PHYSIQUE INDUSTRIELLE, 3ÈME ANNÉE / OPTION : PÉTROCHIMIE INDUSTRIELLE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Finalités de la formation

La formation en physique industrielle a pour finalité de doter l’élève des lois physiques et des principes d’ingénierie qui sous-tendent le fonctionnement des équipements et des procédés dans l’industrie de transformation. L’objectif est de lui permettre de quantifier les phénomènes, de comprendre les bilans énergétiques, de choisir des matériaux et de saisir les logiques de contrôle-commande qui garantissent l’efficacité, la sécurité et la rentabilité d’une unité de production.

2. Compétences visées

À l’issue de cette année, l’élève devra être capable de choisir un capteur adapté pour mesurer une grandeur physique industrielle (température, pression, débit), d’appliquer les principes de la thermodynamique pour analyser un cycle de machine thermique, et de calculer les flux de chaleur dans un échangeur. Il pourra également interpréter un essai de traction pour caractériser la résistance d’un matériau et expliquer le fonctionnement d’une boucle de régulation simple.

3. Approche Pédagogique

L’enseignement s’articule autour de l’application des lois de la physique à des systèmes technologiques concrets. Chaque principe est directement lié à un équipement ou à un problème industriel. La résolution d’exercices basés sur des fiches techniques de constructeurs, l’analyse de schémas d’instrumentation de procédés (P&ID) et l’étude de cas pratiques, comme l’optimisation thermique d’une chaudière ou l’analyse des contraintes dans une tuyauterie sous pression, constituent le cœur de la démarche pédagogique.

4. La Sécurité dans les Mesures Physiques Industrielles

Une attention particulière est portée aux risques liés à l’instrumentation en milieu industriel. L’élève apprendra les précautions à prendre pour les mesures sur des fluides à haute température ou haute pression, les principes de la protection contre les atmosphères explosives (ATEX) et les règles de sécurité électrique pour l’installation et la maintenance des capteurs et des transmetteurs.

Partie I : Métrologie et Instrumentation Industrielle 📈

Cette partie établit les fondements de toute la physique appliquée : la mesure. Sans mesure fiable, aucun contrôle de procédé n’est possible. L’élève y découvrira les principes de fonctionnement des principaux capteurs utilisés dans l’industrie pour surveiller les grandeurs physiques clés. La maîtrise de l’instrumentation est la première compétence du technicien de terrain.

Chapitre 1 : Fondements de la Mesure et de l’Incertitude

Ce chapitre pose les bases de la science de la mesure, la métrologie.

1.1. Le Système International d’Unités (SI) et les Étalons

Le SI sera révisé en insistant sur son importance pour l’universalité des mesures. La notion d’étalonnage, qui consiste à raccorder un instrument de mesure à un étalon de référence, sera présentée comme le fondement de la traçabilité et de la qualité des mesures.

1.2. La Chaîne de Mesure

L’élève apprendra à décomposer une chaîne de mesure en ses éléments constitutifs : le capteur (qui convertit la grandeur physique en signal), le conditionneur, le transmetteur (qui envoie le signal, souvent en 4-20 mA) et le récepteur (automate, afficheur).

1.3. Caractéristiques Métrologiques d’un Capteur

Les critères de performance d’un instrument de mesure seront définis : l’étendue de mesure, la sensibilité, la justesse (exactitude), la fidélité (répétabilité), la résolution et le temps de réponse.

1.4. Le Calcul d’Incertitude

Une introduction pratique au calcul d’incertitude sera proposée. L’élève apprendra à évaluer l’incertitude totale d’une mesure en combinant les différentes sources d’erreurs (instrumentales, opératoires), une démarche essentielle pour garantir la fiabilité d’un résultat.

Chapitre 2 : Capteurs de Température et de Pression

Ce chapitre se concentre sur la mesure des deux paramètres les plus surveillés dans l’industrie.

