titrant 28% P2O5 est acheminé vers quatre échelons deconcentration pour atteindre un titre de 54% P2O5 et devenir un acide marchandrépondant aux exigences des clients.L’opération de concentration se fait par le chauffage indirect de l’acide avec de la vapeurbasse pression au niveau d’un échangeur tubulaire en graphite. Cette opération estsuivie par une évaporation sous vide.L’acide produit passe ensuite vers une unité de stockage et par la suite transférer vers lastation de chargement des navires.

Chapitre II : Partie Projet

Etude quantitative & qualitative

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I. Collecte des données de base

1. Usage des eaux dans l’usine PMPL’eau est utilisée dans diverses activités dans le procédé de fabrication de l’acidephosphorique qui est le produit final de la filiale Pakistan Maroc Phosphore.Nous présentons ici les différents types d’eaux avec son usage : Eaux déminéralisées (désilicées): cette eau est utilisée principalement dansl’absorption de SO3 pour produire de l’acide sulfurique H2SO4 et comme appointpour la chaudière sulfurique pour produire de la vapeur qui est utilisée par lasuite pour produire de l’énergie électrique et la concentration de l’acidephosphorique. Eaux douces ou brutes : utilisées comme appoint pour produire de l’eaudésilicée et dans la préparation de la boue de phosphate, réglage de taux desolide dans la cuve d’attaque (réacteur phosphorique), la filtration de l’acide 28%et dans les opérations de lavage et de nettoyage. Autre utilisations :- Eau potable : alimente tous les bâtiments de l’usine ;- Eaux de lavage des filtres et de régénération des résines échangeuses d’ions ; Eaux de mer : utilisées dans les opérations de refroidissement, de condensationet dans l’évacuation du phosphogypse produit par la réaction entre le phosphatebrut et l’acide sulfurique.

2. Qualité des différents types d’eau (hors eaux de mer)

2.1. Eaux douces ou brutesDans le tableau ci-dessous, nous montrons les analyses de l’eau brute fournie parl’ONEP : Tableau I.1 : Analyse physico-chimique de l’eau bruteParamètre Conductivitéms/cm TurbiditéNTU TH °F SiO2(ppm) Cl2 libre(ppm) pHEaux brutes 1,32 0,5 30,4 4,53 0,27 72.2. Eaux déminéralisées (désilicées)

Les analyses de l’eau déminéralisée (désilicée) sont regroupées dans le tableau suivant :Tableau I.2 : Analyse physico-chimique de l’eau déminéraliséeParamètre Conductivitéµs/cm pH TH °F SiO2(ppm) Chlorure (ppm) Fe (ppm)Eauxdéminéralisées 0,7 6,5 0 0 0 0


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2.3. Eaux alimentaires

Nous montrons dans le tableau I.3 les paramètres indicateurs de la qualité des eauxd’alimentation de la chaudière sulfurique.Tableau I.3 : Analyse physico-chimique de l’eau alimentaire de la chaudière sulfuriqueParamètre Conductivitéµs/cm pH TH °F SiO2(ppm) Chlorure(ppm) Fe (ppm) O2(ppm)Eauxalimentaires 4-5 8,6-9,2 0 0 0 0 0,043. Bilans de masse (eaux douces & déminéralisées)

3.1. Bilans globauxCes bilans vont être réalisés en prenant les ateliers comme des boites noires, on nes’intéresse qu’aux entrées et sorties de l’atelier afin d’évaluer les pertes totales.3.1.1. Atelier sulfurique (SAP)

Le bilan global en eau dans cet atelier peut être schématisé comme suit :

Figure I.1 : bilan global en eau de l’atelier sulfuriqueAprès avoir réalisé ce bilan, nous avons évalué les pertes en eaux désilicées à 8 T/héquivalent à 8m3/h d’eau froide.3.1.2. Centrale à vapeurLe bilan global en eau dans cet atelier est schématisé dans la figure I.2 dans la pagesuivante :

Atelier sulfurique (SAP)Eaux alimentaires : 180 T/h Vapeur HP : 131 T/hVapeur BP : 41 T/h

Purges, rejets: 8 T/h


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Figure I.2 : bilan global en eau de la centrale à vapeur

Ce bilan nous a permis d’identifier les pertes globales en eaux dans la centrale à vapeurqui sont de l’ordre de 7 T/h.3.1.3. Unité de traitement des eaux de procédé (TED)Nous donnons ci-dessous dans la figure I.3 le bilan global des eaux dans l’unité detraitement des eaux :

Figure I.3 : bilan global en eau l’unité de traitement des eaux

Centrale à vapeurEaux déminéralisées : 178 T/h Vapeur HP : 131 T/hVapeur BP : 41 T/h

Purges, rejets: 7 T/h

Vapeur BP (CAP): 120 T/h Extractionturbine (TED) :43 T/h

Unité traitement des eaux douces(TED)Eaux douce : 50 m3/h Retourcondensat: 163 m3/hRejets : 7,33 m3/h

Eaux potable :1,67 m3/h Centrale à vapeur: 178 T/h

SAP : 26 m3/h

SAP : 180 T/h


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3.1.4. Atelier Phosphorique (PAP)Le bilan global en eau dans cet atelier peut être schématisé comme suit :

Figure I.4 : bilan global en eau de l’atelier phosphoriqueNous donnons plus de détail sur les rejets de cet atelier dans le tableau I.4 :Tableau I.4 : Débits d’entrée et de sortie en eau de l’atelier phosphoriqueEntrée débitm3/h Sortie débit m3/hEau brute 340 ACP 54% 92Teneur (acide sulfurique 98,5 %) 2,5 Condensat de 28% 116Humidité de phosphate 13,2 Réaction d’attaque 73Humidité de gypse 40Bac à effluents 34,7Total 355,7 Total 355,7Les rejets de l’atelier phosphorique comportent essentiellement la vapeur condenséevenant de l’acide phosphorique 28% qui est estimée à 118 m3/h, la teneur en eau dansle phosphogype venant de la filtration de l’ordre de 20 à 25 % en poids estimée à 40m3/h et l’eau consommée par la réaction d’attaque qui est estimée à 73 m3/h. Alors leseffluents liquides disponibles dans cet atelier sont de l’ordre de 34,7 m3/h collectésdans le bac à effluents phosphorique et réutilisés partiellement dans la cuve d’attaque.Nous présentons dans la page suivante dans la figure I.5 un schéma récapitulatif oùfigurent les différents ateliers et courants d’eaux (douces et déminéralisées).

Atelier PhosphoriqueEaux brutes : 340 m3/h

Vapeur BP : 120 T/h

Retour condensat :120 T/h

ACP 54% : 92 m3/hRejets : 229 m3/hH2SO4 à 98,5% : 2,5 m3/hContenue dans l’acide H2 SO4Humidité de phosphate :13,2 m3/h Vers bac à effluents :34,7 m3/h


18Figure I.5 : schéma récapitulatif des bilans globaux effectués sur la totalité des ateliers


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De même, dans le tableau ci-dessous, nous présentons les débits des différents courantsd’eaux décrits dans le schéma récapitulatif des bilans globaux.Tableau I.5 : Tableau récapitulatif des bilans globauxDébits horaires massiques (T/h)Courant 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11Eaux douces 340 50 1,50 1,67 48,50 7,33 92 116 34,7 113 2,5Eauxdéminéralisées 5,83 43 26 172 120 180 120 7 8 178 26

Nota : Le courant 10 comporte la teneur en eau (liée et libre) dans le gypse di-hydrateformé par la réaction d’attaque des phosphates bruts avec de l’acide sulfurique.4. Identification des pertes (quantité et qualité), sources de pertesDans les figures suivantes, nous représentons les différentes sources de pertes en eauxdans la SAP et la centrale à vapeur.

