Le BLEVE

Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion
BLEVE, synonyme d'énorme explosion de gaz générant une boule de feu colossale et causant des dégats considérables. Quel est le mécanisme thermodynamique qui explique ce phénomène ? C'est ce que je vais tenter d'expliquer.De nombreux films circulent sur le net représentant ce phénomène accidentel: cela va de l'explosion d'une bouteille de gaz dans les combles d'un immeuble à la formidable boule de feu de México, en passant par des explosions de camions citerne de GPL ou de wagons citernes ou de stockage plus modeste comme ce qui se passa à Feyzin il y a quelques années. Les images sont toujours impressionantes et on se demande souvent comment il est possible de réchapper à un tel accident, notamment lorsqu'on est en première ligne, à l'attaque du foyer. De nombreux sapeurs pompiers y ont d'ailleurs laissé la vie ainsi que de nombreux civils.

Introduction

Le BLEVE peut être défini comme une vaporisation violente à caractère explosif consécutive à la rupture d'un réservoir contenant un liquide à une température significativement supérieure à sa température d'ébullition à la pression atmosphérique. Le Bleve peut survenir avec tout liquide, inflammable ou non, lorsqu'il est chauffé et contraint dans une enceinte fermée. Il peut être distingué deux types de BLEVE, le BLEVE froid et le BLEVE chaud en fonction des caractéristiques de l'explosion.

BLEVE froid:
Lorsque le phénomène se produit à une température inférieure à la température limite de surchauffe du liquide. Visuellement, on a affaire à une explosion plutôt "molle", plutôt proche du régime de la déflagration avec production d'une boule de feu (si le liquide est inflammable) qui s'élève peu au dessus de la citerne.

BLEVE chaud:
Lorsque le phénomène se produit à une température supérieure à la température limite de surchauffe du liquide. Visuellement, on a affaire à une explosion plus détonante avec élévation de la boule de feu (si le liquide est inflammable) au dessus de la citerne. Plus on se rapproche du point critique du fluide, et plus la violence de l'explosion sera importante, le fluide se comportant "de plus en plus" comme un gaz.



Température limite de surchauffe

La température limite de surchauffe est donnée en fonction de la pression et peut être approchée par une droite qui passe par le point critique et le point tel que pour P=0:
Pour une explication sur ce qu'est le point critique et le comportement du fluide aux alentours de ce point, reportez-vous sur la page qui concerne la classe 2.

T=0,89.Tc

avec Tc, température critique du fluide.

La température limite de surchauffe est définie comme la température maximale que peut avoir un liquide à une pression donnée. Cette température est supérieure au point d'ébullition du liquide qui est alors entre ces deux températures dans un état métastable.

Pour bien visualiser de quoi il s'agit, faites les deux petites expériences suivantes:

1- Mettez de l'eau distillée (ou de l'eau du robinet, cela marche aussi) dans un verre très propre et portez dans le micro-onde. Mettez à chauffer (2 minutes). Sortez doucement le verre du micro-onde sans vous brûler et versez du sel ou du sucre dans l'eau ou tout type d'impureté, celle-ci se met à bouillir car elle se trouvait dans un état métastable (surchauffée, à une température supérieure à 100°C). Nota: l'eau salée boue à une température supérieure à 100°C, ce qui prouve bien que l'eau liquide était à une température supérieure à sa température d'ébullition.

2- Laisser un petit peu d'eau dans une bouteille dans un congélateur et  sortez-la avant que l'eau ne gèle, le fait de secouer la bouteille fait que l'eau gèle instantanément. L'eau était toujours liquide, dans un état métastable (surfondue, à une température inférieure à 0°C).

Ce phénomène a également été décrit par Curzio Malaparte en 1943:
"Le troisième jour un énorme incendie se déclara dans la forêt de Raikkola. Hommes, chevaux et arbres emprisonnés dans le cercle de feu criaient d'une manière affreuse. (...) Fous de terreur, les chevaux de l'artillerie soviétique -il y en avait près de mille - se lancèrent dans la fournaise et échappèrent aux flammes et aux mitrailleuses. Beaucoup périrent dans les flammes, mais la plupart parvinrent à atteindre la rive du lac et se jetèrent dans l'eau. (...) Le vent du nord survint pendant la nuit (...) Le froid devint terrible. Soudainement, avec la sonorité particulière du verre se brisant, l'eau gela (...) Le jour suivant, lorsque les premières patrouilles, les cheveux roussis, atteignirent la rive, un spectacle horrible et surprenant se présenta à eux. Le lac ressemblait à une vaste surface de marbre blanc sur laquelle aurait été déposées les têtes de centaines de chevaux". Curzio Malaparte, Kaputt, 1943. 

Ainsi un liquide peut être surfondu (température inférieure à la température de solidification) mais également surchauffé (température supérieure à la température d'ébullition). Cet état n'est pas stable et la moindre perturbation du milieu peut faire basculer le liquide vers une phase solide ou gazeuse en fonction du cas.


Notion de nucléation:

La nucléation est le début d'une phase de transition dans une petite région. Cette phase peut être la formation d'une bulle ou d'un cristal dans un liquide ou encore la création de goutellettes de liquide ou de solide dans une vapeur saturée (comme la pluie ou le phénomène de givre sur les bâteaux par exemple).