2.1. Les Thermomètres à Résistance (Sondes Pt100)

Les sondes à résistance de platine (Pt100) seront présentées comme les capteurs de température les plus précis et les plus stables pour les applications courantes. Leur principe, basé sur la variation de la résistance du platine avec la température, sera détaillé.

2.2. Les Thermocouples

Les thermocouples seront étudiés comme des capteurs robustes, peu coûteux et capables de mesurer des températures très élevées. Le principe de l’effet Seebeck et les différents types de thermocouples (J, K, S) seront expliqués.

2.3. Les Manomètres et les Capteurs de Pression

L’élève distinguera les instruments de mesure locale (manomètre à tube de Bourdon) des capteurs de pression électroniques (à technologie capacitive, piézorésistive) qui fournissent un signal électrique pour l’automatisation.

2.4. La Mesure de Pression Différentielle

La mesure de la différence de pression entre deux points sera présentée comme une technique polyvalente, utilisée non seulement pour la mesure de débit (voir chapitre 3) mais aussi pour la mesure de niveau dans des cuves sous pression.

Chapitre 3 : Capteurs de Débit et de Niveau

Ce chapitre aborde la mesure des quantités de matière, essentielle pour les bilans et la gestion des stocks.

3.1. Les Débitmètres à Organe Déprimogène

Le principe de la mesure de débit par mesure d’une pression différentielle aux bornes d’un obstacle (plaque à orifice, tube de Venturi) sera expliqué. C’est une technique robuste et très répandue dans l’industrie pétrochimique.

3.2. Les Débitmètres Électromagnétiques et à Ultrasons

Des technologies de mesure plus modernes seront introduites : le débitmètre électromagnétique (pour les liquides conducteurs, comme l’eau traitée par la REGIDESO) et le débitmètre à ultrasons (non intrusif, pour les mesures sur des conduites existantes).

3.3. La Mesure de Niveau par Pression Hydrostatique

La méthode la plus simple pour mesurer le niveau dans une cuve ouverte à l’atmosphère, en mesurant la pression au fond du réservoir, sera détaillée.

3.4. Les Technologies de Mesure de Niveau en Continu

L’élève découvrira d’autres technologies de mesure de niveau en continu, comme les capteurs radar ou à ultrasons qui mesurent le temps de vol d’une onde, particulièrement adaptés pour les produits corrosifs ou les solides en vrac (silos).

Partie II : Thermodynamique Industrielle et Machines Thermiques 🌡️

Cette partie applique les lois fondamentales de la thermodynamique à l’analyse des systèmes industriels qui convertissent la chaleur en travail ou inversement. L’élève y étudiera les cycles théoriques des moteurs et des machines frigorifiques, ainsi que la production et l’utilisation de la vapeur, le fluide de travail par excellence de l’industrie chimique.

Chapitre 4 : Principes et Cycles Thermodynamiques

Ce chapitre révise les fondements de la thermodynamique et les applique à des cycles idéaux.

4.1. Le Premier Principe de la Thermodynamique (Bilan d’Énergie)

Le premier principe (conservation de l’énergie) sera appliqué à des systèmes fermés et ouverts (machines). Les notions de travail, de chaleur, d’énergie interne et d’enthalpie seront consolidées.

4.2. Le Second Principe de la Thermodynamique (Bilan d’Entropie)

Le second principe sera introduit, soulignant l’irréversibilité des transformations réelles et définissant la notion d’entropie comme une mesure du désordre. L’élève comprendra qu’il impose des limites au rendement des machines.

4.3. Le Cycle de Carnot

Le cycle de Carnot, constitué de transformations réversibles, sera analysé comme le cycle théorique offrant le rendement maximal possible pour une machine thermique fonctionnant entre deux sources de chaleur.

4.4. Les Cycles des Moteurs à Combustion Interne

Les cycles idéaux qui modélisent les moteurs à essence (cycle de Beau de Rochas ou Otto) et les moteurs diesel (cycle de Diesel) seront décrits dans les diagrammes Pression-Volume et Température-Entropie.

