6 Fuegos y Explosiones N

6.FUEGOS Y EXPLOSIONES ________________________________________________________________________ 6.1 CONCEPTOS BASICOS Productos químicos presentan un peligro substancial debido a su potencial para evolucionar a fuegos y explosiones. La combustión de un galón de tolueno puede destruir un laboratorio normal de química en minutos, donde las personas presentes pueden fallecer. Las consecuencias potenciales de fuegos y explosiones en plantas piloto y en ambientes de plantas industriales pueden ser muy grandes. Los tres accidentes en plantas químicas son fuegos, explosiones y liberaciones tóxicas. Solventes orgánicos son la fuente más común de fuegos y explosiones en la industria química. Las pérdidas anuales en los Estados Unidos son estimadas en 150 millones de dólares (dólares de 1979). Pérdidas adicionales debidas a interrupción del negocio, que en primera instancia representan los costos ocultos con un accidente, se estima que pueden exceder los 150 millones de dólares. Para prevenir accidentes debidos a fuegos y explosiones, los ingenieros deben de familiarizarse con : - Propiedades de fuego y explosión de los materiales La naturaleza del proceso de fuego y explosión Procedimientos para reducir los riesgos de fuego y explosión Este capítulo cubre los tópicos de explosiones y fuegos , enfatizando en las definiciones y métodos de cálculo para estimar la magnitud y consecuencias de fuegos y explosiones. 6.1.1 El Triángulo del fuego Los elementos esenciales para la combustión son : combustible, oxidante y una fuente de ignición. Estos elementos son ilustrados en la Figura 6.1. El fuego o quema, es la oxidación exotérmica y rápida de un combustible incendiado. El combustible puede ser sólido, líquido o en forma de vapor, destacándose que los combustibles líquidos y vapor son más fáciles de encender. La combustión siempre ocurre en fase de vapor, los líquidos volatilizan y los sólidos se descomponen en vapor antes de su combustión. Cuando un combustible, el oxidante y la fuente de ignición están presentes en los niveles adecuados, la quema puede ocurrir. Esto significa que un fuego puede no ocurrir si : (1) el combustible no está presente o está presente en cantidades que no son suficientes, (2) el oxidante no está presente o está presente en pequeñas cantidades y (3) la fuente de ignición no está presente o el contenido energético no es suficiente para iniciar el fuego. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 215 __________________________________________________________________________________ Los dos ejemplos comunes de los tres componentes del triángulo del fuego son : madera, aire y un cerillo; gasolina, aire y una chispa. Sin embargo, otras combinaciones menos obvias de químicos pueden llevar a fuegos y explosiones. Varios combustibles, oxidantes y fuentes de ignición comunes en la industria química son : Combustibles Líquidos Sólidos Gases Gasolina, acetona, éter, pentano Plásticos, polvo de madera, fibras, partículas metálicas Acetileno, propano, monóxido de carbono, hidrógeno Oxidantes Gases Líquidos Sólidos Oxígeno, Flúor, Cloro Peróxido de hidrógeno, ácido nítrico, ácido perclórico Peróxidos metálicos, nitrito de amonio Fuentes de Ignición Chispas, flama directa, electricidad estática, calor Fuego : Cuando los tres lados se conectan Aire (oxígeno) FUEGO Combustible Fuente de ignición No Fuego : Cuando alguno de los lados no se conecta Figura 6.1 El Triángulo del Fuego ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 216 __________________________________________________________________________________ 6.1.2 Diferencia entre fuego y explosión La principal distinción entre fuego y explosión es la velocidad de liberación de energía. Un fuego libera energía lentamente, en cambio en una explosión la liberación de energía se realiza muy rápido, con tiempos del orden de los microsegundos. Los fuegos pueden tener su origen en explosiones y explosiones pueden tener su origen en fuegos. Un buen ejemplo de cómo la liberación de energía afecta las consecuencias de un accidente con una llanta normal de automóvil. El aire comprimido en la llanta contiene energía. Si la energía es liberada lentamente a través de un orificio, la llanta se desinfla lentamente. Si la llanta sufre una ruptura, toda le energía contenida en la misma es liberada rápidamente, evolucionando a una explosión peligrosa. 6.1.3 Definiciones Algunas de las definiciones comúnmente relacionadas con fuegos y explosiones son dadas a continuación. Combustión o Fuego: Es una reacción química en la cual una substancia se combina con un agente oxidante y libera energía. Parte de la energía liberada es utilizada para sostener la reacción. Ignición: Ignición de una mezcla flamable puede ser causada cuando la mezcla entra en contacto con una fuente de ignición con energía suficiente o cuando un gas reacciona a una temperatura alta para causar que el gas evolucione a su autoignición. Temperatura de autoignición (AIT): Es la temperatura a la cual una mezcla flamable es capaz de extraer energía del ambiente para su propia ignición. Flash Point (FP): El flash point de un líquido es la temperatura más baja a la cual, el mismo puede generar suficiente vapor para formar una mezcla que se puede encender con el aire. Al flash point, el vapor puede quemarse, pero durante poco tiempo. El flash point generalmente se incrementa con un incremento en la presión. Diferentes métodos experimentales pueden utilizarse para determinar el flash point. Cada método produce valores diferentes; los dos métodos más comunes son copa abierta y copa cerrada, dependiendo de la configuración física del equipo. El flash point a copa abierta es generalmente mayor en pocos grados al de copa cerrada. Fire Point : Es la temperatura más baja para la cual un vapor por encima de un líquido continua quemándose una vez que se enciende; la temperatura del fire point es por lo general mayor a la del flash point para el mismo material. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas lo último es más común y regularmente se traduce en lesiones a los habitantes del edificio y un daño extenso. Explosión mecánica: Es una explosión debida a la falla súbita de un recipiente conteniendo gas no reactivo a alta presión. LFL). Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions): Una BLEVE se presenta si el recipiente que contiene un líquido con una temperatura debajo de su temperatura normal de ebullición sufre una ruptura. Detonación: Es una explosión con una onda de choque resultante moviéndose a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en un medio no reactivo Explosión confinada (CE’s): Es una explosión que ocurre en un recipiente o un edificio. Explosión de vapores expandidos de líquidos en ebullición (BLEVE’s. seguida por la combustión o explosión de la nube vaporizada si esta es combustible. El gas se dispersa y se mezcla con el aire hasta alcanzar una fuente de ignición. Una mezcla solo es flamable cuando la composición se encuentra entre el LFL y el UFL. La mezcla no puede quemar cuando la composición es más baja que el límite bajo de inflamabilidad (lower flammable limit. Este tipo de explosiones ocurre cuando un fuego externo calienta el contenido del tanque (material volátil). es decir por encima del límite alto de inflamabilidad (upper flammable limit. Los daños debidos a una explosión son causados por la onda de choque u onda de sobrepresión. Este tipo de explosiones usualmente evolucionan a partir de la fuga de gases inflamables. onda de sobrepresión u onda de choque. Las explosiones no confinadas son menos comunes que las explosiones confinadas puesto que el material explosivo se esperaría que se diluyera por debajo de LFL por dispersión en el viento. La subsecuente BLEVE es la vaporización explosiva de una gran fracción del material contenido en el recipiente.6. por otro lado la mezcla no es combustible cuando la composición es demasiado rica. Los límites bajo de explosividad (LEL) y límite alto de explosividad (UEL) son utilizados de manera indistinta a los LFL y UFL. Fuegos y Explosiones 217 __________________________________________________________________________________ Limites de Inflamabilidad (LFL y UFL): Las mezclas de vapor – aire pueden solamente encenderse y quemarse dentro de un rango especificado de composiciones. Deflagración: Es una explosión con una onda de choque resultante moviéndose a una velocidad menor que la velocidad del sonido en un medio no reactivo. como el contenido del tanque se calienta. la presión vapor del líquido en el tanque se incrementa y la integridad ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Explosión no confinada (UE’s): Es una explosión que ocurre en ambientes abiertos. La expansión puede ser mecánica (vía ruptura del recipiente presurizado) o puede ser el resultado de una reacción química rápida. UFL). Explosión: Es una expansión rápida de gases evolucionando a un rápido movimiento de la presión. Las unidades comúnmente utilizadas son % volumen de combustible. Estas explosiones son más destructivas debido a que grandes cantidades de gas en áreas muy grandes pueden estar involucradas. la substancia en particular tiene un LFL de 2. Sobrepresión: choque. La presión máxima de explosión es medida.2.4.2 % y un UFL de 7. En este caso la temperatura de flash point es estimada por determinar la temperatura a la cual la presión vapor del material flamable en la mezcla es igual a la presión de vapor del componente puro a su flash point. La Figura 6. 6. Los flash point de mezclas multicomponente pueden estimarse si al menos un componente es flamable y su flash point es conocido.1. La presión de un objeto como resultado de un impacto de la onda de 6. Fuegos y Explosiones 218 __________________________________________________________________________________ estructural del tanque se reduce debido al calentamiento.2 Vapores Los límites de inflamabilidad para vapores son determinados experimentalmente en un recipiente cerrado especialmente diseñado tal y como se muestra en la Figura 5. Los flash point de componentes puros son fácilmente determinados de manera experimental. Onda de choque: Una onda presión moviéndose a través del gas.1 Líquidos El flash point (FP) es una de las principales propiedades físicas utilizadas para determinar los riesgos de fuego y explosión de líquidos.4 Características de inflamabilidad de líquidos y vapores Las características de inflamabilidad de algunos materiales químicos están listadas en la Tabla 6. Explosión de polvos: Esta explosión resulta a partir de la combustión rápida de partículas finas de sólidos.3 muestra los resultados de cada una de las pruebas.1. Esta prueba se repite con diferentes concentraciones para establecer un rango de inflamabilidad para un gas específico. La presión se incrementa en la onda de choque rápidamente haciendo al proceso adiabático. La Tabla 6. 6. Mezclas de vapores y aire de concentraciones conocidas son puestos en el equipo e incendiados.4.1. Muchos materiales sólidos (incluyendo metales comunes tales como hierro y aluminio) pueden ser muy inflamables cuando se reducen a polvo fino. Una onda de choque en aire abierto es seguida de un fuerte viento. tal y como muestra la Figura 6.1. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .1 lista algunos valores. Si el tanque sufre ruptura el líquido caliente volatiliza explosivamente.6.8 %. la onda de choque combinada con viento es denominada onda explosiva. 5 1.8 32 158 12.7 7.9 36.6 6.4 -20* -35 -40 Gas -162 40 LFL % 3.4 2.4 1.6 87** -211 -49.1 2.6 1.0 8.8 7.1 4.0 7.1 7.9 8.0 8.8 -15 Gas -306 24* 73 50* 45 Gas -57 55.2 74 6.0 1.1 1.51 2.0 12.7 1.0 1.5 22 7.0* 0 Gas 174 --45.2 8.0 5 1.3 2.3 1.1 2.1 CARACTERISTICAS DE INFLAMABILIDAD DE LIQUIDOS Y GASES Compuesto Acetato de metilo Acetona Acetileno Alcohol etílico Alcohol isopropílico Alcohol metílico Acroleína Acriolonitrilo Anilina Benceno Butano Ciclohexano Clorobenceno Cloruro de metilo Diborano Dicloruro de propileno Dioxano Estireno Etano Eter etílico Eter isopropílico Etileno Fenol Formaldehído Gasolina Heptano Hexano Hidrógeno Metano Metil etil cetona Metil isobutil cetona Metil metacrilato Metil propil cetona Monóxido de carbono Nafta Octano Oxido de etileno Oxido de propileno Pentano Propano Propileno Tolueno Flash Point °F 15 0.0 3.8 9.2 1.4 88 14.3 1.0 1.0 1.1 Temperatura de autoignición.6.8 3.1 3.4 8 9.3 1.0 2.7 1.6 73 7.5 100 36 7.0** -76 -1** 85** 32 Gas 61 53.3 1.9 1.0 6. °F 935 1000 -793 850 867 ---1044 761 473 1180 1170 -1035 -914 959 180 830 914 ----500 1075 1000 960 860 790 941 -550 -800 869 588 -927 997 • flash point a copa abierta ** flash point a copa cerrada ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .5 11.3 8.4 2.2 UFL % 16 13 100 19 12 36 31 17 11 7.0* Gas 55 53* 54* -14.0 1.5 3.4 8.1 0.2 1.8 3.5 2.6 17.5 12.5 75 15 11.0 6 2.4 24. Fuegos y Explosiones 219 __________________________________________________________________________________ TABLA 6.5 36.4 1. 