Modelos de consecuencia y efecto. Fundamentos básicos del Software PHAST para Análisis de Consecuencias.
ANÁLISIS DE RIESGO Y ANÁLISIS DE CONSECUENCIAS
JULIETA GAROZA
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CAPITULO II MODELOS DE CONSECUENCIA Y EFECTO. [1][14][15][19] Los accidentes comienzan con un incidente, el cual usualmente resulta en la perdida de contención de material de proceso en depósitos y tuberías que almacenan y transportan productos en forma gaseosa o liquida. En la mayoría de los casos estas sustancias son peligrosas. Los eventos de gran magnitud que pueden tener lugar en una industria, con efectos graves son los siguientes: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)
Fugas o derrames de sustancias peligrosas Evaporación de líquidos derramados Dispersión de nubes de gases, vapores y aerosoles Incendios de charco o “Pool fire” Dardos de fuego o “Jet fire” Flamazos o “Flash fires” Explosiones de nubes de vapor no confinada o “UVCE” Explosiones por expansión de vapores de liquido en ebullición “BLEVE”
Normalmente, un evento de estas características se produce a partir de algún suceso menor que involucra la perdida de estanqueidad de algún recipiente, deposito o tubería que contiene alguna sustancia peligrosa, lo que produce la fuga o derrame de esta sustancia cuya consecuencia puede ser la formación de nubes tóxicas, incendios y/o explosiones. También es posible un incendio previo o simultaneo a una fuga o incluso, una explosión previa a la fuga o al incendio. No obstante, en la mayoría de los casos el primer suceso consiste en una fuga o derrame incontrolado de producto de su lugar de confinamiento (depósitos, tuberías, reactores, válvulas, bombas, etc.), por lo que hay que prestar una especial atención a este fenómeno. [34] Este capítulo presenta una revisión de modelos actualmente disponibles en la literatura para análisis de consecuencias. Los incidentes pueden incluir la ruptura o corte de una tubería, un orificio en tanque o tubería, reacciones fuera de control, fuego externo a tanque, etc. Una vez que se define el tipo de incidente, se selecciona el modelo fuente para describir como se descarga el material del proceso. El modelo provee una descripción de la velocidad de descarga, la cantidad total descargada (o tiempo total de descarga), y el estado de la descarga, que es sólido, liquido, vapor o una combinación. Un modelo de dispersión es usado subsecuentemente para describir como se transporta el material en la dirección del viento y la dispersión a algún nivel de concentración. Para liberaciones de flamables, modelos de fuego y explosión convierte estos resultados específicos del incidente en efectos en las personas (lesión o muerte) y estructuras. Impactos ambientales pueden ser así mismo considerados, pero no se consideran aquí. Adicionalmente se proporcionan modelos para los análisis de vulnerabilidad. 2.1 Modelos de liberación Los modelos de liberación son usados para definir cuantitativamente el escenario de descarga estimando la velocidad de descarga, la cantidad total descargada (o duración total), grado de vaporización súbita y evaporación de un charco de líquido, y formación de aerosol. Los modelos de dispersión convierten los resultados del modelo de descarga en concentraciones en la dirección del viento. La relación entre el modelo de descarga y el de dispersión, se muestra esquemáticamente en la figura 2.1. Como se muestra en la figura, los modelos de descarga y dispersión están fuertemente relacionados, con los resultados del modelo de descarga se selecciona el modelo apropiado de dispersión.
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Liberación de una sustancia peligrosa
Gas
Fase de liberación
2 fases
Vaporiza súbitamente
?
Liquido
No
Temperatura > punto de ebullición
Si
No
Modelo Flujo a dos fases
Si
fases
Vaporización súbita? Si
Formación de aerosol Modelo de formación de charco
Modelo de gas y aerosol
No
El líquido se precipita? Si
Modelo de evaporación de charco
Densidad del gas Neutral
Denso
Modelo de Dispersión de gas Denso
Modelo de Dispersión de Boyancia Neutral Figura 2.1 Diagrama lógico de modelos de descarga y dispersión [1]
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2.1.1 Modelos de velocidad de descarga. La mayoría de incidentes peligrosos comienzan con una descarga de un material flamable o toxico de su confinamiento normal. Esto puede ser debido a una fractura o una ruptura del tanque o tubería de proceso, de una válvula abierta o de un sistema de venteo de emergencia. Tales fugas pueden ser gas, liquido o dos fases (liquido – gas). El estimado de la velocidad de descarga y cantidad total descargada (o duración de la descarga) son esenciales como entrada para otros modelos. La cantidad total liberada pueda ser mayor o menor que el volumen del tanque (dependiendo de las conexiones de la tubería, aislamiento, válvulas, etc.). Estos modelos asumen que no hay formación de hielo el cual suele resultar en predicciones de descarga másica mínima. El uso de estos modelos de flujo másico para representar modelos de descarga los cuales resultaran en una predicción de la mínima velocidad de descarga y por lo tanto, para problemas de dispersión, en un resultado poco conservador. Dependiendo del objetivo del estudio, se determina el diseño conservador aproximado y con ello el modelo de descarga seleccionado. Si el objetivo del estudio es proteger el tanque vía sistema de relevo de emergencia, entonces el modelo de descarga es escogido para minimizar el flujo másico del sistema de relevo y así maximizar el área de relevo. Un modelo de flujo a dos fases típicamente será seleccionado como el modelo de descargas. Si, por otro lado, el objetivo del estudio es diseñar un sistema de tratamiento/confinamiento después de la fuga, entonces un modelo de descarga es seleccionado para maximizar el flujo másico de descarga. Un modelo de descarga de solo fase liquida puede ser apropiado aquí. Finalmente, si el objetivo es determinar los consecuencias de la descarga a la comunidad, entonces un modelo de descarga es seleccionado para maximizar la descara de masa y maximizar las concentraciones en la dirección del viento. Los modelos de descarga son la primera fase en el desarrollo de la mayoría de los estimados de consecuencias. Las aplicaciones de interés son aquellas relacionadas a dos categorías de descarga del proceso: descargas de emergencia de ingeniería (válvulas de alivio) y descargas de emergencia no planeadas (fallas en la contención de material). Las descargas continuas (venteos de proceso y perdidas rutinarias de almacenamiento por respiración de tanques) no son típicamente el enfoque de Análisis cuantitativo de riesgos de procesos químicos CPQRA (Por sus siglas en ingles Chemical Process Quantitative Risk Assessment). El primer paso en el procedimiento es determinar el escenario apropiado, de acuerdo a la fase de descarga, ruta termodinámica y estado final, tamaño del orificio, duración de la fuga entre otros.
2.1.2 Fases de descarga Los modelos de velocidad de descarga requieren una cuidadosa consideración de la fase de descarga del material. La fase de descarga es dependiente de las condiciones del proceso y puede ser determinada usando diagramas termodinámicos o datos, o un modelo de equilibrio liquido vapor, y la ruta termodinámica durante la descarga. El punto inicial es definido por las condiciones iniciales del material de proceso antes de ser liberado. Estas pueden ser condiciones de proceso normal o un estado anormal alcanzado por el material de proceso antes de la liberación. El punto final de la ruta seguida será normalmente a la presión final de una atmosfera. Hay que distinguir tres tipos de fugas atendiendo al fluido de que se trate:
Fugas de líquidos: 1. Orificio en un tanque de almacenamiento atmosférico (u otra presión en tanque o tubería, debajo de cabeza de líquido). 2. Orificio en tanque o tubería que contiene liquido presurizado debajo de su punto normal de ebullición.
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Fugas de gas: 1. Orificio en equipo (tubería, tanque) que contiene gas bajo presión 2. Válvula de relevo (de vapor únicamente) 3. Evaporación de charco liquido 4. Válvula de descarga del domo de un tanque de almacenamiento a presión 5. Generación de productos tóxicos de combustión como resultado de un fuego
Fugas bifásicas: mezclas de gas y líquido a menudo resultantes de la ebullición del líquido en las condiciones de descarga. 1. Orificio en un tanque de almacenamiento (o tubería) a presión que contiene un liquido sobre su punto normal de ebullición 2. Válvula de relevo (p. ej. Debido a una reacción fuera de control).
2.1.3 Ruta termodinámica y punto final. El objetivo principal de un modelo de fugas consiste en describir adecuadamente dos variables: a. b.
La cantidad de fluido liberada, y Las condiciones de presión y temperatura de la sustancia fugada.
Este último aspecto es el más difícil de considerar, puesto que en las fugas se producen procesos de transferencia de energía entre el recipiente y su entorno. Las especificaciones del punto final y la ruta termodinámica son usadas para alcanzar el punto final es importante para el desarrollo del modelo de descarga. Si, por ejemplo, un fluido en reposo es acelerado durante una descarga, el punto final es definido como un fluido en movimiento, entonces la suposición de un camino isoentrópico es normalmente valido. Si, el punto final es definido como un fluido en reposo (por ejemplo un charco de líquido después de la descarga), independiente de cualquier aceleración transiente, entonces las entalpias en el estado final y en el estado inicial serán consideradas iguales (esto no implica que la entalpia sea constante durante el proceso de liberación). a.
Isotérmico: Es aquel que se produce sin cambio de temperatura. Se suele producir cuando no hay cambios importantes de densidad (líquidos), o el proceso es lento y el fluido en el recipiente tiene una inercia térmica suficiente o cuando la presión en el recipiente se mantiene casi constante durante la fuga. Adiabático: es aquel proceso que se realiza sin transferencia de calor con el exterior. Se produce cuando el fluido sufre grandes cambios de densidad muy rápidamente o cuando el recipiente está térmicamente aislado. Es el caso de los procesos en los que el calor que recibe el recipiente desde el exterior, durante el tiempo que dure la fuga, es prácticamente despreciable frente a la energía del fluido que contiene el recipiente. Para el caso adiabático, S=0 para un proceso reversible únicamente.
Para los casos, isoentrópico y el adiabático, el trabajo determinado es un máximo para procesos reversibles. Para liberaciones isoentrópicas, un modelo de equilibrio de fases puede ser usado para determinar la temperatura final, composición y reparto de fases a la presión ambiente. Claramente, si la ruta permanece en la fase gas o liquido, es modelado como tal. Sin embargo, si hay un cambio de fase, entonces un flujo puede estar a dos fases. Un líquido puro sufrirá una vaporización súbita a su punto normal de ebullición, mientras que una mezcla flasheara continuamente y con composición variable sobre el rango de sus temperaturas de punto de rocía a punto de burbuja. Para descargas de gases a través de tuberías tanto el modelo de flujo adiabático como isotérmico son validos. Para descargas de gases a la misma temperatura y presión, el modelo de flujo adiabático predice un flujo mayor, que el
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isotérmico. El flujo real está en un sitio intermedio entre estos valores. Las fugas durante el trasiego, carga y transporte de productos peligrosos, se analizan generalmente utilizando los modelos isotérmicos (35). Tamaño del orificio. Un dato de entrada para cálculos de descarga es el tamaño del orifico. Para liberaciones a través de un sistema de relevo, pueden ser usadas las dimensiones reales de la válvula o tubería. Para descargas a través de orificios, el tamaño debe ser estimado. Esto debe ser guiado por identificación de riesgos y enumeración de incidentes y selección de procesos (si esto es una fuga en brida, ruptura total, etc.). El Banco Mundial (1985) tiene un número de metodologías sugeridas; por ejemplo para tuberías se propone un rango del 20 a 100% del diámetro de la tubería Duración de la fuga. Se ha generalizado una duración de fuga de 10 minutos, sin embargo se puede usar un tiempo de 3 minutos si hay un sistema de detección de fugas combinado con válvulas aisladas de actuación remota. Otros analistas usan una duración menor. La duración real de la liberación depende de la detección y tiempo de reacción de dispositivos de aislamiento automatizados y tiempo de respuesta de operadores para aislamiento manual. La velocidad de válvulas de cierre en tuberías largas puede influenciar el tiempo de respuesta. Debido al efecto de golpe de ariete, los diseñadores pueden limitar la velocidad de cierre en tuberías de líquido. Según la duración y tamaño del escape se pueden clasificar las fugas en:
Fuga instantánea: colapso del recipiente por vertido muy rápido de su contenido. Fuga continua o semicontinua: perdida de contenido de magnitud y duración limitadas.
Otras variables. Otras variables especiales a considerar cuando se analizan descargas incluyen las siguientes. Dependencia del tiempo de descargas transientes (transitorias): velocidades de liberación decrecientes debido a que decrece la presión después del orificio Reducción en flujo: válvulas, bombas, u otras restricciones en la tubería que pueden reducir la velocidad de flujo debajo de la estimada por la caída de presión y área de descarga. Inventario en la tubería o proceso entre la fuga y cualquier dispositivo de aislamiento.
2.1.4 Ecuaciones fundamentales Los modelos de descarga están basados en un balance de energía mecánica. Una forma típica de este balance es: P2
dP
P1
g z2 z1 1 v22 v12 e f Ws 0 gc 2 gc m
Donde P es la presión (fuerza/área) es la densidad (masa / volumen) 2 g es la aceleración debida a la gravedad (longitud / tiempo ) gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración) z es la altura vertical de algunos datos de referencia (longitud) v es la velocidad del fluido (longitud / hora) 2 2 f es un término de pérdida por fricción (longitud / tiempo ) Ws es el trabajo realizado (energía mecánica/tiempo) m es la tasa de flujo másico (masa/hora)
2.1
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El termino de perdidas por fricción, ef representa las pérdidas de energía mecánica debida a la fricción e incluye pérdidas debidas al flujo a través de la longitud de la tubería; accesorios tales como válvulas, codos, orificios, entradas y salidas de tubería.
2.1.4.1 Descargas de líquido. Para descargas de líquidos, la fuerza impulsora para la descarga es normalmente la presión, la energía de la presión se convierte en energía cinética durante la descarga. Ya que la densidad permanece constante durante la descarga, la integral de la presión en el equilibrio de energía mecánica, Ec. (2.1), se puede integrar directamente al resultado en la siguiente ecuación simplificada:
P2 P1
g 1 Ws Z 2 Z1 V22 V12 e f 0 gc 2 gc m
2.2
Para el flujo de la tubería, el flujo de másico a través de la tubería es constante y, para tuberías de área transversal constante, la velocidad de líquido es así mismo constante a lo largo de la tubería. En todos los casos, las pérdidas por fricción se producen debido al flujo del fluido. Si se considera que no hay pérdidas por fricción y que no hay trabajo, la ecuación resultante es la ecuación de Bernoulli,
P2 P1
g z 2 z1 1 v22 v12 0 gc 2g c
2.3
Si el balance se realiza a través de dos puntos en una tubería de sección transversal constante, entonces v2 =v1 y la Ec. (2.3) se puede simplificar aún más. El modelo es desarrollado a partir del balance de energía mecánica, Ec. (2.1), suponiendo que el término de pérdida por fricción es representado por un coeficiente de descarga, CD. El resultado es la ecuación 2.4, y CD para descargas de liquidos esta entre 0.6 y 0.8.
m AC D 2 g c P1 P2
2.4
Donde m es la velocidad de descarga de líquido (masa/ hora) 2 A es el área del orificio (longitud ) CD es el coeficiente de descarga (adimensional) es la densidad del líquido (masa/volumen) gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración) P1 es la presión antes del orificio (fuerza/área) P2 es la presión después del orifico (fuerza/área) La ecuación (2.3) puede ser usada para modelar cualquier liberación de líquido a través de un orificio, siempre que las presiones, el área de orificio y el coeficiente de descarga son conocidos o estimados. Para orificios en tanques, la presión antes del orificio depende de la cabeza del líquido y cualquier presión en el espacio de cabeza del tanque. Para orificios en tanques, la descarga de material a través del orificio da como resultado una pérdida de líquido y un descenso en el nivel de líquido. Un balance de masa total de líquido en el tanque para obtener una expresión general para el tiempo de vaciado del tanque.
t Donde:
1 AC D
2g
v1
v2
dV h h
2.5
19
t es el tiempo para vaciar el tanque de volumen V 2 a volumen V1 (tiempo) 3 V es el volumen de líquido en el tanque por encima de la fuga (longitud ) h es la altura del líquido por encima de la fuga (longitud) Esta ecuación supone un área de fuga constante, A y un coeficiente de descarga constante CD. Esta ecuación puede ser integrada, una vez que se especifica el volumen en función de la altura, V = V(h). La velocidad de descarga de la masa de liquido de un orificio en un tanque es determinado usando la siguiente ecuación que supone que, la fricción es representada por un coeficiente de descarga, CD y se incluye para la presión debida a la cabeza de líquido encima el agujero. g c Pg m vA AC D 2 ghL
2.6
Donde m es la velocidad de descarga de líquido (masa/ tiempo) 2 A es el área del orificio (longitud ) v es la velocidad del fluido (longitud /tiempo) CD es el coeficiente de descarga (adimensional) es la densidad del líquido (masa/volumen) gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración) Pg es la presión manométrica en la parte superior del tanque (fuerza/área) g es la aceleración debida a la gravedad (longitud/tiempo2) hL es la altura de líquido por encima del orificio (longitud) Esta ecuación se aplica a cualquier tanque de cualquier geometría. La descarga de masa disminuye con el tiempo conforme el nivel de líquido desciende. El caudal máximo ocurre al inicio cuando se produce la fuga. 2.1.4.2 Descargas de gas. Descargas de gas pueden derivarse de varias fuentes: desde un orificio de un tanque o cercano a este, de una tubería, válvulas de alivio o venteos del proceso. La mayoría de las descargas de gas de plantas de proceso será sónica o estrangulada. Se supone que el producto fugado se comporta como un gas perfecto. Por tanto, el método es aplicable únicamente para gases y vapores que se encuentren a presiones y temperaturas suficientemente alejadas de las críticas. La integral de la presión en el balance de energía mecánica, requiere una ecuación de estado y una especificación de ruta termodinámica para completar la integración; especialmente para tuberías es importante saber si la liberación ocurre adiabática o isotérmicamente. Método isotérmico Para descargas de gas a través de orificios, la Ec. (2.1) se integra a lo largo de una ruta isoentrópica para determinar el flujo másico descargado. Esta ecuación supone un gas ideal, y que no hay transferencia de calor ni trabajo externo. 2k k 1 k P2 2 g c M k P2 m C D AP1 Rg T1 k 1 P1 P1
Donde:
2.7
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m Flujo másico de gas descargado a través del orificio (masa/ tiempo) 2 A Área del orificio (longitud ) CD Coeficiente de descarga (adimensional) P1 Presión antes del orificio (fuerza/área) P2 Presión después del orifico (fuerza/área) gcConstante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración) MPeso molecular del gas (masa/mol) k Relación de la capacidades caloríficas, Cp/Cv(adimensional) Rg Constante de gas ideal (presión-volumen/mol-grado) T1Temperatura inicial del gas antes del orificio (grado) El máximo flujo liberado se produce cuando la velocidad de descarga del gas alcanza la velocidad sónica. En este punto, el flujo pasa a ser independiente de la presión después del orificio y depende sólo de la presión antes del orificio. La ecuación que representa el caso sónico, o estrangulado, y que siempre predice un flujo máximo de descarga es:
m choked
kgc M 2 CD AP1 RgT1 k 1
k 1 k 1
2.7a
La relación de presión necesaria para lograr el estrangulamiento está dada por:
Pestrangulado P1
2 k 1
k k 1
2.7b
Método adiabático Para calcular el flujo másico adiabático el primer cálculo es el de las pérdidas por fricción debidas únicamente a los efectos de entrada y salidadel flujo por el orificio. Para el número de Reynolds mayor que 10,000; HFL1= 0.5 y HLF2 = 1.0.
k f HLF1 HLF 2
2.8
Usando la expresión de Darcy para flujo en condiciones sónico y subsónico:
m Y * A*
2 * g c * * P1 P2 kf
2.8a
Donde: m Flujo másico de gas (masa/ tiempo) 2 A Área del orificio (longitud ) Densidad del gas antes del orificio (masa/volumen) P1 Presión antes del orificio (fuerza/área) P2 Presión después del orifico (fuerza/área) gcConstante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración) Y Factor de expansión de gas (adimensional) KfSumatoria de los términos de pérdida de energía hidráulica, incluyendo entradas y salidas de la tubería, longitudes de tubería y accesorios (adimensional).
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Cuando se considera un flujo turbulento, el factor de fricción es independiente del número de Reynolds. El factor de expansión "Y", depende de las pérdidas de fricción y la capacidad calorífica:
3 0.0185* ln k f 2 0.1141* ln k f 0.5304
Y e
0 .0006* ln k f
2.8b
Para determinar a qué presión se obtiene el flujo sónico se hace uso de la ecuación 2.8c; donde A, B, C y D son constantes. Los valores de estás se muestran en la tabla A1 del apéndice A.
Ps e
A Ln k f
3
B Ln k f
2
C * Ln k f D
2.8c
Para flujos reales en tubería desde un origen a una presión y temperatura dada, el caudal real será menor que en la predicción adiabática y mayor que la predicción isotérmica. El modelo adiabático siempre predecirá un flujo mayor que el real. 2.1.4.3 Descarga a dos fases El flujo de dos fases generalmente requiere un área de alivio más grande en comparación con el venteo de vapor únicamente. Cuando se descarga a la presión atmosférica, cualquier líquido presurizado por encima de su punto normal de ebullición se iniciará una vaporización súbita y tendrá como resultado un flujo a dos fases. Un flujo a dos fases también es probable que ocurra por una despresurización del espacio de vapor por encima de un líquido volátil, especialmente si el líquido es viscoso (por ejemplo, más de 500 cP) o tiene una tendencia a formar espuma. Los flujos de dos fases, se clasifican como reactivo o no reactivo. El caso reactivo es típico de relevos de emergencia de reacciones químicas exotérmicas. El caso no reactivo supone la vaporización súbita de los líquidos, conforme se liberan de contención. El liquido puede estar almacenado bajo su propia presión de vapor o puede estar subenfirado, en tal caso, el flujo descargado es estrangulado desde su presión de vapor de saturación a la temperatura ambiente, ambas situaciones se consideran por la siguiente expresión: 2 m A GSUB
2 GERM N
2.9
Donde m es el flujo másico descargado a dos fases (masa/tiempo) 2 A es el área de la aprobación de la gestión (longitud ) GSUB es el flujo másico subenfriado (masa/área-tiempo) GERM es el flujo másico en equilibrio (masa/área-tiempo) N es un parámetro de no equilibrio (adimensional). Para descargas reactivas a dos fases, la descarga es impulsada por la energía que se crea en el fluido debido a la reacción exotérmica, y el análisis de relevo es altamente dependiente del balance de energía en el reactor. Para modelos de consecuencias, el modelo de descarga debe ser seleccionado para maximizar el flujo másico (mientras que en la fase de diseño para alivio a dos fases se debe estimar un area mayor que la requerida para minimizar el flujo masico a través del alivio).
Descarga de tanques expuestos a fuego. Cuando la descarga es un relevo debido a exposición a fuego en un sistema no reactivo, puede emplearse un método empírico dado por la Asociación de Proteccional Nacional, NFPA, por sus siglas en inglés National Fire Protection Association, donde una suposición clave de estos métodos es el flujo de gas únicamente. Ciertas situaciones de alivio
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(por ejemplo, sistemas de reacción) pueden dar lugar a descargas de dos fases que requerirán una mayor área de alivio para la misma protección del tanque, suponiendo que sólo se descarga gas. Se recomiendan cuatro valores de flujo de calor a través de la pared del tanque basado en el área de superficie mojada de tanques no presurizados. Para LNG(tanques presurizados) considerado en la NFPA 58 el flux de calor esta basado en el área superficial total del tanque en lugar del área superficial mojada, aunque ocurre poca transferencia de calor a través de la porción no mojada. La experiencia indica que este enfoque es satisfactorio para LPG. Sin embargo, el metal solo en contacto con vapor puede calentarse rápidamente bajo condiciones de fuego externo y pierde su fuerza conduciendo a una BLEVE conforme aumenta la presión. Los requerimientos están basados en las siguientes ecuaciones para predecir el flujo de calor:
Qf 34,500FA 0.82
2.10
Donde Qf es el calor de entrada a través de la pared del tanque debido a exposición a fuego externo (BTU/Hr), A es el área 2 superficial total del tanque (ft ), F es el factor de medio ambiente (adimensional). Para una instalación resistente al fuego, F=0.3. Para un tanque subterráneo o enterrado, F=0.3 Los valores superiores para F no son multiplicativos se combinan sistemas de protección en un lugar. El área, A, en esta ecuación es el área superficial entera del tanque, no el área superficial mojada La velocidad de descarga de gas de una válvula de relevo, m, es entonces calculada igualando la velocidad de entrada de energía a la velocidad de salida de energía debida a la vaporización. Esto tiene como resultado la siguiente ecuación: .
m Qf h fg
2.11
Donde m es la velocidad de descarga del gas de la válvula de alivio (masa/tiempo), y hfg es el calor latente de vaporización a la presión de relevo (energía/masa). 2.2 Evaporación instantánea y continua El propósito de modelos de flash y la evaporación es estimar el vapor total o velocidad de vapor que forma una nube como consecuencia de una fuga de líquido o de líquido y gas, para su uso como entrada a modelos de dispersión. Los modelos matemáticos intentan predecir la cantidad de gas o vapor que se desprende de un derrame de líquido en determinadas condiciones de presión, temperatura, velocidad del viento, tipo de suelo, y otras variables. Por tanto, se distinguen varios casos posibles de vaporización de líquidos:
Líquidos sobrecalentados: son los procedentes de líquidos almacenados bajo presión a temperatura mayor que su temperatura de ebullición normal. Líquidos hirvientes: son aquellos procedentes de gases licuados por enfriamiento. Líquidos no hirvientes: sustancias liquidas almacenadas a temperatura ambiente.
2.2.1 Evaporación de Líquidos Sobrecalentados Cuando se produce una pérdida de contención o fuga en un depósito con un gas licuado bajo presión en su interior, si el líquido se almacena por encima de su punto de ebullición normal (sobrecalentado), ocurrirá parcialmente una vaporización súbita cuando se descargue a presión atmosférica. El vapor producido puede introducir una cantidad significativa de líquido como gotas. Algo de este líquido pueden precipitarse en el suelo, y algo puede permanecer suspendido como un aerosol con posible evaporación posterior. El líquido restante en el suelo es probable que forme un charco en ebullición que procederá a evaporarse, resultando en vapor adicional que se carga en el aire. Un ejemplo de una descarga sobrecalentada es una descarga de cloro líquido o amoníaco desde un contenedor presurizado almacenada a temperatura ambiente.
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Si el líquido no está sobrecalentado, pero tiene una alta presión de vapor (volátil), las emisiones de vapor surgirán de evaporación superficial de los charcos resultantes. La velocidad de vaporización es proporcional al área superficial del charco y a la presión de vapor del líquido, y puede ser significativa para charcos grandes. Estos modelos son dominados principalmente por efectos de transferencia de masa. El viento y la radiación solar pueden así mismo afectar la velocidad de vaporización. Un ejemplo es una descarga de tolueno líquido, benceno o alcohol. Para líquidos que salen de un proceso como un chorro, las inestabilidades de flujo pueden causar que este se rompa en gotas antes de que se impacte en el suelo. El tamaño de las gotas resultantes y la velocidad de entrada de aire en el chorro, así como la temperatura inicial del líquido influyen en la velocidad de evaporación de las gotas mientras están suspendidas. El tiempo de trayectoria de las gotas, influencian la fracción de la descarga que se precipita, que se evapora o que permanece en la nube de vapor/aerosol.
2.2.2 Evaporación de Líquidos Hirvientes Esta situación se produce en la evaporación de derrames de gases licuados por refrigeración (enfriamiento) que se encuentran a su temperatura de ebullición y en la evaporación de derrames procedentes de gases licuados a presión después de la evaporación súbita inicial. La evaporación se produce por la presencia de un líquido que se encuentra a su temperatura de ebullición. Cuando un líquido es liberado de equipos de proceso, pueden ocurrir varias cosas: Para líquidos fríos depositados sobre sustratos calientes, una ebullición inicialmente grande es seguida por una menor vaporización conforme se enfría el sustrato; finalmente el calor entrante puede ser restringido a convección atmosférica o solar. Los modelos de charcos de líquido son principalmente dominados por efectos de transferencia de calor. El modelo para una fuga o derrame de un líquido que se evapora está basado en la ecuación de Dispersión Gaussiana de un gas o vapor.
2.2.3 Vaporización súbita: Para un líquido sobrecalentado descargado a la presión atmosférica la vaporización puede ser estimada considerando que los estados inicial y final de la liberación son los mismos, entonces las entalpias inicial y final son la misma (esto no implica una entalpia constante en el proceso). Para líquidos que son acelerados durante la liberación, tal como en un chorro, un enfoque común es asumir una ruta isoentrópica. Estos cálculos pueden también ser realizados para materiales puros mediante un diagrama de Mollier o datos termodinámicos tabulados. La diferencia en resultados numéricos entre las rutas isoentrópica e isoentálpica es con frecuencia pequeña para muchas situaciones de descarga, pero esto no siempre esta garantizado y depende del compartimiento termodinámico del material. Una ecuación estándar para predecir la fracción de liquido que se vaporiza súbitamente puede ser derivada suponiendo que el calor sensible contenido dentro del liquido sobrecalentado debido a su temperatura por encima de su punto de ebullición normal es usado para vaporizar una fracción de liquido. Este análisis isoentálpico conduce a la siguiente ecuación para la fracción vaporizada:
Fv C p
T Tb h fg
Donde Cp es la capacidad calorífica del líquido, promediada sobre T a Tb (energía / masa grados) T es la temperatura inicial del líquido (grados) Tb es el punto de ebullición atmosférico del líquido (grados)
2.12
24
hFG es el calor latente de vaporización del líquido a Tb (energía / masa) Fv es la fracción de masa de líquido descargado vaporizado (adimensional) La fracción de líquido descargado vaporizado (Fv ) es un predictor pobre de la masa total de material en la nube de vapor, debido a la posible presencia de líquido entrante como gotas (aerosol). Existen dos mecanismos para la formación de aerosoles: mecánico y térmico. El mecanismo mecánico asume que la descarga de líquido ocurre a velocidades suficientemente altas lo que resulta en tensión superficial. Estas tensiones superficiales causan gotas de líquido que se rompen en gotas más pequeñas. El mecanismo térmico asume que el rompimiento es causado por la vaporización del liquido a vapor. A un menor grado de sobrecalentamiento, la formación mecánica de aerosoles domina y el rompimiento de las gotas frecuentemente depende de la fuerza relativa de las fuerzas de inercia/corte y las fuerzas capilares en la gota. Esta relación es frecuentemente expresada como el numero de Weber, y las gotas más grandes en el chorro tienen un diámetro, d, estimado por el criterio de estabilidad del numero de Weber, We = au2d/, donde contribuyen todos los efectos de la tensión superficial, , velocidad del jet u, y la densidad del aire, a.
2.2.4 Efecto del arrastre de aerosoles El arrastre de aerosoles tiene efectos muy significativos en la dispersión de la nube, que incluyen • La nube tendrá una mayor masa total. • La evaporación de aerosoles puede reducir la temperatura por debajo de la temperatura atmosférica (contribuyendo a una mayor densidad de la nube). • El enfriamiento de la nube puede causar condensación adicional de la humedad atmosférica (contribuyendo a una mayor densidad de la nube). En conjunto, estos efectos tienden a aumentar significativamente la densidad real de nubes de vapor que se formó a partir de vaporización en la descarga. La predicción de estos efectos es necesaria para iniciar correctamente los modelos de dispersión. De lo contrario, el peligro potencial de la nube puede ser manifiestamente tergiversado. Una práctica común para estimar la formación de aerosoles es asumir que la fracción de aerosol es igual a algún múltiplo de la fracción vaporizada típicamente 1 o 2. Este método sugiere que esto puede subestimar significativamente la masa total en la nube por la poca precipitación que ocurre para liberaciones sobrecalentadas, dando fracciones de vaporización por debajo del 10%. La forma más común para estimar el contenido de aerosol es predecir el tamaño de la gota y de esto la dinámica de asentamiento en la atmosfera. Un enfoque es determinar el tamaño máximo de la gota del observador, mediante el número de Weber de gota critica, típicamente en el rango de 10-20. La velocidad de asentamiento en la atmosfera de una gota dada puede ser estimada de la ley de Stokes. En general, las partículas de tamaño menor que 100 m tienden a actuar como una niebla y permanecen suspendidas por velocidades del viento superiores a aproximadamente 2 m/s si la descarga es de alturas mayores que 1 o 2 m.
2.2.5 Cálculos para determinar la evaporación. La evaporación de derrames en tierra están mejor definidos que en agua ya que muchos de los derrames ocurren en un dique o en otro sistema de retención que permite que el tamaño del charco sea bien estimado. Los derrames en agua no están limitados y los cálculos son más empíricos. La vaporización de un charco se determina mediante un balance de energía total en el charco:
mC p Donde
dT H Lm dt
2.13
25
m es la masa del charco (masa) Cp es la capacidad calorífica del líquido, promediada sobre T a Tb (energía / masa grados) T es la temperatura del líquido en el charco (grados) t es el tiempo (tiempo) H es el flujo de calor total dentro del charco (energía/tiempo) L es el calor de vaporización del líquido (energía / masa) m es la velocidad de evaporación (masa / tiempo) El flujo de calor, H, es la energía total neta en el charco de la radiación solar, convección y conducción al aire, a través de la tierra y otras fuentes de energía posible, tal como un incendio. Los enfoques de modelado usando Ec. (2.13) se dividen en dos clases: líquidos de baja y alta volatilidad. Líquidos de alta volatilidad son aquellos que tienen puntos de ebullición cercanos o menores que la temperatura ambiente o del suelo. Para líquidos de alta volatilidad, la velocidad de vaporización del charco es controlada por la transferencia de calor del suelo (por conducción), el aire (tanto por conducción como por convección), el sol (radiación), y otros fuentes de calor de los alrededores tal como un fugo o una flama. El enfriamiento de líquido debido a la rápida vaporización también es importante. La fase inicial de vaporización generalmente se controla mediante la transferencia de calor desde el suelo. Esto es especialmente cierto para un derrame de líquido con un punto de ebullición normal por debajo de la temperatura ambiente o la temperatura de la tierra (es decir, el líquido hirviendo). Después de un tiempo, el flujo de calor solar y la transferencia de calor por convección de la atmósfera son importantes. En caso de un derrame dentro de un piso con dique aislado, estos flujos pueden ser las únicas contribuciones de energía. Este enfoque funciona adecuadamente para LNG, y probablemente para etano y etileno pero no para los hidrocarburos pesados (C3 y superiores). Este modelo no considera el efecto de congelamiento de agua en el suelo, que puede alterar el comportamiento de la transferencia de calor. Para líquidos que tienen un punto de ebullición normal cercano o superior a la temperatura ambiente, el mecanismo limitante es el de difusión. Las velocidades de vaporización para estas situaciones no son tan grandes como para líquidos vaporizando o charcos en ebullición, pero pueden ser significativas si el área del charco es grande. 2.2.5.1 Difusión de un charco. Un parámetro importante en todos los modelos de evaporación es el área del charco. Si el líquido está contenido dentro de un dique o de otra área limitada físicamente, el área del charco se determina por estos límites físicos si el derrame tiene un volumen lo suficientemente grande como para rellenar el área. Si el charco no esta limitado, entonces se esperara que el charco se propague y crezca en el área como una función del tiempo. El tamaño del charco y su propagación es altamente dependiente del nivel de rugosidad de la superficie del terreno. La mayoría de los modelos asumen una superficie plana y lisa. Una aproximación es asumir un espesor de líquido constante a lo largo del charco. El área del charco, es entonces, determinada directamente del volumen total del material. El Dow Chemical Exposure Index (AIChE, 1994) utiliza profundidad de charco constante de 1 cm. Resolviendo las ecuaciones de movimiento y de continuidad para derivar una ecuación para el radio del chaco. Esta ecuación produce un resultado conservador, suponiendo que el derrame es sobre una superficie plana, el crecimiento de la piscina no está restringido, y el crecimiento de la piscina será radial y uniforme desde el punto del derrame. El resultado es
26
15
2 t3 QAF r 3 2 cos sin C 6g
2.14
Donde r es el radio del charco (longitud) t es el tiempo después del derrame (tiempo) C es una constante que se desarrolló a partir de datos experimentales, (adimensional) 2 g es la aceleración debida a la gravedad (longitud/tiempo ) es la densidad del líquido (masa y volumen) QAF es el flujo volumétrico de descarga después de la vaporización (volumen/tiempo) es la viscosidad del líquido (masa/longitud-tiempo) es el ángulo entre la superficie del charco y el eje vertical perpendicular al suelo, (grados) C, tiene un valor de 2 para un número de Reynolds superior a 25 y un valor de 5 para un número de Reynolds menor o igual a 25. El número de Reynolds para la difusión de charco está dada por
N Re
2QAF r
2.15
El ángulo superficial del charco está dado por
tan 1 0.25 B 0.5 0.5 22.489r 4 B Q AF
0.5
2.16 2.17
La solución a este modelo es iterativa ya que varios de los parámetros en Ec. (2.14) dependen del valor del radio del charco, que es el resultado deseado. Las estimaciones de la fracción de aerosoles entrantes en la nube resultante son en su mayoría empíricas o semiempíricas. La mayoría de los modelos de evaporación se basan en la solución de balances de masa y calor dependientes del tiempo. La transferencia de Momentum normalmente se omite. Los modelos de difusión de charcos están basados principalmente en las fuerzas opuestas a la gravedad y resistencia al flujo y típicamente se asume una superficie horizontal y lisa. 2.3 Modelos de dispersión Una predicción precisa de la dispersión atmosférica de los vapores es el fundamental para la estimación de consecuencias en un CPQRA. Normalmente, los cálculos de dispersión proporcionan un estimado del área afectada y las concentraciones de vapor promedio esperadas. Los cálculos más simples requieren una estimación de la velocidad de descarga de el gas (o la cantidad total liberada), las condiciones atmosféricas (velocidad del viento, hora del día, cobertura de nubes), la rugosidad de la superficie, temperatura, presión y quizás diámetro de descarga. Se pueden definir tres tipos de comportamiento de nubes de vapor y tres diferentes modos de descargas dependientes del tiempo:
27
Comportamiento de nube de vapor: • Gas neutral boyante • Gas positivamente boyante • Gas denso (o negativamente) boyante Duración de la descarga • Instantánea (puff) • Liberación continua (plumas) • Variable en el tiempo continua (time varying) Los modelos de Gauss describen el comportamiento de gas neutral boyante, descargado en la dirección del viento a la velocidad del viento. Las descargas de gas denso se mezclan y se diluyen con aire fresco conforme el gas viaja en la dirección del viento y finalmente se comporta como una nube neutral boyante. Por tanto, los modelos neutrales boyantes se aproximan al comportamiento de cualquier nube de vapor a cierta distancia de su descarga en la dirección del viento. La mayoría de los modelos de gas denso tienen una transición interna automática a dispersión Gaussiana neutral cuando los efectos de la densidad comienzan a ser insignificantes, la difusión por gravedad se ralentiza a alguna fracción de la velocidad del viento, o la dispersión gausiana predice mayor crecimiento. Estos modelos pueden utilizarse para cualquier descarga que es inicialmente densa, aun si la fase es de corta duración. Sin embargo, los modelos Gaussianos aplicados a cualquier descarga de gas denso siempre producirán un resultado conservador, es decir, los resultados de las distancias en la dirección del viento, las concentraciones y el área afectada serán mucho más grandes que el resultado real. En algunos casos los resultados Gausianos pueden ser de órdenes de magnitud más grandes. Un gran número de parámetros afectan a la dispersión de gases. Estos incluyen (1) estabilidad atmosférica (2) velocidad viento (3) efectos locales del terreno (4) altura de la descarga sobre el suelo (5) geometría de la liberación, es decir, d un punto, de una línea, o de un área superficial (6) momentum del material liberado y (7) la boyancia del material liberado.