Chapitre 5 : Machines Thermiques et Systèmes Frigorifiques

Ce chapitre se concentre sur les machines réelles qui réalisent les conversions d’énergie.

5.1. Les Moteurs à Combustion Externe (Cycle de Rankine)

Le cycle de Rankine, qui modélise le fonctionnement des centrales thermiques à vapeur, sera étudié en détail : pompage de l’eau, vaporisation dans une chaudière, détente dans une turbine, condensation.

5.2. Les Turbines à Gaz (Cycle de Brayton)

Le cycle de Brayton, modélisant les turbines à gaz (utilisées en aéronautique et dans certaines centrales électriques), sera analysé avec ses trois composants principaux : le compresseur, la chambre de combustion et la turbine.

5.3. Les Machines Frigorifiques

Le principe d’une machine frigorifique (pomper de la chaleur d’une source froide vers une source chaude) sera expliqué. Le cycle à compression de vapeur, utilisé dans la plupart des réfrigérateurs et climatiseurs, sera détaillé.

5.4. L’Efficacité et le Coefficient de Performance (COP)

L’élève apprendra à quantifier la performance d’une machine frigorifique ou d’une pompe à chaleur à l’aide du Coefficient de Performance (COP), qui est le rapport de l’énergie thermique transférée à l’énergie mécanique consommée.

Chapitre 6 : Production et Utilisation de la Vapeur Industrielle

Ce chapitre est dédié au fluide caloporteur le plus important de l’industrie.

6.1. Les Propriétés de l’Eau et de la Vapeur

Les différents états de l’eau (liquide comprimé, liquide saturé, mélange liquide-vapeur, vapeur saturée, vapeur surchauffée) seront étudiés. L’élève apprendra à utiliser les tables thermodynamiques et les diagrammes (P-h, T-s) de la vapeur d’eau.

6.2. Les Chaudières Industrielles

Les différents types de chaudières utilisées pour produire la vapeur (à tubes de fumées, à tubes d’eau) seront décrits, en insistant sur les aspects de rendement énergétique et de sécurité.

6.3. Le Réseau de Vapeur

L’élève étudiera la structure d’un réseau de distribution de vapeur dans une usine, incluant les collecteurs, les tuyauteries, les purgeurs (pour évacuer les condensats) et l’isolation thermique.

6.4. Les Applications de la Vapeur

Les deux principales utilisations de la vapeur seront analysées : comme source de force motrice (dans les turbines) et comme fluide de chauffage direct ou indirect dans de très nombreux procédés de l’industrie chimique et pétrochimique.

Partie III : Transferts Thermiques et Équipements Associés 🔥

Cette partie se concentre sur la science des transferts de chaleur, une discipline essentielle pour le dimensionnement des équipements de chauffage, de refroidissement, de vaporisation ou de condensation. L’élève y étudiera les trois modes de transfert et les appliquera au calcul et à la conception des échangeurs de chaleur et des fours industriels.

Chapitre 7 : Les Modes de Transfert de Chaleur

Ce chapitre analyse les mécanismes physiques par lesquels la chaleur se propage.

7.1. La Conduction Thermique

Le transfert de chaleur par conduction dans les solides (loi de Fourier) sera étudié. L’élève apprendra à calculer le flux de chaleur à travers un mur plan ou une paroi cylindrique (cas des tuyauteries) et à comprendre la notion de résistance thermique.

7.2. La Convection Thermique

La convection (transfert entre une surface et un fluide en mouvement) sera analysée. L’élève distinguera la convection naturelle de la convection forcée et apprendra à utiliser le coefficient de transfert convectif (h).

7.3. Le Rayonnement Thermique

Le transfert de chaleur par rayonnement électromagnétique (loi de Stefan-Boltzmann) sera présenté. L’élève comprendra que ce mode de transfert devient prédominant à haute température, notamment dans les fours.

7.4. Les Transferts Combinés et le Coefficient Global d’Échange

Dans la plupart des cas réels (comme un fluide chauffant un autre à travers une paroi), les trois modes sont combinés. L’élève apprendra à calculer un coefficient de transfert de chaleur global (U) qui intègre toutes les résistances thermiques.