Figure I.6 : Sources de pertes en eaux dans la SAP

Condensat de lavapeur HP & BP

Condensat detraçage de soufre Condensat de laturbosoufflante

Purges de lachaudièresulfurique

Purgeursautomatiquesdéfaillants


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Figure I.7 : Sources de pertes en eaux dans la centrale à vapeur

4.1. Etude quantitative

4.1.1. Débits totauxD’après les données que nous avons pu collectées dans cette partie de ce travail, nousdonnons dans ce qui suit un tableau récapitulatif des différentes pertes identifiées dansles différents ateliers de l’usine.Tableau I.6 : Tableau récapitulatif des rejets des différents ateliersAteliersSAP Centrale àvapeur TED PAPDébit(m3/h) 8 7 7,33 34,7Natured'eau Eauxdéminéralisées Eauxdéminéralisées Eaux salines etacides Eaux salines etacides

Purges ducontournementde la centrale

Vapeur dedégazagethermique


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4.1.2. Débits partiels des rejetsNous indiquons dans ce qui suit les pertes en détail par nature et équipement :4.1.2.1. Atelier sulfuriqueLes pertes dans cet atelier sont regroupées comme suit :

- Pertes sous forme de vapeurCe genre de pertes dues à la défaillance des purgeurs automatiques, ces pertes sontestimées à 5 T/h.- Purges de la chaudière sulfuriqueCe sont des purges continues pour éviter l’accumulation en sels dans le ballon de lachaudière, le débit de purges est de l’ordre de 0,95 m3/h.- Condensat de traçage de souffreC’est un condensat venant d’une vapeur BP collecté dans une conduite, son débit estestimé à 0,80 m3/h.- Purges turbosoufflante et condensat de la vapeur HP & BPAprès détente de la vapeur HP dans la turbosoufflante, une fraction non négligée decondensat est éliminée, cette fraction vaut 0,4 m3/h. De même le transport de la vapeurHP & BP présente une quantité de condensat récupérée de l’ordre de 0,85 m3/h.

4.1.2.2. Centrale à vapeurLes pertes dans cet atelier sont regroupées comme suit :- Le dégazage thermique de l’eau génère une perte de 4 T/h de vapeur envoyéevers l’atmosphère.- Les purges venant du contournement sont estimées à 3 m3/h.

4.1.2.3. Unité de traitement des eauxLes rejets de cette unité sont regroupés comme suit :- Eaux de lavages des filtres à sable et à charbon : environ 36 m3/j.- Eaux de régénération des échangeurs d’ions : environ 140 m3/j.

4.1.2.4. Atelier phosphoriqueLes pertes de cet atelier sont expliquées en détail dans la partie bilans globaux, atelierphosphorique.


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4.2. Etude qualitativeNous présentons ici une étude qualitative des eaux de rejets identifiées dans l’étudequantitative susceptibles de nous guider afin de proposer de meilleures solutions pourrécupérer ou bien trouver des moyens pour réutiliser ces rejets.4.2.1. Rejets de l’atelier sulfuriqueLes analyses indicatrices de la qualité de ces rejets sont regroupées dans le tableausuivant : Tableau I.7 : Qualité des eaux de rejets de l’atelier sulfurique

Paramètres pH Conductivitéµs/cm Taux dechlorure(ppm) Température°C P2O5ppm TH °F SiO2(ppm) Fe(ppm)Rejets (SAP) 9,5 8 0 75 3 0 0 04.2.2. Rejets de la centrale à vapeurNous donnons dans le tableau I.8 les analyses physico-chimiques des rejets de lacentrale à vapeur :Tableau I.8 : Qualité des eaux de rejets de la centrale à vapeurParamètres pH Conductivitéµs/cm Taux dechlorure(ppm) Température°C TH°F SiO2(ppm) Fe(ppm)Rejets de lacentrale àvapeur 8,6 4,5 0 75 0 0 04.2.3. Rejets de l’unité de traitement des eauxLes paramètres indicateurs de la qualité des eaux de rejets de cette unité sont regroupésdans le tableau I.9 :Tableau I.9 : Qualité des eaux de rejets de l’unité de traitement des eauxParamètres pH Conductivitéµs/cm Taux de chlorure(ppm) Température°CEaux de lavage &Régénération 1~2 17325 1080 224.2.4. Rejets de l’atelier phosphoriqueLa qualité de ces rejets dépend de plusieurs facteurs notamment les opérations denettoyage des équipements et des bacs de stockage et ses dates de réalisation ce qui


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portent à ces eaux une qualité variable au cours du temps. Nous donnons ci-dessous unemoyenne des analyses de deux échantillons ont été prélevés séparément pendant unesemaine.Tableau I.10 : Qualité des eaux collectées dans le bac à effluents phosphoriqueParamètres pH Conductivité ms/cm P2O5 % en poids Chlorure (g/l)Eaux bac à effluents(PAP) 1 45,05 5,59 4Nous recommandons les exploitants de cet atelier de procéder par un suivi d’analysespour avoir une base de données sur les fluctuations de la qualité des effluents collectésdans le bac afin de s’assurer de la qualité des eaux collectées et éviter son débordement.

Etude technique

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II. Solutions proposées

1. Actions à la source pour limiter les pertes

1.1. Identification du nombre de purgeurs automatiques à caractèredéfaillantLes purgeurs automatiques défaillants identifiés sont 33 donnés comme suit :- 3 purgeurs dans la manutention de l’eau alimentaire de la centrale jusqu’àla chaudière sulfurique ;- 6 purgeurs de vapeur de refroidissement des brûleurs du soufre liquidedans le four ;- 8 purgeurs du réseau de transport de la vapeur HP & BP ;- 16 purgeurs du réseau de traçage de soufre ;Ces purgeurs doivent être renouvelés et entretenus afin de réduire les pertes en vapeuret allonger leur durée de vie.

1.2. Gestion du bac à effluents phosphoriqueLe bac à effluents phosphorique doit être maitrisé surtout son niveau de remplissage etle synchroniser avec la consommation pour éviter son débordement vers égout.Avec cette action qui demande un engagement direct du personnel de la PAP, nouspouvons économiser une quantité considérable en eaux qui est malheureusementdifficile à quantifier vu que le niveau dans le bac est tellement variable au cours dutemps. Pour maitriser son niveau, nous proposons de planifier les opérations de lavageet de nettoyage de telle sorte à s’assurer de la quantité envoyée vers ce bac.2. Actions en aval pour récupérer les rejets.

2.1. Récupération des rejets de l’atelier sulfurique et de la centrale à vapeurNous proposons de collecter les rejets de la centrale à vapeur dans une fosse, les pomperet les mélanger avec les rejets de l’atelier sulfurique dans une grande fosse qui seraconstruite dans ce dernier, par la suite les refroidir dans un réfrigérant et enfin lesutiliser dans la dilution de l’acide sulfurique (Ballon de dilution). Avec cettemodification, nous allons économiser un débit horaire de 10 m3 des eauxdéminéralisées. Nous donnons dans la figure II.1 un flow sheet simplifié du réseau decette proposition. Et par la suite, nous présentons une étude plus détaillée pourdimensionner et étudier la faisabilité technique des différentes composantes du circuitproposé.

Etude technique

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Figure II.1 : flow-sheet simplifié de la modification proposée pour récupérer les rejets del’atelier sulfurique et la centrale à vapeur

Avec fosse dans la centrale à vapeurSans fosse dans la centrale à vapeur

1 : Chaudière sulfurique2 : Condensat de traçage de soufre3 : Purges de la turbosoufflante4 : Condensat de la vapeur HP & BP5 : Purges de la centrale à vapeur6 : Vapeur de dégazage thermique7 : Ballon de dilution de H2SO4

B1 : Ballon de purges de la chaudière sulfurique(existant)B2 : Filtration du condensat traçage du soufreF1 : Fosse des rejets atelier sulfuriqueF2 : Fosse des rejets centraleR : RéfrigérantAC : AérocondenseursP1, P2 : Pompes

Etude technique

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Circuit de refroidissementL’eau de refroidissement est assurée par le circuit NORIA qui a une pression de l’ordrede 7 bars au refoulement et 4 bars au retour. Nous donnons ci-dessus un flow sheetsimplifié de ce réseau avec sa connexion au circuit proposé dans la figure II.2.

Figure II.2 : schéma montrant l’approvisionnement en eau de refroidissement des rejetscollectés

Il nous reste l’évaluation des pertes de charge à travers l’échangeur pour s’assurer de sasynchronisation avec les pressions dans le réseau NORIA.Avantages & inconvénientsLe refroidissement des eaux récupérées permet une stabilité du système par contre ilprésente un inconvénient majeur qui est l’investissement et l’exploitation qui serontrelativement élevés.