2.3.1 Estabilidad atmosférica. Las condiciones meteorológicas en el momento de la descarga tienen una gran influencia sobre el grado de dispersión. Algunos de estos efectos se muestran en la figura de 2.2, donde el comportamiento de la pluma cambia notablemente dependiendo de la estabilidad de la atmósfera, esto es un estimado del mezclado turbulento; las condiciones atmosféricas estables dan lugar a la menor cantidad de mezclado y condiciones inestables.
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En elevación
En Planta
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura. 2.2. Efectos de la estabilidad en la dispersión de la pluma (a) inestable (sinuoso, estabilidades clase A,B); (b) Neutral (enconado, estabilidad clase D); (c) Estable (Horizontal, estabilidades clase E,F); (d) Estable (Elevado); (e) Muy estable (fumigado). [Lees loss prev]
La estabilidad comúnmente se define en términos del gradiente vertical de temperatura atmosférica. El gradiente de temperatura vertical se refiere a la distribución vertical de temperatura en la atmosfera. La temperatura generalmente disminuye con el incremento de la altitud debido a que aumenta la distancia de la fuente de calor que es la superficie terrestre.
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Sinuoso
Enconada
Elevada
Fumigada
Horizontal
Encerrada
------ Gradiente adiabático Gradiente atmosférico seco Figura 2.3. Condiciones de estabilidad atmosférica asociadas a los diferentes tipos de plumas. Si a un pequeño volumen de aire se le rastrea en su ascenso vertical en la atmosfera, dicho gas se encuentra con menor presión y por lo tanto se expande y se enfría. Si el aire estuviera seco y el proceso fuese adiabático, entonces la velocidad de decremento de temperatura tendría un valor conocido como gradiente adiabático seco. Aunque dicho proceso no ocurre en la atmosfera, este gradiente provee un patrón de comparación para condiciones reales atmosféricas. La magnitud del gradiente de temperatura atmosférica es comparado contra el gradiente adiabático, o velocidad de cambio de temperatura con la altura dT/dZ bajo condiciones adiabáticas es aproximadamente de -10ºC/Km (ALR: dT/dZ= -1ºC/100 m), lo cual es la velocidad del de cambio de la temperatura con la altura para una cantidad de aire seco incrementando (ascendiendo) adiabáticamente. En la estabilidad neutral el gradiente es equivalente al ALR. Las condiciones estables refieren a un gradiente menor que el ALR (en última instancia a una temperatura de inversión) y condiciones inestables a uno mayor que el ALR. La mayoria de la gente utiliza las letras de clases de estabilidad Pasquill porque han producido resultados satisfactorios y son fáciles de usar. En CPQRA, la velocidad del viento y la estabilidad deben estimados de registros meteorológicos locales siempre que sea posible. Cuando no se disponen de esos datos de estabilidad, la tabla simple de Pasquill (Tabla 2.2) permite estimar la estabilidad atmosférica de las condiciones locales de luz solar y velocidad del viento.
30
Figura 2.4 condición adiabática (teórica) y algunas otras condiciones que ocurren en la atmosfera. La figura 2.4 ilustra en la primera curva una condición adiabática seca. La curva 2 muestra una condición superadiabática que puede resultar de una radiación solar (insolación) o del paso de aire frio sobre una superficie caliente,. Ambas situaciones promueven movimientos por convección del aire y con esto se favorece la inestabilidad. La curva 3 muestra una condición neutral la cual se asocia a cielos nublados y velocidades de moderadas a fuertes. La curva 4 muestra una condición subadiabática la cual favorece condiciones estables de la atmosfera. La curva 5 es para un proceso isotérmico, el cual favorece fuertemente la estabilidad. La curva 6 muestra una condición de inversión que suprime la convección y favorece aun más la estabilidad. Del párrafo anterior resalta el hecho de que un gradiente mayor al adiabático seco representara condiciones de estabilidad adiabática inestables, mientras que las que resulten menores serán condiciones estables. Las condiciones atmosféricas normalmente se clasifican en seis clases de estabilidad de Pasquill (denotadas por las letras A a F, donde A representa la condición menos estable mientras F representa la más estable) como se muestra en el cuadro 2.8. Las clases de estabilidad están correlacionadas a la velocidad del viento y la cantidad de luz solar. Durante el día, aumenta la velocidad del viento lo que resulta en una mayor estabilidad atmosférica, mientras que por la noche, sucede lo contrario. Esto es debido a un cambio en el perfil vertical de temperatura del día a la noche. TABLA 2.2 Condiciones de Meteorológicas definir las clases de estabilidad Pasquill-Gifford (Gifford, 1976) Velocidad superficial del viento
Radiación solar durante el día.
A cualquier hora
Cobertura de nubes en la noche
(m/s)
(mph)
Fuerte
Moderada
ligera
Ligeramente nublado> 4/8 nubes bajas
≥3/8 niebla
Nublado espeso
<2
>5
A
A-B
B
F
F
D
2-3
5-7
A-B
B
C
E
F
D
3-4
7-11
B
B-C
C
D
D
D
4-6
11-13
C
C-D
D
D
D
D
>6
> 13
C
D
D
D
D
D
31
Donde A A-B B B-C C C-D D E F G
Condiciones extremadamente inestable - soleado, vientos ligeros Inestable - como con A solo que menos sol o mas viento Moderadamente Inestable - Como con A-B solo que con menos sol o mas viento Moderadamente inestable - moderadamente soleado y moderadamente ventoso Ligeramente inestable - mucho viento/soleado o nublado/poco viento Ligeramente inestable - moderadamente soleado y alto viento Neutral - poco sol y fuerte viento o nublado/noche ventosa Condiciones Estables - noche menos nublada y menos ventosa que D Estable - noche con nubes moderadas y viento ligero-moderado Muy estable - posible niebla (fog)
A y B son llamadas también condiciones super adiabáticas, corresponden a vientos ligeros con insolación como la observada en una tarde de verano. La categoría C es una condición ligeramente inestable muy similar a A y B con vientos moderados a fuertes. La categoría D es neutra con vientos fuertes durante el día o la noche. Las categorías estables E y F ocurren durante la noche con brisas ligeras de cielos despejados o con baja nubosidad. La presencia de niebla, smog, llovizna o bruma son indicios de condiciones estables. Bajo estas condiciones el humo de las chimeneas industriales después de perder su calor y su velocidad inicial se rastreara a lo lejos en un plano horizontal, las emisiones de los automóviles y otros vapores permanecerán sobre la superficie aumentando así la concentración de contaminantes. En una atmosfera estable existe poca o nula actividad vertical para el ascenso de humo, polvo y otros contaminantes, los cuales se acumulan en la parte más baja de la atmosfera impidiendo una visibilidad aceptable. En aire inestable cuenta con disipación vertical, la cual dispersa humo, polvo y otros productos de emisión peligrosas. Una buena visibilidad es indicio de condición atmosférica inestable. 2.3.1.1 Capa de inversión Existen varios tipos de inversión térmica. Uno de estos tipos de inversión es a nivel de superficie terrestre como el mostrado en la curva 6 de la fig 2.3 este caso tiende a ocurrir en noches de cielos despejados y vientos ligeros, en cuyo caso la superficie (suelo) y el aire pierden calor por radiación. Esta condición es igualmente llamada inversión por radiación. Otro tipo de inversión es la llamada inversión elevada. Cuando una gran masa de aire frio fluye hacia una zona con poca altitud que se encuentre entre valles, esta masa desplaza aire caliente del lugar a una altura que va de los 500 m a 1 Km. La temperatura de aire por lo tano, disminuye de manera normal del nivel de piso hasta alguna altura, supóngase 600 m. cuando el aire frio que se encuentra en la parte inferior de la atmosfera alcanza al aire caliente que se ubica arriba del mismo, la temperatura del aire aumenta con la altura. A esta región de incremento de la temperatura con l altura se le llama capa de inversión. El aire contaminado denso y frio que se encuentre debajo de esa capa no podrá ascender o elevarse; a capa de inversión actúa como una especie de pared o tapa, con la consecuente presencia de contaminantes a niveles elevados. 2.3.1.2 Turbulencia El flujo de aire es un movimiento en dirección horizontal que se caracteriza por ser un flujo laminar. Cuando se presentan las condiciones necesarias para deshacerlo se causa turbulencia, dichas condiciones son:
Efectos fricciónales, los cuales pueden producirse por irregularidades topograficas (montañas, cerros o superficies de piso irregular) o por barreras artificiales (construcciones y chimeneas industriales, entre otros).
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Cambios térmicos, los cuales se producen cuando la superficie de la tierra es más caliente o mas fría que el aire lo cual resulta en una corriente de aire. Masa de aire, son indicadores de un cambio de clima. Los disturbios frontales pueden ser dbiles o fuertes, son muy comunes en algunas áreas y raros en otras.
2.3.2 Velocidad del viento. La velocidad del viento de es importante ya que cualquier gas emitido será diluido inicialmente por volúmenes de aire transitorios. Conforme se incrementa la velocidad del viento, el material es llevado en la dirección del viento mas rápidamente, pero el material es así mismo diluido más rápida por una mayor cantidad de aire. Importantes variaciones locales en la velocidad del viento y en la dirección son posibles debidas a los efectos del terreno aun sobre distancias de unas pocas millas. Deben recopilarse datos en el sitio. El viento es una magnitud vectorial y como tal debe caracterizarse por dos cantidades escalares: la dirección y la velocidad. La dirección del viento se puede medir en grados sexagesimales tomando como referencia el meridiano geográfico de la estación; se miden los ángulos a partir del norte geográfico y en el sentido de las manecillas del reloj. La velocidad y dirección del viento a menudo se presentan en forma de una rosa de los vientos. Esta muestra los patrones del viento en una localización particular. La rosa de los vientos es usualmente presentada en forma de brújula con cada brazo representando la frecuencia del viento desde esa dirección. Cuando la temperatura desciende, tienden a reunirse las partículas de aire ejerciendo lógicamente mayor presión que cuando la temperatura es alta y las partículas se hayan dispersas. Al haber diferente temperatura y presión entre dos lugares, se origina el viento, que puede definirse como: el aire en movimiento horizontal, es decir, con curso paralelo a la superficie de la tierra. En las zonas de mayor presión se presenta una densidad superior y debido a esto sus partículas buscan un camino más libre en el medio que las rodea, por tanto, el viento siempre se dirige de una zona de alta presión a una de baja. En base a los elementos termodinámicos del clima (temperatura, presión y vientos) activados por la insolación (cantidad de energía solar absorbida por la superficie de la corteza terrestre), se ha formulado un modelo de circulación atmosférica. Tomando en consideración que los rayos solares inciden en la tierra con diferente inclinación, se dividió a la misma en franjas de diferentes temperaturas y por lo tanto diferente presión. De ahí que se entienda por circulación general de la atmosfera como el movimiento que siguen las masas de aire en función de la distribución de franjas regulares de alta y baja presión, como modelo teórico. Para comprender la dinámica del aire se parte de la idea de que los vientos se dirigen de zonas de alta presión a las de baja presión. Se parte de la zona ecuatorial en donde el aire asciende hasta cierto límite a causa del paulatino descenso de la temperatura. Al llegar a este punto cambia su movimiento convectivo ascendente a movimiento advectivo.
Movimiento convectivo de aire: movimientos prerpendiculares, ya sea en ascenso o descenso. Moviendo advectivo del aire: movimientos paralelos al plano de referencia hacia la derecha o hacia la izquierda.
Al llegar aproximadamente a los 30º de latitud (es la distancia en grados desde el Ecuador a un punto de la superficie terrestre, se mide a lo largo de los meridianos; el Ecuador se considera que esta a 0º de latitud y desde el Ecuador a cada uno de los polos hay 90º de latitud norte o sur según el hemisferio), las masas de aire descienden debido a las características de presión. Ya en superficie una parte se encauza hacia la región de baja presión ecuatorial, cerrando un circuito y otra parte a la región de ala presión subpolar.
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Además el movimiento de rotación del planeta, hace que en el hemisferio norte los vientos se desvíen hacia la derecha y en el hemisferio sur hacia la izquierda, porque las masas de aire se desalojan en sentido contrario al movimiento de la tierra. En ingeniería es común encontrar la clasificación de viento en dominantes y reinantes. Los dominantes, se refieren a los vientos más fuertes en velocidad que se presentan en una zona, independientemente de la dirección que estos lleves; los reinantes refieren a los vientos cuya dirección es más frecuente en la zona independientemente de su velocidad. Normalmente, se citan datos de viento sobre una base de 10 m de altura. Las velocidades del viento se reducen sustancialmente dentro de unos pocos metros de terreno debido a los efectos de fricción. Como muchas descargas de materiales densos permanecen cerca del nivel del suelo, datos del viento deben corregirse de 10 m hacia la adecuada para la liberación real. Una ecuación para el perfil de la velocidad de viento se da para los perfiles de viento estable y neutral-cercano:
u 1 z z In 4.5 u* k z0 L
2.18
Donde u es la velocidad del viento (m/s) u*es la constante de velocidad de fricción que es empíricamente derivada (m/s) k es la constante de von Karman, con un valor de 0,41 z es la altura (m) z0 es el parámetro de longitud de la rugosidad superficial (m) L es la longitud de Monin-Obukhov (m) La velocidad de fricción, u* es una medida de la tensión de rozamiento ejercida por la superficie del suelo sobre las corrientes atmosféricas. Es igual a aproximadamente el 10% de la velocidad del viento a una altura de 10 metros. La fracción aumenta a medida que aumenta la rugosidad de la superficie o conforme la capa límite se vuelve más inestable. La longitud de Monin-Obukhov, L, es positiva durante condiciones estables (noche) y es negativa durante las condiciones inestables (día). Está definida por
u3 L 0.41g H T
2.19
2
Donde g es la aceleración debida a la gravedad (m/s ), T es la temperatura absoluta (K), y H es el flujo de calor en la superficie (J/m2). Valores para la longitud, L, son dados en la Tabla 2.3. Tabla 2.3 Relacion entre la longitud de Monin-Obukhov, L, y otras condiciones de Estabilidad meteorologicas. (AIChE/CCPS, 1996) Descripcion
Tiempo y clima
Muy estable
Noche clara
Estable Neutral
Nublado o Ventoso
Inestable Muy inestable
Soleado
Velocidad del viento, u < 3 m/s
Longitud de MoninObukhov, L 10 m
Clase de Estabilidad Pasquill-Guifford F
2-4 m/s
50 m
E
Cualquiera
> [100m]
D
2-6 m/s
-50 m
BoC
< 3 m/s
-10 m
A
34
Si el segundo termino en la Ec. (2.19) que contiene la longitud de Monin-Obukov se establece en cero, entonces una simple y bien conocida relación es obtenida, ley de poder (API, 1996):
uz 1 z In u* k z0
2.20
La ecuación (2.21) se puede simplificar aún más a una relación de ley de poder si la velocidad es comparada con una velocidad en una altura fija:
z u z u10 10
p
2.21
Donde p es un coeficiente de poder (adimensional), función de la estabilidad atmosférica y la rugosidad de la superficie. Valores típicos son dados en la Tabla 2.4. Tabla 2.4. Factor de corrección de la velocidad del viento para la ecuación 2.22 Coeficiente atmosférico de la ley de poder Clase de estabilidad Pasquill-Guifford Urbano Rural A 0.15 0.07 B 0.15 0.07 C 0.2 0.1 D 0.25 0.15 E 0.4 0.35 F 0.6 0.55
2.3.3 Efectos locales del terreno. Las características del terreno afectan el mezclado mecánico del aire que fluye sobre el suelo. Por lo tanto, la dispersión sobre un lago es considerablemente diferente de la dispersión en un bosque o en una ciudad de altos edificios. La mayoría de los datos de campo y prueba de dispersión son en terrenos planos y rurales. Valores observados para la rugosidad de la superficie, Z0, se muestran en la tabla A2. Se recomienda que la longitud de rugosidad de la superficie para refinerías grandes sea fijada como 1 m y para refinerías pequeñas en 0,5 m.
2.3.4 Altura de la descarga sobre el suelo. La figura 2.5 muestra el efecto de la altura en las concentraciones empopadas debido a un lanzamiento. A medida que aumenta la altura de descarga, la concentración a nivel de suelo, disminuye ya que la pluma resultante tiene más distancia para mezclarse con aire fresco antes de tocar suelo. Nótese que la altura de lanzamiento sólo afecta a la concentración a nivel de suelo. la concentración inmediatamente en la dirección del viento a la altura de la descarga permanece sin cambio.
2.3.5 Geometría de la descarga. Una descarga ideal para un modelo de dispersión Gaussiano seria de un punto fijo. Descargas reales son más propensas a presentarse como una liberación en línea (a partir de un chorro de material escapando), o como un área (de un charco de liquido en ebullición).
35
Conforme aumenta la altura de la liberación, esta distancia incrementa. El incremento de la distancia permite una mayor dispersión menor concentración a nivel de suelo.
Figura 2.5 Efecto de la altura de la descarga en la concentración a nivel de suelo.
2.3.6 Momentum y Boyancia del material liberado. Una pluma de gas denso típica es mostrada en la Figura 2.6 Los gases densos pueden ser también liberados de un venteo elevado. Tales descargas presentan una combinación de comportamiento de denso y Gausiano, inicialmente la pluma asciende debido al momentum, seguido por una inclinación y hundimiento de la pluma debido a los efectos de gas denso. Lejos de la descarga, en la dirección del viento, debido al mezclado con aire fresco, la pluma se comportara como una nube neutral boyante.
Figura 2.6 La aceleración y boyancia iniciales del material liberado afecta el comportamiento de la pluma. La liberación muestra la liberación de un gas denso que exhibe un caída seguida por una dispersión a un estado boyante neutral. Puesto que la mayoría de las descargas son en forma de jet en lugar de una pluma, es importante evaluar los efectos del momentum inicial y la entrada de aire en el comportamiento de un chorro. Cerca de su punto de liberación donde la velocidad del jet difiere bastante de la velocidad del viento, un jet entra en el aire ambiental debido al corte (diferencia de velocidad), crece en tamaño y se vuelve diluido. Para un jet simple (boyancia neutral), su momentum moviéndose hacia arriba permanece constante mientras que su masa se incrementa. Por lo tano, si es liberado verticalmente, las fuerzas de arrastre aumentan conforme el área superficial se incrementa y finalmente domina el momentum horizontal. El resultado es que el jet comienza a inclinarse a
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una cierta distancia y es dominado por el momentum del viento. Si el jet tiene boyancia positiva (jet boyante), el momentum ascendente aumentara, y el momentum inicial será insignificante comparado con el momento ganado debido a la boyancia. A continuación, el jet se comportara como una pluma. Para un jet denso o boyante negativo, el momentum ascendente disminuirá mientras viaja. Finalmente encontrara una máxima altura donde el momentum ascendente desaparece y entonces comienza a descender. Esta fase descendente es como una pluma invertida.
2.3.7 MODELOS DE NUBE BOYANTE POSITIVA Y NEUTRAL, LIBERADA INSTANTANEA O CONTINUAMENTE Los modelos boyante positivo o neutral para nubes formadas por una liberación instantánea o una de corta duración, son usados para predecir concentraciones promedio y perfiles de tiempo de materiales flamables o tóxicos en la dirección del viento desde una fuente basado en el concepto Gaussiano de dispersión. Plumas refiere a emisiones continuas, y puffs a emisiones que son de corta duración comparadas con el tiempo de viaje (tiempo que le toma a la nube alcanzar una localización de interés), o tiempo promedio (normalmente 10 min). La difusión atmosférica es un proceso aleatorio de mezclado impulsado por la turbulencia en la atmósfera. La concentración en cualquier punto en la dirección del viento desde una fuente se aproxima mediante un perfil de concentración Gaussiano en ambas dimensiones horizontal y vertical. Los modelos Gaussianos generalmente no son aplicables a gran escala para descargas de materiales densos ya que el gas denso cae hacia el suelo y no se transporta y dispersa tan rápidamente en la dirección del viento como una nube boyante neutral. Para estos tipos de descargas es requerido un modelo de nube densa. Las concentraciones predichas por los modelos Gauss son promedios de tiempo. Así, las concentraciones locales podrían ser mayores que este valor medio. Este resultado es importante cuando se estiman dispersiones de materiales altamente tóxicos o flamables donde las fluctuaciones de las concentraciones locales pueden tener un impacto significativo en las consecuencias. Los modelos de dispersión implícitamente incluyen un tiempo promedio a través de los coeficientes de dispersión, ya que los experimentos para determinar los coeficientes fueron caracterizados por ciertos tiempos promedios. El tiempo promedio se define como el “intervalo de tiempo especificado por el usuario sobre el cual la concentración instantánea, velocidad de liberación de masa, o cualquier otra variable es promediada”. Además afirma que “con mayor promedio de tiempo (es decir, incrementando la duración del evento de una liberación accidental) la pluma desde el punto de la liberación serpentea hacia delante y hacia atrás sobre un receptor fijo. Como la alta concentración en una nube instantánea que va y regresa la concentración en el tiempo promedio decrecerá en la línea central de la pluma, y se incrementara en los borde exteriores de la pluma. Al mismo tiempo que serpentea, incrementará la intensidad de las fluctuaciones de la concentración en todos los sitios a través de la nube, y producirá largos periodos intermitentes de concentraciones de cero cerca de la línea central de la pluma. Para estimar la probabilidad de exceder umbrales de concentración toxico o flamable deben proveerse con precisión estos tiempos promedio. La mayoría de los modelos Gaussianos Pasquill- Guifford incluyen un tiempo promedio implícito de 10 minutos. La dispersión Gaussiana es el método más común para estimar la dispersión de un vapor. El método aplica solo para nubes boyantes neutrales y provee un estimado de las concentraciones promedio de vapor en la dirección del viento. Dado que las concentraciones predichas son en tiempo promedio, se debe considerar que la concentración local puede ser mayor que esta promedio; este resultado es importante cuando se estima la dispersión de materiales altamente tóxicos o flamables donde las fluctuaciones de la concentración local pueden tener un impacto significativo en las
37
consecuencias. El modelo se comienza escribiendo una ecuación para la conservación de la masa del material dispersándose:
C u j C 0 t x j
2.22
Donde C es la concentración del material dispersándose (masa/volumen); j representa la suma sobre las tres coordenadas, x, y, y z (adimensionales); y u es la velocidad del aire (longitud/tiempo). La dificultad con la Ec. (2.23) es que es imposible determinar la velocidad u en cada punto, ya que actualmente no existe un modelo adecuado de turbulencia. La solución es reescribir la concentración y la velocidad en términos de una cantidad promedio y estocástica:
C C C ' ; u j u j u 'j
2.23
Donde los paréntesis denotan el valor promedio y la prima denota la estocasticidad, o una variable de desviación. También resulta útil definir una difusividad de Foucalt, Kj (área / tiempo) como:
Kj
C u 'j C ' x j
2.24
Sustituyendo las ecuaciones estocásticas en la Ec. (2.23) tomando un promedio, y entonces usando la Ec. (2.32), se obtiene el siguiente resultado:
C C uj t x j x j
C Kj x j
2.25
El problema con la Ec. (2.26) es que la difusividad de Foucalt cambia con la posición, el tiempo, la velocidad del viento, las condiciones atmosféricas predominantes, por mencionar algunas, y debe ser especificado antes de una solución a la ecuación. Este enfoque, mientras que proporciona importante teoría no provee un marco práctico para la solución de problemas de dispersión de vapor. Sutton (1953) desarrolló una solución a la dificultad anterior mediante la definición de coeficientes de dispersión, x, y, y z, definidos como la desviación estándar de la concentración en la dirección del viento, perpendicular al viento, y en la vertical (x, y, z) respectivamente. Los coeficientes de dispersión son una función de las condiciones atmosféricas y distancia en la dirección del viento desde la liberación. Guifford (1961) desarrollo un conjunto de correlaciones para los coeficientes de dispersión basados en datos disponibles. El modelo resultante se conoce como modelo de Pasquill-Gifford. Los coeficientes de dispersión y, y z, para difusión de plumas Gausianas se dan en la tabla A3. Las emisiones de corta duración tienen diferentes características de difusión que las plumas continuas y diferentes coeficientes de dispersión (y, y z,) son necesarios las ecuaciones son proporcionadas en la tabla A4. Los datos experimentales para las emisiones instantáneas son mucho más limitados que para continuas y por tanto, los modelos puff tienen mayor incertidumbre. Así mismo, debido a una carencia en los datos, a menudo se asume que y = z.
38
2.3.7.1 Modelo para liberaciones continuas El modelo puff describe más de cerca liberaciones instantáneas de material. La solución depende de la cantidad total de material liberado, de las condiciones atmosféricas, de la altura de la descarga sobre el suelo, y la distancia desde la descarga. La ecuación para la concentración promedio para este caso es:
1 y 2 c x, y , z , t exp 2 2 3 x y z 2 y G*
1 z H 2 1 z H 2 exp x exp 2 2 z z
2.26
Donde C es la concentración promedio en el tiempo (masa / volumen) G* es la masa total del material liberado (masa) x, y, y z, son los coeficientes de dispersión en las direcciones x, y, y z (longitud) y es la dirección perpendicular al viento (longitud) z es la distancia por encima del suelo (longitud) H es la altura de descarga por encima del suelo (longitud) La Ecuación (2.27) asume la dispersión desde un punto elevado sin absorción del suelo o reacción. El centro del sistema de coordenadas sigue estando en el centro de la de la nube liberada instantáneamente conforme se mueve en la dirección del viento. La velocidad del viento no aparece explícitamente en la Ec. (2.27). Esta implícita a través de los coeficientes de dispersión, ya que estos son una función de la distancia en la dirección del viento desde la liberación inicial y las condiciones de estabilidad atmosférica. Los límites de la nube a una concentración fija se denominan isopletas. Las ubicaciones de estas se encuentran dividiendo la ecuación C(x, 0, 0, t), (concentraciones a lo largo de línea central), por la concentración general a nivel de suelo proporcionada por la Ec. (2.27). la ecuación resultante se resuelve para y, resultando:
C x,0,0, t y y 2 In C x , y , 0 , t
2.27
Donde y es la distancia AL centro a la isopleta (longitud), C(x, 0, 0, t), es la concentración en la línea central en la dirección del viento (masa/volumen), y C(x, y, 0, t), es la concentración en la isopleta. Esta ecuación aplica a descargas a nivel del suelo y elevadas 2.3.7.2 Modelo para liberaciones continuas El modelo de pluma describe una descarga continua de material. La solución depende de la velocidad de descarga, de las condiciones atmosféricas, de la altura de la descarga sobre el suelo, y de la distancia desde la descarga. Esta geometría es mostrada en la Fig. 2.7. En este caso el viento se mueve a velocidad constante, u, en la dirección x. la ecuación para la concentración promedio para este caso es:
39
1 y 2 C x, y , z exp 2 y z u 2 y G
2 1 z H 2 1zH exp - exp - 2 2 z z
2.28
Donde C (x,y,z) es la concentración promedio (masa /volumen), G es la velocidad de descarga continua (masa/tiempo) x, y, y z, son los coeficientes de dispersión en las direcciones x, y, y z (longitud) y es la dirección perpendicualar al viento (longitud) z es la distancia por encima del suelo (longitud) u es la velocidad del viento (longitud/tiempo) H es la altura de descarga por encima del suelo mas la elevación de la pluma (longitud)
Figura 2.7 Vista tridimensional de la dispersión Gausiana de una fuente de emisión continua elevada. (Turner, 1970) La ecuación (2.29) considera la dispersión desde una fuente puntual elevada sin absorción en el terreno o reacción. Para descargas a nivel de suelo, la concentración máxima ocurre en el punto de descarga. Para concentraciones sobre el nivel del suelo, la concentración máxima en el suelo ocurre a lo largo de la línea central en la dirección del viento. Los modelos gaussianos representan bien la naturaleza aleatoria de turbulencia. Los coeficientes de dispersión y, y z, son empíricos, pero los resultados concuerdan bien con los datos experimentales así como con otros modelos mas teóricos. Estos son normalmente limitados a predicciones entre 0.1 y 10 Km. El resultado principal del modelo de pluma es la concentración al tiempo promedio a una localización especifica (en las tres coordenadas espaciales: x,y,z) en la dirección del viento desde la fuente. Para nubes toxicas o flamables puede ser deseable trazar una isopleta particular correspondiente a la concentración de interés. Esta isopleta usualmente toma la forma de una elipse sesgada. Los modelos Puff generan resultados que varían en el tiempo, una puff individual puede ser seguida para considerar los efectos del cambio del viento. A cada punto (x, y, z) en la dirección del viento desde el punto de descarga, habrá una única concentración contra el perfil de tiempo.
40
2.3.9 DISPERSIÓN DE GAS DENSO Un gas denso se define como cualquier gas cuya densidad es mayor que la densidad del aire ambiente a través del cual se esta dispersando. Este resultado puede ser debido a un gas con un peso molecular mayor que el del aire, o de un gas con una baja temperatura debido a auto-refrigeración durante la descarga, u otros procesos. Los gases pesados muestran una elevación inicial de la pluma debido al impulso de salida, como sucede en todo escape seguida de un descenso en curva por influencia de la densidad. Los mecanismos de dispersión de gas denso difieren notablemente de las nubes neutrales boyantes. La mayoría de las descargas flamables no siguen un comportamiento neutral o Gaussiano ya que la mayoría de ellas son más pesadas que el aire. Como la descarga se mezcla con el aire, se diluye, dado que la turbulencia atmosférica normal predomina sobre las fuerzas gravitacionales y el modelo gausiano aplicara finalmente, pero la nube ya no será flamable. Existe una gran cantidad y variedad de modelos de gas denso, dos de los más empleados son el de caja y el de Britter McQuaid. En el modelo de caja, la nube de vapor es tratada como un solo cilindro y la caja contiene vapor a una concentración uniforme. El aire se mezcla non la caja conforme se dispersa en la dirección del viento. El espesor de la caja se incrementa conforme se difunde debido a la caída de la gravedad. Los supuestos típicos son: • La nube de vapor se dispersa sobre terreno plano. • El terreno tiene rugosidad constante. • No hay obstrucciones. • Las fluctuaciones locales se omiten. • El tratamiento de las reacciones químicas o deposición es limitado.
Viento
Figura 2.8 Modelo de caja de una nube de gas denso El modelo de Britter y McQuaid (1988) fue desarrollado mediante la realización de un análisis dimensional y correlacionando datos experimentales (sobre area rural y suelo plano, por lo que no aplica para areas urbanas o montañosas) de dispersión de nubes densas. El modelo es más adecuado para las descargas instantáneas o continuas en un área a nivel de suelo, la estabilidad atmosférica tiene poco efecto en los resultados y no es parte del modelo. El modelo requiere una especificación del volumen inicial de la nube, el flujo de volumen inicial de la pluma, y la duración de la liberación, y la densidad inicial del gas; se requiere la velocidad del viento a una altura de 10 metros, la distancia en la dirección del viento y la densidad de gas ambiente; no es apropiado para liberaciones continuas a dos fases debido a
41
los efectos de entrada de aire; no incluye los efectos de parámetros tales como la altura de la liberación, rugosidad de la superficie, perfiles de velocidad del viento, etc. 2.4 Incendios y explosiones El objetivo de esta sección es revisar los tipos de modelos disponibles para estimar las consecuencias de explosiones accidentales e incidentes de fuego .Un número de definiciones importantes relacionadas con incendios y explosiones se muestran a continuación. Deflagración: Una propagación de una reacción química de una sustancia en la cual la reacción o frente de propagación es limitada tanto por transporte molecular turbulento avanza dentro de la sustancias sin reaccionar a menor velocidad que la velocidad sónica en el material sin reaccionar. Las sobrepresiones resultantes de una deflagración son típicas no más que una o dos atmosferas. Estas son bastante significativas para causar daño sustancial a las estructuras de los alrededores. Detonación: La detonación es la forma más violenta de combustión, en la cual el frente flamable es vinculado a una onda de choque y se mueve a mayor velocidad de la velocidad del sonido en los gases sin reaccionar. Esta velocidad esta en el orden de 2000 m/s. La propagación de una reacción química de una sustancia en la cual el frente de reacción o frente de propagación es limitada solo por la velocidad de reacción y avanza hacia la sustancia sin reaccionar a o mayor que la velocidad del sonido en el material sin reaccionar a su presión y temperatura iniciales. Las detonaciones son capaces de producir mucho más daño que las deflagraciones; las sobrepresiones de una detonación pueden ser varios cientos de Psig en valor. Límites inflamables: La concentración mínima (límite inflamable inferior, LFL) y máxima (inflamable límite, UFL) de vapor en el aire que propagaran una flama. Temperatura de punto de inflamación: La temperatura de un líquido en el que el líquido es capaz de producir suficiente vapor inflamable rápida y momentánea. Explosión: Es una una liberación de energía y posteriormente produce un cambio transitorio en la densidad de gas, la presión y la velocidad del aire alrededor de un punto de la explosión. Tambien puede definirse como una rápida expansión de los gases resultantes en un rápido movimiento de presión o onda de choque, o como la ruptura de un recinto o un contenedor debido al desarrollo de la presión interna. Una explosión puede considerarse como una rápida liberación de un gas de alta presión en el medio ambiente. Esta liberación debe ser lo suficientemente rápida para que la energía sea disipada como una presión o la onda de choque. Las explosiones pueden surgir de fenómenos estrictamente físicos tales como la ruptura catastrófica de un contenedor de gas presurizado o de una reacción química, tal como la combustión de un gas inflamable en el aire. Estas reacciones últimas pueden ocurrir dentro de edificios o tanques o al aire libre en zonas potencialmente congestionadas. Para una liberación hay varios resultados posibles, como explosiones de la nube de vapor (VCE), flamazos (flamazos), explosiones físicas, explosiones de vapor en expansión por liquido en ebullción (BLEVE), bolas de fuego, explosiones confinadas, charcos de fuego y los chorros de fuego Las consecuencias de interés en los estudios CPQRA por explosiones en general son efectos de sobrepresión y efectos de proyectiles; para los incendios y bolas de fuego las consecuencias de interés son efectos de la radiación térmica. Cada uno de estos tipos de explosiones e incendios puede ser modelado para conocer, los efectos de la radiación térmica o proyectil.
42
2.4.1 Explosión de nube de vapor (VCE) Las explosiones se clasifican en deflagraciones o detonaciones, dependiendo de sus velocidades relativas de sonido y del frente de combustión en la mezcla que no ha sido consumida. Si la velocidad de la flama es menor que la propagación del sonido en la mezcla que no ha reaccionado, se produce una deflagración. Las detonaciones de las mezclas de gas combustible con aire requieren de cierto grado de confinamiento. Una detonación puede ocurrir directamente o como una transición de deflagración, si ha ocurrido en el proceso una aceleración del frente de reacción; evento, este último que puede ocurrir en tuberías, las presiones alcanzadas en las detonaciones son mucho más altas y por lo mismo sus efectos más destructivos. El efecto final de una explosión o incendio depende de la naturaleza intrínseca del accidente y de las condiciones en que ocurrió, las cuales pueden aumentar o mitigar sus efectos. El fuego es una consecuencia visible de la combustión en determinadas circunstancias y la combustión es una reacción química en la que se libera energía a partir de la oxidación de un material determinado. Los elementos necesarios y suficientes para que se produzca un incendio se esquematizan en el llamado triangulo de fuego figura 2.9 si falta alguno de estos elementos el incendio no se produce. Los parámetros importantes en el análisis de incidentes de combustión son las propiedades del material: límites inferior y superior de flamabilidad (LFL y UFL), punto de inflamación, temperatura de autoignición, calor de combustión, peso molecular y estequiometria de combustión.
Energia de activación Modelo Flujo a dos Figura 2.9 Triangulo de fuego La inflamabilidad se refiere a la mayor o menor facilidad con que el combustible puede arder en un comburente con una fuente de ignición. Los límites de inflamabilidad nos proporcionan el intervalo de concentraciones de combustible a la cual la mezcla puede entrar en ignición y arder. De manera que, si una mezcla está por debajo del Límite Inferior Inflamabilidad (LFL) la cantidad de combustible no es suficiente como para propagar la combustión, análogamente si la concentración es mayor al Limite Superior de Inflamabilidad (UFL) no hay cantidad suficiente de comburente para que la reacción se propague lejos de la fuente de ignición. Generalmente estos valores son determinados experimentalmente, pero en caso de que no se puedan determinar, existen ecuaciones empíricas para su estimación por ejemplo las ecuaciones de Jones: LFL = 0.55 Cest
2.29
UFL=3.50 Cest
2.30
Donde Cest es la concentración estequiométrica del punto inflamable. Otra relación empírica utilizada en aire es la de Spakowski:
43
LFL*(-Hcomb) = 4.354x10
-3
2.31
Donde (-Hcomb) es el calor de combustión estándar expresado en KJ/mol. Los limites de inflamabilidad pueden modificarse por las condiciones ambientales; un aumento en la temperatura amplia el intervalo de inflamabilidad. La presión, por abajo de 5 KPa afecta poco al LFL; el UFL puede aumentar considerablemente al aumentar la presión ampliando también el intervalo de inflamabilidad. En lo que se refiere a la concentración de oxigeno, los valores de LFL son aproximadamente iguales si se toman en oxigeno o en aire ya que este último se encuentra en exceso, pero el UFL suele aumentar considerablemente al aumentar la concentración de oxigeno. Si en lugar de oxigeno se utilizan otros oxidantes, los limites cambian notablemente. La inflamación de la mezcla puede impedirse si la cantidad de oxigeno disminuye hasta un nivel suficiente, dicho nivel esta dado por un valor de concentración mínimo de oxigeno necesario para la combustión (Omin) por debajo del cual la reacción no genera suficiente energía como para elevar la temperatura de la mezcla hasta un valor que permita la propagación de la llama, el Omin puede estimarse calculándolo como el oxigeno estequiométrico necesario para la combustión cuando la concentración de combustible es igual al LFL. Son varias las propiedades que intervienen para caracterizar la inflamabilidad de los materiales en distintos grados de importancia. La NFPA clasifica los distintos materiales de acuerdo a sus características de inflamabilidad dividiéndolos en cinco apartados.
Grado de inflamabilidad 0. No arden aun estando expuestos a una temperatura de 815 ºC en aire durante 5 minutos.
Grado de inflamabilidad 1. Necesitan un precalentamiento considerable para arder. Entran materiales que arden en aire a 815ºC en menos de 5 minutos y líquidos, sólidos y semisólidos combustibles con punto de flash mayor a 93.5ºC.
Grado de inflamabilidad 2. En contacto con aire bajo condiciones normales no forman atmosferas peligrosas, pero si pueden hacerlo tras un calentamiento moderado o al ser expuestos a altas temperaturas. Líquidos con punto de flash entre 37.8 y 93.4ºC
Grado de inflamabilidad 3. Líquidos y sólidos (fibrosos o de granulometría relativamente gruesa, así como los que contienen oxigeno en su molécula) que, sometidos a ignición pueden arder bajo condiciones ambientales o próximas a ellas. Dan origen a atmosferas inflamables en aire, prácticamente en todas las condiciones ambientales habituales.
Grado de inflamabilidad 4. Materiales que vaporizan rápidamente en condiciones ambientales y proporcionan una combustión rápida. Incluyen gases, materiales criogénicos, líquidos inflamables con punto de flash inferior a 22.8ºC y materiales que a causa de su forma física o propiedades pueden dispersarse con facilidad en el aire, formando mezclas explosivas.