Chapitre 8 : Les Échangeurs de Chaleur

Ce chapitre est dédié à l’équipement le plus courant pour les transferts thermiques industriels.

8.1. Typologie des Échangeurs de Chaleur

Une classification des échangeurs sera présentée : échangeurs à tubes et calandre (les plus répandus), à plaques et joints, à double tube, et refroidisseurs à air (aéroréfrigérants).

8.2. L’Échangeur à Tubes et Calandre

La conception d’un échangeur à tubes et calandre sera détaillée, en identifiant les principaux composants (calandre, faisceau de tubes, chicanes, boîtes de distribution). Les configurations à co-courant et à contre-courant seront comparées.

8.3. Le Calcul de la Surface d’Échange

L’élève apprendra la méthode de base pour le dimensionnement d’un échangeur : calculer la puissance thermique à échanger, déterminer la différence de température moyenne logarithmique (DTML), et en déduire la surface d’échange nécessaire (S = P / (U × DTML)).

8.4. L’Encrassement des Échangeurs (Fouling)

Le phénomène d’encrassement, qui correspond au dépôt de tartre ou d’impuretés sur les surfaces d’échange et qui réduit la performance de l’appareil, sera analysé. La nécessité du nettoyage périodique des échangeurs sera soulignée.

Chapitre 9 : Les Fours et l’Isolation Thermique

Ce chapitre aborde le transfert de chaleur à haute température et les moyens de le conserver.

9.1. Les Fours Industriels

Le rôle des fours dans les procédés nécessitant de très hautes températures (distillation du brut, vapocraquage, cimenterie) sera étudié. Leur conception (zone de radiation, zone de convection) et leurs brûleurs seront décrits.

9.2. Le Bilan Thermique d’un Four

L’élève apprendra à réaliser un bilan énergétique sur un four pour en calculer le rendement thermique, en identifiant la chaleur utile (transmise au fluide) et les différentes pertes (par les fumées, par les parois).

9.3. Les Matériaux Isolants et Réfractaires

Les matériaux utilisés pour limiter les pertes de chaleur seront étudiés : les isolants thermiques (laine de roche, fibre céramique) pour les équipements à moyenne température, et les matériaux réfractaires (briques, bétons) pour les parois internes des fours.

9.4. Le Calcul des Pertes Thermiques

L’élève appliquera les lois de la conduction pour calculer les déperditions de chaleur à travers une paroi isolée multicouche, démontrant ainsi l’intérêt économique de l’isolation thermique pour réduire la consommation d’énergie.

Partie IV : Résistance des Matériaux et Introduction au Contrôle ⚙️

Cette dernière partie aborde deux domaines de la physique appliquée qui sont essentiels à la fiabilité et à l’efficacité des installations industrielles. La première moitié se concentre sur la résistance des matériaux, qui permet de s’assurer que les équipements résisteront aux sollicitations mécaniques. La seconde moitié introduit au contrôle des procédés, qui permet de maintenir les variables de production à leurs valeurs de consigne.

Chapitre 10 : Comportement Mécanique des Matériaux

Ce chapitre étudie la réponse des matériaux aux forces qui leur sont appliquées.

10.1. Contraintes et Déformations : L’Essai de Traction

L’essai de traction, essai mécanique fondamental, sera détaillé. L’élève apprendra à tracer et à interpréter la courbe contrainte-déformation pour un matériau métallique.

10.2. Le Domaine Élastique et la Loi de Hooke

Le comportement élastique, où le matériau reprend sa forme initiale après déchargement, sera analysé. La loi de Hooke et le module de Young (ou module d’élasticité), qui caractérise la rigidité du matériau, seront définis.

10.3. Le Domaine Plastique et la Rupture

Le comportement plastique (déformation permanente) au-delà de la limite d’élasticité sera étudié. Les grandeurs clés comme la résistance à la traction et l’allongement à la rupture, qui caractérisent la ductilité, seront identifiées.