2 Presión vapor de saturación para metanol Figura 6.3 Límites de inflamabilidad de un vapor típico ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 220 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. N. Vol. % Vol.T. Estos límites para mezclas son calculados utilizando la ecuación de Le Chatelier2: LFL mezcla = 1 yi ∑ i = 1 LFL i (6. 6 (1952) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .Y.6.1. F. Mc Graw Hill Co. .S.2) Donde: UFLi : Límite alto de inflamabilidad del componente i . . New York.4. Ann.3 Mezclas de vapores1 Frecuentemente los LFL’s y UFL’s para mezclas son necesarios. de i en combustible y aire La ecuación de Le Chatelier’s es una ecuación empírica la cual no es universalmente aplicable. % Vol. H. Las limitaciones de la misma son mencionadas en la literatura3.1) n Donde: LFLi : Límite bajo de inflamabilidad del componente i . Mines . Industrial Explosion Prevention and Protection . de i en combustible y aire yi : Fracción mol del componente i sobre la base combustible n : Número de especies combustibles Similarmente: UFL mezcla = 1 yi ∑ i = 1 UFL i n (6.. Bureau of Mines Bulletin 503. Fuegos y Explosiones 221 __________________________________________________________________________________ 6. _________________________________ 1 Bodurtha. “Estimation of Firedamp by Flammability Limits “. 19 (1891) 3 U. p. (1980) 2 Le Chatelier. 1. excepto a bajas presiones (< 50 mm Hg abs. UFL : Límite alto de inflamabilidad. Fuegos y Explosiones 222 __________________________________________________________________________________ 6. donde las flamas no se propagan. El UFL se incrementa significativamente cuando la presión se incrementa. % Vol.3) (6. Una expresión empírica para el UFL para vapores como una función de la presión está disponible5... Proc. M. S. Engr.G. Chem. Seventh Symposium on Combustion . 2. el rango de inflamabilidad se incrementa con la temperatura4. Las siguientes ecuaciones empíricas se han derivado y están disponibles para vapores: ⎡ 0. (1965) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .5 Dependencia de los límites de inflamabilidad de la presión La presión tiene un efecto muy pequeño sobre los límites de inflamabilidad..G. and Scott.. aunque la determinación experimental es siempre recomendada. UFL P = UFL + 20. megapascals abs.). 6.6 (log P + 1) (6.. Symp.4. Symp. Extreme Cond. Los límites de inflamabilidad pueden ser estimados.4 Dependencia de los límites de inflamabilidad de la temperatura En general.75 ( T .6 Estimación de límites de inflamabilidad Para algunas situaciones puede ser necesario estimar los límites de inflamabilidad sin datos experimentales. ºC 6. Butterworths. London (1959) 5 Zabetakis.S. de combustible más aire a 1 atm. Lambiris.1. Ser. M.75 ( T . kcal / mol T : Temperatura. “Fire and Explosions Hazards at Temperature and Pressure Extremes”. “ Flame Temperatures of Limit Mixtures”. Chem.5) Donde : P : Presión.25) ⎤ LFL T = LFL 25 ⎢ 1 ⎥ ∆H c ⎣ ⎦ ⎡ 0. _________________________________ 4 Zabetakis.4) Donde: ∆Hc : Calor de combustión neto. Engr.1. AIChE – Inst.25) ⎤ UFL T = UFL 25 ⎢ 1 + ⎥ ∆H c ⎣ ⎦ (6.6.4.4. G. afectando el rango de inflamabilidad. G.21 ⎠ ⎝ moles de combustible ⎠ = 100 ⎛ z ⎞ 1+ ⎜ ⎟ ⎝ 0.. Chem. pp.6. La concentración estequiométrica para productos orgánicos puede determinarse utilizando la reacción general de combustión: C m H x O y + z O 2 → m CO 2 + x H 2O 2 (6.50 C St (6.. Vol.21 ⎠ _________________________________ 6 Jones. 22.8) Para la cual la estequiometría marca: z = m + x y 4 2 Donde z tiene unidades de moles de O2 / mol de combustible Relaciones estequiométricas adicionales y cambios de unidades para determinar Cst como función de z son: C St = moles combustible × 100 moles combustible + moles de aire = 100 moles aire ⎛ ⎞ 1+ ⎜ ⎟ ⎝ moles de combustible ⎠ = 100 moles O 2 ⎞ ⎛ 1 ⎞⎛ 1+ ⎜ ⎟ ⎟⎜ ⎝ 0.7) Donde: Cst : % volumen de combustible más aire.55 C St (6. LFL y UFL son una función de la concentración estequiométrica (Cst) de combustible: LFL = 0.W. Fuegos y Explosiones 223 __________________________________________________________________________________ Jones6 encontró que para muchos vapores de hidrocarburos. 1-26 (1938) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Rev. “Inflammation limits and Their Practical Application in Hazardous Industrial Operations”.6) UFL = 3. N° 1. 9) UFL = 3.6) y (6.7) se obtiene: LFL = 0.2. Amsterdam (1982) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . el oxígeno es el ingrediente clave y se requiere una concentración de oxígeno mínima para propagar la flama. Este procedimiento puede manejarse con muchos hidrocarburos. Este concepto es la base de un procedimiento comúnmente utilizado en la industria y que se conoce como inertización.38 y + 1 (6. 6.50 (100) 4.76 m + 1. • La energía mínima de ignición (MIE) de polvos en general son a niveles de energía.38 y + 1 (6. presión y temperatura. Esto es un resultado especialmente útil. Unos pocos valores de MIE están presentados en la Tabla 6. concentración. Por debajo de la MOC.5 Concentración mínima de oxígeno (MOC) e inertización Los límites de inflamabilidad están basados en la cantidad de combustible en aire. porque las explosiones y fuegos son prevenibles al reducir la concentración de oxígeno. Fuegos y Explosiones 224 __________________________________________________________________________________ Sustituyendo z y aplicando en las ecuaciones (6.55 (100) 4.6 Energía de Ignición7 La energía mínima de ignición (MIE) es la entrada mínima de energía requerida para iniciar la combustión. La MIE depende del químico específico o la mezcla. ____________________________________________ 7 P.19 x .2. la reacción no puede generar energía para calentar la mezcla de gases (incluyendo los inertes) en la cantidad requerida para propagar la flama.2. Dust Explosions. Field.19 x . La MOC tiene unidades de % de oxígeno en aire más combustible. Elsevier. Si datos experimentales no están disponibles.76 m + 1.10) 6. • un incremento en la concentración de nitrógeno incrementa la energía mínima de ignición (MIE). Sin embargo.1.1. comparables a gases combustibles.6. Todos los materiales inflamables (incluyendo polvos) tienen energías mínimas de ignición. la MOC puede estimarse utilizando la estequiometría de la reacción de combustión y los límites de inflamabilidad. Los datos experimentales indican que: • La energía mínima de ignición (MIE) decrece con un incremento en la presión. volumen del vapor.150 0. Volúmenes del sistema grandes decrecen la AIT.2 ENERGIAS MINIMAS DE IGNICION8 Combustible Metano Propano Heptano Hidrógeno Propano (% mol) [ O2 / (O2+N2)] 1. también tienen niveles de energía que exceden la MIE de materiales inflamables y pueden proveer una fuente de ignición. Datos de AIT son presentados en la Tabla 6. USNT AD 701.004 0. U. es la temperatura a la cual el vapor se enciende espontáneamente a partir de la energía del medio ambiente. presencia de material catalítico y condiciones de flujo. Fuegos y Explosiones 225 __________________________________________________________________________________ Muchos hidrocarburos tienen MIE’s cercanos a 0. Esto es bajo comparado con fuentes de ignición. Por ejemplo. “Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors”. M.5 --- 0. La composición afecta la AIT. mezclas ricas en composición tienen una alta AIT.01 0. una descarga estática de 22 mJ es iniciada por caminar sobre una alfombra y una chispa ordinaria tiene una energía de descarga de 25 mJ.03 1 1 1 0. como resultado del flujo de fluidos.0 Polvo de almidón Polvo de Hierro Presión (atm) 1 1 1 1 Energía mínima (mJ) 0.0 0.G.12 6.26 0. La temperatura de autoignición es una función de la concentración del vapor. Es esencial el determinar la AIT a condiciones tan cercanas como sean posibles a las del proceso.1.1. contribuyendo a explosiones en plantas. algunas veces llamada la temperatura de ignición espontánea (SIT). 576 (1965) 8 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .012 0.5 0.S. presión del sistema.21 1.29 0. TABLA 6.. ____________________________________ (Zabetakis.3 0.6. un incremento en la presión decrece la AIT y un incremento en la concentración de oxígeno decrece la AIT.25 0. Descargas electrostáticas. Una fuerte dependencia de la concentración ilustra la importancia de manejar excesivo cuidado al usar datos de AIT.7 Autoignición La temperatura de autoignición (AIT) de un vapor. Bureau of Mines Bulletin 627.25 mJ. referido como combustión espontánea. Fuegos y Explosiones 226 __________________________________________________________________________________ 6. Es también la razón por la cual motores sobrecalentados continúan trabajando después de que la ignición se ha apagado. Muchos fuegos son iniciados como resultado de autoxidación.6.1.1.11) Donde: Tf Ti Pf Pi : Temperatura final absoluta : Temperatura inicial absoluta : Presión final absoluta : Presión inicial absoluta γ = Cp / Cv ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Algunos ejemplos de autoxidación con potencial para combustión espontánea incluyen: • Aceites almacenados en áreas muy calientes. Casos han sido registrados donde residuos de filtro ayuda de diez años se han encendido cuando el material de rellenos ha sido removido. El incremento de temperatura adiabática para un gas ideal puede ser calculado a partir de la ecuación termodinámica de compresión adiabática: ⎛P ⎞ Tf = Ti ⎜⎜ f ⎟⎟ ⎝ Pi ⎠ γ -1 γ (6.8 Autoxidación La autoxidación es el proceso de oxidación lenta acompañada por evolución de calor. Medidas de seguridad deben incluirse en diseño de procesos para prevenir fuegos indeseables debidos a compresión adiabática. 9 Compresión adiabática Formas adicionales de ignición es la compresión adiabática. Líquidos con alta volatilidad son menos susceptibles a la autoignición debido a que se enfrían a sí mismos como resultado de la evaporación. Por ejemplo. Esta es la causa del golpe de preignición en motores los cuales continúan trabajando muy calientes o muy cargados. Líquidos con relativamente baja volatilidad son particularmente susceptibles a este problema. Estos ejemplos ilustran porque se deben tener precauciones especiales para prevenir fuegos debido a autoxidación y autoignición. llevando a autoxidación y eventual autoignición. 6. Diversos accidentes son causados por vapores inflamables que son succionados por la admisión de aire a los compresores. Un compresor es particularmente susceptible de autoignición si el postenfriador falla. algunas veces llevando a autoignición si la energía no es removida a partir del sistema. compresión subsecuente resulta en autoignición. • Aislamiento sobre tuberías de vapor saturado con ciertos polímeros. la gasolina y el aire en un pistón en un automóvil puede encenderse si los vapores son comprimidos a una temperatura adiabática la cual excede la temperatura de autoignición. • Filtro ayuda saturado con ciertos polímeros. los fuegos y explosiones son prevenibles por la eliminación de las fuentes de ignición. Fuegos y Explosiones 227 __________________________________________________________________________________ 6.3) debe de prestárseles gran atención. Combinaciones entre fuentes de ignición también son posibles y deben ser investigadas. es para prevenir un fuego o explosión a partir de una fuente de ignición no identificada.) Exposición (fuego saltando a nuevas áreas) Incendiarismo (fuegos provocados intencionalmente) Chispas mecánicas (esmeriles.) Flamas en combustión (inadecuado uso de antorchas. etc. Algunas situaciones especiales pueden ocurrir cuando en una instalación de proceso sea imposible evitar mezclas inflamables. Chicago (1974) Eléctricas (operación de motores) Fumar Fricción (acoplamientos o partes rotas) Materiales sobrecalentados (Temperaturas anormalmente altas) Superficies calientes (calor a partir de calderas. molinos.6. por lo que los ingenieros deberán continuar trabajando en la identificación y eliminación de estas.3. por consecuencia es imposible el identificar y eliminar la totalidad de ellas. National Safety Council. (Chicago: National Safety Council. TABLA 6.10 Fuentes de Ignición9 Como ilustra el triángulo del fuego. arcos.1.) Substancias Molten (derrames calientes) Acción química (procesos fuera de control) Chispas de electricidad estática (liberación de energía acumulada) Rayos (donde no se usan pararrayos) Misceláneas 23 % 18% 10 % 8% 7% 7% 5% 4% 4% 3% 3% 2% 2% 1% 1% 1% 1% ______________________________________________ 9 Accident Prevention Manual for Industrial Operations . etc. Todas las fuentes de ignición probablemente no sean identificadas.000 fuegos por la Factory Mutual Engineering Corporation (USA) y se sumarizan en la Tabla 6. calor. El esfuerzo requerido aumenta en función del tamaño de la planta y las fuentes potenciales de ignición pueden ser miles. En estos casos a través de un análisis de seguridad se pueden eliminar todas las posibles fuentes de ignición en cada una de las unidades donde se presenten gases inflamables. La eliminación de fuentes de ignición con grandes probabilidades de ocurrencia (Tabla 6. Varias fuentes de ignición han sido tabuladas para cerca de 25. por ejemplo. etc.3 FUENTES DE IGNICION DE FUEGOS MAYORES ( Accident Prevention Manual for Industrial Operations . La principal razón para adicionar un inerte a un líquido flamable.) Chispas de combustión (chispas) Ignición espontánea Cortar y soldar (chispas. lámparas. 