RA

R’A

PA

E : Entrée eaux chaudesS : Sortie eaux chaudes refroidiesE’ : Entrée eau de merS’ : Sortie eau de merR : Réfrigérant des eaux chaudes récupéréesP : Pompe de refoulement du réseau NORIAR’ : Réfrigérant à eau de mer du réseau NORIA

Appointen eau

A

S’A

E’A

EA

SA

Etude technique

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2.2. Etude de la faisabilité technique de la proposition

2.2.1. Conception et dimensionnement des différents appareillages

2.2.1.1. Filtre du condensat de traçage de soufre [1]Le retour condensat de traçage de soufre doit subir une filtration avant d’être récupérépour protéger les systèmes en aval en cas de fuite de soufre vers le condensat récupéré.Pour cela, nous proposons une filtration sur un filtre de type CINTROPUR à usageindustriel.Ces filtres sont équipés d'origine d'un tamis filtrant allant de 5 µm à 500 µm, de deuxmanomètres, et d'une vanne de purge. Un collier de serrage en acier inoxydable assurela fermeture et l'étanchéité du filtre via un O-ring.2.2.1.1.1. Support métallique du filtreNous donnons dans le tableau II.1 les propriétés et les conditions d’exploitation dusupport métallique du filtre utilisé dans la filtration du condensat venant du traçage desoufre. Tableau II.1 : propriétés et conditions d’exploitation du filtreMatériau Inox 304Pression max de fonctionnement 15 barTempérature de fonctionnement 0°C + 100°C min/maxDébit traité 6,3 m3/hLe tableau ci-dessus représente les dimensions du support métallique du filtre enquestion : Tableau II.2 : dimensions du filtreMode Dimensions (mm) Poids (kg)

A B C fixe 110 354 146 16,44Dans la figure II.3, nous présentons une image du filtre accompagnée par un schéma desdifférentes composantes du support du filtre :

Etude technique

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Figure II.3 : Image et composantes du support métallique du filtre

2.2.1.1.2. La cartouche du filtreUne variété de cartouches filtrantes est disponible sur le marché, pour notre cas nousoptons pour une cartouche à base de polypropylène résistante à la chaleur.Caractéristiques techniquesLes caractéristiques techniques de cette cartouche sont données dans le tableau II.3 :Tableau II.3 : Caractéristiques techniques de la cartouche filtranteMatière 100%PolypropylèneLongueur de la cartouche 9"3/4Diamètre intérieur 28 mmDiamètre extérieur 61 mmPression max de fonctionnement 6 barTempérature max de travail 80 °CParticule éliminée 100 µm et plusPerte de charge 0,15 bar

2.2.1.2. Dimensionnement du réfrigérant des eaux collectées [2]

2.2.1.2.1. 1er choix : Echangeur à tube de faisceau et calandrePour dimensionner ce genre d’échangeur, nous procédons par la méthode de Kern (Voirpartie dimensionnement des échangeurs dans l’annexe 1). Dans le tableau II.3, nousdonnons les données de calcul et dans le tableau II.4, la simulation de l’échangeurpermettant d’évaluer la surface d’échange et les paramètres de fonctionnement.

Etude technique

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Tableau II.4 : données de dimensionnement du réfrigérant des rejets collectésDonnées de problème Paramètres de calcul

Tce (Eau à refroidir) (en°C) 75 E 0,1Tcs (Eau à refroidir) (en°C) 33 R 8,4Tfe(Eau de refroidissement) (en°C) 25 Facteur de correction F 0,90305835Tfs(Eau de refroidissement) (en°C) 30 DTLM(°C) 21,4216948Débit Eaux à refroidir M (en kg/h) 10500 U's(kcal/h.m²k) 2500Cp Eaux à refroidir (kcal/kg.k) 1 Nbr de passe/tube(nt) 2ρ Eaux à refroidir (kg/m3) 958 Nbr de passe/calandre

(nc) 1 Eaux à refroidir (kg/m.s) 3,70E-04 Diamètre calandre Dc(m) 0,254λ Eau à refroidir (kcal/m.k.s) 0,00014354 Espacement chicanes

B(m) 0,25Cp Eau de refroidissement(kcal/kg.k) 1 Pourcentage espace libre

x 0,2ρ Eau de refroidissement (kg/m3) 997 Hauteur libre h(m) 0,084582 Eau de refroidissement( kg/m.s) 0,001003 Pas carré P(m) 0,0254λ Eau de refroidissement( kcal/m.k.s) 0,00014354Tableau II.5 : Simulation du réfrigérant à faisceaux tubulairesCalcul de la surfaced’échange

Calcul des pertes de chargesFlux de chaleur Q (en kcal/h) 441000 Pertes de charges côtéfaisceauDébit eau D2 (en kg/h) 88200 Rei 31538,46Surface d'échange m2 A' 9,1186163 ft 1,19E-02d0 (en m) 0,01905 ∆Pt (Pa) 9414,48Longueur tube l (en m) 3,05 Pertes de charges côtécalandreSurface du tube (en m2) 0,182441 Rect 29312,063Nt' (par calandre) 49,98 fct 0,2388395Nt(par calandre) 52 Nc (nombre de chicanes) 12Ntp 26 ∆Pc(Pa) 78201,57di (en m) 0,01224 Calcul des coefficientsd’échangeVi (en m/s) 1,00 Diamètre équivalent De (en m) 0,0241Surface d'échange corrigée enm2 9,5 hi (kcal/s.m².k) 1,47Us corrigé (en kcal/h.m2 .k) 2402,9301 he (kcal/s.m².k) 1,33

Etude technique

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2.2.1.2.2. 2ème choix : Echangeur à plaques [3]Les données de calcul de ce réfrigérant sont les mêmes que celui à faisceaux tubulaires,nous donnons ci-dessous un tableau récapitulatif de la simulation de la surfaced’échange de cet échangeur :Tableau II.6 : Simulation de l’échangeur à plaques de refroidissement des rejetsDescription Symbole, unitéQuantité de chaleur échangée Q (Kcal/h) 441000Différence de Température LogarithmiqueMoyenne DTLM °C 21,42Coefficient d'échange global U (kcal/h.m2.°C) 4000Surface d'échange A (m2) 5,14D’après ces résultats, nous voyons bien que l’installation d’un échangeur à plaque seraplus intéressante (moins d’investissement et d’encombrement), reste à demander desfournisseurs les pertes de charge à travers cet échangeur pour étudier la compatibilitéavec le système de refroidissement et celui de pompage envisagé.

NB : Pour plus de détail sur la méthode de calcul de la surface d’échange de ce typed’échangeur, vous pouvez se référer à la partie consacrée à ce type d’échangeurdans la partie bibliographie de ce rapport (annexe 2).2.2.1.3. Dimensionnement de l’aérocondenseur [4]Le dimensionnement de cet équipement requis le calcul de la surface d’échange, lapuissance absorbée par le moteur du ventilateur, la longueur des tubes et la largeur del’aérocondenseur, l’algorithme de calcul de ces paramètres est donné dans la partiedimensionnement des aérocondenseurs dans l’annexe 3.Le tableau II.6 dans la page suivante donne la simulation du système en question :

Etude technique

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Tableau II.7 : Simulation de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazagethermiqueDonnées de calculcapacité calorifique de l'eau CP (eau) Kcal/kg.k 1capacité calorifique de vapeur CP (vapeur) Kcal/kg.k 0,478Chaleur latente de vaporisation del'eau Lv eau Kcal/kg 539,0752Température entrée vapeur T1 (°C) 110Température sortie condensat T2 (°C) 70Température entrée air Ta (°C) 25Débit de vapeur à condenser M (kg/h) 4000Quantité de chaleur à éliminer Q (Kcal/h) 2295439,56

SimulationRapport thermique R 0,470Chaleur calorifique réduite S 27,005Résistance globale r (h.m2.°C/kcal) 0,0003Résistance au transfert due aumétal rm (h.m2.°C/kcal) 0,00015Coefficient de film extérieur ra (h.m2.°C/kcal) 0,00102Coefficient d'échange global U (kcal/h.m2.°C) 680,27Température de sortie de l'air Th (°C) 60Le rapport P pour calculer F P 0,875Facteur de correction de DTLM F 0,95Différence de TempératureLogarithmique Moyenne DTLM (°C) 47,45Facteur de calcul de la puissance K 0,55Puissance absorbée Pcv (kW) 14,85Largueur de l’aérocondenseur l(m) 1,66Différence de TempératureLogarithmique Moyenne corrigée DTLM' (°C) 45,08Surface d'échange A (m2) 74,842.2.1.4. Dimensionnement des fosses

2.2.1.4.1. Fosse sulfuriqueNous proposons de construire une fosse à eau avec du béton armé revêtue avec desbriques antiacides résistantes à l’eau déminéralisée et à la chaleur (fosse F1), lesdimensions utiles de la fosse sulfurique sont données comme suit : 2 m de longueur, 1,5m de hauteur tandis que la largeur est de l’ordre de 1,5 m. Avec ces dimensions nousassurons une capacité de stockage de 4,5 m3 qui nous permet d’avoir un temps depassage d’environ 30 minutes pour un débit horaire de 10 m3.

