L’hydromètre

Vue de l’intérieur d’un réacteur à eau potable

Aux Pays-Bas, plus de 400 millions de m³ (100 milliards de gallons) d’eau sont adoucis chaque année dans les usines de traitement de l’eau potable. L’adoucissement est un processus physique et chimique complexe dans les réacteurs à lit fluidisé. Dans un lit fluidisé, des particules d’environ 1 mm sont soulevées par un courant d’eau ascendant, ce qui crée une grande surface. Le maintien des conditions optimales du processus nécessite des informations en temps réel sur l’état du lit fluidisé. Jusqu’à récemment, il était impossible de comprendre pleinement la dynamique des lits fluidisés depuis l’extérieur du réacteur. Waternet, la société de distribution d’eau d’Amsterdam et de ses environs, a cherché à développer un capteur souple innovant (1) – l’hydromètre – capable de surveiller en permanence l’état du lit fluidisé à l’intérieur du réacteur. Cette recherche est le fruit d’une collaboration avec l’ Université des sciences appliquées d’Utrecht, l’Université Queen Mary de Londres, l’Université technique de Delft, Bienfait et Gantner Instruments.

Optimiser le processus d’adoucissement de l’eau

Le processus d’adoucissement se déroule dans des réacteurs à lit fluidisé, partiellement remplis de matériaux de départ tels que du sable, du grenat et des granulés de calcite. L’eau est pompée vers le haut, ce qui maintient le lit de granulés dans un état fluidisé. La soude caustique est ajoutée comme réactif pour la cristallisation du carbonate de calcium à la surface des pastilles de calcite. La cristallisation entraîne la croissance des granulés et leur descente vers le fond du réacteur. Des granulés plus grands réduisent la surface disponible, ce qui affecte négativement l’efficacité de la cristallisation. Le maintien des conditions optimales du processus nécessite des informations en temps réel sur l’état de fluidité du lit de granulés afin de déterminer la quantité de soude caustique nécessaire pour un processus de cristallisation optimal. Ces informations en temps réel permettent également d’éviter les surdosages de soude caustique, ce qui prévient les effets négatifs sur la qualité de l’eau, la durabilité du processus et les coûts. Le capteur souple Hydrometer vise à obtenir des informations longitudinales dans un réacteur à lit fluidisé et à déterminer ensuite le profil longitudinal des vides (2) et du diamètre des particules à l’aide d’un modèle empirique.

Preuve de concept de l’hydromètre

Le capteur souple Hydrometer est basé sur la méthode de pesée sous-marine, également connue sous le nom de principe d’Archimède. Archimède a découvert que la force de flottaison vers le haut d’un corps immergé était égale à la masse du liquide déplacé. Le volume déplacé est égal au volume du corps immergé dans le liquide. L’hydromètre est conçu pour laisser un objet flottant immergé pendre à différentes hauteurs dans un lit fluidisé de granulés de calcite et mesurer la force de flottabilité à ces positions.

Pour démontrer la faisabilité de l’hydromètre, Waternet et l’Université des sciences appliquées d’Utrecht ont conçu un dispositif d’essai expérimental utilisant un cylindre transparent rempli de billes de verre et de granulés de calcite pour simuler le réacteur d’adoucissement. Un capteur à poulie intelligente conçu par Bienfait est monté au-dessus du cylindre pour déplacer un objet flottant contrôlé par un moteur pas à pas verticalement à travers le lit fluidisé. Un capteur à poulie (P100/3W, Gicam) et un codeur rotatif incrémental (Rotapulse I28, Lika Electronics) mesurent le poids et la position de l’objet flottant à l’intérieur du cylindre. Le moteur pas à pas, le codeur et la cellule de charge sont connectés à un système d’acquisition de données et de contrôle Q.series composé d’un contrôleur Q.monixx et d’un module d’entrée numérique Q.bloxx D101.