1974) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Las fuentes de ignición son numerosas. El objetivo es eliminar o minimizar las fuentes de ignición puesto que la probabilidad de fuego y/o explosión se incrementa rápidamente conforme el número de fuentes de ignición se incrementan. etc. 2. TABLA 6.4. el límite bajo de inflamabilidad es virtualmente el mismo que la substancia en forma de vapor. Boston (1980) Borgoyne. pueden crear una condición peligrosa. Esto es importante cuando se inertiza en presencia de neblinas o aerosoles.01 mm y 0.1. un fuego o explosión puede ocurrir. Esto es cierto aún a bajas temperaturas donde el líquido es no volátil y vapor no está presente. “ The Flammability of Mists and Sprays “. Cuando sprays tienen diámetros de gota entre 0.6 y 1. Lees . la propagación de la flama es imposible. Un sumario de los parámetros más importantes es mostrado en la Tabla 6.2 mm el límite bajo de inflamabilidad decrece conforme el diámetro de la gota se incrementa. Chemical Process Hazards . Neblinas de este tipo se forman por condensación. . Butterworths. Para neblinas o aerosoles formadas mecánicamente con diámetros de gota entre 0. p. energía y duración Geometría de los alrededores : confinada o no confinada Cantidad de material combustible Turbulencia del material combustible Tiempo después de la ignición Velocidad con la cual el material es liberado ______________________________________________ 10 Frank P. 6. Vol. Fuegos y Explosiones 228 __________________________________________________________________________________ 6.10 mm. Neblinas o aerosoles y sprays también afectan los límites de inflamabilidad11.1. Si vapores inflamables están presentes. Para suspensiones con diámetros de gotas menores a 0.1 (1965) 11 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . sin embargo.6.5 mm.4 PARAMETROS QUE AFECTAN SIGNIFICATIVAMENTE EL COMPORTAMIENTO DE EXPLOSIONES 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temperatura ambiente Presión ambiente Composición del material explosivo Propiedades físicas del material explosivo Naturaleza de las fuentes de ignición : tipo.11 Sprays y neblinas10 La electricidad estática es generada cuando sprays y neblinas pasan a través de orificios. En esta situación. Loss Prevention in the Process Industries .12 Explosiones El comportamiento de una explosión depende de una gran cantidad de parámetros.H. el límite bajo de inflamabilidad es menor en aproximadamente una décima parte del valor normal de LFL. J. la presencia de pequeñas gotas y/o perturbaciones las cuales puedan llevar a grandes gotas. Una carga puede acumularse y descargar en una chispa. Una pequeña chispa. si se mueve a una velocidad menor a la velocidad del sonido la explosión es una deflagración.13 Detonación y deflagración Las explosiones se pueden clasificar en detonaciones y deflagraciones.1. Muchas aproximaciones al problema han sido hechas para entenderlo. semiempíricos y empíricos. Suponiendo que una mezcla combustible es puesta en una tubería grande. La combustión de la mezcla de gasolina y aire en un motor de combustión interna es una deflagración.4. flama o alguna otra fuente de ignición inicia la reacción en uno de los extremos de la tubería. A pesar de estos esfuerzos. 6. Esta es causada por los cambios estequiométricos (cambio en el número de moles) o efectos de expansión térmica. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . siendo este tiempo aproximadamente 1/10. el comportamiento de una explosión no ha sido completamente entendido. incluyendo estudios teóricos. deberá extrapolar resultados de forma cuidadosa manejando para todos sus diseños un cuidadoso “margen de seguridad”. Una detonación ocurre más rápidamente. la diferencia depende de la velocidad de la onda de choque que se genera a partir de la explosión. una flama o frente de reacción se mueve por la tubería. Si la onda de presión se mueve más rápidamente que la velocidad del sonido en el medio no reaccionado la explosión es una detonación.000 de segundo.6. Fuegos y Explosiones 229 __________________________________________________________________________________ El comportamiento de una explosión es muy difícil de caracterizar. Adelante del frente de flama se tiene la onda de choque u onda de presión como se muestra en la Figura 6. aún cuando el proceso de combustión completo ocurre en aproximadamente 1/300 de segundo. La onda de choque es debida a la expansión de los gases por la reacción. El ingeniero en la práctica. Después de la ignición. la energía a partir de una deflagración puede retroalimentar a una onda de presión. El resultado puede ser de un movimiento del frente de flama o reacción relativamente lento. resultando en un incremento en la presión adiabática. radicales libres reactivos o “centros” son rápidamente incrementados en número por una reacción elemental. la temperatura del gas se incrementa por la reacción llevando a una autoaceleración de la velocidad de reacción. Para deflagraciones. La presión se incrementa y el resultado es una detonación completa. Son muy diversos los mecanismos que pueden llevar a una detonación. Ambos mecanismos pueden contabilizar el comportamiento explosivo. En el segundo mecanismo llamado mecanismo de cadena ramificada. Si el frente de flama o reacción depende de la difusión molecular o turbulenta entonces la velocidad de liberación de energía es limitada por la transferencia de masa. Típicamente un radical libre que participa en la reacción produce dos radicales libres. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Una deflagración puede evolucionar a una detonación.4 Frentes de reacción y presión propagándose a través de una tubería Las relaciones entre la onda de choque y el frente de reacción determinan si ocurrirá una deflagración o una detonación. En un sistema de tuberías.6. para una detonación comparativamente es 10 veces o más. Esto es particularmente común en tuberías pero poco común en recipientes o espacios abiertos. Esto es típico de deflagraciones con frentes moviéndose lentamente y por debajo de la velocidad del sonido. Dos mecanismos han sido propuestos para describir cada evento. En el primer mecanismo llamado mecanismo térmico. El ingrediente esencial es que la energía sea liberada en un período de tiempo muy corto en un volumen muy pequeño para producir una presión inicial u onda de choque significativa. el incremento de presión es típicamente de algunas atmósferas. Fuegos y Explosiones 230 __________________________________________________________________________________ PRESION DE LA ONDA DE CHOQUE • Gases no combustionados comprimidos y calentados GASES REACCIONANDO Dirección de la propagación GASES NO REACCIONADOS ZONA DE REACCION • Energía liberada • Cambio en el número de moles Figura 6. la presión máxima es de 7.987 bar) en la esfera al momento de la ignición. El procedimiento de prueba incluye : 1) evacuar y purgar el recipiente. El dispositivo es muy similar al aparto para explosiones de vapores. La velocidad de presión y la presión máxima para cada corrida son graficadas contra la concentración.1. 2) ajustar la temperatura. La velocidad de presión o pendiente es calculada al punto de inflexión de la curva de presión como se muestra en la Figura 6. El experimento es repetido a diferentes concentraciones.5. con la excepción de un mayor volumen y la adición de un contendor de la muestra y un anillo de distribución. Estas características se muestran en las Figuras 6. la reacción se termina en las paredes. Estas características dependen del material explosivo usado e incluyen los límites de inflamabilidad o explosividad.6.4 bar y la velocidad máxima del incremento de presión es 360 bar/seg. Experimentos de este tipo usualmente resultan en deflagraciones con unas pocas atmósferas de incremento en la presión. Después de un retrazo de milisegundos para asegurar un adecuado mezclado y distribución el polvo se enciende. La presión en el recipiente es medida por un transductor localizado sobre la pared externa. la presión máxima y la velocidad de presión se presentan en un cierto rango de inflamabilidad (pero no necesariamente a la misma concentración). La computadora mide la presión como una función del tiempo utilizando transductores de alta y baja presión.6. la velocidad del incremento de presión después de que la mezcla se incendia y la presión máxima después de la ignición. (0. tal como un recipiente de reacción o un edificio. Estudios empíricos muestran que la naturaleza de una explosión es una función de diversas características determinadas experimentalmente. Después de la ignición la onda de presión se mueve a través del recipiente hasta que colisiona con las paredes.5 y 6. 4) encender la mezcla con una chispa y 5) medir la presión como una función del tiempo. 3) ingresar los gases midiéndolos para obtener la mezcla adecuada. Aparatos para explosión de vapores: El aparato utilizado para determinar la naturaleza explosiva de vapores es mostrado en la Figura 6. Típicamente. El sistema de computadora abre la válvula solenoide y el polvo es impulsado por presión de aire pasando a través del anillo de distribución al interior del recipiente. El aire utilizado para conducir el polvo dentro de la esfera es cuidadosamente medido para asegurar una presión de una atmósfera. Aparatos para explosión de polvos: El aparato experimental utilizado para caracterizar la naturaleza explosiva de polvos es mostrado en la Figura 6. el cual asegura un adecuado mezclado del polvo antes de su ignición. La presión máxima y la velocidad máxima del incremento de presión son determinadas. las características explosivas son completamente establecidas. Una gráfica típica de presión contra el tiempo es mostrada en la Figura 6. La velocidad de incremento en la presión es indicativa de la velocidad de propagación del frente de flama y así la magnitud de la explosión. Fuegos y Explosiones 231 __________________________________________________________________________________ 6.13 Explosiones confinadas (CE. Confined Explosions) Una explosión confinada ocurre en un espacio confinado. La muestra de polvo es colocada en el recipiente de muestra.6. El procedimiento experimental es como sigue. Los dos escenarios más comunes de explosión confinada involucran vapores explosivos y polvos explosivos. Los datos son colectados ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Utilizando este conjunto de experimentos relativamente simples. para los diagramas presentados los límites de inflamabilidad están entre 2% y 8%.6.8. la presión máxima y la velocidad máxima de incremento de presión son evaluadas así como los límites de inflamabilidad.5 Aparato de prueba para datos de explosión de vapores Figura 6. Figura 6. 6 Comportamiento típico de datos de presión contra el tiempo en una explosión de vapores ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. Fuegos y Explosiones 232 __________________________________________________________________________________ y analizados en la misma forma que para vapores. 6. Una gráfica del logaritmo de la pendiente de la presión máxima contra el logaritmo del volumen del recipiente lleva a linealizar con una pendiente –1/3 como se muestra en la Figura 6. 2. Fuegos y Explosiones 233 __________________________________________________________________________________ Características de explosión: Las características determinadas utilizando los aparatos experimentales para explosiones de polvos y vapores son utilizados de la siguiente forma: 1. los índices de deflagración Kg y K St se incrementan. Unos pocos valores de Kg y K St están dados en las Tablas 6. Los límites de inflamabilidad o explosividad son usados para determinar las concentraciones seguras o la cantidad de inerte requerida para controlar las concentraciones en regiones seguras. el comportamiento explosivo de diferentes materiales puede ser comparado sobre una base relativa.6. dióxido de carbono) para parar el proceso de combustión. Estas clases son mostradas en la Tabla 6.12) (6. La velocidad máxima de incremento en la presión es un indicador de la robustez de una explosión. Conforme la robustez de una explosión se incrementa.5 y 6.9. Así. Los polvos son clasificados en cuatro clases dependiendo del valor de su índice de deflagración.6. Es también utilizada para diseñar un venteo para alivio de un recipiente durante una explosión antes de que el recipiente sufra ruptura o establecer el intervalo de tiempo para adicionar un material supresor de explosión (agua. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . La ley cúbica establece que el frente de presión se incrementa al propagarse a través de un recipiente grande.13) Donde Kg y K St son llamados índices de deflagración para gas y polvo respectivamente. Esta relación se denomina “Ley Cúbica”: ⎛ dP ⎞ 1/3 = constante = K g ⎜ ⎟ V dt ⎝ ⎠ max ⎛ dP ⎞ 1/3 = constante = K St ⎜ ⎟ V ⎝ dt ⎠ max (6. 6. Gas Kg (bar-m/seg) 55 75 550 Metano Propano Hidrógeno Nota: Las pruebas se corrieron a condiciones ambiente con una energía de ignición de 10 Joules. TABLA 6. New York (1981)).7 – 8.130 54 .5 – 10.165 108 .1 – 10. New York (1981)).211 56 .4 7.174 93 .8 – 8. Clase St K St 0 1 .6 VALORES PROMEDIO DE KSt PARA POLVOS ( Bartknecht.344 16 .229 28 .7 5.0 7. Polvo Pmax bar PVC Leche en polvo Polietileno Azúcar Polvo de resina Carbón Polvo de madera Celulosa Pigmentos Aluminio K St bar-m / seg 6.8 6. W.8 8. Fuegos y Explosiones 234 __________________________________________________________________________________ TABLA 6.4 – 12.9 27 . Explosions . Explosions .. Springer-Verlag.9 8.131 59 .750 Clases St para polvos Indice de deflagración .7 7.2 – 9.176 83 . W.7 – 10.98 58 .5 8.4 – 8.5 8.5 VALORES PROMEDIO DE Kg PARA GASES ( Bartknecht. Springer-Verlag.0 – 9.200 200 – 300 > 300 St – 0 St – 1 St – 2 St – 3 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .1 – 9.. Se hace necesario por lo tanto correr experimentos tan cerca como sea posible a las condiciones reales del escenario bajo consideración.10.14) lleva a resultados experimentales a partir de aparatos de explosiones de polvos o vapores para ser aplicados en la determinación del comportamiento explosivo de materiales en edificios o recipientes de proceso. c) la forma del recipiente y d) la energía de la fuente. Los constantes Kg y K St no son propiedades físicas del material porque dichos índices dependen de: a) la composición de la mezcla. b) el mezclado en el recipiente.11. Estudios experimentales indican que la máxima presión de explosión usualmente no es afectada por cambios en el volumen y la presión máxima y la velocidad máxima de presión son linealmente dependientes de la presión inicial. como muestra la Figura 6. Esto se muestra en la Figura 6.12) y (6.13) son utilizadas para estimar las consecuencias de una explosión en un espacio confinado. Fuegos y Explosiones 235 __________________________________________________________________________________ Las ecuaciones (6. La ecuación (6. tal como un recipiente o un edificio. Cuando la presión inicial se incrementa. Las elevaciones en las curvas son indicativas de una detonación.6.14) Los subíndices “en recipiente” son para el reactor o edificio. ⎡ ⎛ dP ⎞ ⎡ ⎛ dP ⎞ ⎤ 1/3 ⎤ = ⎢ ⎜ ⎟ V 1/3 ⎥ ⎢ ⎜ dt ⎟ V ⎥ ⎣ ⎝ ⎠ max ⎦ en recipiente ⎣ ⎝ dt ⎠ max ⎦ experimental (6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . El subíndice “experimental” aplica para datos determinados en el laboratorio utilizando aparatos para explosión de vapores o polvos. se tiene un punto donde la deflagración se transforma en detonación. 10 Efectos de la presión inicial sobre la presión máxima de explosión y su velocidad ( Datos de Bartknecht. 1981 ). Fuegos y Explosiones 236 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 237 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. 1981 ). ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .11 Datos de explosión de propano mostrando picos que indican detonaciones ( Datos de Bartknecht. . Las partículas deben encontrarse en suspensión Las partículas deben encontrarse en un espacio confinado Para muchos polvos12. W. el límite bajo de explosividad está entre 20 a 60 g / m3 y el límite superior de explosión entre 2 a 6 kg / m3. Las partículas de polvo pueden ser un subproducto no buscado o producirse durante un proceso. la explosión se da a través de la planta. Estas explosiones ocurren si partículas finamente divididas de material sólido son dispersadas en el aire e incendiadas. su tamaño varía en muchos órdenes de magnitud. una mezcla de polvos debe tener las siguientes características: • • • • • Las partículas deben de encontrarse dentro de un cierto tamaño mínimo. Para partículas de polvo. Para polvos. Fuegos y Explosiones 238 __________________________________________________________________________________ Las explosiones de polvos muestran un comportamiento único. almacenamientos de grano y la industria minera del carbón. son muy poderosas y son capaces de destruir estructuras y matar o lesionar gente. Para ser explosiva. Springer-Verlag. las moléculas son muy pequeñas y de tamaño bien definido. Las explosiones de polvos son más difíciles de caracterizar que las explosiones de gases. deflagraciones aparecen más frecuentemente que las detonaciones. La carga de partículas debe ser razonablemente uniforme. Para un gas. New York (1981) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . La carga de partículas debe de encontrarse entre ciertos límites. La explosión primaria envía una onda de choque y bolas de fuego a través de la planta. Las explosiones que involucran polvos son más comunes en molinos de harina. Muchas veces las explosiones secundarias son más dañinas que las explosiones primarias.6. En este comportamiento. Accidentes involucrando explosiones de polvos pueden ser muy severos Una explosión inicial de polvos puede derivar en explosiones secundarias que regularmente son las más peligrosas. en forma modular: • • • • • Lagunas de Fuego (Pool Fríes) y Fuegos tipo Jet Explosiones de nubes de vapores VCE´s (Vapor Cloud Explosions) y Fuegos tipo Flash Explosiones físicas Explosiones confinadas Explosiones de vapores expandidos de líquidos en ebullición BLEVE´s (Boiling Liquid Expanded Vapor Explosions) _____________________________________________ 12 Bartknecht. poniendo más polvo en suspensión lo cual puede ocasionar explosiones secundarias. Las siguientes secciones presentan el análisis de cada tipo de fuego y explosiones. sin embargo. Las ondas de presión a partir de deflagraciones de polvos. La gravedad también afecta el comportamiento de las partículas de polvo. Explosions . 6. Fuegos y Explosiones 239 __________________________________________________________________________________ 6.2 LAGUNAS DE FUEGO (Pool Fires) y FUEGOS TIPO JET 6.2.1 Propósito Lagunas de fuego o fuegos de derrames y fuegos tipo Jet son tipos de fuegos a partir de derrames de líquidos o a partir de liberaciones presurizadas de gas y/o líquidos. Ellos tienden a ser potencialmente identificados y localizados a manera de conocer los posibles efectos dominó y establecer posibles zonas de seguridad para empleados, así como establecer el riesgo a la comunidad. La anterior identificación permite considerar aspectos como son el espaciamiento entre tanques y entre plantas, aislamiento térmico, especificación de muros resistentes al fuego, etc. 6.2.2 Tecnología Modelos de fuego en derrames y fuegos tipo jet, no han sido desarrollados tan ampliamente como modelos para dispersión o explosiones no confinadas de nubes de vapores. 6.2.3 Aplicación Modelos de fuego en derrames han sido aplicados a derrames de hidrocarburos así como también de materiales inflamables. La aplicación más común de modelos de fuegos tipo jet es la especificación de zonas exclusión alrededor de flamas. 6.2.4 Descripción de la técnica – Modelos de fuego en derrames El modelado de fuego en derrames ha sido bien desarrollado. Revisiones detalladas y fórmulas sugeridas están disponibles en TNO 13, Mudan14, Considine 15, Crocker y Napier 16 , Bagster 17 e Institute of Petroleum 18. __________________________________________ 13 TNO; Methods for the Calculation of the Physical Effects of the Escape of Dangerous Materials : Liquids and Gases ; “ The Yellow Book” , 2 volumes, in English, P.O. Box 432 7300AH Apeldoorn, The Netherlands ( 1979 ) 14 Mudan, K.S. ; “ Thermal Radiation Hazards from Hydrocarbon Pool Fires “ ; Proc. Combust. Sci. 10 (1) , ; pp. 59 - 80 ; (ISBN 0360-1285) ( 1984 ) 15 Considine, M. ; “ Thermal Radiation Hazard Ranges form Large Hydrocarbon Pool Fires “ ; UKAEA Safety and Reliability Directorate. Report SRD R297; Culcheth, U.K. ( 1984 ) 16 Crocker, P.W. and Napier, D.H. ; “ Thermal Radiation Hazards of Liquid Pool Fires and Tank Fires “ ; Hazards in the Process Industries ; I ChemE Symposium Series N° 97, I ChemE , Rugby, Uk ; pp. 159184 ; (ISBN 0-085295-198-1) ( 1986 ) 17 Bagster, D.R. ; “ Pool and Jet Fires “ ; Major Industrial Hazards Project ; Warren Center for Advanced Engineering. University of Sydney , NSW 2006, Australia ( ISBN 0949269-37-9 ) ( 1986 ) 18 Institute of Petroleum ; “ Liquefied Petroleum Gas – ( Model Code of Safe Practice in The Petroleum Industry , pt –9 ) ; Wiley, UK (ISBN 0-47191-612-9) ( 1987 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 240 __________________________________________________________________________________ Modelos de fuegos en derrames se componen de diversos submodelos como se muestra en la Figura 6.12. Una selección de estos es revisada aquí: • • • • • • • • Velocidad de quema Tamaño de la laguna Altura de la flama Inclinación de la flama Potencia emitida de la superficie de la flama Factor de visión geométrico Transmisividad atmosférica Flujo térmico recibido Velocidad de quema. Derrames de fuego grandes se queman a una velocidad vertical constante característica para el material. Mudan14 establece valores típicos para hidrocarburos en un rango de 0.05 kg / m2 – seg (gasolina) a 0.12 kg / m2 – seg (gas LP). Tabulaciones son proporcionadas por TNO 13. TNO 13 y Mudan14 dan fórmulas para predecir la velocidad de quema a partir del calor de combustión y el calor latente de vaporización. El conocimiento de la velocidad de quema a partir del calor emitido por unidad de área y la duración del fuego pueden ser estimadas. Tamaño de la laguna. En muchos casos, el tamaño de la laguna es fijado por el tamaño del derrame y por las barreras físicas (diques, etc.). Para un derrame continuo, sobre un plano infinito, el diámetro máximo es alcanzado cuando el producto de la velocidad de quema y el área superficial se iguala con la velocidad de fuga. Derrames circulares son normalmente supuestos, donde se presentan diques cuadrados o rectangulares, un diámetro equivalente puede ser utilizado. Casos especiales incluyen derrames de líquidos criogénicos en agua (alta transferencia de calor) y derrames instantáneos no retenidos. Altura de la flama. Muchas observaciones de fuegos en derrames muestran que existe una relación entre la altura de la flama y el diámetro. La correlación más conocida para esta relación esta dada por Thomas 19: ⎡ H = 42 ⎢ D ⎢⎣ ρ ( ⎤ ⎥ 0.61 ⎥⎦ gD Mb a ) ( 6.15 ) Donde: H = Altura visible de la flama, mt D = Diámetro equivalente de la laguna, mt Mb = Velocidad de quema, kg / m2 – seg ρa = Densidad del aire ambiente (típicamente 1.2 kg/m3) g = Valor de aceleración de la gravedad (9.81 m/ seg2) ____________________________________19 Thomas, P.H. ; “ The Size of Flames form Natural Fires “; 9th International Symposium on; p. 894 ; Academic Press, New York ( 1963 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 241 __________________________________________________________________________________ Crocker y Napier 16 dan otras dos correlaciones, una de las cuales contabilizan los efectos del viento. Bagster 17 sumariza reglas de diseño para relaciones H/D : Parker sugiere un valor de 3 y algunos otros autores citan un valor de 2. Velocidad de quema del área de derrame u otra alternativa de aproximación Estimar la potencia superficial emitida Laguna de fuego Velocidad de quema del área de derrame Estimar el calor total liberado Estimar el factor geométrico de visión Estimar la fracción radiante Estimar la transmisividad Estimar el factor de visión del punto fuente Estimar la radiación térmica incidente Estimar la transmisividad Estimar la radiación térmica incidente Estimar los efectos térmicos Figura 6.12 DIAGRAMA LOGICO PARA EL CALCULO DE EFECTOS DE RADIACION DE FUEGOS EN LAGUNAS ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas Un fuego de tipo vertical (no inclinado) es normalmente supuesto. Mc GrawHill. 6th edition. P.Y.6. Oper.000 . . Arlington. 127 ( 1966 ) 21 Perry R. Fire Technology . Esta es muy sensible la temperatura supuesta de la flama.P. Calcular la potencia total de combustión (basados en la velocidad de quema y área de la laguna ) 2. Los fuegos a partir de derrames tienden a ser inclinados por el viento y bajo vientos intensos. Proc.300 . 