De acuerdo a la NOM-105-STPS-1994 de Seguridad –Tecnología del fuego-Terminología en el caso de los líquidos, se clasifican en:
Extremadamente inflamables: Temperaturas inferiores a ºC Altamente inflamables: Temperaturas de 0 a 21ºC Inflamables: Temperaturas de 21 a 55 ºC.
44
2.4.1.1 Factores que generan una VCE Cuando se libera rápidamente una gran cantidad de líquido o gas flamable vaporizando, se forma una nube de vapor y se dispersa con el aire circúndate. La liberación puede ocurrir de un tanque de almacenamiento, de proceso, de un contenedor de transporte, o tubería. Si esta nube se enciende antes de que la nube se diluya debajo de su límite inferior de flamabilidad (LFL), ocurrirá un flamazo o una Explosión de nube de vapor VCE (Por sus siglas en inglés Vapor Cloud Explosion). La principal consecuencia de una VCE es una sobrepresión que resulta mientras la principal consecuencia de un flamazo es el contacto directo con la flama y la radiación térmica. Hay cuatro características que deben estar presentes en orden para que se produzca una VCE. En primer lugar, el material de liberación debe ser inflamable. En segundo lugar, se debe formar una nube de suficiente tamaño antes de la ignición, retrasos de 1 a 5 minutos son los más probables para generar explosiones de nube de vapor, pero pueden ir de 6 s, hasta 60 minutos. Tercero, una cantidad suficiente de la nube debe estar dentro del rango flamable. Cuarto, debe existir suficiente confinamiento o mezclado turbulento de una porción de la nube de vapor. Los efectos de la explosión producida dependen de si resulta una deflagración o una detonación, siendo una deflagración lo más probable. Una transición de deflagración a detonación es poco probable en el aire libre. Una deflagración o detonación resultante es también dependiente de la energía de la fuente de ignición, con mas fuentes de ignición se aumenta la probabilidad de una detonación directa. La turbulencia es el factor gobernante en la generación de explosiones y eso puede intensificar la combustión a un nivel que se traducirá en una explosión. Una configuración industrial con densas concentraciones de equipos de proceso en las plantas químicas o refinerías y grandes grupos de acoplamiento de ferrocarril, contribuyen a causar estallidos fuertes en explosiones de nube de vapor. Tambien pueden actuar como generadores de estallido ciertas estructuras en configuraciones no industriales, por ejemplo, túneles, puentes, alcantarillas y estacionamientos llenos.. Un confinamiento parcial u obstrucción en una nube de vapor fácilmente puede actuar como un iniciador para detonación. Sin embargo, sólo una detonación de nube de vapor no confinada se ha reportado en la literatura; ocurrió en puerto Hudson, Missouri. En la mayoría de los casos, la estructura no homogénea de una nube se dispersara libremente en la atmósfera, esto probablemente impide que una detonación se propague. Existe una masa mínima de material inflamable requerido para permitir la transición de un flamazo a VCE. Estas estimaciones oscilan de 1 tonelada a 15 toneladas. Aunque algunos ejemplos de VCEs con cantidades tan bajas como 100 kg para especies más reactivas tales como el hidrógeno y acetileno. 2.4.1.2 Fuentes de ignición Para que ocurra la ignición es necesario suministrar la energía mínima de ignición suficiente para iniciar la inflamación de la mezcla. Todos los materiales poseen una energía mínima de ignición la cual es particular y varia con las condiciones ambientales como presión y composición de la mezcla combustible. Ejemplos de fuentes por las cuales se puede obtener esa energía: superficies calientes, equipo eléctrico, ignición espontanea, chispas y calor debidos a la fricción, fósforos, ignición intencionada y electricidad estática. Las nubes de vapor inflamable pueden ser encendidas por un numero de fuentes que pueden ser continuas (por ejemplo, despedido calentadores, pilotos de llamas) u ocasionales (por ejemplo, fumar, vehículos, sistemas eléctricos, descarga estática). Un sitio con muchas fuentes de ignición en o alrededor de ella tiende a impedir que las nubes alcanzar su grado de riesgo completo, como la mayoría de esas nubes encontraría una fuente de ignición, antes de que esto ocurra. Por el contrario, pocas nubes en un sitio como tal se dispersan con seguridad antes de ignición.
45
2.4.1.3 Epicentro de la ignición Una Ignición retardada podría resultar en una explosión del máximo efecto posible. Las siguientes aproximaciones se utilizan para localizar el epicentro de la explosión: 1. El frente de la nube esta a la concentración de LFL. 2. En el punto de la línea central, donde la concentración de combustible es estequiométrica. 3. En el equipo de liberación 4. A medio camino entre el equipo de liberación y el frente de la nube al LFL 5. En el centro de un volumen congestionado identificable cuya concentración de vapor está dentro del rango de inflamable. 2.4.1.4 Modelos de VCEs Los siguientes modelos de VCEs presentados aquí incluyen: • Modelo de equivalencia TNT • Modelo multi-energy de TNO • Modelo de Baker - Strehlow Todos estos modelos son teoréticos – empíricos y se basan en investigaciones de accidentes. 2.4.1.4.1 Modelo de Equivalencia de TNT. El modelo equivalente en TNT es utilizado en la predicccion de sobrepresiones a una distancia determinada del centro de explosión. Ese modelo puede aplicarse a la estimación de efectos de una UVCE y se basa en la ley de escalado (establecida empíricamente), que establece que los efectos de dos explosiones son los mismos sobre puntos que se encuentran a la misma distancia reducida (o escalada) expresada como.
z
R
WTNT 1
3
2.32
Donde z es la distancia escalada (mKg-1/3), R la distancia real (m) y WTNT es la masa de TNT utilizada en la explosión o en su caso el equivalente de TNT de la energía liberada. El modelo de equivalencia de TNT se basa en el supuesto de equivalencia entre el material inflamable y TNT, factorizado por un término de eficiencia de explosión:
W
MEC ETNT
Donde W es la masa equivalente de TNT (kg o lb) M es la masa de hidrocarburos (kg o Ib.) Ec es el calor de combustión de gas inflamable (KJ/kg o Btu/lb) ETNT es el calor de combustión de TNT (4437-4765 KJ/Kg o 1943-2049 Btu/lb). es una eficiencia de explosión empírica (adimensional)
2.33
46
Es decir, , es el cociente entre la energía en la onda de choque y la energía teóricamente disponible en la explosión, este rendimiento de la explosión de la nube flamable es empírico, tomando como base de cálculo la cantidad total de vapor inflamable en la nube, está entre 1 y 10% para la gran mayoría de las explosiones. 0
Los parámetros importantes son el pico de sobrepresión p ; tiempo de llegada, ta; la duración de la fase positiva, td, y el impulso de sobrepresión, ip, el cual es definido como el área bajo el pulso de duración positivo. Varios de estos parámetros de explosión son correlacionados como una función de la distancia escalada, Z (ecuación 2.30). El impulso es un aspecto importante por la habilidad de causar daño de un estallido en estructuras ya que esto es indicativo de la energía total contenida dentro de la onda de choque. El pico de sobrepresiones se utiliza para estimar el daño resultante utilizando la tabla de 2.14 para estructuras generales, no cuentan para el impulso del estallido o la estructura particular involucrada.
Presión
Presión
Tiempo Figura 2.10 Historia típica de presión para una explosión de tipo TNT. La curva de presión cae debajo de la presión ambiente debido a una refracción al tiempo td. Es necesario, antes de utilizar el modelo del equivalente en TNT, tomar en cuenta que las explosiones de nubes de vapor inflamable presentan algunas características diferentes con respecto a las del alto explosivo. Las principales son: 1. Una nube de vapor se extiende sobre un volumen grande, comparado con el que ocuparía el explosivo equivalente. 2. La UVCE proporciona valores de sobrepresión inferiores a los del modelo TNT cerca del epicentro de la misma. 3. Inicialmente la forma de la onda de choque es distinta en una UVCE y la de un alto explosivo. 4. En una UVCE la duración temporal de la onda de choque es mayor.
Una vez que se conoce la distancia escalada se puede hacer uso de la figura B1 del apéndice B, para obtener los parámetros escalados y combinando dicho resultado con la ecuación apropiada, será posible obtener el parámetro real. O bien, en lugar de la figura B1 del apéndice B, se puede emplear la tabla A5 del apéndice A, la cual provee las ecuaciones mediante las cuales es posible obtener de manea analítica, los mismos resultados que usando la figura B1 del apéndice B.
ps
p0 pa
is
ip W13
47
d
td W13
a
ta W13
Los parámetros estimados mediante las ecuaciones anteriores, son importantes porque describen a la onda de sobrepresión. Por ejemplo, el impulso es un aspecto importante de la habilidad de causar daño de un estallido en estructuras, ya que esto es indicativo de la energía total contenida dentro de la onda de choque. Por su parte, el pico de sobrepresiones es importante pues se utiliza para estimar el daño resultante para estructuras generales utilizando la tabla A6 del apéndice A, no cuentan para el impulso del estallido o la estructura particular involucrada.
2.4.1.4.2 Método Multi-Energy de TNO: El modelo de multi-energía considera que el modelo de explosión es la base de la combustión deflagrativa, y que la detonación de una nube de vapor no confinada es extremadamente poco probable. Supone que la energía de explosión es altamente dependiente del nivel de congestión y menos dependiente del combustible en la nube. La aplicación del método multi-energy TNO requiere de la selección de un factor de gravedad, según el grado de confinamiento. Para identificar las posibles fuentes de fuerte explosión presente en el área cubierta por la nube inflamable. Las fuentes potenciales de la fuerte explosión incluyen:
Zonas congestionada por edificios, equipos de proceso en las plantas químicas y refinerías, las pilas de cajas y racks de tubería; Espacios entre planos paralelos extendidos, por ejemplo, aquellos debajo de autos estrechamente estacionados en lotes de estacionamiento con varios pisos y edificios abiertos Espacios dentro de las estructuras de tipo tubo, por ejemplo, túneles, puentes, pasillos, sistemas de alcantarillado, alcantarillas; Un mezclado intensamente turbulento de combustible-aire en un chorro resultante de una liberación a alta presión.
La posibilidad de detonación de nubes de vapor no confinadas debe ser considerada si: a) las condiciones ambientales y atmosféricas son tales que la dispersión de la nube de vapor es lenta, y (b) es probable un retraso largo de ignición. Sin embargo, un factor de 7 para la fuerza de explosiónrepresenta con más precisión la experiencia real, la tabla 2.9 muestra una guía para seleccionar la fuerza de detonación. Una vez que se ha determinado el factor de gravedad asociado a la fuerza de la explosión se calcula la energía total de 6 3 combustión, Ecuación 1.40, donde 3.5x10 J/m es el valor promedio más común de calor de combustión para una mezcla estequiométrica hidrocarburo-aire y Vn representa los volúmenes individuales de la mezcla.
ET 3.5x106*Vn
2.34
Se calcula la distancia escalada distancia de la carga (combustible-aire) "Rs" mediante la ecuación 2.34a. Rs
RR 1
Et 3 P 0
2.34a
48
Conociendo "Rs" y considerando que el factor de gravedad es de 7, dado que la fuerza destructiva descrita por dicho factor, es la más representativa para explosiones combustible-aire, se obtiene la sobrepresión escalada de Sach "ΔPs " de la figura B2 del apéndice B. Tabla 2.9 Fuerza de detonación de sub-explosión. Factor de gravedad de la Grado de confinamiento explosión 1 No confinada 2 Casi confinada 7 Ligeramente confinada 10 Moderadamente confinada Fuente: (PHAST Help System, v6.1).
Características Campo Abierto Campo Abierto, pocos árboles Patio de tanques Equipo de proceso
Una vez que se conoce el valor de "ΔPs ", se calcula el pico de sobrepresión de la explosión "Ps” usando la ecuación 2.35a; la duración corregida de Sach "td0" se estima de la figura B3. Finalmente se hace uso de la ecuación 2.35a para estimar la duración real de la fase positiva de la onda de explosión.
Ps PS Pa
2.35
E / Pa td td c0
2.35a
Donde Ps es la sobrepresión de explosión (Pa)
Ps es la sobrepresión de explosión escalada de Sachs (adimensional) P0 es la presión ambiente (Pa) td es la duración de la fase de positiva (s) td es la duración de la fase positiva escalada de Sachs(adimensional) E es la carga de energía de combustión (J) C0 es la velocidad de ambiente de sonido (m/s) 2.4.1.4.3 Método de Baker-Strehlow: El método de Baker se utiliza para el cálculo de la sobrepresión e impulso generado en el estallido de recipientes, el confinamiento es la base de la determinación del tamaño de la nube de vapor inflamable que contribuye a la generación de la onda de sobrepresión. Se pueden correlacionar los efectos combinados de la reactividad de combustible, la densidad de obstáculo y el confinamiento para velocidad de flama. Describen un conjunto de 27 posibles combinaciones de estos parámetros basados en expansiones de llama se muestran en la tabla 2.9. Las velocidades de llama se expresan en unidades de número Mach, estos valores representan la velocidad máxima de llama para cada caso. La reactividad se clasifica como baja, media y alta de acuerdo con las siguientes recomendaciones del TNO. El metano y el monóxido de carbono son los únicos materiales considerados de baja reactividad, mientras que el hidrógeno, acetileno, etileno, óxido de etileno y óxido de propileno se consideran altamente reactivo. Todos los demás combustibles se
49
clasifican como reactividad media. Las mezclas de combustible se clasifican según la concentración del componente más reactivo. Tabla 2.10 Velocidad de la flama en numero Mach para fuentes de ignición (Baker, 1994). Densidad de Obstáculos Expansión de la flama 1D Alta Media Baja Alta 5.2 5.2 5.2 Media 2.265 1.765 1.029 Reactividad Baja 2.265 1.029 0.294 Densidad de Obstáculos Expansión de la flama 2D Alta Media Baja Alta 1.765 1.029 0.588 Media 1.235 0.662 0.118 Reactividad Baja 0.662 0.471 0.079 Densidad de Obstáculos Expansión de la flama 3D Alta Media Baja Alta 0.588 0.153 0.071 Media 0.206 0.100 0.037 Reactividad Baja 0.147 0.100 0.037
El confinamiento se basa en tres simetrías, como se muestra a continuación en la figura 2.11.
3D
2D
1D
Figura 2.11 Punto-simetría (3D), línea de simetría (2D) y la simetría-planar (ID). Punto-simetría, también conocido como geometría esférica o no confinada, tiene el menor grado de confinamiento de la llama. La llama es libre de expandir esféricamente de una fuente de ignición puntual. La superficie total de llama aumenta con el cuadrado de la distancia desde la fuente puntual de ignición. El campo de flujo inducido por llama puede decaer libremente en tres direcciones. Por lo tanto, las velocidades de flujo son bajas y los disturbios de campo de flujo por obstáculos son pequeños. Línea-simetría, es decir, una llama cilíndrica entre dos placas, el área total de superficie de llama es proporcional a la distancia desde el punto de ignición. Por consiguiente, la deformación de la superficie de llama tendrá un efecto más fuerte que en el caso de punto-simetría. Simetría-plana, es decir, una flama plana en un tubo, el área de superficie de llama proyectada es constante. Hay apenas decaimiento de campo de flujo, y la deformación de llama tiene un efecto muy fuerte en la aceleración de la llama. La densidad de obstáculo se clasifica como baja, media y alta, como se muestra en la figura 2.12, en función de la proporción de la obstrucción y el espaciamiento. La relación de obstrucción se define como el cociente entre el área bloqueada por obstáculos al área total de la sección transversal. El espaciamiento se define como la distancia entre los sucesivos obstáculos o filas de obstáculo.
50
Una baja densidad asume pocos obstáculos en la ruta de acceso de la llama, o los obstáculos están ampliamente espaciados (proporción de obstrucción menos de 10%), y sólo hay una o dos capas de obstáculos. La densidad media cae en una proporción de obstrucción de entre 10% y 40%, de dos a tres capas de obstáculos. Una densidad de obstáculo alta se produce cuando hay tres o más capas espaciadas bastante cerca de obstáculos con una proporción de obstrucción de 40% o más por capa. Puede ocurrir en una unidad de proceso en la cual hay muchos miembros estructurales espaciados muy cercanamente, tubería, válvulas y otros generadores de turbulencia. También se deben considerar de alta densidad los racks de tubería en los cuales hay múltiples capas de tuberías espaciadas cercanamente Confinamiento:
Bajo
Medio
Alto
Figura 2.12 Consideraciones de confinamiento para el modelo de explosion de nube de vapor de Baker-Strehlow (Baker, 1996).
Una vez que se determina la velocidad de la flama, se calcula la distancia Sachs-escalada "D" mediante:
D
RR E P0
1
3
Conocido el valor de la distancia escalada "D", se obtienen los valores escalados de sobrepresión "P E"e impulso "ip", utilizando las gráficas B4 Y B5 del apéndice B. Conocido "PE " se calcula la sobrepresión real "PA" mediante:
PA PE P0 Finalmente se calcula el impulso "I" usando "ip" con la siguiente ecuación: 1
I ip P0 3 E 3 2
2.4.3. Flamazos (Flash fires) Un flamazo es la combustión no explosiva de una nube de vapor resultante de una liberación de material inflamable en el aire libre. Los experimentos han mostrado que las nubes de vapor solo explotan en áreas donde se desarrolla la combustión turbulenta intensamente y sólo si se cumplen ciertas condiciones. Los riesgos mayores de flamazos son la radiación térmica y contacto con la llama directa.
51
La combustión súbita de una nube de vapor normalmente dura no más que unas pocas décimas de segundo. Por lo tanto, la radiación total recibida por un objeto cerca de un flamazo es sustancialmente menor que en el caso de un charco de fuego.
2.4.4 Explosiones físicas Una explosión física se refiere a la ruptura catastrófica de un tanque llenado con un gas presurizado. La energía almacenada es liberada, y puede producir una onda de choque y acelerar los fragmentos del tanque (proyectiles). Si el contenido es flamable es posible que la ignición del gas liberado pueda resultar en efectos de consecuencia adicional; la ruptura puede ocurrir por las siguientes razones: a) La falla ocurre en o cerca de la presión de funcionamiento del tanque a.1) Reducción de espesor del tanque debido a
Corrosión Erosión Ataque químico
a.2) La reducción en la fuerza del tanque debido a Sobrecalentamiento Defectos en el material con el posterior desarrollo de fractura Ataque químico, por ejemplo, (stress corrosión cracking, picaduras, fragilización) Fatiga inducida por debilitamiento del tanque b) La falla puede ocurrir a presión elevada b.1) La falla de regulación de la presión y equipos de alivio de presión (sobrepresurización física) b.2) Reacción Interna descontrolada. Los efectos son más similares a una detonación que una explosión de nube de vapor (VCE). La amplitud de una onda de choque depende de la fase del contenido del tanque originalmente presente. Hay una cantidad máxima de energía en el incendio de un tanque que puede ser liberada. Esta energía es asignada a lo siguiente: • Estiramiento y ruptura del tanque • Energía cinética de fragmentos • Energía en la onda de choque • "Residuos" de energía (calefacción del aire de los alrededores) Hay varias expresiones pueden ser desarrolladas para calcular la energía liberada cuando un gas que tiene inicialmente un volumen, V, se expande en respuesta a un decremento en la presión de una presión, P1, a la presión atmosférica, P0. Se determina la energía requerida para elevar la presión del gas a su volumen constante de una presión atmosférica, P0, a una presión de ruptura P1,
E
P1 P0 V 1
2.36
52
Donde E es la energía de explosión (energía), V es el volumen del tanque (volumen), y es la relación de capacidad calorífica para el gas expandiente (adimensional). La energía disponible representa la energía mecánica máxima que puede ser extraída de un material conforme se mueve en equilibrio con el ambiente.
2.4.5 BLEVE y bolas de fuego Un caso especial de la ruptura catastrófica de un tanque presurizado, es una explosión de vapor expandiente y líquido en ebullición, BLEVE (por sus siglas en inglés Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion) ocurre cuando hay una repentina pérdida de confinamiento de un tanque presurizado que contiene un líquido supercalentado o un gas licuado. Una bola de fuego resulta si el líquido liberado es flamable y es encendido. Una BLEVE es una liberación repentina de una gran cantidad de masa de líquido presurizado supercalentado a la atmosfera. La causa primaria es usualmente una flama externa incidiendo en la coraza de un tanque sobre el nivel del líquido, debilitando el contenedor y conduciendo a una repentina ruptura de la coraza. Una válvula de relevo no protege contra este tipo de falla, ya que la falla en la coraza probablemente ocurre a una presión debajo del “set-point” de presión del sistema de relevo. Debe notarse, sin embargo, que una BLEVE, puede ocurrir debido a cualquier mecanismo que resulte en una falla repentina del contenedor, incluyendo impacto por un objeto, corrosión, defectos de manufactura, sobrecalentamiento interno, etc. La falla repentina del contenedor permite al líquido supercalentado una vaporización súbita, debido a la despresurización del tanque, incrementado su volumen más de 200 veces. Esto es suficiente para generar una onda de presión y fragmentos. Si el líquido liberado es flamable, puede resultar una bola de fuego. Seguido por una elevación más lenta en la bola de fuego debido a la boyancia de los gases calentados. Algunas BLEVEs de grandes cantidades de líquidos no flamables (tal como CO 2) puede resultar en liberaciones de energía de toneladas de TNT equivalente. Para toda BLEVE se debe determinar la presión y los fragmentos, además para un material flamable debe ser considerada la intensidad térmica de bolas de fuego. Esto requiere que se determinen el diámetro de la bola de fuego y duración. Para que se origine una BLEVE tienen que ocurrir las condiciones siguientes interdependientes entre si: 1) Material liquido sobrecalentado. Cuando la temperatura es superior a la que correspondería si se hallará en equilibrio con su presión de vapor. Esta situación de inestabilidad se preseta bajo una exposición del recipiente a un incendio en un recipiente sobrellenado. No toda temperatura de sobrecalentamiento permite la formación de BLEVE. Debe superarse una temperatura límite. En caso de fisura de un deposito, incluso pequeña, y producirse un descenso de la presión para igualarse a la atmosférica, el gas licuado estará entonces sobrecalentado. 2) Bajada súbita de la presión (isoentrópica) en el interior del recipiente. Tal descenso de presión puede ser debido a causas tales como: desprendimiento del disco de ruptura, perdida de resistencia del recipiente en un incendio con la consiguiente ruptura del mismo, perforación del recipiente por impacto, rotura por sobrellenado, corrosión e incluso disparo de válvulas de seguridad mal diseñadas. A mayor caída de presión, mayores son los efectos de la BLEVE en caso de producirse. El tamaño de la abertura inicial del depósito es determinante en la rapidez del descenso de presión y en la zona afectada por la nucleación. En determinadas condiciones de presión y temperatura, un liquido sobrecalentado que se ha expuesto a un descenso súbito de presión, puede evaporarse de forma violenta al cambiar de estado masivamente por un proceso de formación espontanea y generalizada de burbujas de vapor (nucleación).
53
2.4.5.1 Ecuaciones empíricas para Diámetro de BLEVE-Bola de fuego, Duración y Altura. Para caracteriza la bola de fuego se usan correlaciones empiricas que describen la relación del diámetro de la BLEVE con la duración y la masa: •
Diámetro máximo de bola de fuego (m): D max=5.8M
•
Duración de combustión de la bola de fuego (s):
1/3
1/3
tBLEVE = 0.45M para M < 30,000 Kg 1/3 tBLEVE = 0.45M para M > 30,000 Kg •
Altura al centro de la bola de fuego (m): HBLEVE = 0.75Dmax
•
Diámetro del hemisferio inicial a nivel de suelo (m): D inicial = 1.3Dmax
Donde M es la masa inicial del líquido flamable en (Kg). Las formulas particulares para el diámetro y duración de la bola de fuego no incluyen el volumen de oxigeno para combustión. Esto, por supuesto, varía y debe afectar el tamaño de la bola de fuego. El diámetro inicial es usado para describir la bola de fuego inicial a nivel de suelo antes de que las fuerzas boyantes la eleven. Los fenómenos principales generados de una BLEVE son la radiación térmica y la proyección de fragmentos del depósito o piezas adyacentes. 2.4.5.2 Radiación Cuatro parámetros usados para determinar el peligro por radiación térmica de una bola de fuego son, la masa de combustible involucrada, el diámetro, duración, y poder emisivo térmico de la bola de fuego. Los peligros de radiación son entonces calculados usando relaciones empíricas. La radiación de una bola de fuego de una BLEVE es que dependerá de la distribución de la temperatura de la flama, la composición de los gases en los alrededores de la bola de fuego, la geometría de la bola de fuego, absorción de la radicación por la misma bola de fuego, y la relación de la geometría del receptor con respecto a la bola de fuego. Todos estos parámetros son en general difíciles de cuantificar. La ecuación para el flux de radiación recibido por un receptor, Er, a una distancia L, esta dado por:
Er
2.2 a RH c M 2 4X c2
3
2.37
Donde Er es el flux de radiación recibido por un receptor (W/m2) a es la transmisividad atmosférica (adimensional) R es la fracción radiante de calor de combustión (adimensional) Valores sugeridos para R: 0.3 para bolas de fuego del estallido de tanques por debajo de la presión de relevo 0.4 para bolas de fuego del estallido a o por arriba de la presión de relevo. Hc es el calor neto de combustión por unidad de masa (J/Kg) M es la masa inicial de combustible en la bola de fuego (Kg) Xc es la distancia del centro de la bola de fuego al receptor (m)
54
La radiación térmica es absorbida y dispersada por la atmosfera. Esto causa una reducción en la radiación recibida en una localización determinada. Algunos modelos de radiación térmica ignoran este efecto, asumiendo un valor de a=1 para la transmisividad. Para trayectorias largas (arriba de 20 m), donde la absorción puede ser de 20-40%, esto resultara en un sobreestimado sustancial para la radiación recibida. 2.4.5.3 Fragmentos Cuando detona un alto explosivo, resultan un gran número de pequeños fragmentos con alta velocidad, En contraste, una BLEVE produce solo unos pocos fragmentos variando en tamaño (pequeños a grandes), forma (gruesos o forma de disco) y velocidad iniciales. Los fragmentos pueden viajar largas distancias. Para fragmentos “cortos y gruesos”, el coeficiente de elevación es cero y la relación de ascenso y arrastre también es cero. Las placas delgadas (finas), tienen una relación ascenso y arrastre grande. Las ecuaciones para predecir los efectos de proyectiles, consideran la fractura de los tanques esféricos y cilíndricos en 2, 10 y 100 fragmentos. Para BLEVEs, solo hay de 2 o 3 fragmentos (10 máximo) ya que usualmente no desarrollan las altas presiones que dan lugar a mayor fragmentación, el ablandamiento del metal por exposición al calor y debilitamiento de la pared del tanque da lugar a menos fragmentos. La predicción de los efectos de fragmentos es importante, ya que muchas muertes y daños por efecto dómino son atribuidos a los fragmentos. Los fragmentos usualmente no son distribuidos regularmente. La dirección axial del tanque recibe más fragmentos que las direcciones laterales. Aproximadamente 80% de los fragmentos cae dentro de un rango de 300 m (1000 ft). BLEVEs de tanques pequeños de LPG tiene una historia de mayores distancias de fragmentos; En el incidente BLEVE de LPG en la ciudad de Mexico viajo 1000 m (3300 ft). La primera parte de los cálculos involucra la estimación de una velocidad inicial. Un determinado fragmento tendrá una velocidad media de:
U0
2 Ef Mr
2.38
Donde: U0 es la velocidad media de un fragmento (m/s) Ef es la energía disponible para la proyección del fragmento (J) Mr es la masa del recipiente (Kg) Una vez que los fragmentos son acelerados volaran a través del aire hasta que impacten otro objeto o den en el suelo. La segunda parte del cálculo involucra una estimación de la distancia que un proyectil puede viajar. Finalmente para BLEVEs el número total de fragmentos es aproximadamente una función del tamaño del tanque. 3 Numero de fragmentos = -3.77 + 0.0096*[Capacidad del tanque (m )] 3 Rango de Validez: 700-2500 m Es muy difícil predecir el número de proyectiles y a donde serán propulsados. Estos métodos son más aptos para investigación de accidentes, donde el número, tamaño y localización de los fragmentos es conocida. En general, los tanques de gas presurizado no tienen suficiente energía de almacenamiento para representar una amenaza de ondas de choque más allá de los límites de la planta.
2.4.6 EXPLOSIONES CONFINADAS Las explosiones confinadas incluyen deflagraciones u otras fuentes de reacción química rápida las cuales son restringidas dentro de tanques y edificios. Las explosiones de vapor y explosiones de polvo (deflagración) dentro de tanques de baja
55
fuerza y edificios son una categoría mayor de explosiones confinadas. Otras explosiones confinadas son las generadas por reacciones de combustión, descomposición térmica, o reacciones fuera de control dentro de tanques de proceso. En general, una deflagración que ocurre dentro de un edificio o estructura de baja fuerza tal como un silo es menos probable que impacte la comunidad de los alrededores y es más un tratamiento en planta porque es relativamente pequeño en cantidades de combustible y energía involucrada. Las principales amenazas de explosiones confinadas ondas de choque y proyectiles. Los cálculos implican la determinación del pico de presión, el cuales suficiente para causar falla del tanque. La explosión de una mezcla flamable en un tanque de proceso o tubería puede ser una deflagración o detonación. Ejemplos bien conocidos de mezclas aire-gas los cuales pueden detonar son hidrogeno, acetileno, etileno y oxido de etileno. El fenómeno de acumulación de presión es un peligro potencial importante en un sistema con espacios interconectados. La presión desarrollada por una explosión en un espacio A puede causar incremento de presión/temperatura en el espacio conectado B, este realce en la presión es ahora el punto de inicio para mas incrementos en presión de explosión.
2.4.7 CHARCOS DE FUEGO Los charcos de son de interés al establecer el potencial para efecto domino y zonas de seguridad de los empleados. Los efectos primarios tal como fuegos son debidos a radiación térmica de la fuente flamable. El espaciamiento entre tanques y entre plantas, aislamiento térmico, especificaciones de paredes para fuego, etc., pueden ser direccionales en la base de análisis específicos de consecuencias para un rango de posibles escenarios de incendio de charcos. Un charco de fuego comienza frecuentemente con la liberación de un material flamable de equipo de proceso. Si el material es líquido, almacenado a una temperatura debajo de su punto normal de ebullición, el líquido formara un charco. La geometría del charco es dictada por los alrededores (p.ej. dique), pero un charco sin restricciones en un área abierta, y plana es posible, particularmente si la cantidad de liquido derramado es inadecuada para llenar completamente el área del dique. Si el liquido es almacenado bajo presión sobre su punto normal de ebullición, entonces una fracción de liquido se vaporizara súbitamente a vapor, y una fracción permanecerá liquida para formar un charco en las cercanías de la liberación. Una vez que se ha formado un charco liquido, se requiere de una fuente de ignición. La ignición puede ocurrir vía la nube de vapor pues la flama puede viajar en contra del viento a traves del vapor para encender el charco líquido. Para líquidos almacenados debajo de su punto normal en ebullición sin vaporización súbita, la ignición puede ocurrir vía el vapor flamable de la evaporación de líquido. Ambos casos pueden resultar en un fuego instantáneo inicial debido al incendio de los vapores, esto puede causar peligro térmico inicial. En los incendios de charco el peligro se debe principalmente a:
Los efectos térmicos, vía transferencia de calor radiante de la flama resultante. Los efectos de los posibles gases tóxicos generados en la combustión.
Si la liberación de material flamable del equipo de proceso continúa, entonces es probable que ocurra también un dardo de fuego. Si la ignición ocurre muy cercana al inicio de la liberación, entonces el tiempo disponible es inadecuado para que el líquido forme un charco y solo resultara un dardo de fuego. 2.4.6.1 Velocidad de incendio La transferencia de calor radiante y la velocidad de incendio resultante se incrementan con el diámetro del charco. Para diámetros de charco mayores de 1m, domina la transferencia de calor radiado y el factor de visión geométrico de la flama es constante.
56
La velocidad de combustión de la masa es determinada multiplicando la velocidad de incendio vertical por la densidad del líquido. Si la densidad no está disponible, la velocidad de quemado de la masa del charco es estimada mediante:
mB 1x10 3
H c H *
2.39
Donde Hc es el calor total de combustión (energía/masa), y H* es el Calor de vaporización modificado al punto de 2 ebullición el liquido y mB es la velocidad de incendio del charco (Kg/m s) Aplica para fuegos de charcos líquidos en tierra. Para fuego en charcos en agua, las ecuaciones son aplicables si el incendio del líquido tiene un punto normal de ebullición muy por encima de la temperatura ambiente. Para líquidos con puntos de ebullición debajo de la temperatura ambiente, la transferencia de calor entre el líquido y el agua resultará en una velocidad de incendio casi tres veces la velocidad de incendio en tierra. 2.4.6.2 Tamaño de charco En la mayoría de los casos, el tamaño de charco es fijado por el tamaño de la liberación y por barreras físicas locales (tal como: diques, áreas de drenaje inclinadas). Para una fuga continua, en una superficie plana, infinita el máximo diámetro es:
VL 2.40 y Donde Dmax es el diámetro en equilibrio del charco (longitud), VL es el flujo volumétrico de liquido derramado (volumen / Dmax 2
tiempo), y
y es la velocidad de quemado del liquido (longitud/tiempo).
La ecuación considera que la velocidad de combustión es constante y que la transferencia de calor dominante es de la flama. Se considera que el charco es circular; si los diques dan lugar a formas cuadradas o rectangulares, se debe usar un diámetro equivalente. 2.4.6.3 Altura de la flama Muchas observaciones de incendios de charco muestran que hay una relación aproximada entre la altura y el diámetro de la flama. La correlación mejor conocida para esta relación es dada por Thomas (1963) para charcos de fuego circulares.
mB H 42 gD D a
0.61
2.41
Donde H es la altura visible de la flama (m) D es el diámetro equivalente del charco (m) 2 mB es la velocidad de quemado de la masa (Kg/m s) 3 a es la densidad del aire (1.2 Kg/m a 20ºC y 1 atm) 2 G es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s ) 2.4.6.4 Inclinación y arrastre de la flama Los charcos de fuego son a veces inclinados por el viento, y bajo vientos fuertes, la base de un charco puede ser arrastrada en la dirección del viento. Estos efectos alteran la radiación recibida en los alrededores. El documento de AGA (American Gas Association) propuso las siguientes correlaciones para la inclinación de la flama:
57
cos 1 para u* 1 1 cos para u* 1 u*
2.42 2.43
Donde es el ángulo de inclinación de la flama (grados o radianes) y u* es la velocidad del viento no dimensional dada por: * u10
uw
gmB D / v 1
3
2.44
Donde uw es la medida de la velocidad del viento a la altura de 1.6 m de altura (m/s) y v es la densidad del vapor al 3 punto de ebullición del liquido (Kg/m ). 2.4.6.4 Poder superficial emitido El poder superficial emitido (SEP, por sus siglas en ingles Surface Emitted Power) o flux de calor radiado. El efecto obscurecedor del humo reduce sustancialmente la radiación total emitida integrada sobre la superficie flamable total. El modelo de fuente puntual estima el SEP por unidad de área usando el método de fracción de radiación como sigue:
SEP
PCT FR ASF
2.45
Donde PCT Poder emisivo superficial FR Fracción de radiación ASF Área de superficie de la flama 2.4.6.5 Factor de visión geométrico El factor de visión de fuente puntual provee un estimado de flujo recibido a cierta distancia lejos de la flama. El factor de visión depende del modelo empleado, para el de fuente puntual es dado por:
Fp
1 4x 2
2.46
-2
Donde Fp es el factor de vista de fuente puntual (longitud ) y x es la distancia de la fuente puntual al objetivo (longitud). Esta ecuación considera que toda la radiación surge de un punto y es recibida por un objeto perpendicular a este. 2.4.6.6 Flujo térmico recibido El cálculo del flux térmico recibido depende del modelo de radiación seleccionado. Si se selecciona el modelo de fuente puntual, entonces el flujo térmico recibido es determinado de la velocidad total de energía del proceso de combustión:
Er a Qr Fp amB H c AFp Donde Er es el flux térmico recibido por el objetivo (energía/área) a es la transmisividad atmosférica (adimensional) (Ver ecuación 2.45)
2.47
58
Qr es la velocidad de energía total de la combustión (energía/tiempo) Fp es el factor de visión de fuente puntual es la fracción de la energía de combustión radiada, típicamente de 0.15 a 0.35 (Ver tabla A7) mB es la velocidad de quemado de la masa (masa/área-tiempo) Hc es el calor de combustión del líquido incendiado (energía/masa). 2 A es el área total del charco (longitud )
Si se selecciona el modelo de radiación sólida en pluma, el flujo recibido está basado en correlaciones del flujo superficial emitido dado por la siguiente ecuación:
Er a * Eav * F21
2.48a
2
Donde Eav es el poder emisivo promedio (kW/m ) y F21 es el factor de visión, para este modelo es proporcionado por la figura B6 del apéndice A, para flama sin inclinación y se requiere una estimación de la altura de la llama al diámetro. Para flamas con inclinación el factor de visión es proporcionado por la figura B7 del apéndice B y se requiere una estimación de la inclinación de la flama. Ambas figuras proporcionan los factores de la visión para un receptor a nivel del suelo de una radiación proveniente de un cilindro circular sin inclinación.
2.4.7 Dardos de fuego (Jet fires). Los dardos de fuego resultan de la combustión de un material al inicio de su liberación de una unidad de proceso presurizada. La aplicación más común de los modelos de dardo de fuego es la especificación de zonas de exclusión alrededor de los fuegos. El método API (1996) es aplicado a dardos de fuego ocasionados por liberaciones accidentales de gases de boquillas con flamas verticales, lo cual no sucede siempre para liberaciones accidentales. Para las aproximaciones del modelo, se considerara que el orificio de liberación puede ser aproximadamente una boquilla. La suposición de una flama vertical provee un resultado conservador, ya que la flama vertical proveerá el mayor flujo radiante de calor a cualquier punto receptor. 2.4.7.1 Cálculo de la altura de la flama Si se define el punto de inicio del dardo como el punto en el fondo de la flama, sobre la boquilla, donde comienza la flama turbulenta, entonces la altura de la flama es dada para dardos de gas turbulentos por:
L 5.3 T f T j d j CT T
Ma CT 11 CT Mf
2.48
Donde L es la longitud de la flama turbulenta visible medida del punto de inicio (m) Dj es el diámetro del jet, que es, el diámetro físico de la boquilla (m) CT es la concentración en fracción mol de combustible en la mezcla estequiométrica combustible-aire (adimensional). TF, Tj son la temperatura adiabática de la flama y la temperatura del dardo fluido, respectivamente (K) T son los moles de reactante por mol de producto para una mezcla estequiométrica combustible-aire (adimensional).
