Depuis la nuit des temps, les hommes récoltent le sel que l'on utilise quotidiennement (ce que l'on appelle le sel de table) dans des bassins d'évaporation naturelle. Le mécanisme de base est si simple qu'un élève de classe de sciences intermédiaire pourrait le comprendre. À mesure que la solution aqueuse ou la saumure refroidissent, ou que l'eau s'évapore, les ions dissous précipitent hors de la solution et cristallisent. Que ce soit en raison du changement de concentration dû à une évaporation solaire ou de la solubilité due au refroidissement, les sels qui ont cristallisé hors de la saumure se déposent au fond du bassin et attendent qu'on les recueille.

Aujourd'hui encore, le lithium, la potasse et d'autres minéraux extraits par dissolution sont fréquemment récupérés à l'aide de bassins de cristallisation. On trouve ces bassins, également appelés bassins de refroidissement ou d'évaporation en fonction du mécanisme primaire, aux quatre coins du monde, du Grand Lac Salé en Amérique du Nord à la mer Morte au Moyen-Orient, et de l'ouest de la Chine au désert d'Atacama au Chili. Dans des régions bénéficiant de vastes territoires et de conditions climatiques favorables (une température ambiante relativement basse et/ou peu de précipitations), les bassins de cristallisation constituent une option intéressante ou un complément aux évaporateurs et cristallisoirs mécaniques, gros consommateurs d'énergie.

Pourtant, la plupart des bassins de cristallisation dans le monde ont été construits avant l'avènement des outils analytiques informatiques modernes et sont donc encore relativement rudimentaires. Ainsi, lorsqu'un producteur de potasse a contacté Hatch en 2009 pour lui faire part de la raison pour laquelle ses bassins n'étaient pas aussi productifs que ce qu'ils devraient l'être, l'occasion s'est présentée de mettre à l'essai des décennies d'hypothèses quant à ces bassins de cristallisation.

Recherche sur le terrain

Comprendre la dynamique complexe en jeu dans les bassins n'a pas été facile. Angelo Stamatiou, ingénieur principal de projet chez Hatch spécialisé dans la dynamique des fluides computationnelle (DFC), a collaboré avec le client pour mettre au point la meilleure approche. « Ce n'a pas été simple car des changements se sont produits au niveau de la bathymétrie, des concentrations, des températures, de l'action climatique et des effets transitoires », déclarait-il.

« Nous avons passé beaucoup de temps sur le bilan énergétique et à essayer de comprendre l'origine des paramètres importants qui l'influence », déclarait Mark Machado, ingénieur des procédés au sein du groupe Minéraux de Hatch. « Nous avons commencé par les principaux et les plus évidents, à savoir les pertes par évaporation, les pertes thermiques par convection et par conduction dans le sol ou les parois du bassin. Nous avons ensuite approfondi nos recherches afin d'inclure l'action du soleil et les effets radiatifs, ainsi que la chaleur générée par la précipitation des sels, c'est-à-dire la chaleur produite par la cristallisation. »

L'équipe pluridisciplinaire a développé des modèles de simulation dynamique et de DFC en fonction des seules conditions du bilan énergétique. Ce dernier était indispensable en raison des nombreux paramètres inhérents à un bassin de cristallisation, qui varient en fonction du temps. « Les conditions climatiques changent, et à mesure que les sels précipitent dans le bassin, la géométrie change, tout comme la bathymétrie du bassin. Ceci influence à son tour l'ampleur de la précipitation et le refroidissement. Toutes ces interactions sont importantes », expliquait M. Machado. « Il nous a fallu du temps, mais notre approche très systématique incorporait tous les phénomènes majeurs. »

« Ce n'est pas quelque chose qui s'est passé en l'espace d'une nuit », insistait M. Stamatiou. « La collecte de données a été complexe, elle aussi. Nous avions réellement l'impression d'être sur le terrain. » Cependant, ces efforts en valaient la peine. « Nous avons pu établir des modèles en disséquant systématiquement les données à l'aide d'une analyse statistique permettant d'identifier les variables critiques, ce qui nous a permis d'acquérir la confiance nécessaire dans nos modèles », indiquait-il.