Etude technique

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Figure II.4 : Fosse de collecte des effluents collectés dans l’atelier sulfurique

NB : Nous signalons que l’épaisseur des voiles vaut 25 cm alors celui des briquesantiacide est 6 cm.Composantes de la fosse :

Béton :- Volume béton de propreté 3: 2, 62 2,92 0,10 0, 76 m ;- Volume du radier 3: 2, 42 2, 72 0, 20 1,31 m ;- Volume du voile 3: 2,12 2,42 1,56 1,62 2,12 1,56 2,64 m ;- Volume de toiture 3: 2,12 2, 42 0,1 0,51 m .

Armatures :- Ration de 100 kg par mètre cube de béton, ce qui nous donne : M = 522kg ;

Briquetage antiacides (épaisseur de 6 cm):- Fond 2:1, 62 2,12 3, 43 m ;- Voile 2: 2 1,62 1,50 2 2,00 1,50 10,86 m ;Volume total 3:14, 29 0, 06 0,86 m .

Caoutchoutage (épaisseur 3 cm), de surface de 2:14, 29 m .

2,42

2,72

Radier

Voile

Bêton depropreté

2,12

2,42

Briquesantiacides

1,56

0,2

Etude technique

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Nota : nous signalons que le caoutchouc est utilisé entre le béton armé et les briquesantiacides.2.2.1.4.2. Fosse centrale à vapeurLa fosse de collecte des purges de la centrale thermoélectrique (figure II.5) comportedeux petites fosses de dimension 1 1 1 m3 reliée par un caniveau.

Figure II.5 : Fosse de collecte des purges de la centrale à vapeurLa fosse 1 sera construite directement au dessous de la conduite de contournement pourrécupérer ses rejets qui sont en principe chaudes et sous pression. Cette fosse débordepar un caniveau vers la 2ème fosse où les rejets totaux de la centrale seront collectés etpompés vers la fosse F1 dans la SAP. Nous admettons que ces deux fosses avec lecaniveau requis les mêmes quantités en matériaux de construction que la fossesulfurique.2.2.1.5. Tuyauterie et pertes de charges

2.2.1.5.1. TuyauterieNous indiquons ici les longueurs des différentes conduites du réseau proposé pourrécupérer les rejets de la centrale et de l’atelier sulfurique ainsi que les singularités etles diamètres des conduites.Tableau II.8 : Tuyauterie du circuit proposé pour récupérer les rejetsLongueur(m) Nombre de singularité(Coude serré à 90°) Débit(m3/h) Vitessed'écoulement(m/s) Diamètre de laconduite (in)Centralevers SAP 125 5 7 2 1 1/4"SAP 81 5 10 2 1 1/2"Nota : les conduites et les coudes sont en Inox 304 qui résiste à l’eau déminéralisée etl’eau chaude.

Fosse :purges decontournement.Fosse :F2

Etude technique

34

2.2.1.5.2. Pertes de chargesDans le tableau II.7, nous calculons les pertes de charges linéaires et celles singulières.Les pertes de charges linéaires sont tirées directement d’un abaque (voir Annexe 4,partie calcul des pertes de charges alors que le coefficient de calcul des pertes decharges singulières est tiré du tableau donné dans le même annexe).Tableau II.9 : Pertes de charges linéaires et singulières dans la tuyauterie du circuitproposéLongueurtuyauterie(m)

Nombre desingularités(Coudeserré 90°)pertes dechargeslinéaires/mètre deconduite(mmCE/m)

Pertesdechargeslinéairestotales(m H2O)k Pertes dechargessingulières/coude(m H2O)

Pertes dechargesdansl'échangeur(m H2O)Pertes(Coudeserré90°) singulièrestotales(m H2O)CentraleversSAP 125 5 135 16,875 1 0,0999 **** 0,5

SAP 81 5 110 8,91 1 0,0999 0,94 1,442.2.1.6. Dimensionnement des pompes

2.2.1.6.1. Calcul de la HMT de chaque pompe

- HMT de la pompe P1 (voir la méthode de calcul dans l’annexe 4, partiedimensionnement des pompes) :Nous avons A DH H = 6 m, LH = 8,91m et SH =1,44.Alors HMT = 6 + 8,91 + 1,44 = 16,35 (m H2O);- HMT de la pompe P2 :Nous avons A DH H = 0 m, LH =16,875 m et SH =0,5.HMT = 16,875+ 0,5 = 17,37 (m H2O)

2.2.1.6.2. Calcul de la puissance hydraulique utileLe tableau II.8 récapitule le calcul de la puissance hydraulique utile des deux pompes.Tableau II.10 : Calcul de la puissance utile des pompes du circuit proposéPompes Débit m3/s HMT (m H2O) Puissance utile(W)P1 0,0028 16,35 450P2 0,0019 17,37 323

Etude technique

35

2.3. Récupération des effluents de l’unité de traitement des eaux douces

Les eaux de rejets de cette unité comportent les eaux de lavages des filtres et derégénération des résines échangeuses d’ions utilisées pour déminéraliser les eaux, cesrejets seront pompés vers l’atelier phosphorique. Nous présentons ici un schémasimplifié du circuit de ces rejets.

Figure II.6 : réseau de collecte et d’évacuation des effluents de la TED

Nota : Ce circuit est existant et disponible à l’usage.Cette action ne demande pas d’investissement et elle est applicable par un simple pontde communication entre les responsables de d’unité de traitement des eaux et del’atelier phosphorique. Cette action nous permet d’économiser un débit moyen de 7,33m3/h en eaux brutes à l’entrée de l’atelier phosphorique.

Filtres RC RA MB

RC : résine cationiqueRA : résine anioniqueMB : mixed bed

Vers l’atelierphosphorique 7,33 m3/h

Etude économique

36

III. Etude économique

1. Evaluation des gains directs des actions proposées

1.1. Gains des actions à la sourceLe renouvellement et l’entretien continue des purgeurs automatiques assureront certesune économie jusqu’à 3 T/h de vapeur équivalent à 3 m3/h d’eaux déminéralisées sanscompter les gains énergétiques.1.2. Gains des actions de récupération en avalCes actions nous permet d’ :- Economiser 10 m3/h en eaux déminéralisées (désilicées) dans la SAP et laCentrale à vapeur.- Economiser 7,33 m3/h en eaux brutes dans la PAP.Le tableau III.1 récapitule les économies en eaux de procédés envisagées par les actionsdécrites dans l’étude technique sans compter les gains en eaux dans les actions à lasource (renouvellement des purgeurs et gestion du bac à effluents phosphorique).Tableau III.1 : Quantité récupéré et gains réalisésNature d'eau Quantité (m3/h) Coût unitaire (DH/m3) Gains annuels (DH)Eaux déminéralisées 10 24 1 900 800Eaux douces 7,33 4 23 2214,4Total *** *** 2 133 014,4D’après ces résultats, nous voyons bien que nous pouvons réaliser des Gains brutsannuels jusqu’à 2,13 MDH.NB : nous n’allons pas prendre en compte les gains de renouvellement des purges enattendant la réponse des fournisseurs concernant le coût d’investissement de ceséquipements.

2. Evaluation du coût d’investissement

2.1. Principaux équipements

2.1.1. Echangeurs de chaleurNous présentons ici une évaluation du coût direct d’investissement pour monter unréfrigérant des eaux collectées dans la SAP avec une étude comparative entre unéchangeur à faisceau tubulaires et un autre à plaques.2.1.1.1. Echangeur à faisceau tubulaire [5]Dans le tableau III.2, nous donnons l’évaluation du coût d’achat de cet échangeur.