59
Ma es el peso molecular del aire (masa/mol) Mf es el peso molecular del combustible (masa/mol) Para la mayoría de los combustibles, CT mucho menor que 1, T es aproximadamente 1, y la relación Tf/Tj varía entre 7 y 9. 2.4.7.2 Flujo radiante El flujo radiante al receptor es determinado mediante:
E r a m H c F p 2.2.65
2.49
Donde m es el flujo másico de combustible, Fpelfactor de visión el cual se considera que depende de la distancia a la que se recibe la radiación y se obtiene con la ecuación 2.60, y ala transmisividad atmosférica, estimada previamente citada. puede ser estimado mediante la tabla A7 del apéndice A. Las dimensiones de la antorcha, la cual se considera cónica, son dadas por:
L 9.1m 0.5 W 0.25L rs ,50 1.9t 0.4 m 0.47
2.50 2.51 2.52
Donde L es la longitud de la antorcha (m) W es el tipo de flama a la mitad del ancho de una flama conica de un chorro (m) m es la velocidad de liberación de combustible sujeto a 1
W (m) t es el tiempo de exposición, sujeto a 10
2.5 Modelos de efectos Una vez conocidos los efectos del accidente (radiación, onda de presión, etc.), el fin es evaluar los efectos en los seres humanos, las consecuencias pueden expresarse como muertes o lesiones. Si la propiedad física, tales como las estructuras y edificios, es el objeto, las consecuencias pueden ser las pérdidas monetarias. Los efectos ambientales pueden ser mucho más complejos y podrían incluir impactos sobre la vida animal o vegetal, la contaminación del suelo, daños a los recursos naturales y otros impactos. Muchos estudios CPQRA consideran varios tipos de resultados de incidentes simultáneamente (por ejemplo, daños a la propiedad y exposición a las sustancias inflamables y/o tóxicas). Para estimar el riesgo, una unidad común de medida de las consecuencias debe usarse para cada tipo de efectos (por ejemplo, muerte, lesión o pérdida monetaria). La dificultad en la comparación de tipos diferentes de lesión ha conducido a la utilización de víctimas mortales como el criterio dominante para la radiación térmica, sobrepresión de explosión y exposiciones toxicas. Las consecuencias sobre la población pueden tener características diversas; una posible clasificación es la siguiente: 1)
Radiación térmica: quemaduras de diversa gravedad, muerte por quemaduras.
2) Onda de choque:
60
a)
Daños directos:
Rotura de tímpano Aplastamiento de la caja torácica
b) Daños indirectos:
Por desplazamiento del cuerpo Por impacto contra el cuerpo de fragmentos Por heridas ocasionadas por astillas de vidrio
3) Productos tóxicos: intoxicación más o menos grave, muerte por intoxicación. Las consecuencias no pueden adoptar la forma de funciones discretas pero puede ajustarse a las funciones de distribución de probabilidad. Un método estadístico de evaluar una consecuencia es el método de dosis-respuesta. Esto es acoplado con una ecuación probit para linealizar la respuesta. El método probit (unidad de probabilidad) refleja una relación generalizada dependiente del tiempo para cualquier variable que tiene un resultado probabilístico que puede ser definido por una distribución normal.
2.5.1 Funciones de dosis-respuesta. La correspondencia entre la cantidad de tóxico y la magnitud del efecto es lo que se conoce como la relación dosis-efecto o dosis-respuesta. Lo que se denomina efecto o respuesta tóxica es un cambio orgánico permanente que debe de poder ser medido en el componente bajo estudio y tener un valor de cero cuando la dosis es cero. La magnitud y tipo de los efectos adversos producidos dependen de la duración de la exposición. La frecuencia de administración. La mayoría de consideraciones toxicológicas se basan en la función de dosis respuesta (respuesta a la dosis). Se administra una dosis fija a un grupo de organismos de prueba y, dependiendo del resultado, la dosis o se incrementa hasta que un efecto notable es obtenido o disminuido hasta que no se obtenga ningún efecto. Los seres humanos experimentan una amplia gama de efectos agudos adversos para la salud, incluyendo irritación, narcosis, asfixia, sensibilización, ceguera, daño del sistema de órganos y la muerte. Además, la gravedad de muchos de estos efectos varía con la intensidad y la duración de la exposición. Por ejemplo, la exposición a una sustancia con una intensidad que es suficiente para causar irritación de la garganta leve sólo es de menos preocupación que uno que causa irritación severa de ojos, lagrimeo o mareos, puesto que los efectos de este últimos hacen probable impedir el escape de la zona de contaminación. Existe un alto grado de variación en respuesta entre los individuos en una población típica. Factores como la edad, la salud y el grado de esfuerzo afectan la respuesta tóxica. Por lo general, las poblaciones sensibles incluyen los ancianos, los niños y las personas con enfermedades que comprometen el sistema respiratorio o cardiovascular. Como resultado de la variabilidad de la respuesta de los organismos vivos, se espera una amplia gama de respuestas para una exposición fija. Algunos de los organismos mostrarán un alto nivel de respuesta, mientras que algunos muestran un bajo nivel. Una representación típica de los resultados se muestra en la figura de 2,85. Los resultados se modelan con frecuencia como una curva gaussiana. La forma de la curva está definida totalmente por la respuesta media, µ y una desviación estándar, σ. El área bajo la curva representa el porcentaje de los organismos afectados para un intervalo de respuesta especificado. Toda el área bajo la curva tiene una superficie de 1, que representa el 100% de los individuos.
61
Figura 2.13 Curva tipica de “Campana de Gauss” El experimento se repite para un número de diferentes dosis y curvas gaussianas se dibujan para cada dosis. La respuesta media y desviación estándar se determina para cada dosis. Una curva completa de dosis-respuesta se obtiene al graficar la respuesta media acumulativa para cada dosis. Este resultado se muestra en la figura de 2.14a. Por conveniencia, la respuesta se traza versus el logaritmo de la dosis, como se muestra en la figura de 2.14b. Esta forma típicamente provee una línea mucho mas recta en el centro del rango de dosis. La forma logarítmica surge del hecho de que en la mayoría de los organismos algunos individuos que pueden tolerar altos niveles de la variable causal, y contrariamente, un número de individuos que son sensibles a la variable causal.
2.5.2 Funciones probit. Si se obtiene una respuesta de una magnitud definida para cada dosis, dentro de un rango de dosis, se dice que la respuesta es "gradual". Es decir que a diferentes dosis, se observan los efectos, que varían en forma continua y tienen un valor único para cada dosis. Para exposiciones únicas, el método probit (unidad de probabilidad) es un método de transformación para convertir la curva dosis-respuesta en una línea recta. La variable probit Y está relacionado con la probabilidad P por:
P
Y 5
u2 exp 2 du 2 1
2.53
Donde P es la probabilidad o porcentaje, Y es la variable probit, y u es una variable de integración. La variable probit está normalmente distribuida y tiene un valor medio de 5 y una desviación estándar de 1.
62
b)
a)
Figura 2.14. a) Curva tipica de dosis-respuesta b) curva tipica de respuesta versus (log)dosis
Para los cálculos en hoja de cálculo, una expresión más útil para realizar la conversión de probits al porcentaje está dada por:
Y 5 Y 5 P 501 erf Y 5 2
2.54
Donde “erf”' es la función error. La Tabla A9 y figura 2.15 también muestran la conversión de probits a porcentajes.
Figura 2.15 Relacion entre probit y porcentaje
Las ecuaciones Probit para la variable probit, Y se basan en una variable causal, V (representando a la dosis) y por lo menos dos constantes. Estas ecuaciones son de la forma:
63
Y k1 k 2 ln V
2.55
Donde k1 y k2 son constantes. Las ecuaciones Probit de este tipo se derivan como líneas de mejor ajuste a datos experimentales (porcentaje de muertes frente a la concentración y duración) utilizando gráficos de probabilidades logarítmicas. Hay ecuaciones probit disponibles para una variedad de exposiciones, incluyendo las exposiciones a materiales tóxicos, calor, presión, radiación, impacto y sonido, por nombrar algunos. Para las exposiciones tóxicas, la variable causal se basa en la concentración; para las explosiones, la variable causal se basa en la sobrepresión o impulso explosivo, dependiendo del tipo de lesiones o daños. Para exposición al fuego, la variable causal se basa en la duración y la intensidad de la exposición radiante. Ecuaciones probit pueden aplicarse también para estimar daños estructurales, rotura de vidrio y otros tipos de daños.
2.5.3 Efectos de gases tóxicos La toxicidad es "la capacidad de una sustancia para producir un efecto no deseado cuando el químico ha alcanzado una concentración suficiente en un determinado sitio en el cuerpo". Los modelos de efectos tóxicos se emplean para evaluar las consecuencias para la salud humana como consecuencia de la exposición a una concentración conocida de gas tóxico por un período conocido de tiempo. La mitigación de estas consecuencias es por acción evasiva o de refugio. Para CPQRA, los efectos tóxicos son debidos a las exposiciones de corta duración, las exposiciones crónicas no se consideran. Hay sustancias no tóxicas que pueden provocar asfixia debido al desplazamiento de oxígeno disponible. Las concentraciones asfixiantes normalmente están en el rango de 50.000-100.000 ppm (5 a 10 porcentaje en volumen). El objeto de un modelo de efectos tóxicos es determinar si pueden esperarse resultados perjudiciales para la salud tras una liberación y si los datos lo permiten, para estimar la magnitud de la lesión o víctimas mortales que puedan tener como resultado. Algunos de los criterios de toxicología más comúnmente disponibles, especialmente para el desarrollo de planes de respuesta de emergencia, se describen a continuación: Guías de Planes de Respuesta a Emergencia, ERPG (Emergency Response Planning Guideline) Los valores ERPG proporcionan una estimación de los rangos de concentración para los que es razonable anticipar los efectos adversos, tal y como se describen éstos en las definciones de ERPG-1, ERPG-2 y ERPG-3, que se producen a causa de la exposición a una determinada sustancia. ERPG-1.-Es la máxima concentración en el aire a la cual casi todos los individuos pueden estar expuestos por arriba de 1 hora sin experimentar ningún síntoma y sin percibir claramente el olor. ERPG-2.-Es la máxima concentración en el aire a la cual casi todos los individuos pueden estar expuestos por arriba de 1 hora sin sufrir o desarrollar efectos irreversibles a la salud o síntomas que pudieran debilitar sus habilidades para tomar una acción protectora. ERPG-3.-Es la máxima concentración en el aire a la cual casi todos los individuos pueden ser expuestos por arriba de 1 hora, experimentando o desarrollando efectos amenazadores a su vida
64
Niveles Guia de Exposicion en Emergencias, EEGL (Emergency Exposure Guidance Levels) Límite de exposición tolerable durante 1-24 h. Se han desarrollado para instalaciones militares por que está dirigido al personal militar, joven y saludable. Permite planificar situaciones de emergencia como vertidos, incendios u otros accidentes. Peligro inmediato para la vida y la salud, IDLH (Inmediately Dangerous to Life and Healt), Concentración máxima arriba de la cual sólo podría permitirse la exposición a ella con un equipo de respiración altamente confiable que provea la máxima seguridad a un trabajador. La concentración se define con un tiempo de exposición de 30 minutos. Las concentraciones de IDLH se miden en PPM (partes por millón). Entre más bajo es el nivel, más tóxica es la sustancia química Valor Umbral Límite, TLV (Threshold Limit Values) Límite permisible de concentración en el cual se asume que una exposición a una sustancia tóxica que no lo exceda producirá un daño pequeño para la mayoría de los individuos. Valor límite umbral - Límite de exposición a corto plazo, TLV – STEL (Threshold Limit Value - Short term exposure limit) Es la concentración a la cual pueden estar expuestos durante un periodo breve (normalmente, 15 minutos) los trabajadores sin sufrir irritación, daños hísticos crónicos o irreversibles o un deterioro susceptible de aumentar daños por accidente, perjudicar la capacidad de autoprotección o reducir el rendimiento en el trabajo. Valores diarios de TLV - STEL no deben superarse.
2.5.4 Aplicación de ecuaciones probit El modelo probit, es un método estadístico de ajuste a una curva, se utiliza para desarrollar estimados de exposición a situaciones que involucran emisiones continuas (aproximadamente concentración constante con el tiempo desde una ubicación fija en la dirección del viento) o emisión instantánea (concentración variando con el tiempo en una ubicación en la dirección del viento). Para unas 20 sustancias comúnmente utilizadas, hay alguna información sobre las relaciones de la dosis-respuesta que pueden aplicarse a una función probit para cuantificar el número de víctimas mortales que puedan ocurrir con una exposición determinada. Las relaciones probit para sustancias específicas son extrapoladas de los datos experimentales en animales y, por lo tanto, la incertidumbre rodea estas estimaciones de riesgo cuando se aplican a las poblaciones humanas. Además, si los resultados son extrapolados a menudo más allá del rango de datos experimentales, se presenta un problema difícil para dosis más altas, ya que podrían cambiar los mecanismos de toxicidad. La dosis tóxica se define generalmente en términos de concentración por unidad de tiempo de exposición elevado a una n potencia multiplicada por la duración de la exposición (C t), con n normalmente desde 0,5 hasta 3. La ecuación probit para letalidad toxica tiene la forma:
Y a b ln C n t c Donde Y es el probit A, b, n son constantes (ver apéndice A, tabla A8) C es la concentración en ppm por volumen Tc es el tiempo de exposición en minutos
2.56
65
El método probit es simplemente un enfoque estadístico de ajuste de curvas para manejar los datos experimentales no lineales de las exposiciones. El uso de las medidas establecidas de toxicidad (p. ej., ERPGs, EEGLs, TLV-STELs) suele ser un enfoque más simple que el modelo probit. Sin embargo, cuando la liberación es de duración más larga o más corta que los criterios publicados en duración de tiempo los resultados son más difíciles de interpretar.
2.5.5 Efectos térmicos Para estimar la probable lesión o daños a personas y objetos por radiación térmica de los incidentes resultantes. API 521 proporciona informacion de los efectos de la radiación térmica sobre personas. Los datos sobre el tiempo para el umbral de dolor se resumieron en la tabla de 2.12 Las quemaduras siguen un umbral del dolor "bastante rápido". Los valores de tabla 2.12 pueden ser comparados con la intensidad de la radiación solar en un día claro y caluroso verano de 2 aproximadamente 320 Btu/hrs ft2 (1 kW/m ). Tabla 2.12 Tiempo de exposicion necesario para alcanzar el umbral de dolor (API, 1966a) Tiempo para el Intensidad de radiación umbral de dolor 2 2 Btu/hr/ft kW/m (s) 500 1.74 60 740 2.33 40 920 2.9 30 1500 4.73 16 2200 6.94 9 3000 9.46 6 3700 11.67 4 6300 19.87 2 Basándose en estos datos, API se sugiere criterios térmicos (tabla de 2.13), con exclusión de la radiación solar, para establecer zonas de exclusión o determinar la altura de flama para la exposición de personal. Otros criterios para los daños de la radiación térmica se muestran en la tabla de 2.14. Tabla 2.13 Diseño recomendado para niveles de radiación de quemadores excluyendo la radiación solar (API, 1966a) Niveles de diseño permisible (K) BTU/hr/ft
2
Condiciones 2
kW/m
5000
15.77
3000
9.46
2000
6.31
1500
4.37
500
1.58
Intensidad de calor en estructuras y en áreas donde no se espera que los operadores realicen labores y haya protección contra calor radiante disponible, por ejemplo, detrás de equipo. Valor de K a la emisión de diseño del flare en cualquier locación a la cuál la gente tenga acceso, por ejemplo, en escalera bajo el quemador o en plataforma de servicio de una torre cercana. La Exposición debe limitarse a pocos segundos, suficientes solo para escapar. Intensidad de calor en áreas donde pueden requerirse de emergencia que duren hasta 1 minuto por personal sin protección pero con ropa adecuada. Intensidad de calor en áreas donde puedan requerirse acciones de emergencia que duren varis minutos por personal sin protección pero con ropa adecuada. Valor de K a la emisión de diseño del flare en cualquier locación que el personal esté continuamente expuesto.
66
Tabla 2.14 Efectos de la radiacion termica (World Bank, 1985). Intensidad de Efecto observado (Banco Mundial, 1985) radiación 2 kW/m 37.5 Suficiente para causar daño a equipo de proceso, colapso de estructuras. Energía mínima para encender madera en exposiciones indefinidamente largas (sin piloto). El 25 acero delgado aislado puede perder su integridad mecánica. Energía mínima para encender la madera; fusión de tubería de plástico en cables eléctricos; 100% 12.5 de letalidad. Umbral de dolor alcanzado después de 8 segundos; quemaduras de segundo grado después de 20 9.5 segundos. Suficiente para causar dolor a personal que no se cubra en 20 segundos; es posible la formación 4 de ampollas en la piel (quemaduras de segundo grado); 0% de letalidad. 1.6 No causará incomodidad por exposición prolongada
Un modelo probit para estimar los niveles de mortalidad de una dosis térmica dada de charcos de fuego e incendios súbitos, basado en datos de la explosión nuclear.
tI 4 3 Y 14.9 2.56 ln 4 10
2.57
Donde Y es probit, t es la duración de la exposición (seg), e I es la intensidad de radiación térmica (W/m2).
2.5.6 Efectos de la explosión Los modelos de efectos de explosión predicen el impacto de la sobrepresión de explosión y proyectiles sobre las personas y objetos. La mayoría de modelos de efectos de explosiones se basan en la sobrepresión de explosión por sí sola, o una combinación de sobrepresión de explosión, duración, e impulso específico. Los efectos de la explosión se clasifican según efectos sobre las estructuras y las personas. Las estructuras. Duración de la sobrepresión es importante para determinar los efectos sobre las estructuras. La fase de presión positiva de la onda de la explosión puede durar de 10 a 250 ms, o más, para VCEs típicos. El mismo nivel de sobrepresión puede tener efectos marcadamente diferentes dependiendo de la duración. Este criterio puede causar sobreestimación de daños estructurales. Si la duración de la explosión es más corta que los tiempos de respuesta estructural característico es posible de que la estructura puede sobrevivir a sobrepresiones superiores. Un modelo probit simple para describir los efectos sobre las estructuras.
Y 23.8 2.92 ln P 0
2.58
Donde Y es el probit y P ° es la sobrepresión pico (Pa). El probit, Y, se puede convertir a un porcentaje usando la Ecuación (2.61). El porcentaje aquí representa el porcentaje de las estructuras dañadas. Las personas. La interpretación de estos datos es clara con respecto a los daños estructurales, pero sujeto a debate con respecto a pérdidas humanas. Personas fuera de los edificios o estructuras son susceptibles a: 1. Lesión de explosión directa (sobrepresión de explosión) 2. Lesión de explosión indirecta (misiles o desplazamiento de todo el cuerpo)
67
Ondas de sobrepresión relativamente alta (> 15 psig) son necesarios para producir la letalidad (principalmente debido a la hemorragia pulmonar). Se prevé una probabilidad de víctimas mortales como consecuencia de la hemorragia pulmonar debido al efecto directo de la sobrepresión,
Y 77.1 6.91ln P 0
2.59
Donde Y es el probit y P ° es el pico de sobrepresión de pico (Pa). Se cree generalmente que muertes derivadas de desplazamiento de todo el cuerpo son debidas a la lesión en la cabeza del impacto decelerativo. También existen correlaciones para determinar la velocidad de impacto como una función de la sobrepresión incidente y la relación entre el impulso específico sobre la masa del cuerpo humano a la potencia de 1/3. Lesiones a las personas debido a los fragmentos usualmente ocurre ya sea por la penetración de pequeños fragmentos o un traumatismo por grandes fragmentos.
68
CAPITULO III FUNDAMENTOS BÁSICOS DEL SOFTWARE PHAST PHAST nombrado así por sus siglas en ingles (Process Hazard Analysis Software Tool) es una herramienta de Software para Análisis de peligros de Procesos, de 32-bit que tiene como fin el análisis de consecuencias originadas por emisiones de sustancias químicas. Está disponible en dos formas PHAST Professional y PHAST Micro, el primero cuenta con la totalidad de las funciones a diferencia de la modalidad Micro que tiene funciones limitadas. Los resultados presentados en este trabajo corresponden a los obtenidos en PHAST Professional Versión 6.1. PHAST sigue una serie de etapas para la realización del análisis de consecuencias, en la ventana principal el usuario debe llenar una serie de datos de entrada para obtener los resultados apropiados del análisis de consecuencias, no obstante el proceso intemedio (los cálculos) para obtener los resultados, no pueden ser vistos por el usuario. Así pues la necesidad de presentar en este capítulo una descripción general de los modelos que emplea PHAST, los cuales si se encuentran disponibles en el manual del usuario incluido en el software. Estos modelos incluyen a los modelos de descarga, de dispersión, incendio y explosión, y tóxicos, y se detallan además las propiedades de los materiales, parámetros y datos meteorológicos empleados para predecir los efectos.
3.1 Los materiales. Para poder realizar cualquier Análisis de Consecuencia tanto de forma manual, usando este software o algún otro lo primero es contar con las propiedades de los materiales, así PHAST incluye una lista de 59 sustancias químicas, disponibles para todos los usuarios, y 1500 materiales en la sección de Administrador; Las propiedades de los materiales están divididas en dos categorías, constantes y variables. 3.1.1 Propiedades constantes Estas son cantidades que definen un material dado. PHAST, usa la base de datos de DIPPR®, Instituto de diseño para datos y propiedades físicas (por sus siglas en ingles, Design Institute for Physical Property Data) para describir dichas sustancias. Cuando se agrega un nuevo material se debe dar un valor para cada propiedad Tabla 3.1. Propiedades constantes de los materiales incluidos en PHAST General
Flamable
Tóxico
Temperatura critica
Límite inferior de Flamabilidad
Concentración toxico ERPG 1
Presión critica
Límite superior de Flamabilidad
Concentración toxico ERPG 2
Punto normal de ebullición
Combustión Ct
Concentración toxico ERPG 3
Punto de fusión
Combustión At
IDLH
Peso molecular
Calor de combustión
STEL
Ecuación de estado a usar
Eficiencia de Explosión TNT
Propiedad Toxica N
Indicar si el material es flamable y/o tóxico
Poder superficial emisivo máximo
Propiedad Toxica A
indicar si el material es reactivo con la atmosfera
Velocidad de longitud de incendio de charco velocidad máxima de incendio
Propiedad Toxica B
tipo de flama: Luminosa o humeante
Coeficiente de Respuesta Humana 2
Coeficiente de Respuesta Humana 1 Factor de Debilitamiento 1 Factor de Debilitamiento 2
69
Asociación acida
Relación con el agua
Rango de interpolación de entalpia
Tensión superficial agua-liquido
Coeficientes de Dimero
Solubilidad en agua
Coeficientes de Trimero
Calor de Solución
Coeficientes de Hexámero
Coeficiente de transferencia de calor en agua
Coeficientes de Octámero
Modelo de reacción con agua
3.1.2 Propiedades Variables Estas son derivadas de las propiedades constantes usando el sistema de la propiedad elegida, la principal variable es la temperatura, la presión es requerida también en algunas propiedades. El usuario no introduce ningún valor para las propiedades variables, pero los valores que han sido derivados son accesibles para el usuario en el programa PHAST, seleccionando la opción “point property”. El programa usa las ecuaciones DIPPR para obtener las propiedades variables. Las ecuaciones usadas por el programa son siete, se enlistan en la tabla 3.2. Tabla 3.2. Ecuaciones DIPPR para el cálculo de propiedades variables de las sustancias en función de la temperatura. Numero Ecuación 100 Y = A + BT + C T 2 + D T 3 + E T 4
B Y = exp A+ +C ln T + D T E T B AT Y = C D 1+ + 2 T T B C D E Y = A+ + 3 + 8 + 9 T T T T A Y = [1+(1-T /C)D ] B
101
102
104 105
2
3
106
Y = A( 1- T r )(B+CT r+DT r+ET r )
107
C/T E /T Y = A + B + D sinh C / T cosh E / T
114
Y=
116
Y= A + B τ
2
A2 1 1 1 + B + 2 A C τ A D τ 2 C 2 τ 3 C D τ 4 D2 τ 5 τ 3 2 5 0 .35
2 3
C τ Dτ Eτ
Donde: Y T Tr
= = =
2
Es la propiedad temperatura en K temperatura reducida
4 3
70
A, B, C, D, E
= =
Coeficientes específicos por sustancia y propiedad 1-Tr
Tabla 3.3 Propiedades fundamentales calculadas a partir de las ecuaciones DIPPR. Propiedad Unidades Ecuación 1
CAPACIDAD CALORÍFICA DEL LIQUIDO
kJ/Kg K
100/114
2
CAPACIDAD CALORÍFICA DEL VAPOR
kJ/Kg K
102
3
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL VAPOR
kJ/Kg K
102
4
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL LIQUIDO
kJ/Kg K
100
5
DENSIDAD DE LIQUIDO
kg/m3
105/116
6
PRESIÓN DE VAPOR SATURADO
Pa
7
TENSIÓN SUPERFICIAL
dina/cm
8
VISCOSIDAD DEL LIQUIDO
Pa*s
101
9
VISCOSIDAD DEL VAPOR
Pa*s
102
3
104
10
SEGUNDO COEFICIENTE VIRIAL
101
m /Kmol
100/106
CALOR DE VAPORIZACIÓN El calor latente de vaporización es calculado de la ecuación de Clapeyron-Clausius usando una forma diferenciada de la ecuación DIPPR, para la presión de vapor saturado. La ecuación de Clapeyron-Clausius es:
dPs Hv - Hl = dT T(V v - V l )
3.1
Reordenando esta ecuación se obtiene la siguiente ecuación para el calor de vaporización:
H v = T(V v - V l )
dPs dT
3.2
El volumen molar del líquido se obtiene de la ecuación DIPPR 105 usando los coeficientes adecuados para volumen molar. Finalmente la derivada de la presión de saturación se obtiene de la diferenciación de la ecuación DIPPR de 101, y usando los coeficientes estándar DIPPR para presión de vapor saturado. Entalpia Los cálculos de la entalpia están basados en la entalpia de líquido saturado la cual se deriva de la capacidad calorífica de líquido. La entalpia de vapor saturado es entonces calculada con la adición del calor de vaporización. La entalpia de vapor es entonces encontrado por la proximidad del calor de asociación y asociando esto con la entalpia de vapor saturado. Entalpia de líquido saturado La entalpia de líquido saturado es encontrada a partir de la integral de la capacidad calorífica de líquido, de una temperatura de referencia Tref a una temperatura T: T
H l sat =
C pl dT
3.3
T ref
La integral de la capacidad calorífica de liquido es evaluada por la integración de la ecuación DIPPR 100 ó 114 y usando los coeficientes DIPPR estándar para la capacidad calorífica del líquido.
71
Entalpia de vapor saturado La entalpia de vapor saturado es calculada a partir de la entalpia más el calor latente de vaporización.
H vsat = Hl sat + H v
3.4
Entalpia de Vapor a Presión La entalpia de vapor a una presión es dada por: T
H v = H v sat +
C
pv
dT H asc
3.5
T sat
Sin embargo, no hay expresión disponible para la capacidad calorífica del oligomero de vapor del cual la integral puede ser evaluado, por tanto un enfoque alternativa es necesario. A una presión dada el vapor tiende a ser monomerico como la temperatura se incrementa, la entalpia de vapor a una presión dada de vapor monomerico es igual a la entalpia de liquido saturado mas el calor de vaporización del material asumiendo que todo es monómero mas el calor de asociación y la integral de la capacidad calorífica del monómero de la temperatura de saturación a la temperatura en cuestión. El enfoque adoptado comienza con la entalpia de vapor saturado. La entalpia del vapor a la temperatura donde el vapor es completamente compuesto de monómero, es entonces la entalpia de vapor saturado sumado a la integral de la capacidad calorífica del monómero mas la diferencia entre el calor de vaporización del oligomero de liquido a vapor, y el calor de vaporización de liquido a vapor del monómero. Este último término se deriva de forma similar como el calor de vaporización (ver cuál es la ecuación 14) y se denomina aquí el calor de asociación.
H asc = T(V 1 - V v )
dPs dT
3.6
La integral de la capacidad calorífica del monómero se obtiene de la diferenciación de la ecuación DIPPR 107 y usando los coeficientes estándar DIPPR para capacidad calorífica del vapor. La entalpía del vapor en un momento dado es entonces aproximarse suponiendo un rango de temperatura sobre la cual el vapor pasa de condiciones de saturación de vapor a ser puramente monomérica, Tasc la entalpia del vapor es entonces aproximado por:
T
H v = H v sat + x
C p1 dT H asc
T sat
3.7
Donde:
x = (T - T sat ) / T asc
T sat < T < T sat + T asc
x = 1.0
T > T sat + T asc
Entropía de líquido saturado T sat
Sl sat
=
C pl dT T T ref
Donde la integral es evaluada usando la ecuación DIPPR 100 o 114 según la sustancia.
3.8
72
Entropía de vapor saturado La entropía de vapor saturado es derivada de la entropía de líquido saturado más el calor de vaporización dividido por la temperatura.
Sv sat = Sl sat +
Hv T
3.9
Entropía de Vapor a Presión Esta es derivada en un modo similar a la entropía de vapor saturado, utilizando el cambio de entalpia de la condición de saturación dada arriba (indicar la ecuación, renombrada):
Sv = S v sat
x + T
T
C p1 dT H asc
T sat
3.10
3.1.3 Ecuaciones de estado El programa PHAST incluye cuatro ecuaciones de estado, y se puede seleccionar cualquiera para un material particular en la sección General de las propiedades de entrada de un material. Cuando la aplicabilidad de la ecuación virial es limitada debido a que no funciona bien en la región critica para descargas supercríticas a alta presión, y da pobres resultados en el modelado de una mezcla.na ecuación cubica es preferible. La ecuación de estado es usada por las propiedades del sistema para determinar el valor de las propiedades físicas de un componente puro o de una mezcla. Las propiedades derivadas de las ecuaciones de estado son entalpias, entropías y la densidad del vapor. En el sistema DIPPR, el usuario puede escoger entre cuatro ecuaciones: la ecuación virial, y tres versiones de una ecuación de estado. 3.1.3.1 La ecuación virial La compresibilidad, Z, es una medida de la desviación de la conducta del gas de la idealidad, siendo una relación del volumen actual al volumen asumido como gas ideal. El primer orden de la ecuación virial es usada en el programa, Z, es dado por:
PV Z RT PV B 1 .... RT V
3.11 3.12
Donde Z es la compresibilidad y B es el segundo coeficiente virial. Este puede ser resuelto como una cuadrática para V, una vez que B, P y T son conocidas. B es calculada usando la ecuación 104 DIPPR, con los coeficientes dados en la sección Virial. Si en la ecuación de estado para un gas perfecto, se introduce un coeficiente corrector Z, de la forma:
Z
Volumen del gas a T y p v f p, T Volumen del gas perfecto a T y p v
3.13
73
Z p, T
pv B C 1 B' p C ' p 2 ... 1 2 ... RT v v
3.14
La ecuación, p v = Z R T, recibe el nombre de Ecuación de Estado; para un número n de moles toma la forma: p V = Z n R T. La relación 3.15 Se conoce como factor de compresibilidad, y proporciona una idea de la discrepancia entre un gas perfecto y un gas real.
Z
pv RT
3.15
Para presiones bajas existe para Z un límite general, para cualquier sustancia y temperatura, de la forma: lim p 0
Z 1
3.16
Si se acepta como válido el postulado de la Ley de estados correspondientes, es lógico pensar en la existencia de una correlación general para el factor de compresibilidad Z en términos de Tr y Pr, es decir:
Z Z Tr , pr
3.17
La ecuación del virial se puede expresar en forma de series infinitas.
Z
pv B C D 1 B1 p C ' p 2 D' p 3 ... 1 2 3 ... RT v v v
3.18
En ingeniería resultan prácticas sólo cuando convergen muy rápidamente, por lo que no se requieren más de dos o tres términos para que las series proporcionen valores razonablemente aproximados, lo que es posible en gases y vapores a presiones bajas o moderadas. Los valores del factor de compresibilidad Z calculados por las ecuaciones anteriores a partir de los datos (p, v, T) se expresan en función de la presión, para varias temperaturas constantes, pudiéndose considerar dos tipos de ecuaciones, cuadradas y cúbicas, dependiendo de la presión Ecuaciones cuadradas, p < 15 atm Todas las isotermas se originan en el valor Z = 1, para, p = 0, y son casi líneas rectas a baja presión; la tangente de una isoterma a p = 0, es una buena aproximación de la isoterma para un intervalo de presiones finito. La diferenciación de la ecuación anterior para una temperatura dada, conduce a:
dZ B'2C ' p 3D' p 2 ... dp
3.19
dZ B' Integrando Z B' p Cte 1 0 Cte B' p 1 dp p 0
3.1
Por lo que la ecuación de la tangente: Z = 1 + B' p, coincide con la ecuación que define Z en sus dos primeros términos. Es posible utilizar la relación aproximada:
B'
B B pv RT
3.20
Para expresar el valor de Z en términos del coeficiente B en la forma:
Z
pv B 1 B 1 p RT 2 RT v v v
3.21
74
La ecuación anterior representa satisfactoriamente el comportamiento (p, v, T) para muchos vapores a temperaturas subcríticas y hasta presiones cercanas a 15 atm; a temperaturas mayores son apropiadas para gases dentro de un intervalo de presiones creciente, p < 30 atm, a medida que aumenta la temperatura. Los valores de B, (segundo coeficiente del virial), dependen de la naturaleza del gas y de la temperatura, existiendo valores experimentales para un cierto número de gases. Modelado en la región cercana a la crítica Se asume que cualquier material sobre su temperatura crítica es un gas y cualquier material debajo de la temperatura critica pero sobre a presión crítica es un líquido incompresible. Esto implicaría una discontinuidad del paso de la temperatura por el punto crítico a las presiones supercríticas. Las dos regiones son separadas por un área donde ni las propiedades de gas o líquido trabajan. Este problema surge porque la ecuación usa la derivada de las propiedades físicas. Para usar la ecuación virial de primer orden para gases cuando la no idealidad es más que un pequeño efecto requiere la solución de una cuadrática. Fuera de una región determinada las raíces de la cuadrática se vuelven imaginarias, esta región corresponde al área donde las fuerzas intermoleculares son más importantes y entonces una ecuación de primer orden no es apropiada. En PHAST, en el modelo de descarga la compresibilidad del gas se limita a 0.5 cuando las raíces de la cuadrática se vuelven imaginarias, mientras que este modelo permite seguir adelante, es una solución que se debe evitar en lo posible, y hacer uso de una ecuación cubica en su lugar. Ecuación cúbica. Para presiones comprendidas entre 30 y 50 atm, se puede utilizar la ecuación del virial reducida a sus tres primeros términos, de la forma:
Z
pv B C 1 B C 1 2 p RT ( 2 3 RT v v v v v
3.22
Los valores de B y C dependen de la naturaleza del gas y de la temperatura. Sin embargo, se sabe poco de los terceros coeficientes del virial, por lo que ecuaciones virales con más de tres coeficientes se usan muy raramente, utilizándose otros tipos de ecuaciones como las ecuaciones cubicas de estado. Ecuaciones cubicas de estado Para poder estudiar el comportamiento (p, v, T) de determinados fluidos en un amplio intervalo de temperaturas y presiones, se requiere de una ecuación más extensiva que la ecuación del virial. Esta ecuación debe ser lo suficientemente general como para poder aplicarse tanto a líquidos como a gases y vapores, y no ser tan compleja a la hora de su utilización. Las ecuaciones polinomiales, que son cúbicas respecto al volumen molar, son las más simples y las que mejor representan el comportamiento tanto de líquidos como de vapores. Una forma general de la ecuación de estado es:
P
RT a 2 V b V ubV wb 2
Donde: P T V R
= = = =
Presión Temperatura Volumen Constante de los gases
3.23
75
a, b, u y w son constantes que tienen diferentes valores para cada una de las tres ecuaciones cubicas incluidas en el programa. La ecuación superior puede ser reescrita como una ecuación cubica en Z, la compresibilidad:
Z 3 1 B* uB* Z 2 A* wB*2 uB* uB*2 Z A* B* wB*2 wB*3 0
3.24
Donde:
aP R2 T 2 bP B* RT
A*
3.25 3.26
Cada una de las tres ecuaciones de estado incluida en PHAST usa diferentes valores para las cuatro constantes dadas en los términos de la presión y temperatura crítica (Tc and Pc), la temperatura reducida (Tr, dada por T/Tc), y el factor acéntrico (): Tabla 3.4 Ecuaciones cubicas de estado Ecuación de estado
U
w
B
a
Redlich-Kwong
1
0
0.08664 RTc Pc
0.42748 R 2 TC2.5 Pc T 0.5
Soave-RedlichKwong
Peng-Robinson
Donde :
1
2
0
-1
Tc = Pc = Tr = =
0.08664 RTc Pc
0.07780 RTc Pc
0.42748 R2 TC2 1 f 1 Tr0.5 Pc T 0.5
2
Donde:
f 0.48 1.574 0.176 2
0.42748 R2 TC2 1 f 1 Tr0.5 Pc T 0.5
2
Donde:
f 0.37464 1.54226 0.26992 2
Temperatura critica Presión critica Temperatura reducida (T/Tc) Factor acéntrico
3.2 ALMACENAMIENTO El primer paso es determinar el estado del material antes de su liberación a la atmosfera. Dependiendo de las condiciones definidas, los escenarios disponibles variarán. A continuación hay una lista de los diversos casos de almacenamiento:
Liquido Saturado y Presión/Temperatura: El recipiente esta a la presión de saturación de vapor. Se requiere alimentar la temperatura o la presión del sistema.
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Presión y temperatura: el recipiente no está a la presión de vapor saturado del material. Se proporcionan la presión y temperatura del sistema. El escenario “Venteo de Espacio de Vapor” mezcla aire si la presión de vapor del material esta debajo de la presión atmosférica.
Presión Atmosférica y Temperatura: el recipiente esta a presión atmosférica. Solo se define la temperatura.