2 . “ Bending of Wind Blown Flames from Liquid Pools “. American Gas Association ( Catalog N° 50477) .R. Determinar el área superficial de la flama (comúnmente se usa solamente el área exterior de un cilindro) 4. Dividir la potencia radiada por el área superficial de la flama. Fuegos y Explosiones 242 __________________________________________________________________________________ Inclinación de la flama. ( 1984 ) 22 Raj. N.D. T135 – T138 ( 1977 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .19. C. La inclinación de la flama es más importante. Aproximaciones alternativas utilizan los flujos térmicos medidos a partir de lagunas fuegos para varios materiales [TNO 13] o utilizar la fracción radiada del total de la potencia de combustión. Multiplicar por la fracción de radiación para determinar la potencia radiada 3. J.000 Btu/hr-ft2). ya que la radiación varía con la temperatura a la cuarta potencia (Perry y Green 21). con lo que la radiación se supone es la misma en todas direcciones. Mudan14 y Considine 15. Energía o potencia emitida por la superficie. VA pp. and Sliepcevich. Valores para algunos otros hidrocarburos están en el rango de 110 – 170 kW/m2 (35. el dragado de la flama es un tópico avanzado y muchos modelos de fuegos en lagunas no incluyen este efecto. American Gas Assn. Flujos emitidos de superficies típicos a partir de lagunas de fuego están dados por Raj 22 . pero el humo puede ser capaz de reducir a valores de 20 – 60 kW/m2 (6. En ambos métodos se incluyen la absorción de energía radiada por el humo (este proceso convierte la radiación en convección). and Green. La correlación de Welker y Sliepcevich 20 para inclinación de la flama ha sido frecuentemente referida.K. 250 kW/m2 (79. La potencia emitida por la superficie por unidad de área puede ser estimada utilizando el método de fracción de radiación como sigue: 1. “ Perry´s Chemical Engineering Handbook “. La potencia emitida por la superficie o flujo de calor radiado puede ser calculada a partir de la ecuación de Stephan-Boltzmann. pero la Asociación Americana de Gas (AGA) y Mudan14 destacan pobres resultados con fuegos de algunos hidrocarburos. Fuegos de hidrocarburos y gas LP radian aprox. . (editors) . Sect. una evaluación completa deberá considerar este efecto. Si una estructura particularmente vulnerable es localizada en la cercanía y la inclinación de la flama puede afectar esta. ___________________________________________________________ 20 Welker.54.H.M. New York. Estos efectos alteran la radiación recibida en locaciones de los alrededores.000 Btu/hr-ft2). la base de la laguna de fuego puede ser dragada a favor del viento. . Por otro lado el efecto de obscuridad del humo reduce substancialmente la radiación total emitida sobre la superficie de la flama. Un número importante de correlaciones han sido publicadas para describir estos dos factores.000 Btu/hr-ft2). Los análisis de riesgos pueden incluir o ignorar los efectos de inclinación y dragado de la flama. “ Calculation of Thermal Radiation Hazards from LNG Fires – A Review of the State of Art “. TNO 13 . Fuegos y Explosiones 243 __________________________________________________________________________________ La fracción de radiación de la potencia total de combustión se encuentra en un rango de 0. El más simple factor de forma es un punto fuente que supone que toda la radiación se genera en un punto sencillo y es recibida por un objeto orientado perpendicularmente a éste: Fp = 1 4π x2 (6. La ecuación (6.09 ( 6. Algunos modelos de radiación térmica ignoran este efecto. Los factores de visión son discutidos a profundidad en textos sobre radiación térmica.16 ) Donde: Fp = Factor de visión del punto fuente. La radiación absorbida y disipada por la atmósfera.0. esto puede llevar a una sobreestimación de la radiación recibida. efectivamente suponiendo un valor de τ = 1 para la transmisividad. Para trayectorias grandes (cerca de 20 m).6. Esto causa una reducción en la radiación recibida por los objetivos.35 [TNO 13. donde la absorción puede ser de 20 – 40 %. m-2 x = Distancia a partir del punto fuente al objetivo. Mudan14]. m La transmisividad atmosférica. Una ecuación general integral es dada por Considine 15. es un factor importante. ya que típicamente del 20 al 40 % de flujo térmico puede ser absorbido o disipado por la atmósfera sobre una distancia de 100 m bajo condiciones normales. La radiación térmica recibida para un objetivo localizado es determinada por el factor geométrico de visión (ignorando la absorción atmosférica). Pascals (New / m2) X = Longitud de la trayectoria. distancia a partir de la superficie de la flama al objetivo. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . adimensional PW = Presión parcial del agua. La transmisividad atmosférica es un factor importante.17 ) Donde: τ = Transmisividad atmosférica entre 0 y 1.15 – 0. τ .02 ( PW X ) . Factor geométrico de visión.17) puede ser utilizada para determinar la transmisividad atmosférica: τ = 2. Mudan14 y el Institute of Petroleum 18 proporcionan ecuaciones para superficies emisoras cilíndricas. m Transmisividad atmosférica. 19 ) Donde: Qx τ E Fa QR Fp Radiación térmica recibida a la distancia x. Craven 24 y Hustad y Sonju 25. “ Radiation and Size Scaling of Large Gas and Gas-Oil Diffusion Flames “.13. J.12. Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems.. and Sonju. Series N248 33. comparado con otro tipo de modelos. ________________________________________ 23 API . UK p. American Petroleum Institute . American Institute of Aeronautics and Astronautics. N.. Los fuegos tipo Jet incorporan muchos mecanismos. Washington. IchemE.6. DC ( 1982 ) 24 Craven A. Berkeley.18 ) o Q x = τ Q R Fp ( 6. 4th Symposium on Chemical Process Hazards with Special Reference to Plant Design.2. “ Thermal Radiation Hazards from Ignition of Emergency Vents “. El método sugerido por la API es relativamente simple.. Basados en cálculos previos y en el diagrama de la Figura 6. m-2 = = = = La ecuación anterior supone que no existe reflexión a partir de la superficie que recibe. lo cual es usualmente válido. se hace necesario adicionar la radiación solar al valor anterior para contabilizar la radiación total recibida. Cuando lesiones humanas están consideradas. Tres aproximaciones han sido revisadas por Bagster 17. así como la API 23. New York. 6.D. 2nd edition.K. . kW = Factor de visión del punto fuente. kW/m2 Transmisividad atmosférica. icHEM Symp. API Recommended Practice 521. 7 ( 1972 ) 25 Hustad. Fuegos y Explosiones 244 __________________________________________________________________________________ Flujo térmico recibido. CA. tal y como muestra el diagrama lógico mostrado en la Figura 6. adimensional = Calor total radiado. similares a los considerados para fuegos del tipo “Pool Fires”. 10th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems.Y.5 Descripción de la técnica – Modelos de fuego tipo Jet El modelado de fuegos tipo Jet no ha sido tan bien desarrollado como para fuegos en lagunas. ( 1985 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . kW/m2 Factor geométrico de visión de la superficie de la flama al objetivo. Rugby. pero diversas revisiones han sido publicadas. O. la radiación térmica recibida a partir de una laguna de fuego está dada por: Q x = τ E Fa ( 6. adimensional Flujo emitido de la superficie por unidad de área. el resto de los parámetros pueden ser estimados.67 puede ser aplicado a procesos con combustión incompleta Ninguno de los métodos anteriores considera modificaciones de la flama. la potencia superficial de emisión y la transmisividad atmosférica son todas empíricas. Fuegos y Explosiones 245 __________________________________________________________________________________ El método API fue originalmente desarrollado para el análisis de quemadores. Un factor modificado posteriormente de 0. Velocidades de quema pueden ser obtenidas a partir de tabulaciones o pueden ser estimadas a partir de propiedades físicas del combustible.6 Fundamentos teóricos La velocidad de quema.2. Un estimado para la humedad atmosférica es necesario para la transmisividad. pero ecuaciones más simples o compilaciones de tablas también pueden ser utilizadas.6. así como también la temperatura de la flama que raramente es conocida. la inclinación de la flama. en la asistencia de potenciales efectos domino sobre recipientes adyacentes peligrosos.7 Requerimientos de información y disponibilidad El tamaño de la laguna puede ser definido basados en los sistemas locales de contención o por algunos modelos para una superficie plana. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . pero no es tan simple utilizarla. La fracción radiante está dada como 0. Duraciones del fuego pueden también ser estimadas y como modifican los efectos térmicos. Una gráfica proporcionada por el estándar API 521 que correlaciona la longitud de la flama con el calor de la flama. Sin embargo las dimensiones de la flama pueden ayudar a visualizar dichos efectos. 6. 6.2 para metano y 0.2.15 para hidrógeno. La ecuación de Stephan-Boltzmann tiene un amplio fundamento. 6.2. pero aún así ha sido ampliamente utilizado. 0.3 para otros hidrocarburos (a partir de experimentos en laboratorio). El factor geométrico de visión tiene fundamentos teóricos establecidos. El modelo API para fuegos tipo jet es empírico y se basa en la longitud de la flama y la fracción radiante pero solamente es aplicable para descargas verticales. Este se basa sobre una fracción radiante de la energía total de combustión. la altura de la flama. pero con factores bien establecidos.8 Salida de información La información generada de modelos de radiación térmica es la radiación térmica recibida por diferentes objetivos localizados. la cual se supone se genera a partir del punto fuente a lo largo de la trayectoria de la flama tipo jet. Mediciones del flujo superficial emitido están disponibles para una buena cantidad de combustibles o pueden ser calculadas utilizando fracciones de radiación empíricas. 6. Fuegos y Explosiones 246 __________________________________________________________________________________ Fuego tipo jet Estimar la velocidad de descarga Estimar el calor total liberado Estimar la fracción radiada Estimar el factor de visión Estimar la transmisividad Estimar la radiación térmica incidente Estimar los efectos térmicos Figura 6.13 DIAGRAMA LOGICO PARA EL CALCULO DE EFECTOS DE RADIACION DE FUEGOS TIPO JET ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . pero correlaciones simples como el método API puede proporcionar estimaciones adecuadas del peligro.7 kW/m2. “ Rapid Assessment of the Consequences of LPG Releases “ . pp. esto lleva a altos flujos de calor que son predichos por modelos de radiación térmica para modelos de lagunas de fuego y fuegos tipo jet. Una debilidad en los modelos es que alteraciones de la flama no son simuladas. A partir de estas tablas. la cual es supuesta con geometría cónica. M. Nov.5 ( 6. 6-9 .6. and Grint.C.9 t 0. Considine y Grint 26 dan una correlación simplificada basada en la ley de potencia en fuegos tipo jet de gas LP para zonas peligrosas. seg en un rango de 10 < t < 300 seg La zona final de peligro es 85% de la zona de peligro por el lado interior. distancias seguras de separación para la gente a partir de fuegos en lagunas pueden ser estimadas como 3 a 5 diámetros de la laguna de fuego (basados en un impacto térmico “seguro” de 4. . ______________________________________________ 26 Considine. m m = Velocidad de liberación de gas LP. Rickmansworth. están dadas por: L = 9. Las dimensiones de la antorcha o flama. Proceedings of the Gastech 84 LNG / LPG Conference . m en un rango r > W t = Tiempo de exposición.21 ) rs. 6. Flamas tipo jet han sido menos tratadas teóricamente. 50 = 1. Fuegos y Explosiones 247 __________________________________________________________________________________ 6.1 m 0. UK.25 L ( 6.2. kg/seg en un rango de 1 < m < 3000 kg / seg rs. . m W = Mitad de la anchura de la flama jet cónica a la punta de la flama.4 m 0. El tratamiento de flamas humeantes es difícil.20 ) W = 0.50 = Rango de peligro del lado interior para un 50 % de fatalidad. 187 – 200 ( 1985 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .22 ) Donde: L = Longitud de la flama.47 ( 6.9 Aproximaciones de simplificación Crocker y Napier 16 establecieron tablas de zonas de impacto térmico a partir de situaciones comunes de fuegos en techos de tanques y derrames.2. Published by Gastech Ltd.10 Ventajas y desventajas Los fuegos en lagunas han sido estudiados por muchos años y las ecuaciones empíricas utilizadas en los submodelos están bien validadas. G. 2. 