Brevet FR2720829A1 — publié le 19951208

La présente invention concerne un réacteur pour l'observation d'un liquide dans une canalisation. Plus particulièrement, le réacteur est conçu pour l'observation des interactions physico-chimiques et/ou biologiques entre le liquide et le matériau de la canalisation et par exemple pour mimer en laboratoire un segment de distribution de ce liquide selon une application preférée mais non limitative, il s'agit de mimer un segment de distribution d'eau potable. Pour l'observation des interactions physico-chimiques et/ou biologiques liquide-matériau (biofilm, interactions eau-matériau, proliférations bactériennes, etc) il est nécessaire de faire varier des paramètres comme par exemple la température, le pH, la vitesse d'écoulement au contact de la paroi de la conduite, et d'effectuer des prélèvements du biofilm. Un réacteur connu sous le nom de Roto Torque z répond partiellement aux besoins. Le Roto Torque (EPA, Montana State University) est constitué d'une enveloppe cylindrique externe dans laquelle est introduit un cylindre plein. L'espace annulaire cylindrique entre ces deux éléments est très petit et par conséquent, le volume d'eau à l'intérieur du réacteur est faible. Pour provoquer un mouvement du fluide, le cylindre interne est mis en rotation par un moteur. Des systèmes de prélèvements du biofilm sont prévus. I1 en existe deux types : des languettes glissées le long de l'enveloppe externe. ou des pastilles maintenues par un écrou. Les languettes et les pastilles peuvent ètre dans le matériau désiré. Des accès sont prévus pour alimenter le système en continu c'est à dire avec une entrée et une sortie. Ce système permet donc d'étudier le comportement du biofilm puisqu'on peut le prélever, il permet également de faire varier l'écoulement au contact de la paroi, de réguler le pH et d'étudier différents matériaux. En ce qui concerne la température, il faut mettre le réacteur dans une pièce climatisée pour permettre un maintien de la température. Néanmoins ce réacteur présente des inconvénients - le volume d'eau est faible et le rapport volume d'eau/surface, dans le cas du Roto Torque est complètement différent de celui qui existe dans une canalisation. Or ce rapport a une influence sur les réactions qui ont lieu entre les composants du milieu eau et la surface, - le mouvement est provoqué par la rotation du cylindre interne. Les flux d'eau suivent une trajectoire radiale alors que dans une canalisation réelle l'écoulement est turbulent ou parallèle aux parois. Les forces agissant sur le dépôt bactérien sont donc différentes des forces réelles, ce qui va influencer, par exemple, la réaction chlore-biofilm, - le cylindre interne est en PVC. Or le PVC relargue des molécules qui peuvent interférer, - pour prélever le biofilm, il faut arrêter le système et vider le réacteur, ce qui interdit d'étudier le vieillissement de ce biofilm sans introduire de discontinuités indésirables. Un premier but de l'invention est de pallier les inconvénients du réacteur présenté ci-dessus, l'invention doit notamment permettre de travailler - avec un rapport volume/surface analogue à celui qui existe dans une canalisation, - avec un système d'écoulement permettant d'obtenir un flux identique à celui d'une canalisation, - avec des systèmes de prélèvements ne modifiant pas la réaction en cours. Un autre but de l'invention est de simuler les phénomènes physico-chimiques et biologiques qui se déroulent dans un reseau de distribution d'eau potable, et ainsi d'évaluer l'influence ou le rôle de différents parametres par exemple et non limitativement : pH, température, type de turbulence, dépôts bactériens (appelés biofilm), matériau constituant la canalisation, interactions eau-materiau, relargage par les différents matériaux, proliférations bactériennes en présence ou non de désinfectant (chlore par exemple). Pour étudier l'influence de ces parametres, il faut pouvoir les faire varier à volonté. Cela nécessite - de pouvoir modifier et maintenir un pH en introduisant dans le réacteur des réactifs pour augmenter ou diminuer la valeur du pH (ou toute autre variable), - de modifier et maintenir une température donnée à l'aide d'un système thermostaté, - de modifier et maintenir un écoulement défini, ainsi qu'un sens de circulation d'eau. L'écoulement est caractérisé par un nombre appelé nombre de Reynolds (Re). Un nombre de Reynolds peut se calculer pour des configurations de réacteur bien définies. I1 faut donc choisir