10.4. Les Autres Sollicitations Mécaniques

Une introduction aux autres types de sollicitations sera proposée : la compression, le cisaillement, la torsion et la flexion, qui sont omniprésentes dans les structures et les pièces de machines.

Chapitre 11 : Introduction à la Corrosion et à la Protection des Matériaux

Ce chapitre traite de la principale cause de dégradation des équipements industriels.

11.1. La Corrosion Chimique et Électrochimique

La corrosion sera définie comme la dégradation d’un matériau par réaction avec son environnement. L’élève distinguera la corrosion sèche (oxydation à haute température) de la corrosion humide, qui est un processus électrochimique.

11.2. Les Différentes Formes de Corrosion

Les principaux types de corrosion seront décrits : la corrosion uniforme, la corrosion par piqûres, la corrosion galvanique (entre deux métaux différents) et la corrosion sous contrainte.

11.3. Les Méthodes de Prévention de la Corrosion

L’élève découvrira les principales stratégies de lutte contre la corrosion : le choix de matériaux résistants (aciers inoxydables), l’application de revêtements protecteurs (peintures, galvanisation) et l’isolation électrique.

11.4. La Protection Cathodique

Le principe de la protection cathodique, qui consiste à imposer un potentiel électrique pour que la structure à protéger devienne la cathode d’une pile électrochimique, sera expliqué. Son application pour la protection des pipelines enterrés et des réservoirs de stockage sera citée comme exemple.

Chapitre 12 : Principes de la Régulation et du Contrôle de Procédés

Ce chapitre est une introduction à l’automatisation des procédés industriels.

12.1. Le Principe de la Boucle de Régulation

Le concept de boucle de régulation en feedback (boucle fermée) sera présenté comme la base du contrôle de procédés. L’élève identifiera les quatre éléments de la boucle : le procédé, le capteur, le régulateur et l’actionneur.

12.2. La Régulation en Tout-ou-Rien (On/Off)

Le mode de régulation le plus simple, le contrôle « On/Off » (comme dans un thermostat de fer à repasser), sera expliqué. L’élève en analysera les avantages (simplicité) et les inconvénients (oscillations).

12.3. Le Régulateur PID

Le régulateur PID (Proportionnel, Intégral, Dérivé) sera introduit comme le « cerveau » de la plupart des boucles de régulation industrielle. Le rôle de chaque action (P, I, D) dans la correction de l’erreur entre la mesure et la consigne sera expliqué.

12.4. Exemple : La Régulation de Niveau d’un Ballon de Vapeur

Pour synthétiser, l’exemple de la régulation du niveau d’eau dans le ballon d’une chaudière, un paramètre de sécurité critique, sera analysé en détail, en identifiant le capteur de niveau, le régulateur PID et la vanne de régulation sur l’alimentation en eau comme actionneur.

Annexes

Cette section fournit des documents de référence pour une consultation rapide et une meilleure assimilation des concepts.

1. Glossaire de la Physique Industrielle

Une définition claire des termes techniques clés (ex: thermocouple, enthalpie, DTML, module de Young, PID) est fournie pour assurer la maîtrise du vocabulaire spécialisé.

2. Tableaux des Propriétés Physiques

Des tableaux de valeurs pour des propriétés importantes comme la conductivité thermique de différents matériaux, la viscosité de fluides courants et les modules d’élasticité des principaux métaux.

3. Diagrammes Thermodynamiques

Des exemples de diagrammes thermodynamiques utilisés en industrie, notamment un diagramme de Mollier (enthalpie-entropie) pour la vapeur d’eau, essentiel pour l’analyse des cycles de Rankine.

4. Symboles d’Instrumentation (Norme ISA)

Un tableau récapitulatif des symboles normalisés (norme ISA S5.1) pour représenter les instruments (capteurs, vannes, régulateurs) et les signaux sur les schémas de procédé et d’instrumentation (P&ID).