Tabla 3.5 Posibles escenarios de fuga para de acuerdo a las diferentes condiciones de almacenamiento Liquido Liquido Gas Presión Escenario saturado Padded* Presurizado Atmosférica Ruptura Catastrófica
x
x
x
x
Fuga
x
x
x
x
Venteo del espacio vapor
x
Ruptura de línea
x
x
x
x
Liberación de 10 min.
x
x
x
x
Ducto Largo
x
x
x
Disco de Ruptura
x
x
x
Válvula de Relevo
x
x
x
Falla de techo de tanque x *Entiendase por “liquido padded” el almacenamiento de un liquido bajo presión por un gas inerte (p. ej. Nitrógeno)
3.3 ESCENARIOS PARA LOS MODELOS DE DESCARGA 3.3.1 EMISIÓN INSTANTÁNEA O RUPTURA CATASTRÓFICA Este escenario modela un incidente en el cual un tanque es destruido por un impacto, agrietamiento o alguna otra falla que se propaga rápidamente. Se asume que la descarga forma una masa homogénea, que se expande rápidamente sin restricciones del tanque destrozado. Si el tanque esta en el suelo, se formara una nube semiesférica, y si es elevado se formara una nube esférica. Si la descarga es de corta duración, pero es limita a fluir en una dirección particular, entonces no será bien descrita como una descarga instantánea, y se deberá usar no de los escenarios continuos (Leak, line ruptura). Sin embargo, si la liberación de corta duración es grande entonces, será poco probable que el jet alcance toda su longitud sin obstáculos, pero perderá su momentum por impacto con el suelo o equipo cercano; en este caso se deberá modelar la descarga como una ruptura catastrófica. 3.3.2 FUGA POR ORIFICIO (LEAK) Generalmente esta es una emisión accidental. Esto es un agujero en el cuerpo de un tanque o un pequeño orificio en una tubería larga. El modelo de descarga usa el cálculo de un orificio Se asume que es redondeado y afilado, el cual se asume que no hay pérdidas por fricción conforme el fluido fluye a través del tanque o la tubería hacia el orificio. La situación más general es una descarga de un tanque a dos fases, capaz de dar liberación de un material peligroso de ambos lados del de vapor y del de líquido. Si el tipo de tanque en la sección material tab es no presurizado o líquido presurizado por un gas inerte (padded), el escenario de fuga aplica solo del lado de líquido, ya que la descarga del lado del vapor se asume que no son peligrosas. Para un tanque de liquido saturado hay una elección entre ruptura por el lado del vapor y el lado del liquido, y se debe especificar uno para el caso. En los cálculos de descarga, la liberación de lado de líquido se supone que permanecen en estado liquido durante el flujo a través del orificio bajo la presión de la cabeza de liquido sobre la localización de la ruptura, pero puede haber vaporización súbita (flash) o expansión en las condiciones
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atmosféricas. La descarga tiene una dirección (arriba, abajo, horizontal, etc.). Para calificar como fuga, la relación de la longitud de la tubería al diámetro del orificio debe ser menor a tres. Sin embargo, si la liberación es corta duración pero grande entonces, será poco probable que el jet alcance toda su longitud sin obstáculos, pero perderá su momentum por impacto con el suelo o equipo cercano; en este caso se deberá modelar la descarga como una ruptura catastrófica. 3.3.3 VENTEO DE ESPACIO DE VAPOR Es usado para el venteo de material del espacio de vapor de un tanque no presurizado o refrigerado, típicamente durante una operación de llenado. Si la temperatura de almacenamiento está por debajo del punto de ebullición del material, aire será mezclado dentro para dar el total de presión hasta la atmosférica, dando a la descarga un factor inicial de dilución. El escenario aplica solo a condiciones de proceso a temperatura atmosférica. 3.3.4 RUPTURA DE LÍNEA Esta es una ruptura completa de una tubería de corta longitud unida a un tanque (o cualquier otro tipo de depósito a presión. Si la tubería es larga (p. ej. >> 300* Diámetro), o si se quiere modelar un tamaño de orifico que es menor que la ruptura total de la tubería, entonces se debe usar el escenario de tubería larga (Long Pipeline). El modelo de descarga calcula la caída de presión a través de la línea basada en la frecuencia de codos, coplas y juntas, y las perdidas en la cabeza de velocidad en la válvula (dando en la sección de parámetros de descarga). Si el material es un liquido volátil entonces el flasheo puede ocurrir en una tubería, y un modelo de equilibrio es usado para el cambio de fase. La situación general es un tanque a dos fases capaz de producirse una fuga de material peligroso de ambos lados, del de vapor y del de líquido. Si el tipo de tanque es no presurizado o lleno de líquido, el escenario de ruptura de línea aplica solo al lado del líquido, ya que se asume que la descarga del lado del vapor no tiene un riesgo. Para un tanque de líquido saturado hay una selección entre la ruptura del lado del vapor y el del líquido, y se debe especificar uno para el caso. En los cálculos de descarga del lado del liquido se asume que liquido permanece en estado liquido durante el flujo a través del orificio bajo la presión de la cabeza de liquido sobre la localización de la fuga, pero puede haber vaporización súbita (flash) o expansión a las condiciones atmosféricas. Si la descarga tiene una corta duración pero es grande, entonces será poco probable que el jet alcance toda su longitud sin obstáculos, pero perderá su momentum por impacto con el suelo o equipo cercano; en este caso se deberá modelar la descarga como una ruptura catastrófica. Este escenario aplica a todas las condiciones de proceso. 3.3.5 10 MINUTOS DE DESCARGA Este escenario modela una fuga con el tamaño de orificio que drenara el inventario en 10 minutos. Es frecuentemente usada como una descarga de “Peor Caso”. Este escenario aplica para todas las condiciones de descarga.
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a
b
c
d
e
f
Figura 3.1 Posibles escenarios de liberación (a) Ruptura catastrófica, (b) Fuga por orificio (c) Disco de ruptura (d) Venteo del espacio vapor (e) Ruptura de línea (f) Válvula de alivio
3.3.6 RUPTURA DE DISCO Modelo usado para el caso de una descarga por la ruptura de un disco de ruptura. El modelo puede modelar dos causas de disco de ruptura: sobrepresión, en cuyo caso el material liberado por lo general será vapor, y sobrellenado o inflamación de liquido, en tal caso el material descargado será a dos fases. Se debe especificar la causa seleccionando la fase apropiada para el evento. En el caso de sobrepresión de un tanque lleno de liquido (padded liquid) o liquido saturado, el material descargado será vapor, si la presión en el tanque es baja (<5 psig o 0.34 barg), y a dos fases si la presión es mayor. Para modelar sobrepresionamiento, se debe dar la fase como vapor, y el programa calculara la fase de descarga dependiendo del tipo de tanque (p. ej. Liquido o gas solamente) y de la presión. El disco de ruptura y la válvula de relevo, son escenario muy similares, y la principal diferencia radica en los cálculos de descarga. Para el escenario de válvula de alivio, los cálculos primero modelan la descarga a través de la restricción del orificio de la válvula, y después modela el flujo a través del tubo de escape de la válvula de alivio; para el escenario de disco de ruptura el asiento del disco no es considerado como un orificio de restricción por ello la velocidad del flujo es dependiente solo de la caída de presión a través del tubo de escape de la válvula. El escenario aplica para todas las condiciones de proceso con una presión por encima de la presión atmosférica. 3.3.7 VÁLVULA DE ALIVIO Este modelo es usado para una liberación en caso de que una válvula de alivio abra. El programa puede modelar dos causas de abierto de válvula: sobrepresión, en cuyo caso el material liberado será vapor; y sobrellenado de liquido, en cuyo caso el material liberado será dos fases. La causa se especifica seleccionando la fase apropiada para el caso. Los cálculos de descarga primero modelan descarga a través del orificio de restricción de la válvula y, a después, modela el flujo a través del tubo de escape de la válvula de alivio. El modelado de descarga a través del orificio incorpora un Factor de seguridad de la válvula de alivio que se utiliza para factorizar el diámetro de orificio de válvula de alivio para tener en cuenta el sobrellenado.
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Una descarga causada por sobrellenado (dos-fases) se supone que tiene inicialmente la Fracción líquida por default y que vaporiza durante el flujo a través del orificio (a diferencia del escenario de la fuga). Una descarga causada por una sobrepresión (vapor) se supone que se pierde cualquier presión de relleno al abrir la válvula y la presión en el recipiente cae a la presión de vapor saturada a la temperatura de operación. Si la liberación tiene una duración corta y es grande, entonces sería poco probable que el jet alcance su longitud completa sin obstáculos, pero perdería su impulso por el impacto con el suelo o el equipo de los alrededores; en este caso se debe modelar el lanzamiento como una Ruptura catastrófica. Los escenarios de disco de ruptura y válvula d alivio son muy similares, la principal diferencia esta en los cálculos de descarga. Para el escenario de disco de ruptura, no se considera el asiento del disco como un orificio restringido, por tanto el flujo depende solo de la caída de presión a través del tubo de escape. Este escenario se aplica a todas las condiciones de proceso con una presión por encima de atmosférica. 3.3.8 TUBERÍA LARGA (DUCTO) Este escenario modela la descarga dependiente del tiempo de una tubería larga, e incluye los efectos de cierre mediante modelado del cierre de válvulas en tubería larga. La descarga puede ser vapor o dos fases, dependiendo de las condiciones en la tubería. Se usa este escenario si la tubería es larga (p.ej. Longitud >> 300*Diámetro), o si se quiere modelar un tamaño que orificio que es menor que un ruptura total. Para rupturas totales o tuberías más cortas se usa el escenario de ruptura de línea. Se puede especificar una descarga en cualquier localización a lo largo de la tubería, y de cualquier tamaño, de una fuga de una ruptura total. Debe ser especificada la descripción de la tubería, las válvulas, y el tamaño y localización de la fuga en la sección de “Pipe tab”. Este escenario está disponible para todas las condiciones de almacenamiento a presión, proporcionando la presión que fue especificada en la sección de “materiales”. Si las condiciones son liquido saturado, y se especifico la temperatura en la sección “Material tab” en lugar de la Presión, el escenario de tubería larga (Long Pipeline) será desactivado. PHAST, contiene dos modelos para descargas dependientes del tiempo de una ducto largo: un modelo para tuberías a dos fases, y un modelo para tuberías de gas. El programa escoge el modelo apropiado, dependiendo de las condiciones en la tubería. Para ambos modelos, se puede especificar una descarga en cualquier ubicación a lo largo de la tubería, y se puede especificar el tamaño de la descarga (de una pequeña fuga, a una ruptura total). El modelo puede considerar el efecto de un flujo bombeado, y de válvula de cierre. Se da la descripción del ducto, del flujo bombeado, de las válvulas en el ducto, y el tamaño y localización de la fuga en la sección de “tubería”. Si hay flujo bombeado, se asume que la velocidad no se afecta por la fuga, para permanecer en el flujo normal de operación hasta que la sección antes de la ruptura ha despresurizado. Las válvulas son definidas por su distancia desde el extremo aguas arriba de la tubería y por su tiempo de cierre (medido desde el inicio de la fuga). Una vez que es alcanzado el tiempo de cierre, se asume que las válvulas cierran instantáneamente.
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Figura 3.2 Escenario de tuberia larga (ducto)
Descarga a dos fases de un ducto largo. Antes de que el ducto fugue, la tubería es llenada con un líquido presurizado a la temperatura ambiente Ta. La presión inicial a sat sat lo largo del ducto completo es mayor que la presión de vapor saturado Pv (ta), y Pv (ta) es mayor que la presión ambiente Pa. Por ejemplo, el material debe ser un líquido volátil. sat
El modelo no es válido para líquidos no volátiles, para los cuales Pv (ta)
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Hay varias etapas en la descarga de cada sección. Al comienzo, un disturbio se propaga de la ruptura hacia el final de la sección del ducto. En la sección después de la ruptura, el flujo comienza a ir en reversa, y la zona de inversión de flujo (o alta presión) se extiende desde la ruptura hacia el final de la sección de la tubería después de la ruptura. Finalmente, hay una despresurización en cada sección, hasta que la tubería esta completamente despresurizada. El modelo de descarga comienza de la ecuación del flujo en tubería 1D. La presión se aproxima mediante un perfil parabólico a lo largo de la zona a dos fases en la línea con el vapor puro. Las ecuaciones modeladas son reducidas a una formulación integral, (para tiempo como una función de la presión después del orificio) que se resuelve mediante la reducción en etapas la presión después del orificio. En el orificio de ruptura inicialmente hay un flujo estrangulado y se lleva a cabo una expansión a presión atmosférica inmediatamente después del orificio. Los datos de la expansión después de la descarga en los puntos A y B, son combinados en un solo dato de descarga de tubería equivalente, los cuales son entones analizados para obtener uno o más segmentos representativos de descarga promedio. 3.3.9 FALLA DE TECHO DE TANQUE El modelo de falla de techo de tanque describe la descarga de material de un tanque refrigerante aislado en el caso de que el techo del tanque falle. El material almacenado en el tanque esta ligeramente sobre su punto normal de ebullición con una pequeña sobrepresión, y el tanque esta cubierto por un techo de acero o concreto. El modelo calcula los efectos instantáneos iniciales de falla de techo de tanque, o efectos continuos a largo plazo, dependiendo de cual es seleccionado en “Model Effect” en la sección que describe el escenario. El modelo siempre calcula ambos efectos instantáneo y continuo, y da el resultado para ambos, en el reporte de falla de techo. Sin embargo, el modelo de dispersión solo se realizara para el efecto que es seleccionado para el modelo de efecto. Efecto inicial instantáneo
Efectos continuos a largo plazo Viento
Nube instantánea de vapor “Puff” Fragmento de techo de tanque fuera de esté, no contribuye a los efectos
Techo colapsado dentro del tanque: el calor transferido de los fragmentos contribuye a la generación de vapor
Figura 3.3 Modelo de falla de techo de tanque
Velocidad de vaporización constante hasta que no Quede líquido en el tanque
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LIBERACIÓN INSTANTÁNEA DE VAPOR Cuando falla el techo, la presión en el tanque cae de la presión inicial P0 a la presión atmosférica Pa. La masa existente de vapor se expande a la presión atmosférica, y el sobrecalentamiento en el líquido produce una rápida vaporización súbita del líquido expuesto, dando una liberación instantánea de vapor que es modelada como una descarga instantánea. Si el tipo de falla se fijo como colapso de techo en la sección de escenario entonces el techo y su aislamiento se asume que se colapsan dentro del tanque. La transferencia de calor del material del techo causara adicional, vaporización rápida la cual está incluida en la nube de vapor de la liberación instantánea. El material es almacenado en el tanque bajo condiciones de saturación como un liquido a temperatura T0 o presión P0. T0 es a o sobre el punto normal de ebullición Tb, y P0 esta a o sobre la presión atmosférica Pa. Hay tres fuentes de vapor que pueden contribuir a la nube inicial: vaporización súbita, expansión de vapor, y vaporización seguida del colapso del techo dentro del tanque. Si el techo colapsa fuera del tanque, entonces la masa MV3 y la fracción de vapor fV causadas por la transferencia de calor del techo será cero. Si la temperatura ambiente Ta, es menor que Tb (es decir, el tanque no está refrigerado), el colapso del techo del tanque enfriara al líquido en el tanque, y la expresión superior dará un valor negativo par M V3. Los cálculos parten del supuesto conservador de que el techo frio no causa condensación del vapor presente inicialmente en el tanque o del vapor producido por la vaporización súbita, y utiliza un valor de MV3, en lugar del valor negativo. VAPORIZACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Después de los efectos iniciales, habrá entrada de calor por la convección. Se asume que esto causa un velocidad constante de vaporización la cual continúa hasta que todo el líquido en el tanque se ha vaporizado. La trasferencia de calor por conducción no se considera, se asume que las paredes y el piso del tanque están totalmente aisladas. Después de los efectos iniciales instantáneos, se asume que la temperatura del líquido disminuye por debajo del punto de ebullición para alcanzar un valor de estado estacionario, dando una velocidad de evaporación constante Si el punto de ebullición del líquido esta debajo de la temperatura ambiente entonces se asume que el líquido hierve debido a la convección de calor del aire Si el punto de ebullición esta sobre la temperatura ambiente, Las velocidades de transferencia de calor son constantes en el tiempo, se asume que la evaporación continuaran hasta que el todo el liquido en el tanque se halla vaporizado
3.4 PARÁMETROS DE DESCARGA Pérdidas de velocidad de la cabeza Son sumadas a los cálculos de caída de presión a lo largo de la tubería. Si las válvulas están presentes en la tubería, se deben establecer estos parámetros o introducir una longitud equivalente de tubería en la sección “pipe tab section”. Frecuencias Especificar el número de codos por unidad de longitud de tubería. El programa toma la longiud de cada codo como un equivalente a 10 diámetros de tubería. Especificar el número de coplas (couplings) por unidad de longitud de tubería. El programa aplica 0.04 de la perdida de la velocidad de la cabeza por copla. Especificar el número de juntas (junctions) por unidad de longitud de la tubería. El programa aplica 1 de la perdida de la velocidad de la cabeza por junta.
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Longitud de la tubería Usada como el default de la longitud de la tubería en la sección “Pipe tab section” para el modelo de descarga de tanque o tubería. Rugosidad de la tubería Esta es una medida de la rugosidad de la superficie interna de la tubería que está siendo modelada, y el valor que se fija aquí será usado como el valor default en la sección de “Pipe tab section”. Tabla 3.6 Valores para la rugosidad de la tubería Tipo de tubería
Rugosidad(m) -6
Drawn tubing Acero comercial y hierro forjado
1.5 x 10 -5 4.6 x 10
Asfaltado de hierro fundido
1.2 x 10
Hierro fundido
2.6 x 10
-4 -4
Presión Critica > Fase del flujo Esta presión es usada en el modelo de un escenario de discos de ruptura para una fuente de descarga tanque o tubería. Debajo de la presión fijada, el flujo es vapor, sobre esta presión, el flujo es dos fases. Dirección de la descarga La dirección determina la dirección de la descarga de la nube y que proporción de la velocidad inicial es usada. Las direcciones hacia abajo (down) y horizontal que incide sobre el suelo (horizontal impingement) pueden dar mayores distancias de dispersión que otras direcciones porque el momentum inicial es reducido, y esto a su vez reduce la velocidad inicial de dilución y significa que la liberación requiere más tiempo para dispersarse. Si se fija la dirección hacia abajo, el programa localizara la descarga a nivel de suelo, independiente de la elevación que se fija en la sección de localización. Para el escenario de ruptura catastrófica la dirección esta deshabilitada, debido a que en descargas instantáneas se asume que no tienen dirección. Para los escenarios de: falla de techo de tanque o Roof/Lee, la única opción de la dirección es vertical,. Si se establece una dirección en ángulo, entonces se debe dar el ángulo de la descarga con respecto a la horizontal a favor del viento. No se puede definir una liberación en contra del viento. El ángulo que se fije será usado en el modelo de dispersión, pero puede no ser usado en el modelo de chorro de fuego, dependiendo del ángulo y en el método de dardo de fuego seleccionado. El modelo de Shell para chorros de fuego no modela chorros que se dirigen hacia abajo. Si el ángulo de la horizontal es negativo, el programa fijara el ángulo para el chorro de fuego como horizontal. El modelo API para chorros de fuego no modela chorros en ángulo, el programa fijara el ángulo para que el chorro de fuego sea horizontal a favor del viento o vertical hacia arriba, cualquiera que este más cercano al ángulo de salida.
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3.5 DESCARGAS CONTINUAS Aplica para todos los escenarios excepto ruptura catastrófica. El propósito de los cálculos es predecir la condición del material una vez que ha sido descargado y se ha expandido a la presión atmosférica, obteniendo estas condiciones para el tiempo de interés. Si el usuario ha elegido los cálculos de "Variación en el tiempo", el tiempo de interés será el momento definido por el usuario (o el tiempo asociado con la media de la fila de la tabla de resultados, si se ha establecido ningún momento). Las condiciones para el momento de interés son tratadas como representante de la duración de la versión completa. Las cantidades más importantes se calculan para describir la condición del material y liberación son los siguientes:
Flujo másico Fase (vapor, a dos fases, líquido) Fracción líquida (para condiciones de dos fases) Temperatura (para gas o condiciones líquidas) Velocidad final Diámetro de la gota (para condiciones de líquidos o dos fases) Duración
Estas son las cantidades que se pasan al modelo de dispersión. Los resultados que se muestran en el área de visualización de la ventana de caso incluyen algunas cantidades adicionales que se calculan en el curso de la modelización y se utilizan para obtener las cantidades arriba, pero no son necesarios para la modelación de dispersión:
Velocidad de descarga Velocidad final Presión estrangulada Temperatura de estrangulamiento Coeficiente de descarga
La diferencia entre la velocidad de descarga y final de la velocidad La velocidad de descarga es la velocidad del material en el plano de salida (es decir, en el punto de salida de contención, antes de la expansión). La velocidad final es la velocidad después de la expansión a la presión atmosférica. Para flujo estrangulado la velocidad final será superior a la velocidad de descarga, ya que la presión en la garganta es sobre el ambiente y la expansión acelera el lanzamiento. El programa calcula la velocidad final, asumiendo la expansión adiabática desde la condición de estrangulación y haciendo caso omiso de la energía que se perderían en frentes de choque, rarefacción, etc. Esto significa que la velocidad calculada es superior a cualquier velocidad que podría ser experimentado en un chorro real, de ahí el término "pseudo"-velocidad. 3.5.1 CONDICIONES INICIALES DE ALMACENAMIENTO Esta sección describe los cálculos de descarga para todos los escenarios excepto ruptura catastrófica y falla de techo de tanque; cubre los tipos de condiciones iniciales de almacenamiento que pueden ser modeladas, introduciendo alguna nomenclatura y discutiendo los requerimientos del modelo para varias condiciones. El material antes de ser descargado se asume que está almacenado en un tanque bajo condiciones de presurizado o refrigerado no presurizado. Las condiciones iniciales son especificadas por la temperatura Ti, presión Pi, fase y fracción de liquido FLi (si es almacenado como una mezcla saturada de liquido y vapor).
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Almacenamiento a presión Condiciones de almacenamiento a presión ocurren para gases almacenados en tanques a presión conteniendo solo vapor, para tanques que contienen liquido bajo condiciones de saturación (p. ej. Un liquido en equilibrio con su vapor), o para tanques que contienen un liquido sin la presencia de vapor. Para tanques que contienen sea, gas presurizado o liquido es necesario definir tanto la temperatura Ti como la presión Pi para caracterizar el estado inicial. La fracción de liquido F Li es cero para tanques de gas, y uno para tanques de liquido. Para materiales que son almacenados bajo condiciones de saturación es suficiente definir la temperatura (la presión será determinada de la curva de saturación a la temperatura dada) y la fracción de liquido. Por lo tanto un material saturado almacenado a la temperatura Ti estará implícitamente a la presión Psat (ti). Almacenamiento no presurizado El otro método de almacenamiento que es modelado es almacenamiento de líquidos refrigerados o no presurizados. Hay dos tipos de tanques no presurizadas: subenfriado y saturado. Para subenfriados (cooled), insaturado, la temperatura de almacenamiento Ti deberá ser especificada y la fracción de líquido se asume que es uno. Los materiales almacenados bajo condiciones de saturación estarán a la temperatura determinada de la curva de saturación Ti=t sat(Pa) con una fracción de liquido especificada. Para ambos tipos de tanque una cabeza de tanque hi es requerida. La cabeza de líquido es combinada con la presión ambiente Pa de almacenamiento para definir una presión inicial.
Pi = Pa + i g hi
3.27
Donde i es la densidad del material almacenado, y g es la aceleración debida a la gravedad. Dada la temperatura, presión y fracción de líquido, la entropía, entalpia y volumen del estado inicial pueden ser calculadas, para usar en el modelo de descarga:
S i = S( T i , Pi , F Li ) H i = H( T i , Pi , F Li ) V i = V( T i , Pi , F Li )
3.28 3.29 3.30
3.5.2 DESCARGA CONTINÚA A CONDICIONES DADAS DE ALMACENAMIENTO Escenario de fuga Un flujo sin obstáculos a través de un orificio puede ser considerado aproximadamente por expansión adiabática reversible, que es expansión isoentrópica. Solo cuando la energía cinética de la descarga es convertida a calor entra en la termodinámica la irreversibilidad. La aproximación general para modelar este flujo es entonces para calcular el flujo másico a través del orificio como una función de presión en el plano del orificio. Para flujo estrangulado este tendrá un máximo en algún punto sobre la presión atmosférica, mientras que para un flujo sin obstáculos la presión en el orificio será la atmosférica. El flujo puede o no estar en equilibrio termodinámico; en un líquido saturado no puede haber vaporización súbita hasta que esta fuera del orificio. Esto puede ser tomado en consideración forzando la fase del flujo a permanecer sin cambio cuando se calculan los resultados de expansión. La descarga a través de un orificio puede conceptualmente ser considerada en dos etapas; primero la expansión de las condiciones iniciales de almacenamiento a las condiciones en el orificio, seguido por una expansión a presión ambiente fuera del orificio si el flujo es con obstáculos. Esta sección describe la expansión a las condiciones en el orificio, la expansión de las condiciones del orificio a condiciones atmosféricas es descrita en secciones posteriores las cuales cubren todos los escenarios.
86
Las condiciones en el orificio son especificadas por la temperatura T 0, presión P0 y la fracción de liquido FL0. Esta expansión se asume que es reversible y adiabática, que es isoentrópica. Por lo tanto, para una presión dada en el orificio P0, la temperatura T0 y/o la fracción de liquido FL0, deben ser determinada así como la entropía en el plano del orificio.
So = S(T o , Po , F Lo)
3.31
Es igual a el estado inicial Si. Esto se logra por iteración numérica T0 y/o FL0 hasta S0=Si. En este proceso la fase, temperatura y la fracción de liquido del material en el orificio son determinados y de esto la entalpia y el volumen en el orifico pueden ser calculados:
H o = H( T o , Po , F Lo ) V o = V( T o , Po , F Lo )
3.32 3.33
El flujo másico a través del orificio a la presión P0 es entonces dado por:
= Cd Ao o -2( H o - Hi ) m
3.34
Donde Cd es el coeficiente de descarga, A0 es el área del orificio, 0 es la densidad del material en el orificio (=1/V0) La velocidad del material fluyendo a través de una vena contracta de área CdA0 es:
uo =
-2( H o - Hi )
3.35
Para flujo de gas con impedimentos y flujo a dos fases, el caudal calculado inicialmente aumenta con la disminución de la presión aguas abajo, entonces encuentra un máximo, y entonces comienza a decrecer. El programa considera una serie de decrementos de presiones para identificar la región donde el caudal encuentra un máximo (si el máximo puede ser seguido por dos pasos sucesivos); si el caudal alcana un máximo, el programa usa una interpolación cuadrática para fijar la posición del máximo; si el caudal no ha encontrado un máximo en el tiempo la presión alcanza la presión atmosférica, entonces el flujo es sin obstáculos. Si la presión estrangulada Pc < Pa entonces el flujo no es estrangulado. La presión en el orificio será entonces la ambiente y el cálculo descrito arriba puede ser llevado a cabo con P0=Pa. Sin embargo si Pc es mayor que Pa el flujo es estrangulada. Un cálculo del caudal es hecho de la presión del orificio P0 igual a la presión estrangulada estrangulado Pc calculada de la ecuación de gas ideal. Para tener en cuenta la no idealidad en la ecuación actual de estado la presión del orificio es variada hasta encontrar el máximo caudal. Para flujo a dos fases el cálculo de descarga en el orificio descrito arriba es primero llevado a cabo a una presión en el orificio igual a la presión ambiente, P0=Pa. Otro cálculo es realizado a un ligero incremento en la presión del orificio. Si no hay incremento en el caudal conforme se incrementa la presión entonces el flujo a través del orificio no es estrangulado. La presión en el orificio es por lo tanto ambiente, P0=Pa, y los parámetros del estado fijar son aquellos iguales a las condiciones del material en el orificio Tf=T0, FLf=FLo, uf=uo. Por otro lado, si el caudal a través del orificio incrementa conforme la presión aumenta sobre la del ambiente el flujo es estrangulado y tiene un valor máximo a una presión estrangulado Pc, la cual es mayor que la presión ambiente. Esta presión estrangulado es determinada mediante la repetición de los cálculos descritos arriba, iterando numéricamente la presión del orificio P0 hasta que el flujo másico sea el máximo. Es muy poco probable que el flujo de un líquido sea estrangulado. Para fluidos incompresibles, p.ej. líquidos, un valor de 0.6 se usa como el coeficiente de descarga, y este valor es bien conocido que es apropiado en este caso. Para fluidos compresibles los coeficientes de descarga, son calculados generalizado para cualquier ecuación de estado en lugar de ser especificado para la ecuación de estado de gas ideal.
87
Escenario de ruptura de línea Para tuberías, la ecuación de flujo es resuelta numéricamente para una presión de salida dada y un cierto flujo másico en la tubería. Como la caída de presión a lo larga de la tubería, el estado del material es evaluado de la expansión irreversible, conservando el flujo másico. Para flujos a dos fases se asume que el flujo es homogéneo y en equilibrio termodinámico. El resultad de estos cálculos son para calcular las perdidas por fricción que corresponden a una cierta salida de presión y caudal. Para cualquier tubería las pérdidas de válvulas, fricción a lo largo de la tubería y otras perdidas misceláneas son conocidas y entonces el flujo en la tubería es variado hasta encontrar las perdidas por fricción. Inicialmente en un orificio (o escenario de fuga) el cálculo de descarga se lleva a cabo para obtener un valor inicial del flujo másico en la tubería y la presión P0 a la salida. Este es el caudal máximo inicial; el caudal actual será menor debido a perdidas por fricción en la tubería. Considérese una tubería de longitud L y diámetro d. el fluido entra en la tubería a presión Pi y sale a la presión Po, fluyendo a través de una tubería a un flujo másico por unidad de ara G. Si el fluido tiene una densidad y la tubería una resistencia al flujo por unidad de área de superficie de R. asumiendo que la tubería es horizontal y que el fluido en la tubería no hace ningún trabajo, la ecuación de balance de energía para un pequeño cambio en el fluido que circula es:
1 d(u2) + VdP + dF = 0 2
3.36
Donde u es la velocidad del flujo, y V es el volumen especifico. La pérdida de energía debida a la fricción en el elemento dl es:
4R dF = dl d
3.37
Sustituyendo para la velocidad del flujo u=G y re-arreglando da:
dV dP 1 4R + 2 + 2 2 dl = 0 V G V G V d
3.38
Integrando a lo largo de la longitud de la tubería entonces da el total de las pérdidas por fricción en la tubería como:
Ftot
P Vi 8RL 1 o dP = 2 = 2ln - 2 u d G Pi V V o
3.39
Para calcular dP/V se asume que el flujo del fluido puede ser modelado como una expansión adiabática irreversible La pérdida real por fricción en la tubería es determinada como sigue. El factor de fricción de Fanning es calculado mediante:
2R 2 f = 2 = [3.2 - 2.5 ln(e / d) ]2 u
3.40
Donde e es una cantidad lineal que representa la rugosidad de la superficie de la tubería. Esto es modificado para incluir las pérdidas en codos:
f = f[1 + Lbend f bend ]
3.41
88
Donde Lbend es la longitud equivalente de tubería para un codo de 90° grados y fbend es la frecuencia de codos por unidad de longitud. La perdida de fricción total a lo largo de la tubería es entonces:
4f + V coup f coup + V junc f F tot = L d
junc
1 + C 2 + N 1 K 1 + N 2 K 2 + N 3 K 3 d
3.42
Donde Cd es el coeficiente de descarga para una longitud muy corta de tubería (0.8 es usada), Vcoup, y Vjunc son las perdidas en la cabeza de velocidad por coplas y juntas, fcoup y fjunc. Son la frecuencia de ocurrencia de coplas y juntas, N1, N2, N3, son el numero de válvulas de seguridad, descarga y cierre, y K1, K2, K3 son las perdidas correspondientes por válvula. Se requiere el valor de la presión de salida P0 y el flujo másico G el cual, de tal manera que las perdidas por fricción implicadas por estos valores y encontrados por integración numérica a lo largo de la tubería es el mismo como el determinado de la longitud y tipo de tubería, y el numero de coplas, juntas y válvulas colocadas sobre ella. Esto se logra mediante la variación del flujo másico hasta que las resistencias por fricción calculadas por los dos métodos son igual. El algoritmo comienza con el flujo másico crítico (máximo) calculado por una expansión en el orificio, y la masa sale hacia abajo hasta que la raíz está entre corchetes; el algoritmo es completado con una interpolación logarítmica de flujo contra la resistencia friccional de la tubería para estimar el flujo actual. Así mismo esta interpolación es usualmente buena, eso significa que para la misma longitud de tubería pueden ser obtenidos resultados ligeramente diferentes, dependiendo de cómo se lleve a cabo la interpolación. Si la presión de salida P0 es la misma que la presión ambiente Pa entonces el flujo no es estrangulado a la salida y el estado termodinámico a la salida y la velocidad de flujo en la tubería será la del estado final. Por otro lado si el flujo es estrangulado a la salida de la tubería (p.ej. la presión de salida es mayor que la presión ambiente Pa) el material sufrirá un proceso adicional de expansión hasta la presión atmosférica. Para ambas condiciones de presión de salida, el flujo másico es dado por :
m = ( d 2 / 4)G
3.43
Escenario de válvula de relevo El modelo para el escenario de válvula de relevo combina los métodos de los modelos de fuga y línea de Ruptura, pero no involucra teoría adicional. El enfoque se describe brevemente a continuación, refiérase a los otros dos escenarios para ver la teoría detallada. Las descargas de una válvula de alivio, son tratadas como descargas de un orifico que conduce a una tubería. Además de los datos del orificio de descarga, se requiere información sobre la longitud de la tubería de salida. El programa automáticamente calcula el flujo a lo largo de la tubería de salida y adiciona la caída de presión apropiada y los cálculos termodinámicos al cálculo del orificio inicial. El uso de algoritmos existentes de flujo en tuberías, el programa trata una y dos fases, y permite para el numero de codos, juntas como en los cálculos de línea de ruptura existente. Las pérdidas en la válvula indicadas en los parámetros que definen el escenario son incluidas en los cálculos una vez cada una. Una alternativa es introducir la longitud de tubería equivalente directamente y fijar los parámetros para perdidas por tubería igual a cero. Los cálculos del coeficiente de descarga del orificio, Cd, son usados en los cálculos e pérdidas en la región de entrada de la tubería, dando así la convergencia con el cálculo del flujo en el orificio conforme decrece la longitud de la tubería La longitud de la línea afecta e general la velocidad de descarga del material. La medida en que la velocidad de liberación se modifica dependerá de las condiciones exactas de la liberación. Sin embargo, en el caso de descargas a alta presión, el orificio
89
podría ser estrangulado y el caudal será insensible a la tubería de salida hasta que se desarrolle una significativa resistencia al flujo. Esto podría requerir una tubería larga y/o muchas pérdidas en la cabeza después del orificio. Escenario de disco de ruptura El modelo para el escenario de la válvula de alivio es casi idéntico a la del escenario de línea ruptura, y no implica ninguna teoría adicional. La única diferencia está en las condiciones de almacenamiento inicial. Los cálculos para la Línea de Ruptura toman los valores establecidos por el usuario, mientras que los cálculos de Disco de Ruptura (y la válvula de alivio) restablecen las condiciones iniciales: Caso de vapor Si el tipo de tanque se fija como de (padded liquid) se asume que la ruptura del disco remueve el padding, y la presión de almacenamiento es reajustada a la presión de vapor saturado a la temperatura de almacenamiento. Si el tipo de tanque se fija como de liquido saturado o de padded liquid, y la presión de almacenamiento es mayor que 5 psig (0.35 barg), la descarga es modelada como dos fases. Si la presión de almacenamiento es menor que 5 psig o el tipo de tanque es de gas presurizado, la descarga es modelada como vapor. Caso dos fases La fracción de liquido al inicio se establece como predeterminada en la sección de parámetros de descarga. 3.5.3 EXPANSIÓN A PRESIÓN ATMOSFÉRICA DESPUES DE LA DESCARGA (CONTINUA) Si el flujo es estrangulado entonces la presión en el orificio esta sobre la atmosférica y habrá una expansión del material fuera del orifico a la presión atmosférica. Hay tres posibles opciones para modelar los cálculos de expansión, y PHAST usa el método que es fijado en “método de expansión atmosférica” en los parámetros de descarga. Cuando las condiciones son cercanas a las iniciales el programa modela la expansión tanto con el método isoentrópico como con el de conservación de energía, y usa el resultado que de el menor cambio en las condiciones (temperatura o fracción de liquido) durante la expansión. Método isoentrópico Temperatura final o fracción de líquido Cuando el estado final tiene una presión Pa y la temperatura Tf y/o la fracción liquido F Lf , son iterados numéricamente, de modo que la entropía en el estado final Sf es igual al estado incial Si, donde:
S f = S(T f , Pa , F Lf )
3.44 Como anteriormente de este resultado de esta expansión la entalpia del estado final puede ser calculada:
H f = H(T f , Pa , F Lf )
3.45
Velocidad final Asumiendo que toda la energía liberada en la expansión es convertida en energía cinética, la velocidad de material a presión ambiente es dada por:
uf =
-2( H a - Hi )
3.46
90
Para flujos estrangulados la velocidad final uf no corresponde físicamente a la velocidad real, y por ello se refiere a esta como la velocidad final (o pseudo- velocidad). Se ha desarrollada para ser usada como un parámetro que describa la energía cinética inicial en una descarga, como entrada en un modelo de dispersión. Velocidad de las gotas de un líquido Se asume que la velocidad de las gotas de líquido en la descarga es menor que la velocidad final, debido al deslizamiento entre el líquido emergente y el vapor, un coeficiente de deslizamiento, Csc, es usado para calcular la velocidad de la gota:
u Cscu f
3.47
La velocidad de la gota es usado en los cálculos del tamaño de la gota. Método de conservación de la energía Velocidad final La velocidad final es calculada de una conservación convencional de balance de momentum como se describe en Fauske y Epstein (1988):
3.48 Donde uc es la velocidad del orificio, Pc es la presión del orificio, Fc es el flujo másico en el orificio. Temperatura final En este caso la temperatura es calculada de un balance de conservación de energía: 3.49 Donde fc es la fracción de líquido en el orificio, y ff es la fracción final de líquido. Calculo del tamaño de las gotas de líquido Si el estado final del material descargado a presión ambiente contiene líquido entonces el programa calcula el tamaño de las gotas de líquido. Dos posibles mecanismos de de formación de gota son considerados. El programa calcula el tamaño de la gota por ambos mecanismos, y usa el menor tamaño de gota predicho, provenido el tamaño de gota calculado siempre y cuando este dentro de los límites de máximo y mínimo tamaño de gota los cuales son fijados en los parámetros del programa. Velocidad representativa de la gota Si la nube expandida contiene líquido, entonces el programa calcula una velocidad representativa para las gotas de líquido como sigue:
u = CSI 2E
3.50
Donde CSI es un coeficiente para permitir el deslizamiento entre el liquido emergente y el vapor (fijado como 1), y E es la energía de expansión. Mecanismo de ruptura aerodinámica (o mecanismo de desintegración aerodinámica??)
91
El mecanismo de ruptura aerodinámica proporciona el tamaño de gota, dda, como una función del número crítico de Weber, como sigue:
3.51 Donde es la tensión superficial (N/m), v es la velocidad después de la vaporización súbita (=post flash), atm es la densidad atmosférica (Kg/m3), y Wecrit es el valor del numero de Weber critico. El TNO Yellow Book (1997) recomienda valores entre 10 y 20 para Wecrit, y el programa tiene un valor default de 12.5. El modelo de descarga limita el diámetro de la gota a un mínimo (0.01 µm) especificado por el usuario y un valor máximo (default 10 000 µm) como el rango de tamaño de gota físicamente significativos. Mecanismo de ruptura intermitente El mecanismo para calcular el tamaño de gota por el mecanismo de flasheo fue obtenido del artículo por Woodward (1995). En este articulo el autor infiere el tamaño de gota experimental necesario para modelar datos observados por suspensión por lluvia obtenidos por diversos experimentos de precipitación por condensación de aerosoles. Estos tamaños de gota experimentales fueron correlacionados contra un número de parámetros diferentes. El autor concluyo que la energía parcial de expansión, Ep (J/Kg), fue la correlación más efectiva para el tamaño de la gota, La ecuación de la línea dando el mejor ajuste es: 3.52 Donde ddf esta en metros. 3.6 DESCARGA INSTANTÁNEA El modelo instantáneo es usado si el caso es fijado como ruptura catastrófica en la sección de escenario, y las etapas en los cálculos son mostradas en el cuadro de flujo siguiente: (ponerlo) Modelo estándar de expansión a presión atmosférica Para materiales almacenados a temperatura Ti y presión Pi, y con fracción de liquido F Li, la entropía, entalpia, y volumen bajo condiciones de almacenamiento están dadas por las ecuaciones ¿?? Tras la liberación, se asume que el material almacenado se expande reversible y adiabáticamente a la presión atmosférica Pa. En dicha expansión la entropía es constante. Por tanto, la temperatura Tf y/o la fracción de líquido FLf o el estado final debe ser determinado tal que la entropía del estado final:
S f = S(T f , Pa , F Lf )
3.53
Es igual a la del estado inicial Si. Esto se logra mediante iteración numérica Tf y/o FLf hasta que Sf=Si. En este proceso la fase, temperatura y fracción de líquido del estado final son determinados y de estas la entalpia y volumen del estado final pueden ser calculado.