Etude économique

37

Tableau III.2 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à faisceau tubulaireEchangeur à faisceau tubulairePrix de base (Euro mi-2000) 7000Facteurs correctifsType d'échangeur AEU ( df ) 0,9Langueur du faisceau ( lf ) 1,13Nombre de passe coté tube ( npf ) 1Pression ( pf ) 1Température ( tf ) 1Matériau ( mf ) 1,9Prix total (HT) € mi-2000 13 526,1

Calcul de l’investissement global de l’échangeur [6]L’investissement global de l’échangeur est calculé par la méthode utilisant des facteursmultiplicatifs variables. Cette méthode repose sur l’affectation des facteurs auxdifférentes composantes du coût d’investissement global et enfin en tirer un facteurmultiplicatif qui corrige le prix d’achat de l’équipement pour avoir une estimationacceptable du coût d’investissement global de l’équipement en question.Dans le tableau III.3, nous donnons le calcul du coût d’investissement global del’échangeur à faisceau tubulaire.Tableau III.3 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à faisceau tubulaireEchangeur à faisceau tubulaireMatériel principal 100Matériel secondaireTuyauterie et vannes 45Génie civil 5Structures métalliques 10Instrumentation 10Equipement électrique 2Peinture 1MontageFrais indirects de chantiers 6084Total 317Facteur multiplicatif ( gf ) 3,17Coût d’investissement (HT) € mi-2000 42 877,74

Etude économique

38

2.1.1.2. Echangeur à plaques [3]Dans le tableau III.4, nous donnons l’évaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaques.Tableau III.4 : Evaluation du prix d’achat de l’échangeur à plaquesEchangeur à plaquesPrix de base (Euro mi-2000) 3000Facteurs correctifsPression ( pf ) 1Prix total (HT) € mi-2000 3 000

L’investissement global de l’échangeur [6]Dans le tableau III.5, nous donnons le calcul du coût d’investissement global del’échangeur à plaques.Tableau III.5 : Evaluation du coût d’investissement de l’échangeur à plaquesEchangeur à plaquesMatériel principal 100Matériel secondaireTuyauterie et vannes 45Génie civil 5Structures métalliques 10Instrumentation 10Equipement électrique 2Peinture 1MontageFrais indirects de chantiers 6084Total 317Facteur multiplicatif ( gf ) 3,17Coût d’investissement (HT) € mi-2000 9 510

D’après ces résultats, nous voyons bien que l’échangeur à plaques coûte beaucoup moinscher que celui à faisceau tubulaire sans prendre en compte les performances de chacunen termes d’efficacité d’échange et de durabilité.

Etude économique

39

2.1.2. Aérocondenseur [4]Dans le tableau III.6, nous donnons l’évaluation du prix d’achat de l’aérocondenseur.Tableau III.6 : Evaluation du prix d’achat de l’aérocondenseurAérocondenseurCoefficient de calcul de prix de base (C) 2 600Prix de base (Euro mi-2000) 24 574,7058Facteurs correctifsEpaisseur des tubes ( ef ) 1Pression ( pf ) 1Longueur des tubes ( lf ) 1Nombre de rangées ( Nf ) 1,15Matériau employé ( mf ) 1,6Prix total (HT) € mi-2000 45 217,46

L’investissement global de l’aérocondenseur [6]

Dans le tableau III.7, nous donnons le calcul du coût d’investissement global del’aérocondenseur.Tableau III.7 : Evaluation du coût d’investissement de l’aérocondenseurAérocondenseurMatériel principal 100Matériel secondaireTuyauterie et vannes 14Génie civil 2Structures métalliques 20Instrumentation 4Equipement électrique 9Peinture 1MontageFrais indirects de chantiers 2962Total 241Facteur multiplicatif ( gf ) 2,41Coût d’investissement (HT) € mi-2000 108 974,08

Etude économique

40

2.1.3. Fosses à eaux [7]Nous présentons dans le tableau III.8 les prix de chaque composante de la fossesulfurique et nous estimons que celle qui sera construite dans la centrale à vapeur coûtela même choseTableau III.8 : Evaluation du coût d’investissement d’une fosseDésignation Quantité Prix unitaire en DH/unité HT Prix Total DH(HT)Béton (propreté) m3 0,8 950 760Béton (radier et voiles)m3 4 1500 6 000Armature Kg 525 25 13 125Briquetage m3 0,9 19500 17 550Caoutchoutage m2 14,5 1000 14 500

Coût total (HT) DH 51 935

Nota : Ce coût a été identifié sans compter le coût de la main d’œuvre.2.1.4. Pompes [1]Le coût d’achat des pompes est donné par une consultation auprès de la société Watec(voir références bibliographique).Nous donnons dans le tableau III.9 ce coût hors taxes.Tableau III.9 : Evaluation du prix d’achat d’une pompePompe

Prix total (HT) DH 6 000Nota : Nous signalons que les deux pompes sont semblables. L’investissement global d’une pompe [6]Pour évaluer le coût d’investissement global d’une pompe, nous avons procédé de lamême manière que les autres équipements en se basant sur la méthode de calculutilisant des facteurs multiplicatifs variables tirée du manuel d’évaluation économiquecité dans la page références bibliographiques).Dans la page suivante, le tableau d’évaluation de ce coût est donné en indiquant lescomposantes de ce coût.

Etude économique

41

Tableau III.10 : Evaluation du coût d’investissement d’une pompePompeMatériel principal 100Matériel secondaireTuyauterie et vannes 23Génie civil 3Structures métalliques -Instrumentation 2Equipement électrique 25Peinture 1MontageFrais indirects de chantiers 6477Total 297Facteur multiplicatif ( gf ) 2,97Coût d’investissement (HT) DH 17 820

2.1.5. Filtre de condensat du traçage du soufre [1]Le coût d’achat de ce filtre a été tiré de la même consultation que les deux pompes, noussignalons que cet équipement ne demande pas d’accessoires supplémentaires. Il resteseulement d’ajouter le coût de la main d’œuvre qui va l’installer.Le prix d’achat de ce filtre est donné dans le tableau III.11.Tableau III.11 : Evaluation du coût d’achat du filtreFiltre CINTROPURPrix total (HT) DH 2 500

2.1.6. Tuyauterie [1]Le prix unitaire d’un mètre de longueur pour un diamètre donnée d’une conduite enInox 304 et le coût d’achat de la tuyauterie nécessaire à la réalisation du circuit deréutilisation proposé sont donnés dans le tableau III.12.Tableau III.12 : Evaluation du coût d’achat de la tuyauterieTuyauterie longueur (m) Diamètre (in) Prix unitaire(DH/m) Prix total(DH)Centrale vers SAP 125 1 1/4" 145 18 125SAP 81 1 1/2" 220 17 820Prix total (HT) DH 35 945

Etude économique

42

Investissement global des équipements avec échangeur à faisceautubulaire

Dans le tableau III.13, nous récapitulons le coût d’investissement global avec unréfrigérant à faisceau tubulaire.Tableau III.13 : Coût d’investissement global avec échangeur à faisceau tubulaireEquipement Coût d’investissementEchangeur à faisceau tubulaireAérocondenseurFiltre CINTROPUR2Fosses2PompesTuyauterieTotal HT DH 1 696 473,2TVA 20% DH 339 294,64Montant total d’investissement (TTC) MDH 2,04

Investissement global avec échangeur à plaquesDans le tableau III.14, nous récapitulons le coût d’investissement global avec unréfrigérant à plaques.Tableau III.14 : Coût d’investissement global avec échangeur à plaquesEquipement Coût d’investissementEchangeur à plaquesAérocondenseurFiltre CINTROPUR2Fosses2PompesTuyauterieTotal HT DH 1 362 795,8TVA 20% DH 272 559,16Montant total d’investissement (TTC) MDH 1,7Nota : Nous acceptons qu’un Euro en mi 2000 soit équivalent à 10 DH.Nous allons opter pour l’investissement avec échangeur à plaques, sauf ce choix doit êtrevérifié par une étude complémentaire de compatibilité de cet échangeur avec le systèmede refroidissement.