un système pour lequel ce calcul est possible, - de pouvoir quantifier le dépôt microbien sur les parois et de pouvoir prélever une partie de la surface du réacteur en contact avec l'eau, - de pouvoir tester différents matériaux constituant la canalisation, utilisés dans les réseaux ; le changement de l'enveloppe externe du réacteur doit être facile. Un autre but de l'invention a consisté à construire un réacteur à la fois - maniable pour l'utilisation en laboratoire, centre de recherche, etc, - simple pour pouvoir être produit en grande quantité, - apte être installé sur un pilote ou automate industriel, - permettant de produire un écoulement parallèle à l'axe lonoitudinal du réacteur, - permettant un calcul simple du nombre de Reynolds, - autorisant des prélèvements sans avoir à vider le dispositif, - permettant d'utiliser un segment de canalisation identique à ceux de l'installation à surveiller. Conformément à l'invention, le réacteur permettant d'atteindre les buts fixés se caractérise en ce qu'il comporte un tube cylindrique externe et un tube cylindrique interne, coaxiaux, une hélice marine entrainée par un moteur et placée dans le tube interne et à proximité d'une de ses extrémités de façon à créer à l'intérieur du tube interne une poussée axiale sur le liquide. En outre, il peut comporter au moins une ailette à l'intérieur du tube interne pour supprimer tout mouvement rotatif du fluide. On peut également thermostater facilement ce réacteur par échange de chaleur entre le fluide du réacteur et un fluide caloporteur circulant à l'intérieur d'un tube interne à double enveloppe. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description qui suit faite en référence aux figures annexées suivantes - Figure 1 : vue en coupe longitudinale d'un réacteur selon l'invention, - Figure 2 : vue en coupe d'un moyen de prélèvement utilise sur le réacteur, - Figure 3 : graphe montrant la relation entre le nombre de tours/mn et la vitesse du fluide. Un réacteur selon l'invention comporte les éléments principaux suivants - un tube cylindrique externe (1) fermé à ses deux extrémités 3, 4 et modélisant la canalisation à étudier, il est réalisé dans un matériau à tester, - un tube cylindrique interne (5) de même axe longitudinal que le tube externe réalisé dans le matériau à tester ou un matériau neutre, - une hélice (6) entrainée par un moteur (7) et disposée à l'entrée du tube interne (5), - une tubulure d'entre (8) et une tubulure de sortie (9) prévue sur l'une des extrémités 3, 4 du tube cylindrique externe, - des moyens de prélèvements (2) disposés sur la paroi du tube cylindrique extérieur (1). Selon un mode de réalisation préféré de l'invention et pour résoudre le problème rapport volume d'eau/surface, le tube externe (1) du réacteur est en fait un segment d'une véritable canalisation (quelle que soit la nature et le diamètre). Dans le cas non limitatif représenté, il s'agit d'un segment de tuyau de 50 cm de haut et de 100mm de diamètre, en fonte recouverte intérieurement de mortier de ciment. Ainsi, le volume d'eau est de 5 litres et le rapport volume d'eau/surface est identique à celui d'une canalisation de lOOmm de diametre (2,46 ml/cm2). Pour éviter les problèmes de relargage de molécules, l'ensemble des éléments ajoutés à l'intérieur du réacteur est en acier inoxydable, matériau peut perturbant (faible demande en chlore et difficile à coloniser). Le problème le plus difficile à résoudre a eté de recréer un flux linéaire, semblable à celui existant dans une canalisation, à l'intérieur d'un tube de faible longueur. Au départ, l'idée inventive a consisté à remplacer le mouvement circulaire provoqué par le cylindre interne du Roto Torque, par un mouvement longitudinal au moyen d'une hélice marine. Ce type d'hélice propulse le liquide perpendiculairement à son plan alors que les autres hélices font "tourner" le liquide. Selon le mode de réalisation préferé mais non limitatif représenté en figure 1, le tube interne (5) a une longueur sensiblement égale à celle du tube externe (1) et l'hélice est disposée à l'extrémité haute du tube interne. Cette disposition permet d'eviter la présence de zones mortes (ou zones où le fluide n'est pas agité). Pour éviter tout phénomène parasite de rotation qui pourrait subsister, on a remarque que la présence d'une ou plusieurs ailettes additionnelles placées à l'intérieur du tube interne pouvaient encore améliorer le mouvement. Selon le mode de réalisation préféré de la figure 1, on prévoit