H f = H( T f , Pa , F Lf ) V f = V( T f , Pa , F Lf )
3.54 3.55
92
En la expansión adiabática a presión atmosférica, una cierta cantidad de entalpia es liberada. Además la expansión del material tiene que realizar un trabajo para hacer retroceder la atmosfera. La energía de expansión de una descarga toma ambas cantidades en consideración y es la energía descargada por expansión adiabática del material, menos el trabajo hecho en la atmosfera:
E = - ( H f - Hi ) - ( Pi - Pa) V i
3.56 Esta cantidad es usada en la correlación de Maurer et al. (1977) para describir la etapa inicial de la dilución de la nube. La suposición implícita en eso es que toda la energía descargada por la expansión reversible va dentro de la energía cinética de la descarga. Aun si esto es solo aproximadamente cierto, la velocidad real de dilución fue basada en resultados experimentales, correlacionados de esta cantidad. Por ello, es el parámetro físico apropiado para describir el estado de descarga instantánea. Una vez calculada la fracción adiabática que vaporiza al instante de la liberación, , y entonces se usa la correlación apropiada del “Purple book” para calcular la masa de vapor que permanece en la nube después de la precipitación. Tabla 3.7 Calculo de la fracción adiabática vaporizada instantáneamente Masa de vapor en la nube Fracción que vaporiza súbitamente, (fracción de la masa total liberada) < 0.1
2
0.1 <= < 0.36
(0.8-0.028)/0.26
0.36 <=
1
Se asume que la precipitación ocurre inmediatamente, y el vapor que permanece en la nube comienza a dispersarse a favor del viento. Para la composición y las condiciones en la nube al final de la expansión, por se usa la termodinámica UDM del modelo de dispersión para modelar los efectos de arrastre de aire sobre las condiciones de la nube. PHAST, hace un estimado de la masa de aire entrante. Asumiendo que no hay agua o transferencia de calor del suelo durante la expansión, calcula el total de entalpia en la nube para esta composición, y de esto puede calcular la temperatura de la nube y la distribución de la fase. Si la fracción de liquido del material descargado es igual a la fracción que precipita, especificada por el “Libro morado”, entonces la masa de entrada de aire y la temperatura representan las condiciones al final de la expansión, y pasan al modelo de dispersión. Si la fracción de líquido no es igual a la fracción que se precipita, entonces PHAST ajusta la masa de entrada de aire y repite los cálculos hasta que sean iguales.
3.7 MODELO DE DISPERSIÓN PHAST usa un modelo de dispersión propio llamado Modelo de Dispersión Unificado (UDM). A diferencia de otros modelos, solo se necesita un modelo para tratar la dispersión de una nube desde la emisión hasta la más baja concentración en la dirección del viento. Esto significa que: No hay discontinuidades entre los modelos separados mientras la nube cambia de la etapa I a la IV, y hay mayor exactitud en los cálculos para masa inflamable, masa explosiva e impacto tóxico. Además, el UDM puede incorporar:
93
Aterrizaje Despegue Condensación Tope con la capa de mezclado
3.7.1 DATOS DE CLIMA VELOCIDAD DEL VIENTO La velocidad del viento especificada se asume que es constante a través de la descarga y la dispersión. La máxima velocidad permitida es 65 m/s 145 (mph) ESTABILIDAD DE PASQUIL Esta describe la cantidad de turbulencia en la atmosfera. La estabilidad depende de la velocidad del viento, de la hora del día, y de otras condiciones como se muestra en la tabla 2.2. Los parámetros atmosféricos usados en los cálculos para determinar las propiedades de la atmosfera son la temperatura atmosférica y la humedad relativa, y el parámetro de rugosidad de superficie. PARÁMETRO DE RUGOSIDAD DE LA SUPERFICIE El parámetro de rugosidad de la superficie, SRP, describe la rugosidad de la superficie sobre la cual la nube se dispersa, y es una medida de la raíz cuadrada media (RMS), de las fluctuaciones en la velocidad como una fracción de la velocidad media a 10m sobre el nivel del suelo. 3.57 Donde Z0 es la longitud de rugosidad, la cual es 1/30 de la altura efectiva promedio de protuberancias. Valores típicos del parámetro de rugosidad de la superficie en la tabla 3.2. Esta tabla puede compararse con la tabla 2.5. Tabla 3.2 Parámetro de rugosidad para diversos tipos de superficie Tipo de superficie
Parámetro de rugosidad 0.06 0.06
Longitud de rugosidad (m) 0.013 0.013
0.09
0.117
Campo abierto
0.11
0.263
Bosque, área rural o zona industrial
0.17
0.951
Área urbana
0.33
2.976
Agua superficial Suelo plano, pocos arboles Suelo agrícola abierto
Otros parámetros son la temperatura superficial de dispersión la cual es la temperatura default de la superficie sobre la cual se dispersa la nube; la temperatura superficial del dique (default), la cual es usada en los cálculos de vaporización de charco para determinar el calor transferido de la superficie al liquido y así la velocidad de vaporización. Charcos de líquido con un punto de ebullición menor que la temperatura superficial generalmente ebullen, mientras que aquellos con un punto de ebullición superior a la temperatura superficial se evaporaran.
94
FLUJO DE RADIACION SOLAR La velocidad de vaporización para un charco de líquido varia con el tiempo. Después posiblemente un periodo inicial con una alta velocidad de vaporización, la velocidad de vaporización decrece con el tiempo y puede tener una larga cola. Estos parámetros permiten los cálculos de la vaporización de charco para detenerse cuando la velocidad de vaporización ha decrecido por debajo del valor de corte (cutt-off). Cualquier masa que no haya vaporizado hasta ese momento es dejado en el charco. 3.7.2 CARACTERÍSTICAS ESPECÍFICAS El UDM es una generalización de los modelos gausianos propuestos por Ooms y mejorados por Emerson, los perfiles de concentración descritos por potencias variantes constantemente adaptadas (50 en la fuente con chorro turbulento, 2 en régimen pasivo, esto es, gausiano), los perfiles normales modelados todos por separado, permitiendo el desarrollo de perfiles elípticos. El UDM se formuló como un modelo de similitud donde la concentración y otras variables se consideraron con un perfil predefinido. También asume perfiles gausianos generalizados. La incorporación de aire, expansión, etc., se calcula a partir de una solución numérica (Runge-Kutta-Milne) a ecuaciones diferenciales para masa, momento y transferencia de calor entre la nube y su ambiente. 3.7.3 EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES PERFIL ATMOSFÉRICO Para comenzar la descripción del Modelo de Dispersión Unificado, se da un resumen de los perfiles usados para modelar la capa inferior de la atmosfera en la cual se supone que tiene lugar la dispersión. La velocidad del viento varía con la altura en la atmosfera, al igual que la temperatura atmosférica, presión, densidad, humedad, etc. Relaciones simples son descritas aquí las cuales son apropiadas para los primeros pocos cientos de metros en la atmosfera. Se proporcionan dos opciones para la variación de la velocidad del viento con la altura:
Perfil de velocidad constante del viento
Perfil logarítmico del viento
Y tres opciones para la variación de la temperatura atmosférica y la presión con la altura:
Perfiles de presión y temperatura constantes
Perfiles de presión y temperatura lineal
Perfil de temperatura logarítmico y perfil de presión lineal
Estos parámetros afectan a la nube porque la velocidad de la nube viento abajo dependerá de la altura del centroide, así como de la temperatura del aire que se mezcla en la nube. Estas opciones se pueden seleccionar de forma independiente una de otra. Se recomienda que se use un perfil de temperatura logarítmica, de presión lineal, y de ley de potencia para el viento, debido a que esto dará el modelado más realista. Muchos de estos perfiles usan la longitud de Monin-Obukhov. Esta depende de la clase de estabilidad y de la longitud de la rugosidad de la superficie z0 como se muestra en la siguiente figura.
95
Monin-Obukhov Length
1/|L| (1/m) 0.16 0.14 0.12
Stability
0.10
A,G
0.08
B,F
0.06
C,E
0.04 0.02 0.00 0.001
0.01
0.1
1
10
Zo(m)
Figura 3.4 Módulos de la longitud inversa de Monin-Obukhov en función de la longitud de la rugosidad de la superficie para diferentes clases de estabilidad. La longitud de Monin-Obukhov es negativa para estabilidades de clase A a C, y positiva para estabilidades de clase E a G. 5 Ver figura 3.4. Para una estabilidad de clase D, L= (señalado por un valor grande L=10 m) mientras que para las condiciones no neutras se adopta la siguiente ecuación (L en m): 3.58 Donde los parámetros aMonin y bMonin son dados como una función de la clase de estabilidad. Tabla 3.9 Parámetros aMonin y bMonin son dados como una función de la clase de estabilidad. Clase de estabilidad
A
A/B
B
B/C
C
C/D
E
F
G
aMonin
-11.4
-17.2
-26
-56.5
-123
-425
123
26
11.4
bMonin
0.1
0.135
0.17
0.235
0.3
0.375
0.3
0.17
0.1
Perfiles de viento vertical El perfil de viento vertical más simple es aquel donde la velocidad del viento es constante conforme se incrementa la altura en la atmosfera. Para proporcionar un modelo más realista, el UDM también provee una ley de potencia de la forma:
z u a (z)= u( z ref ) z ref
p
3.59
Donde: ua es la velocidad del viento en el ambiente (m/s), z es la altura sobre el nivel del suelo (m), z ref es la altura de referencia para medir la velocidad del viento (m/s), p es el perfil de potencia del viento. El perfil de la ley de potencia es una aproximación logarítmica del perfil del viento dada por:
96
u a (z)= Donde
u* k
z z0 z - ln L z0
3.60
u* es la velocidad de fricción (m/s), k constante de Von Karman 0.40, z0 longitud de rugosidad superficial (m), L
longitud de Monin-Obukov (m). El perfil logarítmico describe con precisión la variación de la velocidad del viento con la altura en la capa límite de atmosférica. Velocidad de fricción La velocidad de fricción
u* se obtendrá por la evaluación logarítmica del perfil de velocidad del viento a la altura z=z ref.
El exponente de la ley de potencia p, se calcula mediante el ajuste de la pendiente del perfil de la ley de potencia a la pendiente del perfil logarítmico del viento, promediado sobre la capa de 10 a la capa de 100 m. Wind Power Law Exponent
Power Law Exponent 0.7 0.6
Stability 0.5
F E
0.4
D 0.3
C B,A
0.2 0.1 0 0.01
0.1
1
Zo(m)
Figura 3.5 Variación del exponente de de la ley de potencia como una función de la longitud de la rugosidad de la superficie y clase de estabilidad La figura 3.5 muestra que p es fuertemente dependiente de la clase de estabilidad para condiciones estables (E-G), pero es insensible a la clase de estabilidad para condiciones estables (A-C). Del mismo modo, p es bastante insensible a la longitud de la rugosidad de la superficie, z0, a bajos valores de z0, pero más sensible a altos valores de z 0. Temperatura El perfil de temperatura más simple es donde la temperatura atmosférica es constante con la altura. El siguiente más complicado es un perfil lineal dado por:
T(z) = T( zref ) + (z - zref )
3.61
97
Donde: Ta es la temperatura atmosférica (K), z altura (m), zref altura de referencia para temperatura y presión (m), gradiente de temperatura (K/m). Valores de para varias calases de estabilidad se enlistan en la tabla 3.10, interpolado para clases intermedias A/B, B/C Y C/D.
Tabla 3.10 Modelo de variables atmosféricas
o
(W/m2)
variable
A
A/B
B
B/C
C
C/D
D
E
F
G
-0.02
-0.019
-0.018
-0.017
-0.016
-0.013
-0.01
0.005
0.028
0.04
H0
250
180
150
125
90
45
0
-15
-5
-2.5
Un perfil de temperatura logarítmica se obtiene integrando el gradiente de temperatura:
kz dT z + =h 3.62 L T * dz Donde: k es la constante de Von Karman, 0.040; T * temperatura escalada (K), gradiente adiabático seco, g/Cpa = 9.81/1004 = 0.00977 (K/m), L es la longitud de Monin-Obukhov (m). La función tiene diferentes formas dependiendo de la clase de estabilidad. Presión El UDM ofrece escoger entre dos perfiles de presión atmosférica: en uno de los cuales es constante con la altura, y uno donde la presión decrece linealmente con la altura. Este último se obtiene del gradiente de presión dado por:
dP = - g dz
3.63
Otras variables atmosféricas Humedad: La humedad relativa rh se asume que es constante con la altura. Densidad: La densidad atmosférica a a la altura z es calcula a la temperatura atmosférica Ta, presión Pa y humedad rh a la altura. La ecuación de gas ideal es asada asumiendo la humedad del aire que consiste de aire seco y vapor de agua. La ecuación adoptada es por lo tanto:
3.64 Donde R es la constante de gas ideal, P v (Ta) es la presión de vapor de agua en el air, M a es el peso de molecular de aire seco, y Mw el peso molecular del agua. Composición: La composición de la atmosfera se asume constante con respecto a la altura. 3.7.4 ATERRIZAJE, DESPEGUE Y TOPE CON LA CAPA DE MEZCLA. Las emisiones elevadas podrían aterrizar en algún punto viento abajo. Además, todas las emisiones podrian volverse flotantes, ya sea después de aterrizar, o mientras estan elevadas. Mediante la comparación de las condiciones de la nube
98
con el aire alrededor en todo tiempo después de la emisión tanto el aterrizaje como el despegue pueden ocurrir en cualquier punto. Con la capacidad de aterrizaje no se requiere retroceder etapas para compensar los cambios en el perfil de la nube después del aterrizaje del frente y del centroide. Mediante la medición del Despegue y el perfil de concentración vertical de la nube, se pueden medir las concentraciones a nivel de piso. Esto es importante al calcular las distancias de efectos. Las nubes flotantes pueden toparse con la Capa de mezclado, evitando que el centroide se eleve arriba de la altura de la capa de mezclado. Esta altura varía con la clase de estabilidad meteorológica, y es menor en condiciones más estables. Figure 9.9.5: Cloud modelados Profile Duringcon Touchdown Por tanto, afecta a casos estabilidad F en particular.
z (m) 10 3 y 3 contour 5
z
R y ,R z contour
H eff ,W contour
z cld
eff
0 ground-level
-5
-10
-20
-10
0
10
20
y (m) Figura 3.6 Perfil de la nube durante el aterrizaje 3.7.5 EMISIONES QUASI – INSTANTÁNEAS Si se modela una emisión continua de corta duración, podría cambiar su forma en algún punto de tal manera que sea más similar a una nube instantánea (forma de esfera) que a la forma tradicional larga y delgada de una nube continua. Si la relación de longitud a anchura cambia de manera que radio > longitud x 0.35 la nube continua se convertirá en una nube Quasi – Instantánea. Las nubes Quasi – instantáneas siguen el mismo modelo de dispersión que las nubes instantáneas. Esto significa que toda su área superficial está disponible para incorporar aire y expandirse por gravedad, en lugar de solo el frente y los lados (como con emisiones continuas). Esto conduce a un decremento de concentración mas rápido mientras la nube se desplaza a favor del viento. Algunas emisiones continuas de corta duración viajan gran distancia después de la transición a la etapa pasiva antes de convertirse al modelo quasi – instantáneo. Estos casos a veces viajan más de lo que se espera en realidad.
99
La mejora por Duración Finita (FDE) se introdujo como alternativa al enfoque Quasi – instantáneo para estas emisiones. La mejora por duración finita toma en cuanta gradualmente el efecto de la difusión viento abajo. Evita la necesidad de un cambio entre los modelos de dispersión continuo e instantáneo en un punto predefinido. La FDE es para escenarios de “peor caso” – F 1.5 m/s- que cumplan con lo siguiente: Emisión a nivel de piso No presurizadas No condensación significativa Corta duración Tasa de emisión uniforme
La FDE generalmente produce mayores concentraciones en el campo cercano, y concentraciones más bajas lejos viento abajo. No debe usarse para emisiones que no viajen lejos (menos de una milla). 3.7.6 TIEMPO PROMEDIO Cuando la nube alcanza la Etapa IV en su dispersión –la Etapa Gausiana – ya no viaja en línea recta. Por lo tanto, como PHAST comienza todos sus cálculos en el centro de la nube, donde la concentración es la mayor, toda medición instantánea durante la Etapa Gausiana será conservadora. Las mediciones instantáneas solo toman en cuenta el punto de concentración más alta en la nube y no así meandros***, bolsas de concentración localizadas o incertidumbre de datos meteorológicos que pudieran afectar la pluma Gausiana. Por lo tanto, las mediciones toxicas, para las cuales son de interés tiempo de exposición mayores, se miden normalmente usando un tiempo de promediación mayor. Los materiales inflamables, los cuales normalmente no llegan hasta la Etapa Gaussiana normalmente se miden usando un tiempo de promediación mas corto, efectivamente instantáneo.
100
Distancia perpendicular al viento y (m)
t3
t2 t1
Distancia en dirección del viento (m)
(a)
Desarrollo del estado de equilibrio
Concentración en la linea central (Kg/m3)
Desarrollo del estado estable Despues de la corrección por duración finita
Distancia en la dirección del viento (m)
(b) Figura 3.8 Modelos UDM para liberaciones de duración finita. Se considera que la fuente de la liberación esta a nivel de suelo x=o; localización de la nube de UDM a tiempos sucesivos t1, t2, t3. El inciso a muestra el modelo cuasi – instantánea; (b) muestra un modelo de duración finita, ajuste a estado estacionario en la línea central de concentración Si se toma como ejemplo la emisión de arriba, el tiempo de promediación aplica cuando la nube se vuelve pasiva. Cuando la nube esta activa, el perfil de concentración será constante. Si hay un monitor donde la nube es activa, siempre medirá la misma concentración sin importar cuán larga sea su duración. Cuando la nube se vuelve pasiva, el viento causara que la nube tenga cambios de dirección. Si hay un monitor donde la nube sea pasiva, a veces podrá medir el frente de la nube. En otras veces podrá estar midiendo el centro o completamente nada al haber rebasado la nube dicho punto. Por lo tanto se usa un tiempo de promediación para encontrar la concentración en ese punto. No habrá diferencia en los valores de concentración para los distintos tiempos de promediación hasta que la nube se vuelva pasiva. Hay dos tiempos de promediación básicos en PHAST:
101
Sustancia tóxicas – 10 minutos Sustancia inflamables – 18.75 segundos
Además, se pueden seleccionar otros tiempos de pro mediación cuando se alimentan los datos del caso: ERPG – 60 minutos IDLH – 30 minutos STEL – 15 minutos Definidos por el usuario – no especificado Aspectos instantáneos y promediados de la expansión transversal de una pluma. 3.7.7 AEROSOLES Y CONDENSACIÓN El UDM toma en cuenta la formación de aerosoles al inicio de la emisión, y después sigue a las gotas hasta el final de la dispersión, el punto de condensación, o el punto de evaporación. Se calcula un tamaño promedio de gota y esa gota es seguida hasta su aterrizaje. Se asume que toda la condensación ocurre en ese punto. Se usa un Modelo para Gotas de No-Equilibrio para considerar las temperaturas por separado de vapor y liquido. Esto permite que el liquido se sub-enfrié al evaporarse antes del aterrizaje.
3.8 COMPORTAMIENTO DE CHARCOS LÍQUIDOS Las gotas que aterrizan se expanden para formar un charco. Muchos factores son importantes para determinar las características del charco, particularmente el tipo de superficie, su temperatura y la presencia, o no, de un dique. El charco puede encontrarse en cualquiera de las siguientes superficies:
Concreto Concreto aislante Suelo seco Suelo húmedo Agua somera – datos de reacción y disolución contenidos en base de datos químicos Agua profunda Definida por usuario – propiedades térmicas contenidas en archivo de parámetros
Se consideran los siguientes mecanismos de trasferencia de calor: Conducción a/desde el piso – la temperatura superficial varia con el tiempo sobre el agua (puede haber formación de hielo si se derrama sobre charco somero).
Convección – se consideran los flujos de aire laminar y turbulento sobre la superficie Radiación – flujo solar en charco / radiación de onda larga a/desde el charco. Calor de Disolución – si el material se disuelve en agua Calor de Reacción – si el material reacciona con el agua Perdida de calor debida a evaporación /ebullición.
Una vez que el tipo de superficie, transferencia de calor y dique (si hay) se han usado para determinar las características del charco, la cantidad de vaporización, puede calcularse. La modelación de la evaporación de charcos depende del tiempo y se altera al cambiar profundidad, radio y temperatura.
102
3.8.1 PARÁMETROS DEL MODELO DE VAPORIZACIÓN DE CHARCO Presencia de dique: Se considera que el dique es circular. Este puede limitar el área del charco, y puede tener efecto significativo en la velocidad de evaporación, calculada en el modelo de dispersión. Tipo de superficie: Describe la superficie sobre la cual el liquido que se precipita se difundirá. Se puede escoger de de la siguiente tabla. Cada uno tiene diferentes características para difusión del charco y evaporación. Tabla 3.11 Conductividad y difusividad térmica para diversas superficies que modifican la difusión y evaporación de charco.
Tipo de superficie
Conductividad Térmica Difusividad térmica (W/m/K)
(m2/s)
Suelo mojado
2.21
9.48x10
Suelo seco
0.32
2.44x10
Concreto
1.21
5.72x10
Concreto aislado
0.22
8.27x10
Agua
0.599
1.43x10
-7
-7 -7 -7 -7
El tipo de superficie no afecta el modelo de dispersión. Los efectos de la superficie que rodea a la dispersión se rige por el parámetro de rugosidad, el cual se fija en los parámetros. Modela la vaporización de un charco de líquido, calculando el diámetro del charco y la velocidad de evaporación como una función del tiempo. Al modelar las consecuencias de la liberación de materiales peligrosos, uno de los aspectos más importantes es determinar un modelo de liberación realista para proveer datos de entrada al modelo de dispersión atmosférica. Un modelo fuente es un charco el cual ha sido formado por el escape de liquido de contención. Las cantidades de interés para los datos de entrada en el modelo de dispersión son entonces la velocidad a la cual el vapor se produce a partir del charco, el tamaño del charco (lo cual determina las dimensiones iniciales de la dispersión de la nube), y la temperatura del vapor. PHAST, puede modelar la difusión y vaporización de charcos, sean en agua o en tierra. Para ambos tipos de localización, los cálculos consideran la conducción de calor del suelo, la convección del aire en el ambiente, radiación y difusión de vapor, los cuales son usualmente el principal mecanismo de ebullición y evaporación. Para charcos en agua, el programa también considera el calor que puede ser generado en solución y posible reacción del líquido con el agua, la cual puede ser importante para algunas sustancias químicas. Estos comportamientos son modelados numéricamente para una serie de pasos de tiempo, sustentando los balances de calor y masa. Para cada paso de tiempo en los cálculos numéricos, el programa calcula el radio del charco, entonces evalúa el balance de calor en el charco, y de esto determina el cambio en la temperatura del charco, y la velocidad de vaporización. Dando la velocidad de vaporización, se puede calcular la masa y dimensiones del charco al final del paso de tiempo, y esto permite calcular la velocidad de dispersión y el radio para el siguiente paso de tiempo.
103
En el caso de una elevada descarga en forma de chorro, a dos fases, la velocidad de líquido o la masa total de líquido removida de la nube (lluvia) es usada como dato de entrada para modelar un charco, y entonces establecer la velocidad de vaporización, o conjunto de velocidades, para simular una velocidad de vaporización dependiente del tiempo. 3.8.2 GEOMETRÍA DEL CHARCO La forma del charco al tiempo t es idealizado para un cilindro circular de radio r(t) y un espesor uniforme h(t), con una fuente puntual situada en su centro.
M pool (t ) r 2 (t ) h(t ) L
3.65
Donde L es la densidad del líquido. 3.8.2.1 Balance de masa La masa en el charco incrementa debido a derrames en el punto de origen (liquido dentro del charco por lluvia y/o fugas de liquido), y reduce como consecuencia de la evaporación de liquido. En el caso de un charco en agua, también reducirá debido a la disolución en agua. Debido a la conservación de la masa se requiere:
dM pool dt
S (t ) Evap (t ) E sol (t )
3.66
Donde S(t) es la velocidad de derrame (Kg/s), Evap(t) la velocidad de vaporización y Esol(t) la velocidad de disolución en agua (Kg/s). Para un charco en tierra, Esol(t) = 0. La ecuación superior describe el caso general para una descarga dependiente del tiempo. Para una descarga instantánea, la masa inicial en el charco Mpool (0) será la descarga de liquido instantáneamente, y la velocidad de derrame S(t) = 0 para t > 0. Para una descarga continua, la velocidad de derrame es constante para S(t) = S. para un tiempo suficientemente largo, un estado de equilibrio se alcanzará y la ecuación (de arriba) se reduce a:
dM pool dt
0 S Evap Esol
3.67
Donde Evap, Esol, r, y h son constantes para el resto de la descarga. 3.8.2.2 Balance de calor El modelo de derrame de líquido puede describir la difusión y vaporización de charcos de líquido derramado en tierra o en agua. Para derrames en tierra el modelo tamo en consideración el calor de conducción del suelo, la convección del ambiente del aire, la radiación y difusión de vapor. Estos son usualmente los principales mecanismos de ebullición y evaporación. Una solución y posible reacción del líquido e el agua están también incluidas para derrames en agua, esto es importante para algunos químicos. Estos efectos son modelados numéricamente, manteniendo los balances de calor y masa para charcos en ebullición y evaporación. Esto hace a la temperatura del charco variar debido al calor absorbido por el líquido o por perdida durante la evaporación. Para cada paso de tiempo en los cálculos numéricos el balance de calor en el charco es evaluado y de este son determinados, el mecanismo de vaporización (p. ej. Ebullición o evaporación), velocidad de vaporización y la temperatura del charco. Una vez que el radio del charco ha sido fijado, el programa puede calcular la velocidad neta del flujo de calor dentro del charco sobre el paso de tiempo:
104
Qnet = Qcond + Qconv + Qrad + Qsol + Qspill - Qevap
3.68
Donde Qcond es la velocidad del flujo de calor de conducción, Q conv es la velocidad del flujo de calor por convección, Qrad es la velocidad del flujo de calor de la radiación solar, Q sol es la velocidad de del flujo de calor por disolución, Q spill es la velocidad del flujo de calor del liquido derramado, y Qevap es la velocidad del flujo de calor por evaporación (W). Inicialmente, la temperatura del charco Tpool, se considera igual a la temperatura de líquido derramado Tspill. La velocidad de cambio de la temperatura del charco sobre el paso de tiempo dado es calculada de velocidad neta de flujo de calor en el charco: 3.8.2.3 Formación de capa de hielo La ebullición de materiales criogénicos en agua puede resultar en la formación de una capa de hielo en la superficie del agua, y esto afectara la velocidad de conducción. En general, los derrames en una gran extensión de agua no forman una capa de hielo dado que hay una convección constante de calor del agua hacia adentro del charco. Las descargas de líquidos con un punto de ebullición menor que el agua dentro de pequeños volúmenes de agua puede de cualquier modo resultan en la formación de una capa de hielo. El modelo aquí asume que si el agua es poco profunda, la convección de calor dentro del agua al charco es inhibida y una capa de hielo es formada. Con formación de hielo Si el líquido tiene un punto de ebullición por debajo del agua, y el volumen de agua es pequeño, entonces se puede formar hielo. En PHAST, se especifica la profundidad del agua cuando se fija el tipo de superficie Surface Type, desde la lista de tipos de superficies que ofrece elegir entre agua profunda o agua poco profunda. Los cálculos asumen que se formará hielo si el tipo de superficie se fija como poco profunda, y el líquido tiene un punto de ebullición inferior al de agua. El método de cálculo de la velocidad del flujo de calor dentro del charco cuando una capa de hielo se forma en la superficie del agua, asume que el espesor de la capa de hielo incrementa con el tiempo conforme el material criogénico enfría el agua a mayor profundidad. Sin formación de hielo El programa sume una velocidad constante de transferencia de calor del agua al charco. Durante el día el charco puede ganar calor de la radiación solar. Ondas largas de radiación pueden asimismo hacer una pequeña contribución. Durante la noche, cuando no hay radiación solar y la temperatura del aire puede ser menor que la del charco, el calor puede ser perdido del charco por ondas largas de radiación Disolución simple en agua (Todos los materiales, excepto amoniaco). La teoría para disolución en agua ha sido desarrollada por analogía con la desarrollada para evaporación de charcos en agua. Disolución con reacción (Solo Amoniaco) Un método diferente es requerid si hay reacción entre el liquido derramado y el agua, ya que se debe describir la solución y el calor producido cuando el amoniaco se disuelve en agua. Este modelo no puede, sin embargo, ser apropiado para otros materiales los cuales reaccionan con agua, y debe ser solo usado cuando se modela para amoniaco. La velocidad de solución de líquido dentro del agua es calculada como se describió arriba para disolución simple, y esto se asume que es igual como la velocidad de solución de agua dentro del charco liquido. La fracción másica de líquido en el
105
charco puede entonces ser calculada para cada paso de tiempo, conociendo el total de las masas, descargada, vaporizada y disuelta. El modelo hace uso de la variación de la entalpia de una mezcla agua-liquido como una función de la fracción másica de líquido en la mezcla. 3.8.3 VELOCIDAD DE ESPARCIMIENTO EN EL CHARCO El radio del charco es la variable dependiente del tiempo más importante en los cálculos de vaporización, ya que la velocidad de vaporización es directamente proporcional al área superficial del charco, y el radio a un tiempo dado depende de la velocidad de esparcimiento, que a su vez es función de la masa y dimensiones del charco. El programa calcula la velocidad de esparcimiento para cada t usando la masa y dimensiones del charco del término del paso de tiempo anterior. El área superficial, es una variable importante en los cálculos de velocidad de vaporización. Diferentes ecuaciones son usadas para calcular el radio del charco dependiendo de donde ocurre la descarga, en tierra o en agua, y si es esta instantánea o continúa. 3.8.3.1 Calculo de difusión de Charco en la tierra La velocidad de difusión de un charco en la tierra es encontrada por integración numérica de la ecuación dada por Opschoor (1979):
dr = [2g(h - hmin ) ] 1/2 dt
3.69
Donde r es el radio del charco (m), t es el tiempo desde el inicio de la liberación, g es la aceleración de la gravedad (m/s), h es el espesor del charco (m), y hmin es el espesor mínimo del charco (m). Esto supone que la fuerza impulsora para la propagación está formada por la diferencia hidrostática entre el espesor de la capa de líquido actual y un espesor mínimo de charco característico para el sustrato. 3.8.3.2 Calculo de difusión de Charcos en agua Para describir la dispersión de líquidos en agua, ha sido adoptado el modelo de Dodge et al. (1983), un modelo de cuatro fuerzas (A) y tres regímenes (B). Cada régimen es dominado por el balance de dos fuerzas principales, los regímenes ocurren secuencialmente. (A) Fuerzas en el charco Las cuatro fuerzas en el charco consideradas son: 1) Dispersión por fuerzas de gravedad
gh F G = M pool r
3.70
Donde D es el factor de densidad relativa dado por (r w – rL) / rw, con rL , rw son las densidades del liquido y del agua 3 (kg/m ). 2) Fuerza inercial
F I = - M pool
2 r d r M pool 2 2 2t dt
3.71
106
3) Fuerza por arrastre viscoso 1/2
r w F D = r w t w t 2
3.72
Donde mw es la viscosidad dinámica del agua (Kg/m/s). 4) Fuerza de tensión superficial
FS = 2r
3.73 Donde es la tensión superficial neta (N/m), dada por (wa – La – Lw) con wa , La , Lw siendo la tensión superficial del agua-aire, aire-liquido y agua-liquido respectivamente. B) Regímenes de difusión Cada régimen es dominado por el balance de dos fuerzas principales, el régimen ocurre secuencialmente. Gravedad – Inercia Este es el primer régimen que ocurre, en el cual la difusión por fuerzas de gravedad e inerciales son aproximadamente igual. Gravedad - Viscosidad Este es el segundo régimen que ocurre, en el cual la difusión por fuerza de gravedad y arrastre viscoso son aproximadamente igual. Viscosidad – Tensión Superficial Para líquidos no volátiles los cuales pueden difundirse para formar capas delgadas y puede entonces, haber un tercer régimen, en el cual las fuerzas por arrastre viscoso y por tensión superficial son aproximadamente iguales. En la práctica, con el mínimo espesor, criterio implementado en este modelo, el régimen de viscosidad – tensión superficial no es encontrado. 3.8.3.3 Restricciones en la difusión Se asume que la dispersión del charco crece concéntricamente hasta que alcanza una obstrucción tal como un dique de contención (p. ej. Área de confinamiento secundario, también se conoce como un dique), o hasta que alcanza un espesor mínimo. Cuando el charco ha alcanzado un dique de contención el radio del charco contenido es igual al radio del dique. Cuando el charco se ha extendido y vaporizado para producir un charco de una profundidad igual al espesor mínimo, la propagación se ve obligada a ser consistente con este espesor. A partir de entonces el radio no será una simple función del tiempo. Para una descarga instantánea, una vez que el espesor mínimo ha sido alcanzado el charco comenzara a reducirse, manteniendo este espesor. Para derrames continuos la velocidad de propagación será restringida una vez que el espesor mínimo se alcanza, pero en la mayoría de los caso el charco continuara creciendo lentamente si se descarga mas material dentro del charco. Una vez que la descarga termina el charco normalmente se contrae como para el caso instantáneo.
107
Tabla 3.12 Valores usados en el programa para un espesor mínimo Tipo de superficie Espesor mínimo del charco (m) Suelo mojado
0.03
Suelo seco Concreto
0.05 0.01
Concreto aislado
0.01
Agua
0.001
3.8.4 EVAPORACIÓN DE CHARCO Usualmente un charco aumenta su tamaño desde que comienza la emisión (ya que mas material se condensa y el charco se expande hasta su máximo espesor) después disminuye luego que la emisión termina (ya que el material se evapora). Durante este tiempo la tasa de evaporación varía. Como se menciono, antes, la dispersión del material evaporado será calculada por PHAST. El UDM, sin embargo, requiere una tasa de emisión constante para los cálculos de dispersión. Por tanto, PHAST dividirá el tiempo durante el cual el charco está presente en varios segmentos y determinara una tasa de evaporación promedio para cada uno de esos segmentos. El programa dividirá automáticamente la evaporación del charco en segmentos múltiples de manera que cada segmento tenga una categoría igual. Los detalles de estos segmentos de charco se encuentran en el reporte de evaporación de charco. 3.8.4.1 Segmentos de Nube Múltiples El comportamiento de la evaporación de charco después de la emisión puede generar segmentos múltiples de charco como se describe arriba y segmentos múltiples de nube. Cuando hay condensación después de la emisión, el charco se vaporizara y contribuirá a la nube de vapor. Al moverse la nube a favor del viento, la evaporación del charco continuara contribuyendo a la nube. Cuando la nube rebasa la orilla del charco, la evaporación del charco creara otra nube detrás de ella. La mayor parte del tiempo la nube tendrá múltiples tasas de evaporación. Cada nube podría tener varias tasas de evaporación que contribuyan a la formación de la nube. Cada vez que las características de la nube cambien, como cuando la tasa de evaporación del charco cambie o cuando la nube rebase la orilla del charco, se crea un nuevo segmento de la nube. El reporte gráfico muestra exactamente como se forma la nube al paso del tiempo mediante la opción dinámica. Cuando ciertas graficas (por ejemplo, la vista de planta) son visualizadas es posible observar el desarrollo de la nube con el paso del tiempo 3.8.4.2 Emisiones Dependientes del Tiempo PHAST puede tomar en cuenta, si se especifica, el hecho de que muchas emisiones no tendrán una tasa de emisión constante. Para ello, el programa modelará una tasa de emisión inicial, media y final para cubrir todos los fenómenos. Esta opción considera: La disminución del flujo másico, velocidad y otros parámetros de emisión
108
Para emisiones de líquidos considerara: 1. 2. 3. 4. 5.
Material. Forma del recipiente. Altura del orifico Expansión por efecto champaña Autorefrigeración.
3.9 MODELACIÓN DE EXPLOSIÓN DE NUBE DE VAPOR PHAST proporciona tres modelos de explosión de nube de vapor para usarse ya sea como parte del análisis concatenado (usando los modelos de tubería, recipiente o definidos por el usuario) o como modelos separados o de alimentación directa, observando solo los riesgos de interés. Estos son:
TNO Multi Energy TNT Equivalency Baker Strehlow
Cuando se usn estos modelos en el análisis vinculado al estudio “tanque/tubería”, el usuario debe definir qué tipo de modelo de explosión desean que se incluya como parte de los datos de alimentación del caso. 3.9.1 PARÁMETROS QUE DESCRIBEN LA NATURALEZA DE LA EXPLOSIÓN Factor de reflexión del suelo: Para una explosión localizada a nivel de suelo, se debe fijar el factor de reflexión igual a 2, y la energía de explosión será el doble. Para una explosión localizada en aire, se ajusta el factor de reflexión del suelo a 1, por lo que la energía de explosión no será modificada por el factor de reflexión del suelo. Reactividad del material: La reactividad se selecciona entre Alta (Hidrogeno, acetileno, oxido de etileno, oxido de propileno). Media (La mayoría del resto de los materiales), Baja (Metano y monóxido de carbono). Expansión de la Flama: Se selecciona entre 1, 2 o 3 dimensiones, y describe las limitaciones en la expansión de la flama. Un alto grado de restricción (por ejemplo: 1D) incrementa la velocidad de combustión y el exceso de presión. Un alto grado de restricción (por ejemplo, 1D) aumentará la velocidad de combustión y por tanto el exceso de presión. Obstáculo de la densidad: Esta es una elección entre Baja, Media o Alta. Los obstáculos por alta densidad incrementan la velocidad de combustión, lo que aumenta la presión. Volumen confinado: Se debe especificar el volumen de la región confinada (cuando la opción esta deshabilitada es porque la masa ya ha sido indicada). Se asume que todas las partes de la nube fuera de este volumen, están en regiones no confinadas, y no son capaces de generar sobrepresiones significativas. Si el volumen de la nube es menor que el Volumen Confinado, entonces el programa usara el volumen del la nube en los cálculos. Criterio de localización de la explosión: Este parámetro permite escoger la localización del epicentro de una explosión retardada, donde se define la ubicación en relación con las dimensiones de la nube. Este parámetro contiene las siguientes opciones: Frente de la nube(Fracción LFL) Centro de la nube Frente de la nube (LFL)
109
Si elige Frente de la nube (Fracción LFL), el epicentro se encuentra en el lugar más lejano a favor del viento en la que la concentración es al final, igual a la fracción LFL fijada en los parámetros inflamables. Si elige Centro de la nube, el epicentro se encuentra en el centro de la nube para una liberación instantánea, y en el centro de gravedad de la nube para una liberación continua, donde la ubicación del centroide en la dirección del viento (x), se obtiene tomando un promedio ponderado del punto central de cada segmento de la liberación. Si elige Frente de la nube (LFL), el epicentro se encuentra en el lugar más lejano a favor del viento en el que la concentración es igual a la LFL. 3.9.2 USO DE LOCALIZACIÓN POR IGNICIÓN RETARDADA La localización de ignición retardada es la distancia horizontal del punto de descarga a la de la distancia donde se produjo la ignición, usada para dar una representación del efecto – distancia para una explosión de nube de vapor. La localización puede ser especificada pero, si no se especifica, entonces el programa considerara un rango de localizaciones de explosión para diferentes etapas de la dispersión de la nube, y usara la localización de la ignición que da la distancia del mayor efecto. En los cálculos de los efectos de la ignición retardada, el programa toma en cuenta la masa flamable de acuerdo a lo especificado en los parámetros Flamables. Si se especifica una localización que esta fuera de la región flamable de la nube (por ejemplo: si la distancia es mayor que la distancia a la distancia especificada para alcanzar la fracción de LFL), entonces el programa usara la localización de ignición a la cual se da el mayor efecto a distancia, como lo hace cuando no se establece un lugar. La localización de fuente de ignición en relación con la geometría de la nube depende de los criterios de localización de la explosión fijados en los parámetros de Explosión. Las liberaciones instantáneas producen resultados de Explosion Temprana ubicada en el origen despues de que ocurre la emisión. Tanto las liberaciones instantáneas como las continuas producen resultados de Explosión Tardía basados en los resultados del peor caso. Para calcular el peor caso la masa inflamable se mide cada diez metros (o cualquiera que sea la distancia que se define en el parámetro “tamaño de paso flamable”) y después la distancia a las sobrepresiones de interés se mide con base en una explosión de esa masa a esa distancia. El peor caso de explosión para cada sobrepresión es entonces calculado (las explosiones más cercanas al origen pueden producir mayores distancias de afectación debido a que las masas inflamables son mayores). La definición de la fracción de LFL se fija en los parámetros flamables. 3.9.3 MODELO DE EXPLOSIÓN TNT El modelo TNT es el modelo de explosión más directo, y produce solo resultados de sobrepresión (no impulso). Solo requiere dos datos; el primero es que tipo de explosión será modelada –con detonación en suelo o en el aire. La detonación en aire se basa en un modelo esférico, la detonación es suelo en un modelo hemisférico. Si la masa flammable en la nube es menor que la Masa mínima de Explosión (m min=0) establecida en los parámetros de Explosión, entonces la explosión no ocurrirá, y el modelo no es ejecutado. El radio de Explosión, R’, es la distancia del centro de la explosión a la distancia de interés: Se pueden especificar tres sobrepresiones de interés. Para una explosión inmediata, se asume que el punto de la liberación es el centro de la explosión, por lo que la distancia a la sobrepresión indicada, de la fuente de la liberación es el mismo que el radio de explosión. Graficas de sobrepresión vs. Distancia
110
PHAST, considera hasta 50 pasos de la localización de la descarga a la máxima distancia d max. Las sobrepresiones para esta grafica son entonces calculadas del mismo modo, como las sobrepresiones para las distancias de interés. 3.9.4 MODELO DE EXPLOSIÓN “MULTI-ENERGY” El modelo TNO-Multi-Energy es más sofisticado y físicamente mas realista que el modelo TNT. Divide la nube en base a las diferentes áreas que cubre y toma en cuenta hasta siete sub-fuentes. Cada area puede tener un valor un confinamiento propio y, ya sea volumen confinado o fraccion de la nube especificados. Fuerza de la detonación de sub-explosion: La fuerza de la detonación alimentada predice la curva seleccionada (1-10) para calcular sobrepresiones. Definiciones de volúmenes confinados: Volumen confinado = 2 x (Lo que sea dentro de 2m de obstáculos) TRC O lo que sea dentro de 5m de obstáculos HSE. El modelo TNO produce resultados de sobrepresión e impulso para cada fuente de detonación por separado. Como las zonas de riesgo pueden traslaparse las sobrepresiones pueden ser aditivas. Esto hace al modelo TNO relativamente difícil de interpretar. 3.9.5 MODELO DE EXPLOSION BAKER-STREHOLOW El modelo de Baker-Strehlow requiere datos de alimentación tal como la reactividad del fluido, expansión de la flama, densidad de obstáculos, reflexión en el suelo. Si se usa el modelo de Baker como parte del análisis concatenado también se requiere el volumen confinado. Para obtener la sobrepresión e impulso a una distancia dada, el programa calcula el valor de x para dicha distancia, entonces usa tablas de consulta (que corresponden a las graficas), para derivar una estimación del valor de y y y’, para cada velocidad de flama. Los valores de y y y’ de la velocidad de la flama real se obtienen por interpolación, y el programa entonces convierte y a una sobrepresión y y’ a un impulso. El programa considera una serie de distancias igualmente espaciadas del centro de la explosión. Para cada distancia escalada, el programa usa la tabla de búsqueda (Apéndice B??) para sobrepresiones para obtener la sobrepresión escalada para cada velocidad de flama, interpolando entre la distancia en la tabla para obtener los valores para una distancia actual. Para cada distancia escalada, el programa usa la tabla de consulta (Apéndice B??)para impulso, para obtener el impulso escalado para cada velocidad de la flama, interpolando entre la distancia en la tabla para obtener valores de la distancia actual.