L'ébullition constatée dans une casserole en est un exemple: des bulles apparaissent au niveau de la surface de chauffe. Elles sont en général provoquées par la présence d'irrégularités sur la surface de la casserole et l'apport d'énergie thermique. Ces bulles grossissent jusqu'à être suffisamment importantes pour vaincre les forces qui les maintiennent au fond de la casserole. Le gaz étant plus léger que le liquide à volume égal, la bulle se détache et vient rejoindre la surface du liquide.

Egalement, il est possible d'observer un phénomène similaire dans un verre de champagne, où le dioxyde de carbone dissous dans le vin vient former des bulles au contact d'aspérités sur le verre. Si le verre est parfaitement lisse, il n'y aura pas de bulles (vous remarquerez que dans la bouteille, il n'y a pas de bulles). Un passage au lave-vaisselle ou un nettoyage avec une éponge abrasive suffira à créer des irrégularités sur la surface du verre et voir apparaître des bulles. Certaines flûtes à champagne possède au fond du verre une irrégularité provoquée afin de générer un beau filet de bulles. Il est même possible de calibrer ces irrégularités en fonction de la taille des bulles que l'on souhaite et leur quantité !

Lorsqu'un liquide est chauffé et dépressurisé rapidement, il devient surchauffé et donc dans un état métastable. La présence d'irrégularités à la surface du contenant ou d'impuretés dans le liquide provoque la formation de bulles (nucléation) et le rétablissement de l'équilibre liquide-vapeur défini par la courbe de pression de vapeur saturante. En fonction du degré de surchauffe du liquide, le phénomène est plus ou moins violent. Cette ébullition forcée est consomatrice d'énergie (la chaleur latente de vaporisation), ce qui implique que le liquide va se refroidir à cause de cette ébullition. Le refroidissement se fera jusqu'à la température d'ébullition du liquide. On parlera ici de nucléation hétérogène.

La chaleur latente de vaporisation d'un liquide est dépendante de la température. Plus on se rapproche de la température critique, plus cette dernière se rapproche de 0. En effet, au point critique, on ne fait plus de différence entre le liquide et le gaz au niveau énérgétique. Une dépressurisation d'un fluide à la température critique n'est pas consommatrice d'énergie sous forme de chaleur latente de changement d'état (puisqu'il n'y a plus de changement d'état au delà de cette température).

Revenons au cas du liquide surchauffé, théoriquement il est possible de prévoir jusqu'à quelle limite il est possible de le surchauffer, cette limite est appelée limite spinodale. Mais dans la pratique, cette limite n'a jamais été atteinte et se caractérise par un droite appelée droite limite de surchauffe du liquide (telle que définie plus haut).

Ainsi, lorsque la température limite de surchauffe est dépassée, en cas de dépressurisation on assiste non plus à un phénomène de nucléation hétérogène mais à un phénomène de nucléation homogène (on dit également "spontanée"): plus besoin d'aspérité ou d'impureté pour provoquer l'ébullition du liquide. Le liquide est "cassé", et il se vaporise instantanément dans sa masse. Ce passage à l'état gazeux est extrêmement violent, c'est ce qui provoque la ruine complète du contenant et la formation d'une boule de feu qui s'élève dans le ciel du fait de son énergie considérable.

Le graphique ci-après illustre pour le propane l'existence de deux régions dépendantes de la pression et de la température, l'une dans laquelle il est possible d'avoir un état métastable dans lequel on assistera à une nucléation hétérogène , l'autre dans laquelle il n'est pas possible d'avoir de trace de liquide et dans laquelle la nucléation sera homogène et instantanée.

Nota 1: au delà de la température critique, il ne peut y avoir de phénomène de BLEVE par définition, puisque le fluide supercritique est considéré comme un gaz, donc la dépressurisation éventuelle se caractérisera par une détente pure du gaz contenu dans la citerne et non comme une ébullition explosive. Le phénomène se rapprochera d'une explosion de gaz comprimé.

Nota 2: On remarquera que sur le graphique j'ai également fait apparaître des pressions négatives. Ceci illustre également qu'il est possible d'avoir un liquide soumis à une pression négative (on dit que le liquide est tendu).

Exemple: Lorsque vous mettez de l'eau dans un piston et que vous tirez dessus de façon à essayer non pas de comprimer mais d'étirer le liquide, vous le soumettez à une force qui tente de s'opposer à sa cohésion. Dans la pratique, vous ne verrez pas une ébullition se produire ni l'apparition d'une poche de gaz dans le piston. Le liquide est dans un état métastable. En admettant que vous ayez assez de force, vous pouvez assister à une nucléation homogène du liquide lorsque la pression négative que vous lui imprimez sera suffisante pour couper la droite limite de surchauffe du liquide. Pour notre exemple du propane, à température ambiante, il faut lui imprimer une tension de -30 bar afin de croiser la droite limite de surchauffe et donc casser le liquide.


Courbe PVS du propane




Lorsque la rupture du contenant a lieu à une pression telle que la température (sur la courbe) est supérieure à la température limite de surchauffe à 1 bar, il s'agira d'un BLEVE chaud, dans le cas contraire d'un BLEVE froid.
Si on connait la pression de rupture du réservoir soumis à l'incendie, il est possible ainsi de prévoir à quel type de BLEVE on sera confronté. Plus le BLEVE est chaud, plus les effets de surpression et missile seront importants car plus l'explosion pourra être assimilée à une explosion de gaz.

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