42 8777,41 089 740,82 500251 935217 82035 945

9 51001 089 740,82 500251 935217 82035 945

Etude économique

43

3. Coût opératoire- Coût énergétiqueNotre système comporte 3 systèmes de pompage et un moteur entrainant la rotation duventilateur de l’aérocondenseur.Le tableau III.15 récapitule de coût énergétique du système proposé.Tableau III.15 : Calcul du coût de revient énergétique du circuit proposéEquipement Puissanceabsorbée(KW) Consommationjournalière (kWh) Prixunitaire(DH/kWh)

Coûtopératoirejournalier(DH)Coûtopératoireannuel(DH)P1 0,7 16,8 1 16,8 5544P2 0,5 12 1 12 3960Moteur AC 15 360 1 360 118 800Total annuel en DH 128 304AvecP1 : pompe de refoulement des eaux collectées dans la SAP ;P2 : pompe de refoulement des collectées dans la centrale ;Moteur AC : Moteur de l’aérocondenseur de condensation de la vapeur de dégazage.

NB : La consommation électrique de la pompe de refoulement des effluents de la TEDvers l’atelier phosphorique ne va pas être prise en compte car cette dernière nefonctionne pas 24h/24h (elle est en fonction seulement pendant les cycles delavage des filtres et de régénération des résines).- Coût de la maintenanceCe coût est nul pendant la durée de garantie. Pour cela, nous n’allons pas le quantifierdans l’évaluation du coût opératoire.

Etude économique

44

4. Amortissement via les gainsLa durée d’amortissement de l’investissement via les gains est donnée par l’expressionsuivante :i

a

CT

G

AvecT : La durée d’amortissementiC : Le coût d’investissement globalaG : Les gains nets annuels T = 11 moisAprès 11 mois de fonctionnement du système proposé, l’usine PMP va amortir soninvestissement par un autofinancement.

45

Conclusions & perspectives

Les actions décrites dans ce projet permettent à la filiale PMP de réduire saconsommation en eaux désilicées jusqu’à 28% par le passage de 1100 m3/jour à 788m3/jour et jusqu’à 2% en eaux brutes de la consommation totale de l’atelierphosphorique par un passage de 8160 m3/jour à 7984m3/jour. Ce qui génèrera certesdes gains nets annuels appréciables arrivant à 2,04 MDH après une duréed’autofinancement de l’investissement via les gains d’environ 11 mois.Ces gains nets ont été identifiés sans prendre en compte les gains indirects suivants:- Augmentation du cycle de production d’eaux désilicées.- Réduction de la consommation électrique au niveau de la TED.- Réduction de la consommation annuelle des réactifs de régénération des résines.Nous rappelons que cette étude ce n’est qu’une proposition et qu’il y’en a d’autres. Pourcela, il est recommandé de faire les études suivantes et les comparer avec celle-là pouropter enfin de compte pour la bonne solution en termes de faisabilité, simplicité etrentabilité :- Etudier la possibilité de condenser la vapeur sortant du dégazeur dans lecondenseur principale de la centrale à vapeur ;- Etudier s’il y’a d’autres moyens de récupération des purges de contournementlocalement dans la centrale ;- Etudier la possibilité de réutiliser les différents rejets (SAP et centrale) sansrefroidissement soit dans la dilution d’acide ou les réutilisés comme retourcondensat dans la TED.- Réaliser un suivi de la qualité et la quantité des rejets de l’atelier phosphoriqueau niveau du bac à effluent en fonction des activités de l’atelier afin de pouvoirmaitriser le niveau d’eau dans le bac et éviter son débordement vers égout.

46

Références bibliographiques

[1] : Consultation auprès de la société Watec, 136, Bd IBN TACHFINE, N° 1 20300CASABLANCA MAROC, Tél. : +212 22.60.26.60 / 60.82.40 / 61.85.57 / 62.14.94Fax : +212 22 61 92 35[2] : Le pétrole Raffinage et Génie Chimique, Appareils tubulaires d’échange de chaleur,TOME II, P.WUITHIER ;[3] : Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, leséchangeurs à plaques, édition 2001, Alain CHAUVEL ;[4] : Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, lesaéroréfrigérents, édition 2001, Alain CHAUVEL ;[5] : Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes pré-estime, les appareilsd’échange tubulaires, édition 2001, Alain CHAUVEL ;[6] : Manuel d’évaluation économique des procédés, méthodes de détermination desinvestissements, Méthode utilisant des facteurs multiplicatifs variables, édition2001, Alain CHAUVEL ;

[7] : Service génie civil de Maroc Phosphore.

Annexe 1

Annexe 1

47

Introduction aux échangeurs thermiqueL’échangeur d’énergie thermique est un des instruments clé du thermicien ou del’énergéticien, que son but soit la fabrication d’un produit dont l’élaboration passe parun ensemble de cycles où varient température et pression ou qu’il s’agisse de productiond’énergie mécanique (ou électrique) à partir de l’énergie thermique. Essentiellement, unfluide chaud circule depuis une entrée de l’échangeur jusqu’à sa sortie en transférantune partie de son enthalpie à un fluide froid qui lui aussi circule entre une entrée et unesortie distinctes de celles du fluide chaud.On distingue généralement trois familles d’appareils, correspondant à des fonctions trèsspécifiques :- Les échangeurs et réfrigérants dans lesquels ne se produit aucun changement dephase. La désignation « échangeur » est dédiée aux appareils où le transfert entrele fluide chaud et le fluide froid correspond effectivement à une récupération dela chaleur, alors que le terme « réfrigérant » s’applique aux appareils où l’onrefroidit un effluent par un fluide auxiliaire.- Les condenseurs qui permettent la condensation et le refroidissement d’uneffluent vapeur en tête de colonne, soit à l’aide d’un produit froid, soit à l’aided’un fluide auxiliaire (eau, produit frigorigène, air…).- Les évaporateurs qui assurent une vaporisation des produits grâce à lacirculation d’un produit chaud ou d’un fluide auxiliaire (vapeur d’eau).Dans tout ce qui suit, nous ne traitons que les réfrigérants et les aérocondenseurs.

Dimensionnement des échangeurs à faisceau tubulaireAppareil à une passe côté calandre, deux passes côté tubes :Calcul de la surface d’échangePour calculer la surface d’échange on utilise la méthode de Kern qui est basée surl’estimation du coefficient d’échange globale et la surface d’échange et par la suite lescorriger pour aboutir à des résultats fiables.Cette surface d’échange est calculée par la méthode des moyennes logarithmiques detempérature, on donne

sQ U .A.F.DTLMOù :Q : Quantité de chaleur échangé (kcal/h)

Annexe 1

48

Us : coefficient d’échange global (kcal/h.m2.°C)A : surface d’échange (m2)F : coefficient de correctionDTLM : La différence de température logarithmique moyenne (°C)

ce fs cs fe

ce fs

cs fe

T T T TDTLM

T Tln

T T

Avec : Tce : Température d’entrée du courant chaud (°C)Tcs : Température de sortie du courant chaud (°C)Tfe : Température d’entrée du courant froid (°C)Tfs : Température de sortie du courant froid (°C)

Calcul du coefficient de correction F

- Calcul des coefficients E et RPar définition les coefficients E et R sont donnés par les relations suivantes :ce cs

fs fe

T TR

T T

et fs fe

ce fe

T TE

T T

AvecTf : Températures fluide froid (°C)Tc : Températures fluide chaud (°C)L’indice e indique l’entrée alors que l’indice s indique la sortie.D’où le coefficient de correction F :

2

2

2

1 ER 1 log

1 E.RF

2 E R 1 R 1(R 1) log

2 E R 1 R 1

Estimation d’une valeur du coefficient de transfert global U's

Annexe 1

49

D’après le tableau V.1.8 [2] on tire une valeur estimée du coefficient d’échange global,ce qui nous permet de calculer la surface d’échange de notre échangeur.s

QA

U .F.DTLM

Q : Quantité de chaleur échangé (kcal/h)Us’ : coefficient d’échange global (kcal/h.m2.°C)A’ : surface d’échange (m2)F : coefficient de correctionDTLM : La différence de température logarithmique moyenne (°C)Choix de la longueur des tubesLes grandeurs disponibles sur le marché : 6, 8, 10, 12, 16, 20 ft.Choix de la disposition des tubes dans la calandreNous distinguons la disposition pas carré et triangulaire, le choix d’une telle dispositiondépend principalement par l’objectif de facilité le nettoyage en cas d’encrassement etd’efficacité d’échange.