« Nous avons pu obtenir un modèle très bien défini à l'aide de toutes les informations dont nous disposions », ajoutait M. Machado. « Le modèle affichait de bons résultats et prévisions par rapport à ce qu'il se passait réellement sur le terrain. »

Cours de géométrie

L'équipe de Hatch avait entière confiance dans la validité de ce modèle, aussi elle s'est orientée sur l'optimisation de la conception du bassin en essayant de maximiser l'évaporation et le transfert de chaleur dans l'environnement. L'expérimentation avec divers paramètres (comme la longueur, la largeur et la profondeur du bassin, le taux d'écoulement de la saumure, etc.) a permis à l'équipe de commencer à enregistrer dans ses modèles les faiblesses des bassins de cristallisation.

« Les anciens bassins de cristallisation présentent des caractéristiques communes », indiquait M. Machado. « Ils sont souvent très profonds, larges et relativement courts. Les bassins présentent un rapport longueur/largeur de moins de quatre par un, voire peut-être même plus proche de deux par un. Ils présentent également des caractéristiques de configuration d'écoulement inefficace ; les courts-circuits sont fréquents et on trouve de nombreuses zones mortes, et dans certaines parties du bassin, le mélange est insuffisant. Ceci aboutit à un manque d'uniformité dans le bassin et, dans certains cas, à la perte d'une zone efficace, ce qui équivaut à une perte de productivité. »

Un bassin optimisé, indiquait M. Machado, serait bien différent. « En ce qui concerne nos bassins, la situation est totalement autre. On compte au moins cinq bassins dans la longueur, un bassin dans la largeur, et des rapports bien supérieurs ; nous ne souhaitons pas descendre plus bas. Ainsi, nous obtenons des conduits longs et étroits. »

Un autre facteur important concerne le rapport écart/longueur, que l'on définit comme la taille de l'ouverture entre un bassin et le suivant dans lequel se déverse la saumure, par rapport à la longueur caractéristique du bassin. D'après nos modèles, ce rapport est généralement trop faible dans les bassins plus anciens, fréquemment de l'ordre de 4 ou 5 %. Pendant la modélisation, il est devenu clair pour Hatch que des rapports d'écart plus importants favorisent de meilleurs régimes d'écoulement, permettant par là même un mélange et un transfert de chaleur plus fluides en réduisant la taille des zones mortes.

« Nous étudions les façons d'introduire un mélange plus fort et d'améliorer la dissipation de la chaleur dans les bassins », déclarait M. Machado. Des configurations spécifiques de tuyaux d'admission peuvent également améliorer les régimes d'écoulement, de même que les géométries différentes des bassins plus proches ou plus éloignées de l'orifice d'entrée. Dans un contexte d'optimisation totale, Hatch estime qu'elle peut concevoir un bassin affichant une production supérieure d'environ 20 % qu'un bassin de style ancien avec la même empreinte.

Une solution à reproduire

Hatch a terminé ses travaux en 2013. Les nouvelles capacités brevetées que la société a développées pourraient bien servir à concevoir un bassin optimisé totalement nouveau, ou aider les exploitations existantes à prévoir la production future et identifier les obstacles dans leurs systèmes de bassins. Hatch est en pourparler avec un certain nombre de clients potentiels pour essayer d'appliquer cette technologie à ses bassins actuels et futurs.

« La bonne nouvelle est que nous disposons de tous les modèles, et la logique à l'origine des modèles est très solide et existe déjà », indiquait M. Machado. « Nous devons maintenant adapter les paramètres du modèle à une application spécifique, à savoir aux conditions climatiques de la région, aux caractéristiques chimiques qui gouvernent le système, à la cinétique de ce système, etc. À partir de là, nous pouvons exploiter nos modèles et obtenir une conception très solide et optimisée, en basant nos études techniques là-dessus. »

Avec des étés secs et des hivers rigoureux, sans parler des étendues planes avec lesquelles ils doivent composer, les producteurs de potasse de la Saskatchewan et d'autres lieux tout aussi favorables bénéficient des conditions optimales pour les bassins de cristallisation utilisant le refroidissement. Les usines de cette région, comme partout ailleurs, ont toujours dû s'appuyer sur les performances historiques et respecter des règles très strictes pour préserver la régularité du pétrole brut dans leurs exploitations. Grâce aux outils développés par Hatch, les exploitants peuvent désormais prendre le contrôle de leur production. « Nombre de ces exploitants ne sont même pas conscients du potentiel de production de leurs bassins », indiquait M. Machado. « Jusqu'à présent, ils n'avaient jamais eu la possibilité de voir ce qui était possible. »

Traduit par Karen Rolland