deux ailettes (18), chacune disposée à proximité d'une extrémite du tube interne. Grâce à une maquette dont le tube externe était en Plexiglas et , et dans laquelle on a placé une bille de densité voisine de celle de l'eau visualisant le mouvement, on a pu vérifier que le fluide entre dans le réacteur par l'entrée (8), est poussé axialement par l'hélice (6) dans le tube interne (5), puis remonte le long des parois du tube externe en suivant une ligne de courant parallèle à l'axe de la conduite et sort par la sortie (9). L'adjonction d'un cylindre interne permet d'une part de contrôler le nombre de Reynolds et d'autre part de canaliser l'écoulement. On a également vérifié que, pour un nombre de tours/mn affiché sur le moteur (7), on obtient dans le réacteur une vitesse linéaire proportionnelle au nombre de tours affichés (voir figure 3). I1 est donc simple, à partir de l'affichage sur le moteur (7), d'obtenir une vitesse déterminée permettant de calculer le nombre de Reynolds. Un des moyens de prélèvements est représenté en détail en figure 2, il se compose principalement d'une pastille (11) montee sur un support pastille (17). En fonctionnement, le support pastille (11) est serré par un écrou (16) sur un système de mamelon (12) et bague d'étanchéité (14), le mamelon (12) étant vissé dans un trou taraudé (10) de la paroi externe (1) et la pastille (11) maintenue dans l'alignement de ladite paroi (1). Des joints toriques (15), un joint Téflon (13) assurent l'étanchéité. Pour sortir la pastille avec une perte minimale d'eau sans arrêter le réacteur, on enlève l'écrou et on le remplace par une vanne. Le support pastille est retiré, la vanne ayant été fermée avant le retrait complet du support pastille. Par ailleurs, on peut facilement thermostater le réacteur selon l'invention. I1 suffit, comme sur la figure 1, d'utiliser un tube interne (5) à double enveloppe cylindrique à l'intérieur de laquelle on fait 2circuler un fluide à température prédéterminée, entre une tubulure d'entrée (19) et une tubulure de sortie (20). L'invention ne s'applique pas limitativement à l'observation des interactions eau-matériau dans un réseau de distribution d'eau potable. Elle s'applique de façon plus générale, à l'observation de toutes les installations ou circule un liquide par exemple : eau salée, eau thermale, liquide à pH acide, etc...) et dans des buts divers (surveillance, travaux de normalisation par exemple). Le réacteur est alors réalisé avec un segment de la canalisation ou circule le fluide surveillé. REVENDICATIONS 1. Réacteur pour l'observation des interactions physico-chimiques et/ou biologiques liquide-materiau dans une canalisation, avec une entrée (8) et une sortie (9) du liquide à analyser, caractérisé en ce qu'il comporte un tube cylindrique externe (1) et un tube cylindrique interne (5), coaxiaux, une hélice marine (6) entraînée par un moteur (7) et placée dans le tube interne et à proximité d'une de ses extrémités de façon à créer à l'intérieur du tube interne une poussée axiale sur le liquide. 2. Réacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une ailette (18) à l'intérieur du tube interne (5). 3. Réacteur selon l'une au moins des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le tube interne (5) est un cylindre à double enveloppe dans lequel circule un liquide à température prédéterminée. 4. Réacteur selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen de prélèvement (2) à vanne pour permettre de retirer une pastille (11) avec un minimum de perte de liquide. 5. Réacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen de prélèvement (2) est formé d'une pastille (11) montée sur un support de pastille (17) serré par un écrou (16) sur un système à mamelon (12) et bague d'étanchéité vissé dans un trou taraudé (10) de la paroi externe (1), l'écrou (15) pouvant être remplacé par une vanne permettant la sortie du support de pastille (11). 6. Réacteur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube interne (5) a sensiblement la même longueur que le réacteur. 7. Réacteur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube externe est un segment de canalisation identique à ceux de l'installation où circule le liquide à analyser. 8. Réacteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le segment de canalisation est un segment de canalisation d'eau potable. 9. Réacteur selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que le tube interne et le tube externe sont realises dans le meme matériau.