Choix du diamètre externes des tubesA partir du tableau A.III.4 on commence notre calcul par le diamètre le plus grand et oncalcul le nombre de tubes totale Nt’ par la relation't

e

AN

d L

Annexe 1

50

Puis, on vérifie si la valeur trouvée N't appartient à l'intervalle de valeurs dans lacolonne correspondante à la fois au diamètre externe qu'on a choisit et au nombre depasse coté tubes (tableau V.1.4,) ; s'elle appartient en prend la valeur qui la suitdirectement dans la colonne soit Nt cette valeur, sinon on reprend le calcul avec lavaleur du diamètre le plus petit qui suit.

Tableau V.1.4

Annexe 1

51

Calcul du nombre de tubes par passe NtpLe nombre de tubes par passe et donné en divisant le nombre de tubes total par lenombre de passe côté tubes nt.t

tpt

NN

n

Choix du diamètre interne diParmi ceux disponibles pour chaque diamètre externe à condition qu'il assure unevitesse convenable du fluide, dans notre cas une vitesse compris de 1 et 2 m/s.A partir de l’expression du débit massique du fluide coté tube, nous faisons varier ledébit diamètre interne des tubes afin de trouver un compromis entre les diamètresdisponibles et la vitesse du fluide dans les tubes qui doit être comprise entre 1 et 2 m/stp i tM N v S AvecM : Débit massique du fluide dans les tubes (Kg/s)

: Masse volumique du fluide côté tube. (kg/m3)Vi : vitesse de fluide à l'intérieur des tubes (m/s);Ntp : nombre de tube par passeSt: la section droite du tube ;2

tp i iM N v d4

i 2tp i

4 Mv

N d

Avec : di : diamètre interne des tubes de l’échangeurOn corrige la valeur de la surface A et la valeur de Us :t't

NA A

N

's t

s ss t

Q U A DTLM NU U

Q U A DTLM N

Annexe 1

52

Calcul des coefficients d’échanges externe et internea- Calcul du coefficient de film interne ihDans le cas des réfrigérants, les coefficients de transfert relatifs à l’eau circulant àl’intérieur des tubes en régime turbulent sont obtenus à partir de l’équation simplifiéede Eagle & Ferguson valable pour une eau de température dans un intervalle detempérature (0-100 °C) : 0,8

i 0,2i

900 1,352 0,02t uh

d

Oùt : Température moyenne de l’eau en °C ;u : vitesse de l’eau en m/s ;

id : Le diamètre interne des tubes en mètre.b- Calcul du coefficient de film externe 0hLe coefficient de film externe est donné par l’expression suivante :0,55 1/3

0 e e cTh .D D .G c.0,36

Où :De : diamètre équivalent donné par la formule suivante :2

2 02

e 00 0

d4 P

4 4PD d

d d

NB : cette corrélation n’est valable qu’en régime turbulente avec Re 2100Avec P : pas entre les tubes, d0 : diamètre externe des tubes

cTG : vitesse massique transversale : Viscosité de l’eau à sa température : Conductivité thermique de l’eauc : Capacité calorifique de l’eauCalcul de la vitesse massique transversaleLa vitesse massique transversale est calculée par l’aire de passage maximale, c'est-à-diredans la section équatoriale de l’échangeur :

Annexe 1

53

cTcT

MG

a

L’aire de passage pour un échangeur de disposition de pas carré des tubes est donnéepar l’expression suivante : c

cT 0

Da P d B

P

Où B, l’espacement entre les chicanes, P, le pas entre les tubes, Dc, diamètre de lacalandre.Calcul de la vitesse massique longitudinale cLGLa vitesse massique longitudinale est calculée par l’expression ci-dessus,

cLcL

MG

a

Avec acL, l’aire de passage sous chicanes, cette aire est donnée comme suit : 2 2

cL c t 0a D N d x4

OùNt : nombre de tubes du faisceau ;x : le rapport de l’aire du segment libre à la section intérieure de la calandre.Etude de pertes de charges

Perte de charge à l’intérieur des tubesLes pertes de charges à l’intérieur des tubes selon la méthode de Kern sont données parl’expression suivante :2

t t tt

i

n G f lP 2

d

Avec

tn : Nombre de passes coté tubes ;tG : vitesse massique t

2t i t

M nM 4

a d N

;

Annexe 1

54

tf : Coefficient de friction ; : Masse volumique du fluide ;

tP : Perte de charge (Pa)id : Diamètre interne des tubes (m);

l : Longueur des tubes (m) ;Pour calculer tf , il est demandé de calculer le nombre de Reynolds qui vaut : i td G

où est la viscosité du fluide dans les tubes,

- Régime laminaire : Re inférieur à 2100 : t

32f

Re ;

- Régime turbulent : Re supérieur à 2100 : 0,32tf 0,0028 0, 250 Re pour des tubeslisses.

Perte de charge à l’extérieur des tubesLes pertes de charge à l’extérieur des tubes c'est-à-dire côté calandre sont données parl’expression ci-dessous,2

cT cT c cc

e

f G (N 1)DP

D

Où :cTf : Le coefficient de friction exprimé en fonction du régime d’écoulement avec :

- Régime laminaire :

0cT

0 cT

30 df

P d Re

- Régime turbulent :

0,2

0cT

0 cT

df 1,50

P d Re

, avec cTRe nombre de Reynoldsdonné par l’expression : e cT

cT

D GRe

;

cTG : vitesse massique transversale ;cN : Nombre de chicanes ;

: Masse volumique du fluide ;De : Diamètre équivalent ;

Annexe 1

55

Dc : Diamètre de la calandre.Prix des échangeurs tubulaires [5]L’expression de base de ce prix est donnée par l’expression suivante.Prix de l’échangeur = Prix de base d l np p t mf f f f f f

Le prix de base est tiré de l’abaque, figure A2.3.3 donné en fonction de la surfaced’échange.Avec :df : Facteur caractéristique du type de l’échangeur ;lf : Facteur correctif de longueur des tubes ;npf : Facteur correctif tenant compte du nombre de passes côté tubes ;pf : Facteur correctif de pression dans la calandre et les tubes ;tf : Facteur correctif de températuremf : Facteur correctif suivant la nature du matériau employé.

Ces facteurs sont tirés des tableaux (A2.3.4 a, b, c, d, e, f et g).

Annexe 2

Annexe 2

56

Dimensionnement des échangeurs à plaques [3]La grandeur de dimensionnement des échangeurs à plaques est la surface et elle secalcule de façon similaire à celle des échangeurs tubulaires, c’est à dire en utilisant laformule suivante :ech

QS

U DTLM

Avec :echS : Surface d’échange (m2),

Q : Quantité de chaleur échangée (Kcal/h).U : Coefficient d’échange global (Kcal/h.m2.°C),DTLM : Différence de température logarithmique moyenne (°C)La différence par rapport aux échangeurs classiques repose sur la valeur du coefficientU.A titre indicatif, le tableau 2 donne un aperçu des niveaux indiqués par les fabricants.

Tableau 2 : échangeurs à plaques : valeurs du coefficient global de transfertFluides utilisés U(Kcal/h.m2.°C)Eau/eau 4000 à 6000Solution aqueuse visqueuse (50 cPo) /eau 1000 à1500Huile minérale/eau 500 à 1000Huile minérale/huile minérale 250 à 500Produits organiques (0,1 Kcal/h.m2.°C); (10 cPo)/eau 1800 à 2500Produits organiques (10 cPo)/eau 800 à 1200

Détermination du prix de l’échangeur [3]Expression de basePrix corrigé = prix de base. pfAvec pf : facteur correctif de pressionLe prix de base et le facteur correctif de pression dépendent du matériau utilisé (inox outitane) et s’obtient respectivement à partir des abaques des figures A2.3.10 et A2.3.11.