3.10 MODELOS INFLAMABLES PHAST, proporciona cuatro tipos de cálculos inflamables Bolas de fuego/BLEVE Dardos de fuego Charcos de fuego
111
3.10.1 Parámetros Niveles de radiación para reportar: El modelo de consecuencias calcula y reporta los efectos a distancia para tres niveles de radiación, y se usa este parámetro para fijar cuáles son esos tres niveles de radiación. Se pueden fijar valores en cualquier orden en este campo; los niveles de radiación aparecerán en orden ascendente en la sección de dardo de fuego del Reporte. Máxima duración de la exposición: La duración de la exposición es el tiempo que alguien tardara en mantener en el rango de radiación antes de que intente escapar. Algunos de los cálculos de radiación pueden ser realizados en términos del nivel de letalidad, y la exposición de la duración es usada en los cálculos de letalidad. El tiempo default es fijado de 20 segundos, pero otros valores pueden ser validos. Para una descarga continua, el diámetro D del fuego temprano en cargo es:
D min Dbalance , Dt
3.74 Donde Dbalance es el diámetro del charco al cual la velocidad de descarga de liquido es igual a la velocidad de combustión: Dt es el diámetro para un tiempo t. 3.10.2 Modelo de Fuego en Charcos Este modelo calcula la forma e intensidad de la flama, y una amplia gama de resultados de radiación. La flama es modelada como un cilindro en la dirección del viento, con diámetro D, altura H, y un ángulo con inclinación t (medido de la vertical), la flama es descrita por tres círculos (c1, c2, c3) dispuestos a lo largo de la línea central de la flama, cada uno definido por la coordinada x, en la dirección del viento y l elevación z del centro del circulo, y por el radio r. estas coordenadas del circulo de la flama, son los principales datos de entrada para los cálculos de radiación.
Figura 3.9 Forma de la flama de un charco de fuego El diámetro es uno de los datos de entrada para el modelo de Fuego de charco, y no es calculado. Normalmente se usara el modelo si se ha obtenido el diámetro de otro modelo, y se quieren más detalles de los resultados de radiación. Si no se escogió la opción en el dialogo de forma flamable para usar la forma flamable, entonces el programa usara la longitud que se fija en el dialogo. Si se escoge el uso de la correlación, entonces el programa calculara la longitud del diámetro del charco. Si no se escogió la opción en el dialogo de forma flamable para usar la correlación de forma de la flama, entonces el programa usara el ángulo que está fijado en el dialogo. Si se escoge usar la correlación, entonces el programa calculara los ángulos. La inclinación de ángulo, t, puede ser aproximadamente calculada mediante la siguiente ecuación:
112
tan 0.7 Re0.109 Fr 0.428 cos
3.75
Donde Re es el número de Reynolds y Fr es el número de Froude dado por: Los charcos de fuego son definidos por tres círculos, donde el tercer circulo, c3, tiene un radio de cero, y es agregado para completar la superficie superior de la flama, ya que los cálculos que tratan la radiación de la flama como un conjunto de superficies cónicas, donde cada superficie cónica está limitada por dos círculos. Con estos tres cirulos, los cálculos de radiación modelaran la radiación de las dos superficies: del lado de la flama entre c1 y c2, y desde lo alto de la flama entre c2 y c3. Este enfoque garantiza que el fondo del charco de fuego no es tratado como una superficie radiante. El poder emisivo o emisividad Ef puede ser calculada para ambos tipos de flama: luminosa (luminous) y humeante (smoky), el tipo de flama es definido en los datos de propiedades para cada material. 3.10.3 Dardos de fuego PHAST tiene dos modelos distintos para describir la forma de la flama, producida por un dardo de fuego, Shell-Thornton y API. El primero trata la flama como un tronco de cono inclinado y el API como una pluma tipo “plátano” es decir cónica en los extremos e inclinada por el viento. Ver figura 3.10.
(a)
(b)
Figura 3.10 (a) Forma de la flama para el modelo de Shell-Thornton, (b) forma de la flama para el modelo API 3.10.3.1 MODELO SHELL-THORNTON PARA DARDOS DE FUEGO El poder emisivo superficial de flamas de jet y charcos de fuego no es constante pero varia con las condiciones de la descarga y del material. Para todos los tipos de flamas un cálculo numérico completo del factor de visión es llevado a cabo, incluyendo los efectos de la absorción atmosférica. En la sección siguiente los modelos para la forma de la flama y el poder emisivo son descritos, seguidos por una explicación de los cálculos de radiación. Forma de la flama El modelo de Shell (Chamberlain l987), describe la forma de un dardo de fuego como el tronco de un cono. Los parámetros descritos en el cono mostrada en la figura 3.11, han sido derivados de comparaciones con datos explerimentales de laboratorio y pruebas de campo. La flama es definida por cuatro círculos. El primero y el segundo tienen el mismo centro e inclinación, pero el primero tiene radio de cero. El tercero y cuarto tienen el mismo centro e inclinación pero el cuarto tiene radio de cero. Los círculos primero y
113
el cuarto, con sus radios de cero, son sumados a la superficie completa de la flama; los cálculos de radiación tratan a la flama como un conjunto de superficies cónicas, donde cada superficie cónica está rodeada de dos círculos, y estos dos círculos aseguran que la flama completa sea tratada como una superficie radiante:
z w2
RL w1
L
b
x
Figura 3.11 Geometria de la flama usada para modelar dardos de fuego mediante el metodo de Shell-Thornton El programa calcula la fracción de la masa flamable involucrada en el chorro de fuego, del modo siguiente:
f flam min 1, R fire 1 f rainout
3.76
Donde: Rfire Frainout
es el “Factor de corrección del chorro de fuego”, se fija en los parámetros de dardo de fuego es la fracción de líquido que se precipita calculada en el modelo de descarga.
El programa calcula entonces la velocidad del chorro o radio expandido, dependiendo de qué ítem fue completado en los datos de entrada. La flama es descrita por un conjunto de círculos. Cada círculo es definido por cuatro coordenadas, la coordenada x y la z del centro del círculo, el radio del circulo y la inclinación del circulo (). El modelo Shell para chorro de fuego es descrito por cuatro círculos. El primero y el segundo tienen el mismo cetro de inclinación, pero el primero tiene un radio de cero. El tercero y cuarto círculos, con sus radios de cero, son agregados para completar la superficie de la flama; los cálculos de radiación de la flama son trataos como un conjunto de superficies cónicas, donde cada superficie cónica está delimitada por dos círculos, y estos dos círculos aseguran que la flama entera es tratada como una superficie radiante. Calculo del poder emisivo El poder emisivo para flamas de “chorro de fuego” es calculado como sigue:
Fs = [0.21exp(-0.00323 u j )+0.11]f(MW)
3.77
Donde: f(MW) es una función del peso molecular para incluir la variación observada de Fs respecto al peso molecular del gas descargado.
114
1 MW f(MW) = 21 1 . 69
MW 21 21 MW 60
3.78
60 MW
3.10.3.2 MODELO API PARA DARDOS DE FUEGO Este modelo considera que el chorro se extiende hasta el LFL. Se ve afectado por la humedad, velocidad del viento y la dirección de la descarga. Calculo de la forma de la flama La flama es un mechero que puede ser venteado por el viento o por los efectos de la gravedad, es descrita por diez círculos (c1 a c10) equidistantes a lo largo de la flama. Cada circulo es definido por la coordenada x, a favor del viento y elevación z del centro del circulo, por el radio r, y por la inclinación del circulo con respecto a la horizontal f; la ilustración a continuación muestra una porción del centro de una llama con cuatro círculos:
Figura 3.12 Forma de la flama para el cálculo de dardos de fuego por el método API
Si no se escoge la opción para usar la correlación de forma de la flama en la sección de Flame Shape, entonces el programa usara la longitud de la flama que se fijo en el dialogo. Si se selecciona la opción para usar la correlación, entonces el programa calculará la longitud de la velocidad de descarga. La longitud de la flama, L, es calculada como:
L 0.003271918 QH Comb
0.478
3.79
Donde Q es el flujo másico descargado y Hcomb es el calor de combustión (obtenido de la base de datos del programa) y el radio máximo de la flama esta dado por:
Rmax
0.1244 L 2
3.80
Donde L es la longitud de la flama. Si la flama es horizontal, entones se asume que no hay deflexión por el viento. Para una flama vertical, el programa primero calcula la velación de velocidad, U ratio, como una medida del poder del viento para desviar la llama:
115
U ratio
UW U0
3.81
Donde Uw, es la velocidad del viento y U0 es la velocidad de la llama. Los círculos son equidistantes a lo largo de la flama, y la longitud de cada segmento, Lsegment, esta dado por L/Nsegment. La coordenada z del centro a cualquier circulo es cero, y la coordenada x es dada por el numero de segmento multiplicada por la L segmnet. Los radios de la flama como una función de la distancia a lo largo de la longitud La orientación de cada círculo se dispone a ser perpendicular a la línea de unión de los círculos que se extiende a ambos lados: 3.10.4 BLEVE Si un material inflamable se emite catastróficamente puede producir una bola de fuego o BLEVE. El modelo separado requiere que la fracción de vapor, duración de exposición, y poder emisor de la flama (opcional) sean determinados por el usuario. También son necesarios la masa inflamable o el radio y duración de BLEVE. El programa desarrolla modelos de BLEVE, para descargas instantáneas y para descargas continuas de corta duración. Una descarga continúa de corta duración, es una que tiene una duración menor que el tiempo limite para una descarga continua, fijado en los parámetros de “Dispersion Modelling Coefficiets”, la cual es definida solo con un segmento de descarga. La fracción de la masa flamable involucrada en una BLEVE es dada por:
f flam min 1, R fire 1 f rainout
3.82
Donde: Rfire
es el factor de corrección de la Masa de BLEVE, fijado en los Parámetros de Modelos Flamables
frainout Es la fracción de suspensión por lluvia calculada por el UDM La masa involucrada en la BLEVE Mc está dada por
M c mf flam
3.83
Donde m es la masa descargada. Para una descarga continua de corta duración, la masa descargada está dada por el producto de la velocidad de descarga y la duración de la descara. La flama es modelada como una esfera, sobre el suelo. Su forma es descrita por diez círculos (c1 a c10) igualmente espaciados a lo largo de la longitud de la flama (por ejemplo: a lo largo del diámetro de la flama). Cada círculo está definido por una coordenada x, a favor del viento y una de elevación z, del centro del círculo, por el radio r, y la inclinación del círculo de la horizontal como se muestra en la figura:
116
Figura 3.13 Forma de la flama para una BLEVE La forma de la flama es descrita por diez círculos. Para cada uno de los N (p.ej. 10) círculos, el circulo superior y el inferior tienen un radio de cero, y son agregados a la superficie completa de la flama. Los cálculos de radiación tratan a la flama como un conjunto de superficies cónicas, donde cada superficie es delimitada por dos círculos, y estos dos círculos aseguran que la flama completa es tratada como una superficie radiante. El poder emisivo de la BLEVE, es calculada mediante:
F s M BLEVE H COMB Ef = 4π r 2Flama t Flama
3.84
Si el cálculo de la emisividad es mayor que Emax, el poder emisivo máximo para la BLEVE, fijado en los parámetros de BLEVE, entonces Ef se fija igual a Emax. La fracción de calor radiado es dada por la correlación: 0.32 Fs = 0.00323( Psv )
3.85
Donde Psv es la presión de vapor saturada del combustible. 3.11 MODELO DE RADIACION La consecuencia principal de eventos tal como Bolas de fuego/BLEVEs, dardos de fuego y de Charco, suele ser la radiación. Radiación a una distancia de interés Se pueden especificar tres distancias de interés. El programa considera cada distancia como un punto inmediatamente en la dirección del viento de la elipse y a la elevación fijada por los efectos flamables, y calcula la radiación en ese punto. Elipses de radiación a niveles de interés Esto considera un plano horizontal a la altura especificada para cálculos de efectos fijados en los parámetros flamables, y calcula las dimensiones de la elipse que conecta puntos que tienen un factor de visión dado, nivel de radiación, o nivel de letalidad. En realidad, el contorno que conecta estos puntos puede no ser perfectamente elíptico, pero la elipse es una aproximación usada comúnmente.
117
Figura 3.14 Radio de afecctaciónn representado por una elipse Calculo de la transmisividad La transmisividad, , se incluye por la forma en que las moléculas en el aire absorben la radiación antes de que llegue el observador. La transmisividad es calculada a partir de los coeficientes de absorción para vapor de agua, X (H 2 O) y dióxido de carbono, X (CO 2):
3.86 El coeficiente de adsorción de vapor de agua está dada por: 3.87 Donde la presión de vapor de agua atmosférico, P wv, es el producto de la humedad y la presión de vapor saturado a temperatura y presión ambiente, donde d es la distancia al centro del elemento superficial en cuestión y es la temperatura atmosférica. El coeficiente de adsorción de dióxido de carbono está dada por: 3.88 El valor utilizado para la transmisividad, es el permitido como máximo y mínimo de 0 y 1. Calculo del nivel de letalidad Dada Ri, el nivel de letalidad por radiación es calculada basada en la probabilidad basada en la ecuación de Eisenberg:
3.89
Donde P(X) es la probabilidad asociada con el valor probit X, y p1 y p2 son parámetros probit fijados como 14.9 y 2.56 respectivamente.
118
3.12 MODELOS DE EFECTOS TÓXICOS PHAST calcula los efectos tóxicos mediante los niveles de ERPG y cálculos de Probit. Estos usan la concentración y el tiempo de exposición para calcular el efecto toxico de una sustancia dada. 3.12.1 Número de probit La probabilidad de muerte en un punto se calcula a través de la ecuación probit. La toxicidad de un material se define por tres parámetros: N y b, teniendo en cuenta en la sección de ficha tóxica de los datos de entrada de materiales. En primer lugar, el programa calcula la carga tóxica L recibida en un momento dado:
3.90 Donde c es la concentración en ppm, y T es la duración de la exposición en minutos. Esta carga tóxica no es la misma que la dosis tóxica dada en el Informe Probit. La Dosis tóxicas se calcula con la concentración fraccional en lugar de la concentración en ppm y con la duración de la exposición en segundos en lugar de en minutos. A continuación se calcula el número probit P0: 3.91
O bien: 3.92 Donde Pr es el probit, empleado para obtente la probabilidad de muerte, A, B y N son constantes de la ecuación probit, c es la concentración en ppm, y t es la duración de la exposición en minutos. 3.12.2 Probabilidad de muerte La probabilidad de muerte en un momento dado bajo una determinada exposición tóxica se calcula a partir del número probit como sigue:
3.93 Cualquier liberación, no importa cómo complicado en el comportamiento, tendrá su historial de concentración/tiempo en un momento dado, reducido a esta medida única del efecto.
119
Figura 3.15 Ilustracion de la probabilidad integral 3.12.3 Probabilidad integral de muerte (o integral de probabilidad) La probabilidad integral a una distancia dada en la dirección del viento, R, es la integral de la probabilidad de muerte P en toda la anchura w de la nube a esa distancia. Si el viento tiene una distribución de probabilidad uniforme en todas las direcciones (es decir, una uniforme Rosa de los vientos), entonces la probabilidad condicional de la muerte en el punto A, una distancia R desde la ubicación de la liberación, viene dada por:
3.94 En situaciones reales, la probabilidad de tener el viento en una dirección determinada varía con la dirección. Estrictamente la probabilidad condicional, a continuación, viene dada por una convolución de la probabilidad de muerte como función de la distancia desde la línea central con la probabilidad de que el viento este en una dirección determinada. En la práctica se trata de un cálculo demasiado complejo para realizar y por lo tanto la variación es tenida en cuenta por dividir el círculo completo en un número limitado de sectores, con una probabilidad de viento uniforme sobre cada sector. Si, a continuación, suponemos que el ancho de la nube es pequeño en relación con el ancho del sector e ignoramos superposiciones entre sectores, la probabilidad condicional es sólo la PI dividida por la anchura del sector. La probabilidad integral tiene dimensiones de longitud, las unidades normales son en metros. Sólo cuando es dividido por otra longitud (el espesor del sector o circunferencia del círculo) da una probabilidad real.
120
Figura 3.16 Perfil de probabilidad de muerte desde la vista superior y a traves de la seccion x-x 3.12.4 Respuesta Humana Estos coeficientes se utilizan en modelos de evacuación, y describen la proporción de personas al aire libre que intenta resguardarse en interiores al momento del impacto de la nube tóxica. La proporción se ha encontrado en estudios anteriores que varía linealmente con la concentración de material. La pendiente de esta línea depende del material en cuestión, y la ecuación se toma en la forma:
3.95 Si los valores de A o B no se proporcionan, la proporción se toma como cero. 3.12.5 Perfil de concentración en interiores El perfil de concentración al aire libre está tomado directamente de los resultados de dispersión, pero se realizan los cálculos adicionales para obtener el perfil de concentraciones interiores. 3
La concentración interior, C i (kg/m ) está relacionada con el exterior concentración, C o, por:
3.96 Donde τ (s) es dada por τ = 1 / r, donde r es el aumento de la velocidad de cambio (cambios de aire dentro del edificio por segundo). Por lo tanto τ es representante del tiempo requerido para el intercambio de aire en el interior del edificio con el exterior. Si la concentración exterior, Co, permanece constante, entonces la ecuación puede resolverse analíticamente y dar:
121
3.97 Donde C 1 es la concentración interior en el tiempo t = 0
122
CAPITULO IV COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DE ANÁLISIS DE CONSECUENCIAS EN PHAST Y EN EXCEL En este capítulo se presenta una comparación de los resultados obtenidos con los modelos de análisis de consecuencias a través de once casos teóricos mostrados en las siguientes secciones, los cuales fueron seleccionados a partir de los propuestos en la bibliografía (AICHE/CCPS, 2000); se muestran para cada problema, los datos requeridos y los resultados obtenidos tanto en Excel como en PHAST. Finalmente se hace una discusión de los resultados y se da una explicación de por qué los resultados difieren, cuando este es el caso. Se presentan además dos casos al final, los cuales representan dos incidentes reales sucedidos en México. Cuando se habla de los modelos en Excel, se alude a que las ecuaciones descritas en el capítulo I, fueron introducidas en una hoja de cálculo en Excel y constituyen un modelo sistemático con una sección en la que se introducen los datos de entrada, despuésse muestra la metodología empleada y los resultados obtenidos. La finalidad de los modelos descritos en Excel es brindar una nueva opción a los usuarios interesados en realizar un análisis de consecuencias de una manera sencilla y rápida, a través de la paquetería de Microsoft Office, ya que este software a diferencia de PHAST, es de fácil acceso. En el presente capítulo, en el que se presentan datos de entrada y resultados concentrados en tablas, será común encontrar las abreviaturas SU y NC, donde SU indica que la variable o parámetro no tiene unidades (Sin Unidades) y NC indica que el resultado no fue calculado, pues para varios parámetros se encuentra que el modelo en Excel nos proporciona un resultado, pero PHAST no tiene la posibilidad de calcularlo, o viceversa.
4.1 Fuga de amoniaco Descripción del Accidente El 13 de abril de 2005 se presentó una fuga de amoniaco, en el municipio de Nanchital, Veracruz, en una línea que va de las instalaciones de Cosoleacaque a la Terminal Marítima de Pajaritos (tramo de 12km). El accidente se suscitó cuando personal de una empresa contratada por PEMEX realizaba labores de mantenimiento y por error seccionaron una línea 2 activa de 10 pulgadas de diámetro a una presión de 12 kg/cm que transportaba amoniaco, en lugar de una línea vacía y lista para su reparación de seis pulgadas de diámetro que transportaba propileno, que se localiza aproximadamente a 1.5m de la línea de amoniaco. El accidente consistió en una liberación de amoniaco, a través de la ruptura total del ducto, se presume que se liberaron 80 toneladas y que la duración de la fuga fue de cuatro horas.
123
Figura 3.12 (b) Muestra la probabilidad de fatalidad en función de la distancia en la dirección del viento. Para una condición de estabilidad 1.5/F.
El resultado de ésta fuga fue la emisión a la atmósfera de un gran volumen de este peligroso gas, intoxicaciones leves a la población de Veracruz, la muerte de cinco trabajadores y 900 personas evacuadas de tres colonias: Guadalupe, Tepeyac y San Miguel. El procedimiento que debió seguirse, consiste primero en depresionar la línea a la que se le dará mantenimiento, posteriormente esta se endulza con nitrógeno para que el gas sea inerte y se evite el riesgo de explosiones y así poder manipular la línea. MODELO EN EXCEL Se sabe que el amoniaco en la línea a la presión de 12 kg/cm y temperatura ambiente (27 C) se encuentra en estado 2 líquido, pero en el momento de la ruptura en la línea, la presión cambia súbitamente a la atmosférica (1.01 kg/cm ) por lo que el amoniaco líquido se vaporiza. 2
Por ello se empleó el modelo en Excel de “Descarga de un gas a través de un orificio”, para obtener el flujo másico y así calcular el tiempo de descarga; las variables de entrada necesarias para emplear este modelo en Excel, se muestran en la tabla 3.44. Se sabe que la fuga fue a través de una ruptura total de la tubería, sin embargo debe considerarse que debido a la caída de presión que ocurre en el ducto, el flujo másico liberado al inicio será diferente del flujo másico liberado al tiempo t, donde t>0; así mismo este fenómeno influye en el tiempo total de liberación del inventario de amoniaco en el ducto, por ello, y con base a las recomendaciones del banco mundial, el diámetro del orificio ha sido especificado como el 30% del diámetro de la tubería.
124
Tabla 3.44 Datos de entrada para el modelo en Excel, descarga de un gas a través de un orificio, ejemplo 3.12. Datos de entrada Constante de los gases Capacidad Calorífica especifica del gas Constante gravitacional Diámetro del orificio Presión antes del orificio Presión en el orificio Temperatura Peso molecular del gas Pérdidas de fricción en la entrada Pérdidas de fricción en la salida Coeficiente de Descarga
Símbolo Rg K gc D P1 P2 T PM HLF1 HLF2 CD
Valor
Unidades 3
8314.47 m .Pa/K.Kgmol 1.3 SU 2 1 kg.m/N.s 0.076 m 1176798 Pa 101120 Pa 301 K 17.03 kg/kgmol 0.5 SU 1 SU 0.85 SU
Ladescarga de un gas a través de un orificiopuede ser resuelta mediante un método adiabático o isotérmico, los resultados del modelo en Excel, son los siguientes: Método Isotérmico m= 7.94 kg/s Método Adiabático m= 7.47 kg/s MODELO EN PHAST Para simular el escenario de la ruptura de una línea se empleó como modelo fuente el de tanque/tubería, y el escenario de fuga a través de un orificio. La totalidad de datos requeridos por el software se muestran en la tabla 3.45.
Tabla 3.45 Variables de entrada para la simulación del escenario de riesgo en PHAST, problema 3.12. Modelo fuente Tanque/tubería Condiciones atmosféricas y zona de localización de la instalación Temperatura ambiente 27 °C Humedad relativa 80 % Presión atmosférica 1.011 Bar Radiación solar 0.5 Condiciones meteorológicas al momento de la fuga de la sustancia peligrosa Condición Estable Velocidad del viento 1.5 m/s Estabilidad Pasquill F Sustancia peligrosa bajo estudio Material Amoniaco Fase Vapor Inventario 80 TON
Características del sitio en que se encuentra el recipiente Dique No Tipo de superficie Concreto Elevación 0 Dirección de la liberación Horizontal
m
125
Datos del escenario Temperatura Presión Tipo de escenario Diámetro del orificio
27 10.75 Fuga por orificio 3
°C Bar man plg
Los resultados más significativos de la descarga estimados con PHAST son los siguientes: Fracción de liquido 0.02 Flujo másico 7.61 Kg/s Nótese que la fracción de líquido es de 0.02, o bien el 99.98% es amoniaco gas. Un resultado similar puede obtenerse con un diagrama de Mollier para las propiedades de amoniaco, donde se lee que a las condiciones del amoniaco en la tubería 2 de 12Kg/cm y 27°C este existe como liquido saturado, tras la liberaciónsúbita se alcanzan condiciones atmosféricas, esto da como resultado, siguiendo una ruta isotérmica, amoniaco en fase vapor únicamente. Este análisis es el que confiere validez al uso del modelo en Excel, descarga de un gas a través de un orificio. Análisis de resultados El amoniaco es un gas venenoso para el ser humano ya que la exposición a niveles altos puede producir irritación y quemaduras serias en la piel y en la boca, la garganta, los pulmones y los ojos. En casos graves, produce edema pulmonar y neumonía, inclusive, puede ser fatal. En casos extremos de exposición a concentraciones altas, se presentan daños severos a los pulmones y efectos cardiovasculares secundarios que provocan convulsiones, coma y finalmente la muerte. De las simulaciones efectuadas, los resultados de mayor importancia se concentran en la tabla 3.46. La duración de la fuga, es un parámetro importante cuando se presenta la fuga de una sustancia toxica, para estimar el tiempo de la duración de la fuga se hace uso de la siguiente ecuación:
Tiempo de liberación
Inventario (Kg) Flujo másico de liberación (Kg/s)
Tabla 3.46 Resultados de flujo másico de descarga para la fuga de amoniaco. FLUJO MÁSICO DURACIÓN DE LA MODELO DESCARGADO FUGA Modelo en PHAST m= 7.61 kg/s 2.96 Hrs Método Isotérmico m= 7.94 kg/s 2.84 Hrs Método Adiabático m= 7.47 kg/s 3.02 Hrs Se sabe, a partir de las notas periodísticas, que la liberación duró 4 hrs, aproximadamente. Los resultados aquí presentados por lo tanto presentan un error, este se indica en la tabla 3.47. Tabla 3.47. Cuadro comparativo del error obtenido respecto a la realidad a partir de las simulaciones. Tiempo (Hrs) % Error PHAST 2.96 25.91 Excel métodoisotérmico 2.84 28.9 Excel método adiabático 3.02 24.4
Nótese con base al error estimado respecto a la duración real de la fuga que el método adiabático desarrollado en Excel y el resultado PHAST, es más cercano a la realidad que el resultado estimado en Excel. Además del flujo másico liberado, es
126
conveniente indicar la concentración en partes por millón (ppm) que se alcanzó debido al accidente, para ello se hace uso del modelo en Excel de una liberación continua; con una metodología idéntica a la empleada en el ejemplo 3.4, se puede trazar una curva (Figura 3.13) que muestre la concentración a lo largo de la línea central.
Figura 3.13 Concentración (ppm), en función de la distancia en la dirección del viento (m) para la fuga de amoniaco suscitada en Nanchital, Veracruz, en 2005. El amoniaco posee un olor muy fuerte y se puede detectar en concentraciones de hasta 50 ppm en el aire, a partir de las cuales se siente fuerte irritación del tracto respiratorio superior; la exposición a 250 ppm es soportable para muchas personas hasta por una hora. Las exposiciones mayores a 500 ppm resultan en quemaduras nasofaríngeas y de la tráquea, obstrucción de las vías respiratorias, acumulación de fluido en los pulmones, afección respiratoria y edema bronquial y alveolar. Exposiciones a concentraciones de 2,500 a 4,500 ppm son fatales en un periodo de 30 minutos; concentraciones de entre 5,000 y 10,000 ppm son letales de forma inmediata. De acuerdo a dicha figura se puede concluir que personas que estaban a una distancia de 800 m en la dirección del viento se vieron afectadas por una concentración de 500 ppm, como mínimo.Y en una distancia menor a los 200m las personas expuestas según la figura 3.13, quedaron expuestas a una concentración letal. La figura 3.13, se trazó con un modelo en Excel idéntico al desarrollado para el caso 3.4 sobre liberación continua, presentado previamente, y empleando las ecuaciones mostradas en la tabla A3 del apéndice A, para el cálculo de los coeficientes de dispersión de Pasquill-Guifford para emisiones continuas, con condiciones urbanas, ya que las condiciones urbanas de los modelos en Excel son más factibles de ser comparadas con el modelo de dispersión de PHAST. Una figura similar a la 3.13, es la 3.14 obtenida del software PHAST, donde se muestra la concentración en ppm en función de la distancia en la dirección del viento.
127
Figura 3.14 Para una categoría 2/D la relación de concentración como una función de la distancia en la dirección del viento. La figura 3.14, obtenida en PHAST indica que la concentración máxima tolerable en el ambiente (500 ppm) se tiene hasta en 900m en la dirección del viento.En informes emitidos después del accidente, se cita un área de una hectárea que presentan suelo, flora y fauna severamente afectada. Otros informes reportan que el día del accidente el área de afectación era de 5 hectáreas; se sabe que se estableció un cerco de seguridad de 800m en la dirección del viento y 600m en la dirección en contra del viento. Resulta útil el empleo de un modelo que describa la “Isopleta de la nube” para conocer el área de afectación de ésta fuga, a una concentración de 250 ppm ya que es el límite máximo tolerado en el ambiente hasta por una hora por muchas personas y una concentración o exposición mayor causa severos daños a la salud. La isopleta puede observarse en la 2 figura 3.15. Esta tiene un área de 38,240.6 m (3.82 ha).
128
Isopleta de la nube de amoniaco
Distancia perpendicular al viento (m)
60 40 20 0 0
200
400
600
800
1000 1200 1400
-20 -40 -60 Distancia en la dirección del viento (m)
Figura 3.15 Isopleta de la nube formada por la liberación de amoniaco a una concentración de 500 ppm.
2
PHAST indica que el área afectada es de 161126m , (16.11 Ha) este resultado puede observarse también en la figura 3.16, donde adicionalmente se observan superpuestas tres áreas de afectación para otras tres concentraciones, donde puede 2 apreciarse que el área de mayor riesgo por su alto potencial de inflamabilidad es de 44m .
Figura 3.16 Nube formada por la liberación de amoniaco. Estabilidad de categoría 1.5/F.
129
PHAST, presenta resultados adicionales, como son el reporte probit, y la posibilidad de una explosión retardada. En relación al reporte probit, se muestra en la figura 3.17 la probabilidad de muerte, en función de la distancia en la dirección del viento. El informe oficial indica la muerte de 5 personas, de acuerdo con la curva mostrada en esta figura, a una distancia de 25m, en la dirección del viento, la probabilidad de muerte es del 99% y después decrece.
Figura 3.17 Probabilidad de muerte en función de la distancia en la dirección del viento, para la fuga de amoniaco. 4.2 Explosión de carro tanque cargado con GLP (Gas Licuado de Petróleo) Descripción del accidente El 11 de agosto de 2005 entre las 15:00 y las 15:30, un estallido cimbró al poblado de Lucio Blanco, a 30 kilómetros de Matamoros, Tamaulipas. El caso enlutó a 8 hogares y llenó de cicatrices imborrables a 56 heridos. La explosión fue producto del irresponsable chofer del tráiler de la empresa de Autotransportes Migar S.A. de C.V. que venía de llenar sus dos tanques en Tergas ubicado en el Km 3+400 de la carretera Rosita–Lucio Blanco del municipio de Matamoros, cruzó las vías del ferrocarril a la altura del poblado Lucio Blanco pretendiendo ganarle la delantera al tren, tras el accidente el conductor salió ileso y huyó. El evento se produjo cuando un tráiler a exceso de velocidad cargado con 2 pipas con capacidad de 25,000 L de GLP cada una, fue arrollado por un tren al tratar de ganarle el paso a éste. El tren golpeó inicialmente a la cabina y al primer contenedor, contrario a lo que pudiera pensarse, no explotó inmediatamente, sino que, como en cualquier fuga de gas, empezó a salir el combustible y a extenderse por el poblado, en un momento dado, y habiendo transcurrido aproximadamente 20 minutos, el gas fue tocado por alguna chispa y se provocó un flamazo que desencadenó una explosión volando el tanque averiado por los aires y cayendo a 400 metros de distancia de donde había sido alcanzado por el tren, después de unos instantes al consumirse el GLP de la primera y a consecuencia de la explosión, el segundo contenedor explota también debido al calentamiento del tanque. Se presentó una destrucción total en un radio de 20m del impacto, además de que una de las boyas voló a una distancia de 400m. La explosión afectó hasta 500m a la redonda. De inmediato se presentaron daños muy importantes, la muerte de 2 personas, decenas de heridos que llenaron los hospitales públicos y privados de Matamoros.Migar S.A., la empresa responsable de la pipa pagó 4 millones 650 mil pesos de indemnización.
