chimie : thermodynamique et électrochimie (PC) · Chapitre 5 · Exercice de TD
Bassin de chloration : pourquoi on le cloisonne
Procédés industriels continus : réacteurs ouverts · C. Le réacteur en écoulement piston · niveau 2
Énoncé
Dans une usine de production d'eau potable, l'eau filtrée séjourne dans un bassin de contact où elle est désinfectée par le chlore. On admet que, à concentration de chlore libre fixée, l'inactivation des micro-organismes suit une cinétique d'ordre 1 (loi de Chick) : la concentration de kystes vivants de Giardia (un parasite intestinal résistant) vérifie, dans un échantillon d'eau qui ne se mélange pas, . Pour de chlore libre, à et , on prend (ordre de grandeur des tables réglementaires de désinfection). La réglementation exige un abattement de , c'est-à-dire . L'usine traite d'eau par jour, soit . On suppose le chlore libre maintenu à partout.
1) Calculer le temps de passage et le volume d'un bassin qui se comporterait comme un réacteur piston idéal.
2) Même question pour un bassin qui se comporterait comme un RPAC unique. Conclure.
3) On modélise un bassin compartimenté par une cascade de RPAC identiques en série, de temps de passage total . Établir , et le volume nécessaire pour , , , . Que devient cette expression quand ?
4) L'usine dispose d'un bassin existant de . Calculer l'abattement obtenu, en , s'il se comporte comme un RPAC unique, comme une cascade de , ou cuves, ou comme un piston. Conclure : que faut-il faire de ce bassin ?
Corrigé
La stratégie. La « réaction » est une inactivation d'ordre 1 ; les deux modèles de réacteurs s'y appliquent tels quels, jouant le rôle d'une concentration. Le piston est un réacteur fermé qui avance : chaque tranche d'eau vit la loi intégrée pendant le temps . Le RPAC, lui, se traite par un bilan algébrique ; une cascade est une répétition de ce bilan, la sortie d'une cuve étant l'entrée de la suivante.
1) Piston. Bilan sur une tranche de volume en régime stationnaire : , soit et . Pour : Un bassin de , par exemple : un ouvrage courant.
2) RPAC unique. Bilan sur tout le bassin : , d'où . Pour , il faut : C'est 145 fois le volume du piston : un lac. Dans un bassin parfaitement mélangé, une partie de l'eau entrée récemment ressort aussitôt ; c'est elle qui fixe l'abattement. Le RPAC est d'autant plus pénalisant que la conversion visée est forte : le rapport des volumes vaut pour , alors qu'il ne vaut que pour .
3) Cascade de cuves. Chaque cuve a le temps de passage . Le bilan de la cuve donne, comme ci-dessus, ; en enchaînant les cuves,
| piston | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| () | ||||||
| () |
Quand , : la cascade tend vers le piston. Les deux modèles idéaux sont les bornes d'une famille ; un bassin réel est entre les deux, et on le caractérise justement par un nombre de cuves équivalent.
4) Le bassin existant. , . L'abattement en vaut :
| modèle | RPAC () | piston | |||
|---|---|---|---|---|---|
| abattement () |
Vide, le bassin n'assure qu'un : l'eau est très insuffisamment désinfectée, alors que son volume () dépasse largement celui du piston idéal. Il faut le cloisonner : avec dix compartiments équivalents, on atteint tout juste , sans marge. On ajoute donc des chicanes (on vise un comportement plus proche du piston), ou bien on augmente la concentration de chlore, ce qui augmente — au prix de sous-produits de chloration et d'un goût de l'eau. Les exploitants raisonnent exactement ainsi : le temps de contact retenu par la réglementation est corrigé par un « facteur de chicanage » qui mesure l'écart au piston.
Hypothèses à garder en tête. La concentration de chlore libre n'est pas constante en réalité : il est consommé par la matière organique de l'eau (« demande en chlore »), ce qui diminue le long du bassin. Et le modèle d'ordre 1 est une approximation de la cinétique d'inactivation.
Ce que l'exercice installe. Les deux modèles idéaux s'appliquent à tout processus d'ordre 1 dans un écoulement, chimique ou biologique. Une cascade de RPAC se traite par un bilan algébrique répété et tend vers le piston quand le nombre de cuves augmente. À forte conversion, le modèle d'écoulement domine tout : fois le volume pour un abattement de . Dimensionner un ouvrage, c'est choisir un modèle ; juger un ouvrage existant, c'est encadrer son comportement entre les deux modèles idéaux.
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