355 East Campus View Blvd. y el potencial de diques u otros dispositivos de contención deben ser considerados debido a los efectos por el momentum de los fluidos o por espuma.2. Ohio 43085 USA ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .14 Software disponible WHAZAN Computer Package Technica Inc.2. Donde fórmulas predictivas son utilizadas (especialmente del tipo Stephan-Boltzmann) chequeos de las relaciones de energía radiante a la energía global de combustión deben realizarse. Los tamaños estimados de derrames son importantes.2.13 Necesidad de recursos Un ingeniero de proceso entrenado puede requerir de medio día para completar un escenario de una laguna de fuego o un fuego tipo jet de forma manual con todos los datos termodinámicos necesarios.11 Identificación y tratamiento de posibles errores Un error potencial grande en el modelado de lagunas de fuego es introducido por la estimación del flujo emitido por la superficie. lo anterior puede originar peligro en los recipientes vecinos sujetos a posibles efectos domino que puedan subestimarse.12 Utilidad Modelos de lagunas de fuego y fuegos tipo jet son relativamente útiles al ser utilizados. El uso de un modelo de cilindro vertical ignora los efectos de inclinación debido al viento. 6. 6. La fracción de energía radiante también se encuentra sujeta a error. 6. Mucho cuidado se requiere en la estimación del flujo superficial usualmente por la energía radiante. Fuegos y Explosiones 248 __________________________________________________________________________________ 6. Suite 110 Columbus. Los modelos de fuegos tipo jet basados en aproximaciones a un punto fuente pueden llevar a estimados pobres del flujo térmico cercano al jet y modelos mecanísticos deben ser utilizados.6. fórmulas de factor de visión y datos de humedad si están disponibles. and O’Brien. N.J. el tamaño mínimo precisado de la nube para especies químicas de vapor no puede ser precisado a la fecha. . G. Kulesz.J. “ Vulnerability Model . Lynch. Esto indica que la nube de vapores inicial debe estar cercana a un tamaño crítico (para el cual no existen valores conocidos) para que el daño por sobrepresión ocurra.6. and Breeding.S. Springfield. K. 3 July 1977 ( 1977 ) 32 Eisenberg. una explosión de nubes de vapores (VCE) o un fuego tipo flash puede ocurrir. N.235 . . and Strehlow. “ Explosive Shocks in Air “ . la principal consecuencia en una VCE es la onda de choque que resulta y la principal consecuencia para un fuego flash es la radiación térmica.. una nube de vapores se forma y se dispersa. R.4 Aplicaciones Modelos VCE se han aplicado para el análisis de incidentes [ejem : Sadee y col. D. Kinney y Graham28. Springer . Si esta nube se incendia antes de que la nube se diluya por debajo de su LFL [Low Flamability Limit (Límite bajo de flamabilidad)]. 6. NTIS AD-015-245.3. 32. C. P. 30 son referencias que pueden ayudar a analizar cada problema. N. T. Journal of Occupational Accidents 1 .A.1 Propósito Cuando grandes cantidades de materiales volátiles inflamables son rápidamente dispersados a la atmósfera. ... Sin embargo.A. Posteriores (olvidándonos del nombre de VCE) experiencias y trabajos experimentales limitados muestran que alguna forma de confinamiento y turbulencia de la nube es necesaria para que daños por sobrepresión ocurran. Una revisión de registros históricos indica que la liberación de pequeñas cantidades de vapor es suficiente para derivar en fuegos flash sin sobrepresión significativa.E. P.. Flames and Explosions of Gases “ . W. 6. “ Explosion Hazards and Evaluation “ . Fuegos y Explosiones 249 __________________________________________________________________________________ 6.A Simulation System for assesing Damage from Marine Spills “ . F. C. . Office of Research and Development.Verlag. B. 3rd edition. Mc Graw . and von Elbe. Un modelo de fuegos flash ha sido desarrollado para propósitos de análisis de riesgo por Eisenberg y col. Academic Press. ( 1985 ) 29 Bodurtha. Inglaterra ] y en predicciones de análisis de riesgo. San Diego. “ The Characteristics of the Explosion of Ciclohexane at the Nypro (UK)..S.. Coast Guard. G. New York. “ Industrial Explosion Prevention and Protection “ .A. 31 para la explosión de Flixborough.2 Filosofía El proceso de combustión de grandes nubes de vapores no es completamente entendido a la fecha. (1980) 30 Baker..F.T. New York.3. Para un modelado de un análisis cuantitativo de riesgos. Lewis y von Elbe27 . Westine.P.3. 2nd edition. 1974 “ . “ Combustion. Flixborough Plant on June 1.Y. VA ( 1975 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . New York. Bodurtha29 y Baker y col.J. R. California (ISBN 0-12-446751-2) ( 1987 ) 28 Kinney. En general. modelos de VCE están mejor desarrollados que modelos para fuegos flash. Samuels.J. N.3 EXPLOSION DE NUBES DE VAPORES VCE´s (Vapor Cloud Explosions) Y FUEGOS TIPO FLASH 6. (ISBN 0-444-42094-0) ( 1983 ) 31 Sadee. Cox. J. 203 . Report N° CG-D-136-75. Elsevier .Y.E. and Graham.Y. U. ____________________________________________ 27 Lewis.Hill. “ Vapor Cloud Explosions”. J. ( ISBN 0-08-031396-5 3 vol ) ( 1983 ) 34 Pietersen. New Orleans. P.C. March 6-10 ( 1988 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . New York. Houston. .6. The Netherlands ( 1985 ) 35 Wiekema.J. 1984 “ .5 Descripción de la técnica Davenport33 ha sumarizado 71 incidentes con VCE. The Netherlands ( 1979 ) 36 Health and Safety Executive . Book Division.O. 19 Nov. and MacDiarmind. 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries. de los cuales 72 % ocurrieron en plantas de proceso y 23 % involucraron transportación. Paper N° 78a.O. AIChE Spring National Meeting. K.. J.A. UK. Se debe proceder con precaución en la determinación del valor mínimo.J. 54 . . . Gulf Publishing Co. Box 342 7300 AH Apeldoorn. Harrogate.A.Y. G. Todos (con una posible excepción) fueron deflagraciones más que detonaciones. . • La presencia de algunos confinamientos / obstáculos puede ser necesaria para tener la transición a VCE • Materiales con velocidades de combustión relativamente altas pueden producir fácilmente la transición a VCE para una cantidad dada de material ________________________________________ 33 Davenport J. TX.63. London.3. C1-C9. ( ISBN 0-87201-887-3) ( 1979 ) 38 North. Chapter 8 in Methods for the Calculation of the Physical Effects of the Escape of Dangerous Materials : Liquids and Gases ( “The Yellow Book” ) . . . Estos estimados están en un rango de 1 tonelada (Wiekema35 ) a 15 toneladas (Health and Safety Executive36).T. Un accidente relativamente reciente ( North y MacDiarmid38) produjo efectos de explosión a partir de la liberación e ignición de aproximadamente 30 kg de hidrógeno. HMSO. Box 342 7300 AH. C. September 9 ( 1977 ) Davenport. Mexico City. Los dos mecanismos más importantes para aceleración de la flama son la expansión térmica y la turbulencia. “ A Study of Vapor Cloud Incidents . TNO Report B4-0222. “ Study of Vapor Cloud Incidents “ . and Huerta. Las estructuras de proceso contribuyen a un confinamiento parcial y turbulencia. Basados en observaciones de varios autores se puede concluir que: • Puede ser que solamente una masa mínima de material flamable es requerida para llevar la transición de fuego flash a VCE.M. Chemical Engineering Progress 73 .A. AIChE Loss Prevention Symposium. UK ( ISBN 0-11-883299-9 ) ( 1979 ) 37 Gugan. Pietersen y Huerta34 han sumarizado los puntos claves de 80 fuegos flash. esto permitirá una transición de fuego flash a VCE.An Update “ . “ Unconfined Vapor Cloud Explosions “ . Apeldoorn. . “ Advisory Commitee on Major Hazards : Second Report “ . pp. Fuegos y Explosiones 250 __________________________________________________________________________________ 6. Pergamon Press. “ Lessons Learned from a Hydrogen Explosion in a Process Unit “ . N. “ Analysis of the LPG Incident in San Juan Ixhuatepec. Gugan37 brinda algunos pocos ejemplos de VCE con cantidades tan bajas como 100 kg para especies más reactivas tales como hidrógeno y acetileno. S. P. B. así una gran cantidad de parte del equipo de proceso y muchas estructuras están presentes. R. “ Consequence Analysis “ . Así. pp. Las nubes son normalmente encendidas y el efecto de ignición termina con un espreado de la nube en dirección de esta.B. . Stull41 ). típicamente 1 bar (15 psi) o menores y duraciones de la fase positiva de 20-100 mseg. la expansión es desarrollada debido a la flotación. LFL) y Límite superior de flamabilidad (Upper Flammable Limit.S. en un sitio con un número importante de fuentes de ignición sobre o alrededor. G25-G32 . flamas piloto. Modelos de VCE’s están primariamente basados sobre tres aproximaciones ( Opschoor y Schecker42 ): • • • Equivalencia detonante altamente explosiva ( ejem : Modelo TNT ) Correlaciones con VCE’s observadas ( ejem : Modelo TNO ) Modelos dinámicos para gas ideales ( ejem : Modelo acústico ) _____________________________________ 39 Perry. ( eds ) . flash point. H. ( ISBN 0-08-031396-5 3 vols ) ( 1983 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .Y. Nubes de vapores ininflamables pueden encenderse a partir de numerosas fuentes que pueden ser continuas ( ejem : calentadores. Coast Guard. New York. puede traducirse en un fuego flash o una explosión de tamaño pequeño. Fuegos y Explosiones 251 __________________________________________________________________________________ • VCE’s se consideran deflagraciones no detonaciones • Los picos de sobrepresión de VCE’s son mucho menores que los de detonaciones. and Schecker.S.H. Gover ment Printing Office.S Deparment of Transportation40 . calor de combustión. “ Perry’s Chemical Engineering Handbook “ . ( 1977 ) 42 Opschoor. Fuegos flash inicialmente combustionan y expanden rápidamente en todas direcciones. MI6465-12. 6th ed. Cada ignición antes de que la nube esté totalmente formada.. vehículos. UFL). Un análisis más complejo de análisis cuantitativo de riesgos debe considerar la localización y probabilidad de fuentes de ignición en los alrededores. U. Deparment of Transportation . éste debe tender a prevenir que las nubes a partir de su origen aumenten la extensión total de su peligro.Y. U. . sistemas eléctricos. N. etc.C. “ Fundamentals of Fire and Explosion “ .). etc. peso molecular y estequiometría de la combustión. Parámetros importantes analizando incidentes de combustión son las propiedades del material: Límite bajo de flamabilidad (Lower Flammable Limit. Este análisis debe desarrollarse posterior al punto fuera después de que las nubes se han dispersado abajo del LFL. “ CHRIS Hazardous Chemical Data “ . Como el número de fuentes de ignición se incrementa así la ignición puede incrementarse generalmente. Pergamon Press. ) u ocasionales ( ejem : humo. UK . Algunos de estos datos están disponibles ( Perry and Green39 . AIChE Nomograph Series 73 ( N° 10 ).6. Washington D. N. U. N. D.S. New York. Harrogate. pocas nubes pueden dispersarse seguramente antes de ignición. and Green. temperatura de autoignición. El tráfico debe considerarse en el análisis de fuentes de ignición. New York. ( 1984 ) 40 U. October ( 1979 ) 41 Stull. Mc Graw Hill. 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries . D. La última ignición puede traducirse en una explosión del máximo efecto posible. Después de la combustión inicial. lo cual significa que el efecto máximo posible puede experimentarse. G. AIChE .Y. . . of Eng. May 23 (1974 ) 44 Lees.4765 kJ/kg ó 1943 . N. “ An Analytical Method for Estimating Overpressure from Theoretical Atmospheric Explosions “ . (1968 ) 46 Eichler. N. “ Guidelines for Estimating Damage Explosion “ . F. Este es descrito por Decker43. and Napadensky. pero éste puede ser significativamente alto -arriba de 0. November 2 . London. “ Evaluation of Unconfined Vapor Cloud Explosion Hazards “ .2. . Análisis de Riesgo Cuantitativo de Procesos Químicos).2049 BTU/lb ) El rendimiento o eficiencia de la explosión de una nube flamable es empírico. Lees44 ). Lees44 y Baker y col. D. _____________________________________________________ 43 Decker.para nubes asimétricas. Prugh47 establece una correlación de ayuda de masa de gas flamable contra la probabilidad de VCE a partir de datos históricos. W.W. R.Y. H.S. . Nuclear Regulatory Commission under FIN N° A20057.C.S.A. Loss Prevention Volume 2 .2 para nubes simétricas. con muchos estimados varía entre 1 a 10 % ( Brasie y Simpson45 . ( 1987 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .April 1977. AIChE .4 . “ . . Stull41 . New York. Development. D. Prepared for Div. involucrando un factor de rendimiento de explosión: W= η M Ec E c TNT ( 6. Este factor se basa en análisis de incidentes que involucran VCE. Butterworths. 2 volumes .4 . Gugan37 .V. Bodurtha3 establece que el límite para eficiencia es 0.6.01 a 0. Decker43 muestra como un modelo de dispersión gaussiano puede encadenarse a un modelo TNT. Annual Meeting of the National Fire Protection Association and Society of Fire Protection Engineers.10) Ec = Calor de combustión del gas flamable ( kJ / kg o BTU / lb ) EcTNT = Calor de combustión del TNT ( 4437 . U. Fuegos y Explosiones 252 __________________________________________________________________________________ El modelo TNT es fácil de usar y se aplica para muchos CPQRA (Chemical Process Quantitative Risk Análisis.24 ) Donde: W M η = Masa equivalente de TNT (kg. Stds. “ Loss Prevention in the Process Industries “ . AIChE .W. Eichler y Napademsky46 a partir de revisiones históricas de datos concluyen que el valor máximo esperado es de 0.P. May 1978 (Available from NTIS ) ( 1978 ) 47 Prugh. Boston ( ISBN 0-0408-10604-2) ( 1980 ) 45 Brasie. lb) = Masa de material flamable liberada = Rendimiento empírico de explosión (o eficiencia) (Rango de 0. and Simpson. Chemical Engineering Process Technical Manual . New York . . 