130
Con la situación antes descrita se hace una simulación con los modelos planteados a continuación: MODELO EN EXCEL Dado que son dos pipas, para la primera se calculan la cantidad de material fugado a través del orificio de la primera pipa, y los efectos de un dardo de fuego. Para la segunda se analiza el flujo térmico por BLEVE. Para el análisis de la BLEVE seguida de una bola de fuego, se estima que el calentamiento fue hasta una temperatura de aproximadamente 200 °C, lo que debilita al contenedor y lo hace explotar a unos 25 bar de presión considerada como la presión de fatiga del acero-cisterna, la presión de vapor interna generada por el GLP debido al calentamiento y la acción eficiente de las válvulas de relevo. El flujo de descarga y el flujo térmico del dardo de fuego que se produjo como consecuencia de la fuga en el primer carro tanque, y que es la causa principal que se produzca la BLEVE, se pueden calcular a partir del modelo en Excel dardo de fuego,los datos de entrada se muestran en la tabla 3.48. Tabla 3.48 Datos de entrada para el modelo en Excel de formación de dardo de fuego por fuga de LPG de pipa. Datos de entrada Símbolo Valor Unidades Coeficiente de descarga Cd 0.85 2 Constante gravitacional gc 1 kgm/Ns 3 Constante de los gases Rg 0.0821 m atm/kgmolK Peso molecular del aire PMa 29 kg/kgmol Diámetro de orificio dj 25.4 mm Temperatura de flama Tf 2200 K Temperatura ambiente Tj 298 K Peso molecular del combustible PMf 48.81 kg/kgmol Altura sobre el nivel del suelo h 1.5 m Presión atmosférica
Pa
101250
Pa
Presión del gas Relación Cp/Cv Punto donde se recibe la radiación
P k y
5E6 1.4 15
Pa SU m
Humedad relativa
HR
0.7
Fracción
Fracción de energía convertida Energía de combustión Número de moles de combustible
η ΔHc ηf
0.2 46076.62364 1
SU kJ/kg gmol
Número de moles de oxígeno
ηO2
2
gmol
Número de moles de CO2
ηCO2
1
gmol
Número de moles de agua
ηW
2
gmol
Número de moles de nitrógeno
ηN2
7.52
gmol
Los resultados obtenidos de la simulación en Excel, del modelo de dardo de fuego, se muestran en la tabla 3.49. Donde el resultado del flujo másico descargado es importante para emplearlo en los modelos de dispersión. Tabla 3.49 Resultados del modelo en Excel de un dardo de fuego producido por fuga de GLP. Resultados calculados Relación L/dj Altura de la flama
Símbolo
Valor
Unidades
RL/dj L
120.6 3.01
SU m
131
2
Área de la fuga Flujo del combustible Altura de la radiación Longitud de la radiación Factor de visión
A M R X Fv
0.00049 7.45 3.01 15.3 3.4E-4
m kg/s m m -2 m
Transmitancia atmosférica
τa
0.790
SU
Presión parcial del agua Fracción del combustible en la mezcla de combustión
Pw CT
2211.9 0.095
Pa SU
Radiación recibida
ER
27.70
kW/m
2
Modelo de BLEVE La ejecución del modelo BLEVE en Excel requiere de los datos de entrada mostrados en la tabla 3.50. Tabla 3.50 Datos de entrada para el modelo en Excel de una BLEVE ocasionada en un tanque de GLP. Datos de entrada Símbolo Valor Unidades Masa inicial M 10,418 Kg Presión parcial del agua en aire Pw 2810 Pa Fracción de radiación de combustión R 0.3 SU Distancia L 200 m Calor de combustión Hc 46350 kJ/kg
Los resultados obtenidos del modelo de BLEVE en Excel se muestran en la tabla 3.51. MODELO EN PHAST Para llevar a cabo el modelo en PHAST, se debe especificar el inventario, esto se hace mediante las siguientes ecuaciones: Para calcular el inventario de fuga, se deben conocer el volumen y la densidad del gas LP; considerando que la densidad 3 del GLP es, GLP= 520.9 Kg/m el inventario puede estimarse del modo siguiente:
inventario V * 25m 3 520.9 kg 3 13,022.5kg m Considerando que el tanque en estudio estaba al 80% de su capacidad, el inventario a considerar es de 10,418Kg. Para el primer tanque se modela una fuga de 10 min de duración Para el caso de la simulación de la fuga los datos de entrada se muestran en la tabla 3.52. Los datos de clima han sido ajustados de acuerdo a lo que ha sido reportado por el INEGI para que los resultados sean más congruentes con los reales. Tabla 3.51 Resultados en Excel del modelo de BLEVE, que involucra LPG de una pipa. Datos de entrada Diámetro máx. de la bola de fuego Altura del centro de la bola de fuego Diámetro inicial a nivel del suelo Flux de radiación emitido Factor de visión Transmitancia
Símbolo Dmax HBLEVE Dinicial E F21 ta
Valor Unidades 126.674572 m 95.0059288 m 164.68 m 2 292.38 kW/m 0.07391074 SU 0.62671284 SU
132
Distancia del centro de la bola al receptor La distancia de la superficie de la flama al receptor Duración de combustión de la bola de fuego Flux de radiación recibido
Xc Xs tBLEVE Er
221.418442 158.081156 9.82819953 13.54
m m S 2 W/m
Tabla 3.52 Variables de entrada para la simulación del escenario de riesgo en PHAST, para la fuga de GLP Modelo fuente Tanque/tubería Condiciones atmosféricas y zona de localización de la instalación Temperatura ambiente 25 °C Humedad relativa 70 % Presión atmosférica 1.0125 Bar Radiación solar 0.5 Condiciones meteorológicas al momento de la fuga de la sustancia peligrosa Condición Estable Velocidad del viento 6.5 m/s Estabilidad Pasquill B Sustancia peligrosa bajo estudio Material Gas LP Fase Líquido Saturado Inventario 10,418 Kg Cabeza hidráulica del tanque 1.67 m Características del sitio en que se encuentra el recipiente Dique No Tipo de superficie Suelo Seco Elevación 1.5 m Dirección de la liberación Horizontal Datos del recipiente Temperatura 25 °C Presión Líquido Saturado Datos del escenario Tipo de escenario Fuga Diámetro del orificio 0.025 m Distancia de interés 1,000 m
El modelo seleccionado en PHAST, de tanque tubería modela no sólo la descarga, sino también los escenarios peligros que pudieran ocurrir, dependiendo del material y de las condiciones de almacenamiento, el escenario de dardo de fuego propuesto arriba para las corridas en Excel como posible consecuencia de la fuga, es un escenario que también considera PHAST. Los resultados más significativos de la simulación en PHAST, se muestran en la tabla 3.53, tanto de descarga como del dardo de fuego. Tabla 3.53. Resultados de la descarga y dardo de fuego, tras la liberación de GLP de una pipa, como consecuencia de un accidente carretero, mediante PHAST. Resultados calculados Velocidad final (Velocidad del dardo) Flujo másico de descarga Velocidad en el orificio
Valor
Símbolo
360.87
m/s
7.69
Kg/s
210.75
m/s
133
Presión de salida
3.98
Bar
Temperatura de salida
3.47
°C
Duración de la liberación
20
min
Ángulo de la flama respecto a la horizontal
90
SU
44.07
kW/m
71
m
-
m
Poder emisivo Longitud de la Flama Radio Máximo de la Flama
2
Para el caso del segundo carro-tanque se considera que ocurre una BLEVE, para simularla en PHAST, se empleó un modelo fuente de tanque/tubería, y un escenario de ruptura catastrófica; los datos de entrada para la simulación se muestran en la tabla 3.54. Tabla 3.54 Variables de entrada para la simulación del escenario de riesgo en PHAST, para la fuga de GLP Modelo fuente Tanque/tubería Condiciones atmosféricas y zona de localización de la instalación Temperatura ambiente
25
°C
Humedad relativa
70
%
1.0125
Bar
Presión atmosférica
Radiación solar 0.5 Condiciones meteorológicas al momento de la fuga de la sustancia peligrosa Condición Estable Velocidad del viento 6.5 m/s Estabilidad Pasquill B Sustancia peligrosa bajo estudio Material Propano Fase Inventario
Líquido 10,418 Características del sitio en que se encuentra el recipiente Dique No Tipo de superficie Suelo seco Continuación de la tabla 3.54… Temperatura Presión Tipo de escenario
Kg
Datos del recipiente Líquido saturado 23.9 Bar man. Datos del escenario Ruptura catastrófica
La BLEVE que ocurre en el segundo tanque, como consecuencia de un calentamiento en la coraza, debido a las llamas del dardo de fuego que se produjo por la fuga inicial que se presentó en el primer tanque al momento del impacto, presenta dimensiones y un flujo térmico que se describen en la tabla 3.55. Tabla 3.55 Resultados para la BLEVE que ocurre en la segunda pipa. Resultados calculados Fracción de líquido Radio BLEVE
Valor
Unidades
0.36 63.14
SU m
134
Altura BLEVE Duración Poder emisivo de la flama
74.11 9.8 240.15
m s 2 kW/m
Análisis de resultados Siempre que se realiza un análisis de consecuencias debe tenerse en cuenta que lo más importante es la estimación de los daños por sobrepresiones, radiación y toxicidad, según sea el caso. Para este caso la concentración en ppm es importante para saber en quérangos de distancia en la dirección del viento la nube formada es inflamable, para el LPG el límite inferior de inflamabilidad (LFL) es de 17,647 ppm y el superior (UPL) 92,934 ppm. La figura 3.18, muestra dos curvas, superpuestas, de la concentración en función de la distancia en la dirección del viento. De acuerdo con la figura 3.18, y los resultados en PHAST, la nube es inflamable después de los 6m y antes de 32m en la dirección del viento. Los resultados en Excel indican que la nube presenta riesgo de incendio entre los 5m y 21m de distancia en la dirección del viento. La concentración de la nube también puede observarse en la figura 3.19, donde se observa la concentración de la nube vista de frente desde el punto de liberación y en función de la distancia que recorre en la dirección del viento, esta figura se conoce también como vista frontal de la nube, o isopleta, la cual se puede obtener empleando el modelo en Excel, esta se aprecia en la figura 3.20. Obsérvese que las figuras 3.18, 3.19 y 3.20, describen la evolución de la nube en dos dimensiones, tomando como referencia todos los casos la concentración en la dirección del viento, o bien la línea central. Esta evolución de la nube puede apreciarse mejor en el software PHAST, o sea, ver como se dispersa en el espacio y a través del tiempo es lo que se conoce como opción Dinámica de los gráficos.
Figura 3.18Concentración (ppm) en función de la distancia para la liberación de Gas LP de una Pipa. Categoría de 6.5/B.
135
Figura 3.19Concentración de la nube en la vertical (altura de la nube) en función de la distancia en la dirección del viento. Para la fuga de GLP, en 7.212s.
136
Figura 3.20Isopleta de la nube en la vertical (altura de la nube) en función de la distancia en la dirección del viento, para la fuga de GLP Los niveles de radiación, son un parámetro importante, como se ha indicado en el capítulo 2, la radiación tiene efectos sobre las personas y las estructuras. La SEMARNAT en su guía para la elaboración de estudios de riesgo indica que se 2 deben trazar los radios de afectación, donde un nivel de radiación de 1.4 kW/m representa una zona de afectación, y 0.5 2 kW/m representa la zona de amortiguamiento. Obsérvese en la figura 2.21 las distancias que alcanzan los radios por la radiación del dardo de fuego; el radio de la zona de amortiguamiento esta a casi 144m en la dirección del viento y 120m en la perpendicular al viento. En la figura 2.22, se observan los radios generados al modelar la BLEVE, estos alcanzan casi 570m en la dirección del viento e igual distancia en la perpendicular al viento; destaca de esta comparación la gran diferencia en la magnitud de los radios; por ello es importante hacer notar nuevamente el poder destructivo que tienen las BLEVE’s, por los altos niveles de radiación que generan.
137
Figura 3.21Niveles de radiación generados por el dardo de fuego, consecuencia de la ignición del material fugado de la 2 2 pipa de LPG. La elipse externa muestra un nivel de radiación de 0.5 kW/m , la de en medio 1.4 KW/m , y la interior una 2 radicación de 5 kW/m . Para una categoría de estabilidad de 6.5/B.
Figura 3.22 Niveles de radiación generados por la explosión BLEVE del segundo tanque. El radio externo muestra un nivel 2 2 2 de radiación 0.5 kW/m el radio del centro un nivel de radiación de 1.4 kW/m , el radio interno 12.5 kW/m . La sobrepresión es otro parámetro de interés en el análisis de consecuencias. En la descripción del problema se ha descrito la posible presencia del estallido del primer carro-tanque, (sin ser BLEVE), este fenómeno genera sobrepresiones
138
de importancia como se muestra en la figura 3.23; y en la figura 3.24 se muestran los radios de afectación por la generación de la onda de sobrepresión.
Figura 3.23 Nivel de sobrepresión en función de la distancia en la dirección del viento. Para una estabilidad de 6.5/B.
Figura 3.24Radios de sobrepresión en función de la distancia en la dirección del viento. El radio externo muestra una sobrepresión de 0.03447 bar. El radio del centro un nivel de sobrepresión de 0.06895 ba. Y el radio interno 0.1379 bar. Para una condición de clima de 6.5/B.
De los resultados obtenidos se observa que para el análisis del primer carro tanque el flujo liberado es de 7.45 Kg/s con una duración de 23.3min, y de acuerdo con PHAST 7.68 kg/s, con una duración de 20 min, se estima que en el accidente real transcurrieron 20 min antes de que se suscitara la explosión del primer tanque, ya que pese a que se ha estudiado un
139
dardo de fuego, el accidente real corresponde a un flamazo, o incendio súbito de la nube que se había formado. Hasta el momento se han omitido en este estudio, las consecuencias del flamazo, por no contar con un modelo en Excel, sin embargo la figura 3.25, obtenida de PHAST, nos da una idea de los radios de afectación por este fenómeno.
Figura 3.25 Radios de afectación debido al flamazo de la nube formada como consecuencia de la fuga en la primera pipa 4 de GLP. Radio exterior a 8993 ppm, y radio interno a 1.799x10 ppm. Respecto al dardo de fuego estudiado, el resultado de mayor importancia es la radiación emitida. El modelo en Excel 2 2 indica que a 15 m la radiación es de 27 kW/m , y PHAST indica que es de 44.07 kW/m , de acuerdo con la tabla 1.7, del 2 capítulo I, una radiación arriba de 25 kW/m es energía suficiente para encender madera en exposiciones largas, y 2 arribade 37.5 kW/m se causa daño a equipo de proceso y colapso de estructuras. Los reportes sobre el accidente indican una destrucción total en un radio de 20m, un radio de 100m severamente afectado, y afectaciones hasta los 500m de distancia. Estos daños pueden ser atribuidos principalmente a la BLEVE ocurrida como consecuencia del calentamiento 2 del segundo tanque, ya que como se indica en la figura 3.22, una intensidad de radiación de 1.4 kW/m la cual ya no causara incomodidad para las personas solo esta después de un radio de 570m en la dirección del viento, esto indica que el resultado PHAST, ha sobreestimado 70m lo que ha ocurrido en realidad. Por su parte el modelo en Excel, requiere la ejecución del mismo a la distancia de interés, si se fija esta igual a 570m (para comparar con PHAST) la radiación es de 2 2 1.95kW/m , y para alcanzar una radiación de 1.4kW/m , que es la que no causa incomodidad a las personas la distancia estimada es de 670m, esto representa 170 metros adicionales respecto al radio de afectación real reportado.
140
CONCLUSIONES Dado el crecimiento de la industria química, y el manejo, producción y transporte de sustancias peligrosas, resulta de importancia la realización de un análisis de riesgos, que incluya una evaluación de la magnitud de las consecuencias de los posibles eventos para ayudar a buscar las medidas de seguridad que prevengan o mitiguen los accidentes en caso de ocurrir. Por medio de los balances de energía mecánica, modelos teóricos y semiempíricos para la dispersión de contaminantes bajo reacción química y la dinámica de las nubes, se realizó un análisis de consecuencias que describelos efectos derivados de la liberación no controlada de una sustancia química que por sus características de toxicidad, problemas de sobrepresión y de los altos niveles de radiación térmica producidos por la combustión de materiales inflamables, pueda tener consecuencias para las personas, el ambiente y los equipos; y se compararon los resultados con los predichos mediante el uso del software comercial PHAST, a partir de los cual se concluye que: -
Los modelos de descarga en Excel se limitan a descargas a una sola fase.
-
El modelo de descarga de líquido de Excel presenta para el resultado de flujo de descarga una desviación negativa del 6.38%, respecto a PHAST.
-
El modelo de descarga de un gas, presenta una desviación negativa de 3.22% del método isotérmico, y 7.52% del método adiabático respecto a PHAST, de acuerdo al caso teórico presentado. Sin embargo para el caso de fuga de amoniaco la desviación de los resultados de Excel respecto a PHAST es positiva, siendo 4.33% para el método isotérmico, y 1.83% para el método adiabático. En el caso de fuga de GLP, de una pipa la desviación del resultado Excel es negativa respecto a PHAST, con un 3.12%, método isotérmico.
-
Para el modelo de dispersión de una liberación continua, se compara la concentración en ppm; el modelo en Excel presenta una desviación negativa de 30.21% respecto al modelo PHAST, para una estabilidad 2F. Para la fuga de amoniaco la desviación de Excel respecto a PHAST de la concentración en ppm, a 500m es de 11%.
-
Para el modelo de dispersión de una liberación instantánea la desviación del resultado del modelo en Excel respecto a PHAST es negativa, de 96.7%.
-
Para el modelo de Explosión de nube de vapor, mediante la metodología TNT, el modelo en Excel presenta resultados adicionales de importancia tal como se cita en la tabla 3.25, del capítulo III. El resultado comparable de sobrepresión a una distancia dada, muestra en Excel una desviación positiva respecto a PHAST del 14.01%. La metodología Baker-Strehlow, y multi-energía presentan las siguientes desviaciones del modelo en Excel respecto a PHAST.
Energía total confinada Sobrepresión Duración
-
Multi-Energía -3.14 5.7 19.0
Baker-Strhlow -4.5 1.6 1.6
El modelo BLEVE, tanto el caso teórico como el estudio de la BLEVE, de un tanque que transportaba GLP, presenta una desviación positiva del 3% para el radio de la bola de fuego, de Excel respecto a PHAST. El estimado de la desviación en la duración de 0.05%. El flujo superficial emitido varia 28.11% en el caso teórico y 21.7% en el
141
caso del carro tanque de GLP, del resultado de Excel respecto a PHAST. Elresultado de la altura de la bola de fuego de Excel respecto a PHAST de acuerdo al caso teórico varía un 0.05%, y 26.6% según el caso del tanque de GLP. -
Para el charco de fuego con base al caso teórico, la altura de la flama es 47.6% mayor la que se reportan PHAST, y el diámetro del charco de fuego es 33.49% mayor en Excel.
-
Para el caso del dardo de Fuego, comparando el modelo en Excel, con el método API de PHAST, se concluye que la altura de la flama es 80.7% mayor en PHAST, que en Excel y que el radio del dardo de fuego es 72.5% mayor en Excel que en PHAST.
Con base a las aseveraciones citadas se observa que los modelos de descarga a una sola fase, así como BLEVE y UVCE, presentan la menor desviación. Sin embargo, para dispersión en vista de que en Excel se emplearon ecuaciones gausianas y PHAST emplea su propio modelo de dispersión generalizado, los resultados presentan diferencias. Para los dardos de fuego, la comparación solo puede llevarse a cabo para las dimensiones de la flama resultante, altura y diámetro, ya que tanto el modelo en Excel, como en la de PHAST, nos arrojan resultados adicionales, pero ninguno coincide. En general los modelos propuestos por la literatura mostrados en el presente trabajo, concuerdan bien con los que arroja el software PHAST, para determinadas condiciones de liberación de una sustancia peligrosa. Con base a los resultados y el análisis mostrado en el capítulo III, se pueden emplear los modelos en Excel como una herramienta que permite realizar un análisis de consecuencias, con la misma confianza que proporciona el uso de un software PHAST, siempre que se estudien descargas de sustancias químicas peligrosas, que al ser liberadas se encuentran en fase vapor o líquida, ya que los modelos de descarga, en Excel no incluyen el tratamiento de liberaciones a dos fases, la cual si es una opción en PHAST. Los modelos de dispersión pueden usarse siempre y cuando se trate de nube boyante positiva y neutral, ya sea liberada instantánea o continuamente, pero no cuando se trate de un gas muy denso. Los resultados de los modelos de dardo de fuego y charco de fuego en Excel, difieren de los presentados por PHAST, ésteúltimo tiende a arrojar resultados muy por encima de los de Excel, y aunque se recomienda que los resultados estén sobreestimados cuando se realiza un análisis de consecuencias, es importante que no estén fuera de la realidad. Respecto a los modelos de efectos, en primer lugar debe señalarse que están íntimamente ligados a los resultados que arrojan los cálculos de dispersión, de los cuales se han indicado ya las diferencias sustanciales, motivo por el cual, es de esperarse que los resultados difieran; en segundo lugar debe considerarse que la metodología probit empleada en PHAST es diferente de la que se uso para el modelo en Excel. Con base al trabajo realizado se sugiere el uso de la metodología probit empleada en el modelo en Excel ya que es más versátil, aunque debe tenerse en cuenta que requiere del sustento de un buen modelo de dispersión. Debe considerarse que el uso de los modelos en Excel requiere de un mayor conocimiento por parte del usuario para poder determinar qué modelo emplear en un análisis de consecuencia, además de que la cantidad de datos de entrada es mayor; a diferencia de PHAST, donde el usuario solo necesita saber los datos del proceso para obtener un resultado, el conocimiento es necesario para interpretar los resultados. La desventaja principal de PHAST la constituye el alto costo de la licencia para el uso del software, además de que representa una desventaja para quien usa PHAST por primera vez, no saber que está haciendo el software, para llegar al resultado, sin embargo, la solución es hacer uso del manual de usuario incluido en este. Una parte muy importante cuando se realiza un Análisis de consecuencias es el criterio del analistaque realiza el estudio, para que, independientemente del modelo matemático que esté empleando pueda determinar si las distancias de afectación que está calculando son realistas.
142
ANEXOS APÉNDICE A (Tablas)
Tabla A1. Correlaciones para el Factor de Expansión Y, y la relación de caída de presión sónica (P1-P2)/P1 como una función de pérdida en la cabeza Kf. Las correlaciones son dentro del 1% del valor real en el rango especificado. Valor de la función, y
A
B
C
D
Rango de Kf
Factor de Expansión, Y
0.0006
-0.0185
0.1141
-0.5304
0.1-100
Relación de caída de presión sónica, k = 1.2
0.0009
-0.0308
0.261
-0.7248
0.1-100
Relación de caída de presión sónica, k = 1.4
0.0011
-0.0302
0.238
-0.6455
0.1-300
0.0013
-0.0287
0.213
-0.5633
0.1-300
Relación de caída de presión sónica, k = 1.67 Fuente: (AIChE/CCPS, 2000)
Tabla A2. Parámetro de rugosidad de la superficie, z0. Rugosidad superficial, z0, metros
Clasificación del terreno
3-10
Altamente urbano
1-3
Área urbana
1
Área residencial
1
Refinerías grandes
0.5
Refinerías pequeñas
0.3
Tierra cultivada
0.1
Suelo plano
Pocos árboles, hierbas, llanuras de hierba
0.001
Agua abierta
Largas extensiones de agua, llanuras desérticas
0.0001 Mar Fuente: (AIChE/CCPS, 2000)
Descripción del terreno Centros de ciudades con altos edificios, con grandes desniveles o área montañosa centros de ciudades, villas, ciudades llenas de arboles Área con gran cantidad de edificios de poca altura, área boscosa, zonas industriales con pocos obstáculos. Columnas de destilación y otros equipos de altura considerable Equipos pequeños, sobre un área pequeña Área abierta con gran crecimiento, casas dispersas
Mar abierto en calma, nieve cubriendo el suelo, terreno ondulado
143
Tabla A3. Ecuaciones recomendadas para el calculo de los coeficientes de dispersion de Pasquill-Guifford de dispersion de emisiones continuas (Plumas). Clase de estabilidad A B
σy (m)
σz (m) Condiciones Rurales -1/2
0.20x
-1/2
0.12x
-1/2
0.08x(1+0.0002x)
-1/2
0.06x(1+0.0015x)
-1/2
0.03x(1+0.0003x)
0.22x(1+0.0001x) 0.16x(1+0.0001x)
-1/2
C
0.11x(1+0.0001x)
D
0.08x(1+0.0001x)
E
0.06x(1+0.0001x)
F
0.04x(1+0.0001x) 0.01x(1+0.0003x) Condiciones Urbanas
-1
-1/2
0.24 x ( 1+ 0.001x)
-1/2
0.20 x
-1/2
0.14 x ( 1+ 0.0003x)
0.32x(1+0.0004x)
C
0.22x(1+0.0004x) 0.16x(1+0.0004x)
E-F
-1
-1/2
A-B D
-1/2
-1/2
+1/2
-1/2 -1/2
0.11x(1+0.0004x) 0.08 x ( 1+ 0.0015x) Fuente: (AIChE/CCPS, 1996) Nota: La distancia en la dirección del viento, x, y los coeficientes de dispersión tienen unidades de metros.
Tabla A4. Ecuaciones recomendadas para el cálculo de coeficientes de dispersión Pasquill-Guifford, de liberaciones instantáneas (Puff). * Tipo
Estabilidades Pasquill-Gifford
σy - σx (m)
σz(m)
A
Condiciones extremadamente inestables.
0.18x
0.92
0.60x
0.75
B
Condiciones moderadamente inestables.
0.14x
0.92
0.53x
C
Condiciones ligeramente inestables.
0.10x
0.92
0.34x
D
Condiciones neutras.
0.06x
0.92
0.15x
E
Condiciones estables.
0.04x
0.92
0.10x
F
Condiciones muy estables.
0.02x
0.92
0.05x
0.73 0.71 0.70 0.65 0.61
Fuente: (AIChE/CCPS, 1996) Nota: La distancia en la dirección del viento, x, y los coeficientes de dispersión tienen unidades de metros.
144
Tabla A5.Ecuaciones para las funciones de los parámetros de explosión en la figura B1. Las funciones son tabuladas usando la función de la forma siguiente: n
i
log 10 ci a b log 10 Z i 0
Donde es la función de interés; c0, a, b son constantes provistas en la tabla abajo, y Z es la distancia escalada (m/kg ) Tiempo de duración td Tiempo de llegada ta 0 Constante Rango Sobrepresión p (Kpa) Impulso ip (Pa s) (ms) (ms) 1 0.0674≤Z≤40 0.0674≤Z≤0.955 0.178≤Z≤1.01 0.0674≤Z≤40 2 0.956≤40 1.01≤Z≤2.78 3 2.78≤Z≤40 a 1 -0.214362789151 2.0676190872100 1.92946154068000 -0.20242571617800 2 -1.9470884674700 -2.12124925252121 3 -3.53626218091000 b 1 1.350342499930 3.0760329666000 5.25099193925000 1.37784223635000 2 2.4069774540600 9.29962886110000 3 3.46349745571000 c0 1 2.780769165770 2.5245562092500 -0.61422760355900 -0.05916342880460 2 1.6728164586300 0.31540924578400 3 0.68690664244090 c1 1 -1.695898874100 -0.5029927636860 0.13014371767500 1.35706496258000 2 -0.3845190269650 -0.02979442689760 3 0.09330353040090 c2 1 -0.154159376846 0.1713356452350 0.13487251195400 0.05249279864500 2 -0.0260816706301 0.03063295528800 3 -0.00058494208830 c3 1 0.514060730593 0.0450176963051 0.03915742769060 -0.19656395408600 2 0.0059579875382 0.01834055740860 3 -0.00226884995013 c4 1 0.098855436527 -0.0118964626402 -0.00475933664702 -0.06017700522880 2 0.0145445261070 -0.01739646662110 3 -0.00295908591505 c5 1 -0.293912623038 -0.00428144598008 0.06963602708910 2 -0.0066328933473 -0.00106321963633 3 0.00148029298689 c6 1 -0.026811234502 0.02152974900920 2 -0.0028418932720 0.00562060030977 3 c7 1 0.109097496421 -0.01616589307850 2 0.0013644816227 0.00016182174990 3 c8 1 0.001628467563 -0.00232531970294 2 -0.00068601889440 3 c9 1 -0.021463103024 0.00147752067524 2 3 c10 1 0.000145672338 2 3 c11 1 0.001678477523 Fuente: (Lees, 1996) 1/3
145
Tabla A6. Daño estimado para estructuras comunes basado en sobrepresiones (Clancey, 1972). Estos valores deben ser usados solo para estimados aproximados. Presión
Daños producidos Valores de Sobrepresión por Clancey (1972). Ruido molesto (137 dB si es de baja frecuencia 10-15 Hz). Ruptura ocasional de ventanas bajas que ya estén bajo tensión. Ruido fuerte (143 dB), falla de vidrio por efecto sónico. Ruptura de ventanas pequeñas bajo tensión. Presión típica para ruptura de vidrio. “Distancia segura” (95% de probabilidad de no sufrir daños importantes en personas); límite de proyectiles; algún daño a techos de casas; 10% del vidrio de ventanas se rompe. Daño estructural menor limitado. Ventanas grandes y pequeñas se hacen añicos; daño ocasional a marcos de ventanas. Daño menor a estructuras de casas. Demolición parcial de casa, las vuelve inhabitables.
psig 0.02 0.03 0.04 0.1 0.15
kPa 0.14 0.21 0.28 0.69 1.03
0.3
2.07
0.4 0.5-1.0 0.7 1
2.76 3.4-6.9 4.8 6.9
1-2
6.9-13.8
1.3 2 2-3
9 13.8 13.8-20.7
2.3
15.8
2.5
17.2
3
20.7
3-4
20.7-27.6
4
27.6
5
34.5
5-7 7 7-8 9
34.5-48.2 48.2 48.2-55.1 62
10
68.9
14.3
98.7
Umbral (1%) de probabilidad de muertes por hemorragia pulmonar.
25.1
173.5
90% de probabilidad de muertes por hemorragia pulmonar.
300
2068
Formación de cráter.
Asbestos corrugados se hacen añicos; falla de paneles y mamparas de aluminio, madera o acero corrugado. Marcos de acero del revestimiento de edificios ligeramente distorsionados. Colapso parcial de paredes y techos de casas. Paredes de concreto o bloques de hormigón, no reforzadas, se estrellan. Límite inferior de daño estructural serio. Umbral (1%) de rotura de tímpanos en personas. 50% destrucción de la mampostería de casas. Máquinas pesadas (3000 lb) en edificios industriales sufrieron poco daño, edificio con marcos de acero distorsionado y arrancado de sus cimientos. Demolición de edificio sin marcos o de paneles de acero; ruptura de tanques de almacenamiento de petróleo. Ruptura de revestimiento de edificios industriales ligeros. Postes de madera para servicios partidos; prensa hidráulica alta (40,000 lb) en edificio ligeramente dañada. Destrucción casi completa de casas. Volcadura de vagones de ferrocarril cargados. Paneles de ladrillo, 8-12 in de grosor, no reforzados, fallan por cizalla o flexión. Vagón de ferrocarril cargado completamente demolido. Probable destrucción total de edificios; máquinas herramienta pesadas (7,000 lb) desplazadas y dañadas seriamente, herramientas para maquinaria muy pesadas (12,000 lb) sobrevivirán.
Fuente: (AICHE/CCPS, 2000)
Tabla A7. La fracción de energía total convertida a radiación para hidrocarburos:
146
Combustible Fracción Hidrógeno 0.20 Metano 0.20 Etileno 0.25 Propano 0.30 Butano 0.30 C5 y mayores 0.40 Fuente: (Mudan and Croce, 1988)
Tabla A8. Valores de las constantes a,b y n en la ecuación probit para algunas sustancias. U.S Coast Guard (1980)
Banco Mundial (1998)
Sustancia Acroleína Acrilonitrilo Amoniaco Benceno Bromo Monóxido de Carbono
a -9.931 -29.42 -35.9 -109.78 -9.04 -37.98
b 2.049 3.008 1.85 5.3 0.92 3.7
n 1 1.43 2 2 2 1
a -9.93
b 2.05
n 1
-9.82
0.71
2
Tetracloruro de carbono Cloro Formaldehido Ácido clorhídrico Ácido cianhídrico Ácido fluorhídrico
-6.29 -8.29 -12.24 -16.85 -29.42 -25.87
0.408 0.92 1.3 2 3.008 3.354
2.5 2 2 1 1.43 1
0.54 -5.3
1.01 0.5
0.5 2.75
-21.76
2.65
1
-26.4
3.35
1
Ácido sulfhídrico Metil bromuro Isocianato de Metilo Dióxido de nitrógeno Fosgeno Óxido de propileno
-31.42 -56.81 -5.642 -13.79 -19.27 -7.415
3.008 5.27 1.637 1.4 3.686 0.509
1.43 1 0.653 2 1 2
-19.92
5.16
1
-19.27
3.69
1
-15.67 -6.794
2.1 0.408
1 2.5
Dióxido de sulfuro Tolueno Fuente: (AIChE/CCPS, 2000)
147
Tabla A9. Conversión de Probits a porcentajes % 0 1 2 0 2.67 2.95 10 3.72 3.77 3.82 20 4.16 4.19 4.23 30 4.48 4.5 4.53 40 4.75 4.77 4.8 50 5 5.03 5.05 60 5.25 5.28 5.31 70 5.52 5.55 5.58 80 5.84 5.88 5.92 90 6.28 6.34 6.41 % 0 0.1 0.2 99 7.33 7.37 7.41 Fuente: (AIChE/CCPS, 2000)
3 3.12 3.87 4.26 4.56 4.82 5.08 5.33 5.61 5.95 6.48 0.3 7.46
4 3.25 3.92 4.29 4.59 4.85 5.1 5.36 5.64 5.99 6.55 0.4 7.51
5 3.36 3.96 4.33 4.61 4.87 5.13 5.39 5.67 6.04 6.64 0.5 7.58
6 3.45 4.01 4.36 4.64 4.9 5.15 5.41 5.71 6.08 6.75 0.6 7.65
7 3.52 4.05 4.39 4.67 4.92 5.18 5.44 5.74 6.13 6.88 0.7 7.75
8 3.59 4.08 4.42 4.69 4.95 5.2 5.47 5.77 6.18 7.05 0.8 7.88
9 3.66 4.08 4.42 4.69 4.95 5.2 5.47 5.77 6.18 7.05 0.9 8.09
148
Sobrepresión Escalada, Ps Tiempo de llegada, ta (ms)/(kgTNT)1/3 Impulso, ip (Pa s)/ kg TNT)1/3 Duración, td (ms)/(Kg TNT)1/3
APÉNDICE B (Figuras)
Distancia Escalada, Z (m/Kg1/3)
Figura B1. Parámetros de la onda de choque para una explosión esférica de TNT en una superficie a nivel del mar. (Lees, 1996).
149
Máxima sobrepresión adimensional
Modelo de TNO Multi-Energía para explosiones de nubes de vapor. Figura B2. (Izquierda) Sobrepresión escala de Sachs en función de la distancia escalada. (AIChE/CCPS, 1994).
Figura B3. (Abajo) Duración de la fase positiva en función de la distancia escalada de Sachs. (AIChE/CCPS, 1994)
R0 Energía
de
combustión-
distancia
Duración de la fase positiva adimensional t+
escalada
R0
Energía de escalada
combustión-
distancia
Sobrepresión escalada, Ps
150
Modelo de Baker – Strehlow para explosión de nubes de vapor. Figura B4.(Izquierda) Sobrepresión escalada como una función de la distancia escalada. (AIChE/CCPS, 2000)
Figura B5. (Abajo) Impulso escalado como una función de la distancia escalada.(AIChE/CCPS, 2000)
R
Impulso escalado Ia
Distancia escalada de Sachs
Distancia escalada de Sachs
R
Fp
Fp
151
Distancia axial adimensional de la flama= Distancia axial de la flama/Radio del charco
Figura B6. Factor de visión máximo para un receptor a nivel de suelo de una radiación proveniente de un cilindro circular recto. (AIChE/CCPS, 2000)
Distancia axial adimensional de la flama= Distancia axial de la flama/Radio del charco
Figura B7. Factor de visión máximo para un receptor a nivel de suelo de una radiación proveniente de un cilindro circular inclinado. (AIChE/CCPS, 2000)
0
BIBLIOGRAFÍA 1. AIChE/CCPS, 2000,Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 2a. Edicion, 754 pp. 2. AIChE/CCPS, 1999,Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 1999, 324 pp. 3. AIChE/CCPS, 1994,Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires and BLEVES, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 387 pp. 4. AIChE/CCPS, 2003, Guidelines for Fire Protection in Chemical, Petrochemical, and Hydrocarbon processing facilities, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 460 pp. 5. AIChE/CCPS, 2008, Guidelines for Hazard Evaluation Procedures, Hoboken, New Jersey: American ra.
Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 3 Edicion, 461 pp. 6. AIChE/CCPS, 2000a, Guidelines for Investigating Chemical Process Incidents, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 2a. Edicion, 2000, 754 pp. 7. AIChE/CCPS, 1996,Guidelines for Use of Vapor Cloud Dispersion Models, New York: American nd
Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 2 Edition, 292 pp. 8. API, 1996, API Recommended Practice 521: Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems, 2nd Ed. Washington: American Petroleum Institute. 9. Bernal Natalio y Edgar Avila, 2005, Veracruz: fuga de amoniaco; 5 muertos, El Universal, Jueves 14 de abril de 2005. 10. Bestratén BellovíManuel, Turmo SierraEmilio, NTP 293,Explosiones BLEVE (I): evaluación de la radiación térmica, Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociale España, Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo, Gobierno de España, Junio 2010. http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/201a300 /ntp_293.pdf 11. BOLETÍN DE PRENSA PEMEX, 2005, Se atiende fuga de amoniaco en Nanchital, Veracruz, 14 de Abril de 2005. Boletín No. 87, PEMEX. (Julio, 2010) http://www.pemex.com/index.cfm?action=news§ionID=8&catID=40&contentID=3045
1 12. Crowl, Daniel A., 2003, Understanding Explosions, American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process SafetyNew York, 214 pp. 13. DeVaull, George E., et-al, 1995, Understanding Atmospheric Dispersion of Accidental Releases, American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, United States of America, 144 pp. 14. Díaz AlonsoFernando, 2006, Tesis Doctoral: "Análisis de consecuencias y Zonas de Planificación para explosiones industriales accidentales", Universidad de Murcia, Mayo 2006. (Julio,2010) http://www.tdr.cesca.es/TDX/TDR_UM/TESIS/AVAILABLE/TDR-1019106-125534//DiazAlonso.pdf 15. Frank P. Lees, 1986, Loss Prevention in the Process Industries. Hazard Identification, Assesment and control, Volume 1, Second Edition, Butterworh-Heinemann, Great Britain. 16. GUIAR, 2010, Grupo de Investigación Analítica de Riesgos, Analisis de Riesgos, Universidad de Zaragoza, España, (Junio, 2010).http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_riesgo/An_riesgo.htm 17. GUIAR, 2010a, Grupo de Investigación Analítica de Riesgos, Metodologia Probit, Universidad de Zaragoza, España, (Junio 2010). http://www.unizar.es/guiar/1/Accident/An_conse/Probit.htm 18. H.Keith Lawrence and Douglas B. Walters, 1985, Compendium of Safety Data Sheets for Research and Industrial Chemicals. 19. LacarriereNorberto, Palabras férreas. Lucio Blanco: Zona minada e ignorada, Martes, 12 de Agosto de 2008, (Julio 2010). http://radio.autechonline.com/index.php/lasnoticias/47-palabras-ferreas-por-norberto-lacarriere 20. Mudan, K. S., and P. A. Croce (1988), Fire Hazard Calculations for Large Open Hydrocarbon Fires, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Boston, MA: Society of Fire ProtectionEngineers. 21. NOM-010-STPS-1999, Condiciones de seguridad e higiene en los centros de trabajo donde se manejen, transporten, procesen o almacenen sustancias químicas capaces de generar contaminación en el medio ambiente laboral. D.O.F. 13-III-2000, (aclaración y fe de erratas D.O.F. 21-VIII-2000). 22. NOM-018-STPS-2000 Sistema para la identificación y comunicación de peligros y riesgos por sustancias químicas peligrosas en los centros de trabajo, D.O.F. 27-X-2000. (aclaración D.O.F. 2-I2001).
2 23. NRF-018-PEMEX-2007, Estudios de Riesgo, Cómite de Normalizacio de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios, Subcomité técnico de Normalización de PEMEX Petroquímica, Enero de 2008. 24. PeñaJoaquín, 2005, Aumentan muertos por explosión de pipa en Matamoros, Noticieros Televisa, (Julio 2010) http://www.esmas.com/noticierostelevisa/mexico/467288.html 25. PHAST Help system v6.1,Manual del usuario de PHAST, DNV Version 6.1. 26. Procedimiento de evaluación de riesgos tecnológicos en el entorno,Servicio de Protección Civil, Barcelona, Gobierno de España, 2002. 27. Redacción, Alarma nueva fuga de amoniaco en Veracruz, Noticieros Televisa. Méx, 15 abril, 2005. (Julio, 2010) http://www.esmas.com/noticierostelevisa/mexico/439162.html 28. SEMARNAT 2008, Guia para la elaboración del estudio de Riesgo Ambiental (Instalaciones en Operación), Subsecretaria de Gestion para la Proteccion Ambiental, Direccion General de GestionIntegral de Materiales y Actividades Riesgosas, , Octubre 2008. 29. Torres BarbosaArmando y Roberto Aguilar Grimaldo, 2005, Tamaulipas: Explota pipa al chocar contra un tren, El Universal,Viernes 12 de agosto de 2005. 30. XEPL Noticias, 2005, Tragedia en Matamoros XEPLNoticias de Cuauhtémoc, Chihuahua, México, Noticias con la fuerza de la verdad, 12 de Agosto de 2005, (Julio 2010). http://www.xepl.com.mx/completa1.php?s=region&i=23149 31. Turmo SierraEmilio, NTP 321: Explosiones de nubes de vapor no confinadas: evaluación de la sobrepresión, Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociale España, Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo, Gobierno de España. (Mayo,2010) http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/FichasTecnicas/NTP/Ficheros/301a400 /ntp_321.pdf 32. Van den Bosch, C. J. H. and Weterings, R. A. P., 2005. Methods for the calculation of physical effects due to releases of hazardous materials (liquids and gases), “Yellow Book", The Netherlands Organization of Applied Scientific Research (TNO), Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen 2. 33. Villa, Alberto A., 2010, Tetraedro del fuego: Lo básico, Seguridad Cuatro,Blog de la materia Seguridad IV - Prevención y Extinción de Incendios, jueves 8 de abril de 2010 (Diciembre 2010).
3 http://seguridadcuatro.blogspot.com/2010/04/tetraedro-del-fuego-lo-basico.html 34. Witlox, Adrian HoltH.W.M., Torstein K. Fanneløp, David Webber,John L. Woodward and Staale Selmer-Olsen, 2000, Unified Dispersion Model (UDM), Theory Manual, DNV Software Products and Development, London UK, January 2000. 35. Woodward, John Lowell, 1998, Estimating the Flammable Mass of a Vapor Cloud, New York: American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process Safety, 298 pp. 36. World Bank (1985),Manual of Industrial Hazard Assessment Techniques, ed. P. J. Kayes. Washington,DC: Office of Environmental and Scientific Affairs, World Bank.