Annexe 3

Annexe 3

57

Les aérocondenseurs

DéfinitionLes aérocondenseurs peuvent être employés quand on veut utiliser l’air comme agentréfrigérant pour condenser une vapeur qui doit rester contenue dans un circuit étanche.Ils se distinguent des aéroréfrigérants du type sec indirect en ce sens que :—dans les aéroréfrigérants, on refroidit de l’eau (ou un autre fluide fonctionnellementéquivalent) qui est elle-même utilisée comme agent réfrigérant de la vapeur à condenserdans un condenseur eau-vapeur « classique » (le système est dit « indirect » à cause ducircuit d’eau intermédiaire entre l’atmosphère et le condenseur) ;— dans les aérocondenseurs, on traite la vapeur à condenser sans agent intermédiaire(le système est dit « direct »).Dimensionnement des aérocondenseurs [4]La méthode consiste à déterminer les caractéristiques de l’appareil, en particulier lapuissance absorbée par le ventilateur et le coût, à l’aide de coefficients (K et C) qui sontfonction :

De la quantité de chaleur à éliminer Q ; Des températures d’entrée T1 et de sortie T2 du fluide à refroidir ; De la température ta d’entrée de l’air ambiant ; De la résistance globale r due au transfert et à l’encrassement.

Calculs préliminairesDans cette méthode, le dimensionnement d’un aéroréfrigérant et la détermination deson coût nécessitent la connaissance ou le calcul des paramètres suivants : Le rapport thermique :

1 2

1 a

T TR

T t

La charge calorifique réduite :03

1 a

Q.10S

T t

Quantité de chaleur à éliminer Q :La quantité de chaleur à éliminer pour une vapeur surchauffée est donnée parl’expression :eau e v vap vQ M Cp (100 T ) M L M Cp (T 100) AvecM : Débit massique de la vapeur à condenser ;

Annexe 3

58

eauCp : Capacité calorifique de l’eau à l’état liquide ;vL : Chaleur latente de vaporisation de l’eau ;

vapCp : Capacité calorifique de la vapeur ;eT : Température de l’eau souhaitée après condensation ;vT : Température de la vapeur surchauffée. La résistance globaleCette résistance est donnée par la formule suivant :r = coefficient de film interne ri + coefficient d’encrassement rd.Des valeurs de r, ri et rd sont rassemblés pour divers effluents dans le tableau A2.3.6. Le coefficient d’échange global U (Kcal/h.m2.°C) de l’aéroréfrigérant avec :

i d m a

1r r r r

U

Expression dans laquelle :mr : Résistance au transfert due au métal qui est le plus souvent égale à : 0,00015(h.m2.°C/Kcal).ar : Coefficient de film externe, c'est-à-dire de l’air. Le tableau A2.3.7 en fournit lavaleur en fonction du rapport :

1 aT t

U

Différence de température logarithmique moyenne (°C)Cette différence est calculée par la formule suivante :

1 h 2 a

1 h

2 a

T t T tDTLM

T tln

T t

Avec

ht : Température de l’air quittant l’aérocondenseur.Cette différence de température logarithmique moyenne est corrigée par le facteur F quidépend des paramètres R et P, et tiré des abaques de la figure A2.3.7.Avec :

1 2

1 a

T TR

T t

, h a

1 2

t tP

T T

Annexe 3

59

Calcul de la surface d’échangeCette surface d’échange A est donnée par l’expression suivante :corrigée

QA

U DTLM

Avec :A : (m2) ;Q : (Kcal/h) ;U : (Kcal.h.m2.°C) ;DTLM : (°C).Calcul de la puissance absorbée par le ventilateurLa puissance absorbée par le moteur du ventilateur est donnée par l’expressionsuivante :

absP K S Avec :absP : Puissance absorbée par le moteurS : la charge calorifique réduiteK : Coefficient déterminé à partir de l’abaque de la figure A2.3.8, connaissant les valeursde R et r.

Détermination de la largeur de l’aérocondenseurPour des faisceaux courants dont la longueur de tube est de 10 m, la largeur (l) est enpremière approximation donnée en fonction de Pabs par la relation suivante :absl 0,112 P Avec l exprimé en m.

Détermination du prix des aérocondenseurs [4]

Etablissement du prix de baseLe prix de base est établi pour les conditions suivantes : Tubes : longueur 10 m, diamètre extérieur 1 in ( 25,4 mm), matériau acierordinaire ; Nombres de rangées 6 ; Pression de service : inférieure à 10 bar ;On détermine tout d’abord le coefficient de coût C à l’aide de la figure A2.3.9,connaissant R et r.Le prix de base en € mi-2000, hors taxes, départ usine, est donné par l’expressionsuivante :

Annexe 3

60

Prix de base (€ mi-2000) 0,35 C S .Facteur correctifsSelon les caractéristiques techniques de l’aérocondenseur considéré, on est amené àmultiplier le prix de base par un ou plusieurs des facteurs correctifs dans les tableauxA2.3.8.On a ainsi :Prix de l’aérocondenseur = Prix de base e p l N mf f f f f

Avec :ef : Facteur correctif d’épaisseur des tubes ;pf : Facteur correctif de pression ;lf : Facteur correctif de longueur des tubes ;Nf : Facteur correctif suivant le nombre de rangées ;mf : Facteur correctif suivant la nature du matériau employé.

Ces facteurs correctifs sont tirés respectivement des tableaux A2.3.8, a, b, c, d et e.

Annexe 4

Annexe 4

61

I. Tuyauterie et pertes de charges

1. TuyauterieLe dimensionnement des conduites repose sur la connaissance du débit pompé, lanature du fluide et la vitesse admissible avec laquelle il peut être transporté.Le diamètre interne d’une conduite circulaire est donné par l’expression suivante :i

4Qd

.

AvecQ : Débit (m3/s) : Vitesse d’écoulement dans la conduite (m/s)

id : Diamètre de la conduite en (m)2. Pertes de charges

Pertes de charges linéairesPour une eau chaude à une température de l’ordre de 80°C et une conduite en Inox, lespertes de charges linéaires sont calculées à partir de l’abaque suivant :

Annexe 4

62

Calcul des pertes de charge singulièreLes pertes de charges singulières correspondant aux accidents de parcours dans lesréseaux hydrauliques et sont exprimées par la relation suivante :2

s

vP k

2.g

Avec sP = perte de charge singulière en Pa v = vitesse d’écoulement en m/s g = accélération de pesanteur m/s2 k = coefficient dépendant de la nature de la singularité (module de perte decharge)

Annexe 4

63

Dans le tableau ci-dessus, nous donnons les valeurs du coefficient k en fonction du typede la singularité et le diamètre du tube.

Pour les conduites de notre circuit, nous optons pour des coudes serrés à 90° (r/d=1,5)alors la valeur du coefficient k vaut : 1.

Annexe 4

64

II. Dimensionnement des pompes centrifugesLe dimensionnement des pompes repose sur la connaissance de la HauteurManométrique Totale qui est égale à la somme de l’élévation géométrique, des pertes decharges linéaires et des pertes de charges singulières et par la suite le calcul de l’énergiehydraulique utile.A D L SHMT H H H H Avec

AH : Charge hydraulique au point d’arrivée du fluide transporté ;DH : Charge hydraulique au point de départ du fluide transporté ;

LH : Pertes de charges linéaires ;SH : Pertes de charges singulières.Après avoir évalué la HMT, la puissance hydraulique utile est donnée par l’expressionsuivante :

P .g.Q.HMT AvecP : puissance en (W) : Masse volumique du fluide (1000 kg/m3 pour l'eau) ;g = 9,8 m/s2 ;Q = débit en m3/s ;HMT : Hauteur Manométrique Totale (m H2O).

Kamal NASSEREDDINE (2010). Economie de l’eau de procédé àPMP (Pakistan Maroc Phosphore)

Université Hassan II Mohammedia-Casablanca

Faculté des Sciences et Techniques de Mohammedia

Le présent travail consiste à procéder par une analyse des différents circuits d’eaux et de vapeurs del’usine PMP afin de bien identifier les pertes en eaux de procédé et de trouver les moyens susceptiblesd’apporter aux exploitants une gestion rationnel toute étude, cette étude s’est basée sur la réalisation des bilans massiques de consommation pour évaluerla quantité rejetée suivie d’une étude qualitative permettant une identification de la qua

entre plusieurs scénarios a été réalisée afin d’opter pour la bonne proposition en termed’efficacité et de simplicité.

d’investissement, coût d’exploitation, l’estimation des gains générés par ces actions et la duréed’amortissement via les gains.

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