Le capteur à poulie intelligente comprend quatre composants pour déplacer l’objet vers le haut et vers le bas du cylindre et mesurer son poids et sa position. L’objet flottant est attaché à une fine ligne de pêche tressée. La ligne est tendue sur la première poulie équipée d’un encodeur rotatif qui transmet au module de mesure Q.bloxx D101 le nombre de pas à partir d’un point zéro défini. La ligne tressée passe sous la deuxième poulie équipée d’une cellule de charge qui mesure la tension. Cette déformation mesurée est en corrélation linéaire avec la masse de l’objet flottant. La ligne tressée est enfilée sur la troisième poulie pour la soutenir. Il est relié au moteur pas à pas, qui fait monter et descendre l’objet flottant dans le cylindre.

La configuration du système d’essai et l’enregistrement des données sont effectués à l’aide du logiciel d’acquisition de données GI.bench. Le Q.monixx transmet en continu les données au logiciel GI.bench fonctionnant sur un PC. Grâce à la fonction de mise à l’échelle des capteurs de GI.bench, les données mesurées par le codeur et le capteur de force sont converties du nombre de pas [#] à la position [m] et de la déformation [V] à la masse [kg]. Les tableaux de bord en ligne permettent aux opérateurs de surveiller le test en temps réel et les enregistreurs de données configurables par l’utilisateur enregistrent les données de mesure dans un fichier à la fréquence d’échantillonnage optimale.

Les ingénieurs de Waternet ont développé une routine test.con pour automatiser le test et garantir des résultats reproductibles et comparables. La routine déplace l’objet flottant par étapes prédéfinies à différentes hauteurs dans le cylindre pour la mesure. test.con est le langage de programmation visuel gratuit de Gantner qui permet aux ingénieurs de créer des applications personnalisées pour l’automatisation et l’analyse des essais. Pour la configuration expérimentale de l’hydromètre, Waternet a réalisé 20 mesures par essai en 30 minutes environ.

Connaissances acquises

Le nouveau capteur Hydrometer soft s’est avéré être une méthode plus efficace pour obtenir l’état hydraulique dans les réacteurs à lit fluidisé à grande échelle. Les avantages d’un capteur longitudinal pour le contrôle quotidien du processus sont l’accès en temps réel au comportement du lit de particules et une plus grande flexibilité en cas de changement du débit d’eau et des conditions du processus.

À la suite des essais de validation de l’hydromètre, le vide a pu être estimé avec une erreur de 5 % et la taille des particules avec une erreur d’environ 10 %, en combinaison avec un modèle basé sur des données. Pour améliorer encore la précision et la fiabilité de l’hydromètre, plusieurs aspects doivent être développés. Il s’agit notamment d’optimiser la précision des mesures dans les régions inférieures du lit fluidisé, d’ajouter des capteurs de pression différentielle pour améliorer la validation du modèle et d’appliquer la CFD (dynamique des fluides computationnelle) pour mieux modéliser les interactions entre les particules, les fluides et les objets.

Programming a test.con routine in the Q.monixx has benefited the test results significantly.
Waternet

Outre le nombre de points de données, l’intervalle optimal entre les mesures pourrait également être déterminé, ce qui améliorerait la durée des essais. Les processus de traitement de l’eau pourraient s’en trouver considérablement améliorés, notamment grâce à des opérations plus souples, à une meilleure qualité de l’eau, à une diminution des risques d’atteindre des états de fluidification indésirables et à une moindre utilisation de produits chimiques.

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Plus d’informations

O.J.I. Kramer, C. van Schaik, J.J. Hangelbroek, P.J. de Moel, M.G. Colin, M. Amsing, E.S. Boek, W.P. Breugem, J.T. Padding, J.P. van der Hoek, A novel sensor measuring local voidage profile inside a fluidised bed reactor, Journal of Water Process Engineering 41C (2021), pp. 1-15, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2021.102091

Regardez la vidéo ci-dessous pour découvrir le développement du capteur Hydrometer en action.

_{Note de bas de page:
(1) Un capteur souple est un modèle virtuel qui convertit diverses entrées provenant de capteurs simples et les combine pour imiter la sortie d’un capteur plus complexe.
(2) Le vide est la fraction du volume total du lit fluidisé qui est l’espace libre disponible pour l’écoulement des fluides.}