30. T. “ Accidental Vapor Phase Explosions on Transportation Routes Near Nuclear Power Plants : Final Report January . Proceedings of the International Conference on Vapor Cloud Modeling . Este se basa en la suposición de equivalencia entre el material flamable y TNT. .Y. N. Fuegos y Explosiones 253 __________________________________________________________________________________ Los efectos de explosiones de una carga de TNT están bien documentados como se muestra en la Figura 6.14 para una carga en una explosión esférica. Una aproximación simple es utilizar un modelo de dispersión adecuado para determinar el isopleth (perfil de concentración) definiendo el LFL o 1/2 del LFL como concentración para delimitar esta zona. El uso de cada uno de los perfiles permite definir los efectos de radiación térmica requiere la suposición de que los procesos de combustión no son intensos y son de corta duración. New York .Boltzmann.6. AIChE . La presión reflejada. El modelo TNO (Wiekema35) fué desarrollado para evitar la necesidad de desarrollar el equivalente altamente explosivo de una nube de vapor puesto que los efectos de sobrepresión de una VCE son en algunos casos diferentes a los de un efecto de sobrepresión altamente explosivo. La presión la cual debe registrarse sobre el lado de una estructura paralela al impacto es sobre el lado de sobrepresión o PSO. ( 1980 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . ZG.153 . Pr . Eisenberg y col. la cual es definida como la distancia dividida entre la raíz cúbica de la masa de TNT (W). Modelado de fuegos flash no está bien desarrollado. El modelo predice las distancias para cuatro niveles de sobrepresión. Estas suposiciones no son ciertas en la experiencia actual pero ellas pueden ayudar a simplificar el proceso de cálculo. El modelo TNO es aplicable a muchos materiales ininflamables de mediana reactividad. ( Health and Safety Executive36). . 32 describen un modelo basado en radiación térmica utilizando la ecuación de Stephan . Loss Prevention Vol. pp. R. basados en una fórmula de ley de potencia utilizando la masa de material flamable en la nube. “ Blast Wave from Deflagration Explosions . 145 .13 para una carga en una explosión hemiesférica y la Figura 6. La transición del régimen de fuego flash a VCE está pobremente definida.A. Los diversos parámetros de una explosión son graficados como una función de la distancia escalada. pero este es muy sensible a estimados de temperatura de flama [usualmente no conocida]. ___________________________________________________ 48 Strehlow. Los parámetros de impulso son también importantes cuando los efectos de la explosión son considerados.An Acoustic Approach “ . Otros modelos incluyen el modelo acústico de Strehlow48. Chemical Engineering Progress Technical manual . es la presión sobre la estructura perpendicular a la onda de choque y es en un factor de 2 mayor que sobre el lado de sobrepresión.Y. La sobrepresión en este diagrama en un exceso de 15 psig (1 bar) debe ignorarse puesto que el valor del pico observado en una VCE es aproximadamente 15 psig. además de que toda la expansión térmica de la nube ocurre verticalmente debido a la flotación. 14 . 1 0.1 1 10 Dis tanc ia e s c alada (ft/ lb 1 / 3 ) Figura 6.1 0.14 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES ESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army .1 1 Distancia escalada (ft/lb1/3) 10 100 Figura 6.6.13 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES HEMIESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army . Fuegos y Explosiones 254 __________________________________________________________________________________ EXPLOSION HEMIESFERICA 10000 Sobrepresion (lb/in2) 1000 100 10 1 0. 1969 ) EXPLOSION ESFERICA 10000 1000 100 10 1 0. 1969 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 100 . otros modelos requieren solamente las dimensiones de la nube de vapor. la cual usualmente no se conoce y no es constante a lo largo de la nube que varía su concentración. pero la eficiencia de explosión se debe seleccionar dentro de un rango muy amplio.10 Salida La equivalencia TNT predice el pico de sobrepresión con la distancia. pero estos no han sido suficientemente desarrollados o totalmente validados. El modelo de correlación TNO correlaciona directamente incidentes y tiene un término de eficiencia definido. Las entradas principales son la masa y las dimensiones de la nube flamable y un estimado del rendimiento de explosión. Se tienen diversas diferencias físicas entre la detonación de TNT y deflagración VCE que limitan su validez teórica.3.6 Diagrama lógico Un diagrama lógico para la aplicación del modelo VCE-TNT equivalente está dado en la Figura 6.15. La correlación TNO predice las consecuencias de manera directa. Como los efectos de fuego flash son supuestos que se limitan a las dimensiones de la nube. El modelo de Eisenberg para fuego flash requiere la temperatura de la flama.8 Requerimientos de entrada y disponibilidad Tanto la equivalencia a TNT y las correlaciones TNO requieren de la masa de material flamable en la nube de vapor y el calor de combustión del vapor. Los resultados establecen el pico de sobrepresión o niveles de daño con la distancia. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . las cuales son alimentadas a modelos de efectos térmicos. 6. cálculos extra no son requeridos.3. Modelos acústicos tienen su base teórica en el sonido para el análisis de incidentes VCE. este requiere el rendimiento o eficiencia de explosión η . El simple modelo de fuego flash supone que los efectos son limitados a las dimensiones de la nube. 6. El modelo de Eisenberg de fuego flash predice las zonas de radiación térmica.3. la cual se obtiene a partir de un modelo de dispersión. El modelo de equivalencia de TNT requiere de la especificación del rendimiento de explosión mientras que el modelo TNO requiere la selección de uno de los dos rendimientos posibles. 6.3. Esta información puede utilizarse en un modelo de consecuencias de explosión.7 Fundamento teórico El modelo TNT está bien establecido para elevadas explosiones. determinado a partir de incidentes en el pasado. pero cuando se aplica a nubes de vapores inflamables. La masa está disponible como un dato de salida de un modelo de dispersión adecuado.6. Fuegos y Explosiones 255 __________________________________________________________________________________ 6. 15 DIAGRAMA LOGICO PARA EL CALCULO DE SOBREPRESION DE VCE’s ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. Fuegos y Explosiones 256 __________________________________________________________________________________ Curva escalada de TNT Calor de combustión del material (Ec) y rendimiento explosivo η Modelo de dispersión Masa y extensión de la nube flamable Estimar el peso equivalente de TNT Estimar el parámetro de distancia escalada para una sobrepresión dada Estimar la distancia para la misma sobrepresión dada Determinar la zona de efecto del fuego flash Determinar la zona de efecto del UVCE Figura 6. Fuegos y Explosiones 257 __________________________________________________________________________________ 6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . factores de eficiencia y el impacto de la velocidad del viento sobre la nube de vapor. El modelo TNO. 6. pero está limitado a materiales ininflamables de mediana reactividad. Una pequeña fuente de error es el calor de combustión para el TNT el cual varía en aproximadamente un 5 %. El modelo TNT tiene la virtud de que es fácil de usar. El modelo TNT supone impacto simétrico de la propagación de la onda. no así para el modelo TNO. Una posterior simplificación es considerar una masa de nube de vapor como dato de entrada sin aplicar un modelo de dispersión. El modelo de correlación TNO está basado en incidentes actuales de VCE y emplea uno de dos rendimientos definidos de explosión. está limitado para el rango para el cual se ha establecido.13 Identificación y tratamiento de posibles errores Un gran potencial de error con el modelo de equivalencia a TNT es la selección del rendimiento d explosión. Otro error es la estimación de la masa de gas flamable. lo cual no siempre es cierto.6.3.11 Aproximaciones de simplificación Ambos modelos TNT y TNO son aproximaciones simplificadas. pero esto puede llevar a una sobrestimación del tamaño de la nube a una fuente de ignición.3. la cual se basa en cálculos de evaporación y flasheo y estimaciones de dispersión. es esta dificultad la que justifica el uso de procedimientos más precisos para CPQRA. pero predice muy bien incidentes estudiados con VCE.10 % afectan las distancias predichas para la selección de sobrepresiones en factores que van hasta 2 [A partir de la ecuación (1).12 Ventajas y desventajas El modelo de equivalencia TNT descrito es fácil de usar. Considerando la incertidumbre en los cálculos para determinar las cantidades de material flamable liberadas. pero en el modelo TNT el término de eficiencia puede variar. Ambos modelos TNT y TNO suponen que los efectos de impacto son independientes de los materiales si las energías de combustión total son idénticas. el cual está más sólidamente fundamentado. Un rango de 1 . Suponiendo que los efectos de fuegos flash son limitados a las dimensiones de la nube puede también simplificar los cálculos. ambas sujetas a error. Una desventaja de un modelo de correlación es la ausencia de límites para los fundamentos teóricos para el rango conocido de incidentes observados. Una desventaja es la substancial diferencia física entre detonaciones y deflagraciones VCE.3. 6. Los modelos de fuego flash basado solamente sobre las dimensiones de nubes ininflamables son fácilmente aplicables pero ellos pueden sobrestimar el área de consecuencia. la distancia para una sobrepresión particular es proporcional a la raíz cúbica de la cantidad equivalente de TNT calculada]. 6. Fuegos y Explosiones 258 __________________________________________________________________________________ Modelos de fuego flash - si se basan en la radiación de la flama - son sujetos de grandes errores si la radiación se estima de forma incorrecta, a causa de que la radiación predicha varía a la cuarta potencia con la temperatura. Los modelos de fuego flash basados solamente en el entorno flamable son simples e ignoran el daño más allá del entorno. Los modelos de fuego flash son también sujetos a errores similares a modelos de dispersión presentes en cálculos de VCE. 6.3.14 Utilidad Los modelos TNT y TNO para VCE’s son fáciles de usar, dados los datos de entrada de la masa de gas flamable y la selección del rendimiento de explosión. El modelo acústico es más difícil par usarse, debido principalmente a la dificultad de especificar parámetros. Los modelos de fuego flash son esencialmente triviales para usarse y sus efectos se limitan al entorno. 6.3.15 Necesidades de recursos Ingenieros de proceso utilizando una calculadora pueden predecir sobrepresiones para un incidente con VCE en aprox. una hora, conocido el modelo de dispersión completo para la masa de la nube y su extensión. 6.3.16 Software disponible Los modelos TNT son lo suficientemente simples y el paquete ALOHA® versión 5.4 de Febrero de 2006 incorpora estimaciones. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 259 __________________________________________________________________________________ 6.4 EXPLOSIONES FISICAS 6.4.1 Propósito Cuando un recipiente conteniendo un gas presurizado sufre ruptura el resultado es la liberación de la energía almacenada. Esta energía produce una onda de choque y acelera los fragmentos del recipiente. Si el contenido es flamable es posible la ignición de la nube de gas liberado con el resultado de consecuencias adicionales. Esta sección ilustra las herramientas de cálculo para ondas de choque y efectos de proyectiles a partir de este tipo de explosiones. 6.4.2 Filosofía Una explosión física relaciona la falla catastrófica de un tanque de gas presurizado llenando el recipiente. La ruptura puede ocurrir por las siguientes razones: 1 . Falla en la regulación de la presión y equipo de alivio de presión (sobrepresurización física) 2 . Reducción el espesor del recipiente debido a: a . Corrosión b . Erosión c . Ataque químico 3 . Reducción de la resistencia del recipiente debido a: a . Sobrecalentamiento b . Defectos del material con el subsecuente desarrollo de fractura c . Ataque químico especial, ejem: corrosión debido a stress La falla cuando ocurre a/o cerca de la presión de operación del recipiente (2 y 3 arriba) o a elevada presión (1 arriba). Cuando el contenido del recipiente es liberado se tiene tanto ondas de choque como proyectiles resultantes. La extensión de la onda de choque depende de la fase del contenido del recipiente en forma original. La Tabla 6.7 describe escenarios posibles. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 6. Fuegos y Explosiones 260 __________________________________________________________________________________ TABLA 6.7 CARACTERISTICAS DE DIVERSOS TIPOS DE EXPLOSIONES FISICAS Tipo Energía de la Onda de Choque Recipiente lleno de gas Expansión de gas Recipiente lleno de líquido Tlíquido < T ebullición del líquido Expansión de gas a partir del espacio de vapores; el contenido líquido fluye hacia afuera Expansión de gas acoplado con evaporación flash de líquido Recipiente lleno de líquido Tlíquido > T ebullición del líquido La máxima cantidad de energía en un recipiente fallando que puede ser liberada se puede identificar como sigue: • • • • Energía cinética de los fragmentos Energía de la onda de choque Energía de “desecho” (calentamiento del aire a los alrededores) Energía potencial de los fragmentos (energía plástica impartida a los fragmentos) La distribución relativa de estos términos de energía puede cambiar durante el curso de una explosión. Exactamente que proporción de energía disponible puede actualmente incorporarse a la producción de ondas de choque es muy difícil de establecer. Saville49 en el Código de Seguridad de Alta Presión UK sugiere que el 80 % de la energía disponible en el sistema se traduce a ondas de choque (la energía restante se traduce en energía cinética de fragmentos). Sin embargo, estableciendo la suposición de que el 100 % de la energía disponible se incorpore a la formación de ondas de choque es normalmente no significativa debido a que la ley de escalamiento a la tercera potencia reduce la sensitividad de la aproximación. En general las explosiones físicas a partir de la ruptura catastrófica de recipientes pueden producir explosiones direccionales. Estas ocurren debido a que la falla usualmente se presenta a partir de la propagación de una fractura inicial en un punto. Si la falla genera un gran número fragmentos, la explosión es menos direccional. Sin embargo, el tratamiento de ondas de choque a partir de este tipo de fallas usualmente no considera direccionalidad. _____________________________________________ 49 Saville, G. ; “ High Pressure Safety Code “ . High Pressure Technology Association, Imperial College, London, UK (1977 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas San Diego. P.W.A. Westine. W. P. . “ Watch Your equivalent Weight .6. J.A..4.. New York. N. 135 ( 1971 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . psia T1 = Temperatura del gas comprimido.Pressure Vessels “ . “ Energy Release Protection for Pressurized Systems. 13th Annual Explosives Safety Seminar. Part I Review of Studies into Blast and Fragmentation “ . pp. _______________________________________ 50 Baker. “ Explosion Hazards and Evaluation “ . . Applied Mechanics Reviews 38 . and Strehlow. R.25 ) Donde: W = Energía .°R 1. Son varias las expresiones que pueden desarrollarse para calcular la energía liberada cuando el gas tiene un volumen inicial. 50 y Petes53 . ft3 P1 = Presión inicial del gas comprimido. p. V y se expande en respuesta a un decremento en la presión a partir de la presión. CA. Paper N° 74e .16. 12 December ( 1985 ) 52 Prugh. Kulesz. psia P0 = Presión estándar = 14. “ Quantitative Evaluation of BLEVE Hazards “ . lb de TNT V = Volumen de gas comprimido.1651 . °R T0 = Temperatura estándar = 492 °R R = Constante de los gases = 1. P1 a la presión atmosférica P0 ( Brown51 ). AIChE Loss Prevention Symposium. 50 describen una técnica para estimar la sobrepresión para la ruptura de un contenedor lleno de gas basado en estudios experimentales realizados a pequeña escala. . Cox.987 Btu / lbmol .E. . Prugh52 sugiere un método corregido utilizando una distancia virtual a partir del centro de la explosión basado en los trabajos de Baker y col. J.S. otros métodos relacionan directamente el cálculo de energía equivalente de TNT y usan correlaciones de ondas de choque como en la Figura 6. la analogía de la explosión de un contenedor de gas presurizado a un punto fuente de la explosión de TNT en fase condensada no es adecuada en el campo cercano.Y.7 psia P2 = Presión final del gas comprimido. Fuegos y Explosiones 261 __________________________________________________________________________________ 6. .4 × 10 -6 V ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ P0 ⎠ ⎛P ⎞ ⎛ T0 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ R T1 ln ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ ⎝ T1 ⎠ ( 6. (ISBN 0-444-42094-0) (1983) 51 Brown.J. Como en una explosión de nubes de vapores no confinados. Elsevier .3 Descripción de la técnica Baker y col. March 6-10 ( 1988 ) 53 Petes. R. New Orleans. AIChE Spring National Meeting. Si se supone que la expansión ocurre isotérmicamente y que la ley de los gases ideales es válida.4 × 10-6 = Factor de conversión (supone que 2000 Btu = 1 lb de TNT) La cantidad de energía equivalente de TNT calculada puede utilizarse para estimar los efectos de las ondas de choque. la siguiente ecuación puede derivarse: ⎛P ⎞ W = 1. 1625 . S.J. si el recipiente se encuentra elevado puede ser más útil el usar la curva TNT para una explosión libre en el aire presentada en la Figura 6. adimensional Temperatura absoluta.1 )(PS . Conociendo la presión de ruptura en la superficie. Sin embargo. Un valor para la distancia R.27 ) W 1/3 Donde: W = Energía equivalente de TNT puede ser calculado de la ecuación (6. Fuegos y Explosiones 262 __________________________________________________________________________________ La presión de ruptura.26 ) Donde: Ps Pb γ T M = = = = = Presión en la superficie del recipiente. PS.16. en la superficie de un recipiente presurizado explotando puede ser estimada a partir de la siguiente expresión Prugh52: ⎧ ⎪ ⎪ Pb = PS ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ 1 .9 PS ) ⎥ ⎠ ⎣⎝ ⎦ 0. Ps.[ 3. bara Presión de ruptura del recipiente.16 es adecuada.5 ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ - 2γ γ -1 ( 6.1 ) ] ⎡⎛ γ T ⎞ ⎤ ⎢⎜ M ⎟ (1 + 5. a partir del centro de la explosión puede ser calculado mediante: R Z = ( 6.5 (γ . Una solución por prueba y error es requerida debido a que la ecuación no es explícita para Ps. la distancia escalada Z.25) La distancia a partir del centro de un contenedor presurizado a su superficie puede ser calculada y entonces restar la distancia R. bara Relación de calores específicos. °K Masa molecular del gas. Muchos recipientes a presión están cerca del nivel de piso y la Figura 6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .17. lb / lb-mol La ecuación anterior supone que la expansión puede ocurrir dentro del aire a presión atmosférica y a temperatura de 25 °C. para la explosión puede ser determinada a partir de la Figura 6. para producir una “distancia virtual” que se sumara a las distancias para las evaluaciones de ondas de choque.6. Debido a que la energía almacenada es muy grande el principal peligro de la ruptura de un recipiente lleno de gas no son los efectos de las ondas de choque sino los proyectiles que de él se generan. 6. Fuegos y Explosiones 263 __________________________________________________________________________________ EXPLOSION HEMIESFERICA 10000 Sobrepresion (lb/in2) 1000 100 10 1 0.1 0.1 1 Distancia escalada (ft/lb1/3) 10 100 Figura 6.1 1 10 Dis ta nc ia e s c a la da (ft/ lb 1 / 3 ) Figura 6. 1969) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas 100 .16 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES HEMIESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army. 1969) EXPLOSION ESFERICA 10000 1000 100 10 1 0.17 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES ESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army.1 0. “ The velocity of Missiles Generated by the Disintegration of Gas-Pressurized Vessels and Pipes “ . ( 1967 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .V. En general y de acuerdo con Baker y col. ______________________________________ 54 Brown. Algunos de los fragmentos son acelerados y pueden volar a través del aire hasta impactar con otro objeto u objetivo sobre el piso. Fuegos y Explosiones 264 __________________________________________________________________________________ Baker y col. S.18 y la Figura 6.05 ⎜⎜ ⎝ W 3 ⎞ ⎟⎟ ⎠ 0. . Part II Review of Studies into Impact / Terminal Ballistics “ .6.201 .50. Journal of Pressure Vessel Technology 106 . lb El siguiente paso es estimar la relación empuje / arrastre para el fragmento CLAL / CDAD.28 ) Donde: u P D W = = = = Velocidad inicial. 10 y 100 fragmentos. 2 February ( 1986 ) 55 Baum. la constante de la ley de los gases ideales Rm y la temperatura absoluta del gas al deflagrar To. “ Energy Release Protection for Pressurized Systems. 5 . Eng. M. la técnica para predecir las velocidades iniciales de fragmentos para recipientes esféricos y cilíndricos deflagrando en fragmentos iguales requiere del conocimiento de la presión interna P. 177 .1566 . Baum 55 también discute las velocidades de misiles a partir de la ruptura de recipientes y tuberías. Des. ft / seg Presión de ruptura. 362 . “ The Design of Barricades for Hazardous Pressure Systems “ . Un método simplificado alternativo para calcular la velocidad inicial es a través del uso de la ecuación de Moore 56: ⎛ P D u = 2. . psig Diámetro del fragmento. el volumen interno Vo. la relación de los calores específicos del gas γ. Para fragmentos “pesados” una suposición razonable es fijar la relación empuje / arrastre igual a cero. C.J. pp. la Figura 6. Ellos consideran la fractura de recipientes cilíndricos y esféricos en 2. pp. La primera parte de los cálculos involucra la estimación de la velocidad inicial.R.368 . 4 November ( 1984 ) 56 Moore. Applied Mechanics Reviews 39 . . La segunda parte de la estimación de los cálculos implica la estimación de la distancia la cual el proyectil puede viajar. pp. la masa del contenedor Mc.50 y Brown54 establecen fórmulas para predecir los efectos de proyectiles.19 son utilizadas para estimar la velocidad inicial u de los fragmentos.5 ( 6. Nuc. 1550 . Conociendo la información anterior y haciendo suposiciones adicionales acerca de como el recipiente puede fracturarse. pulg Peso de los fragmentos. 6. Fuegos y Explosiones 265 __________________________________________________________________________________ Figura 6.18 VELOCIDAD DE FRAGMENTOS ESCALADA vs PRESION ESCALADA ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . 19 FACTOR DE AJUSTE PARA FRAGMENTOS CON MASA DIFERENTE ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 266 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. Chemical Engineering Progress . G.4 Aplicaciones Muy pocos Análisis Cuantitativos de Riesgos en Procesos Químicos consideran las implicaciones de rupturas catastróficas de recipientes. P.55 . M.O. .1146 . “ Energy Release Protection for Pressurized Systems. Box 432 7300AH Apeldoorn.J.21 puede ser utilizada para estimar el rango máximo. Sun y col. The Netherlands ( 1979 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .J. “ Missile Penetration “ . Sin embargo. Entonces la Figura 6. New York.20. m w = Peso de TNT. Las distancias de los fragmentos y su tamaño son discutidas al analizar BLEVE´s (Explosiones de vapores expandidos de líquidos en ebullición) y daños a partir de proyectiles. El estudio Canvey consideró los efectos del daño por proyectiles sobre otros recipientes de proceso. and Graham. 1625 . 2nd edition. R.1651 . 54 brinda otros métodos para la predicción de fragmentos. kg Brown 58. 1141 .F. Journal of the Structural Division of the American Society of Civil Engineers 102 (ST5) . “ Explosive Shocks in Air “ . N. Burdette. pp. K. R. entradas de hombre y válvulas son proyectiles típicos en su análisis. 50 . TNO considera que comúnmente el punto de falla puede ser una accesorio del recipiente. “ Barricade Design Criteria “ .Y. . .O.29 ) Donde: r = Distancia.4.Verlag. ( 1985 ) 58 Brown. 12 December ( 1985 ) 59 Tunkel . pp. los fragmentos de recipiente pueden acelerarse a distancias significativas.J. September ( 1983 ) 60 Sun . pp. así considera que boquillas. En general este tipo de fallas se traducen en un riesgo para el personal de la planta primariamente. Referencias adicionales sobre proyectiles incluyen a Tunkel 59. Kinney y Graham 57 sugieren una fórmula muy simple para estimar una distancia segura a partir de la explosión de una bomba: r = 120 w 1/3 ( 6. 2 volumes. S.6. Part I Review of Studies into Blast and Fragmentation “ . C. Applied Mechanics Reviews 38 . Springer . Fuegos y Explosiones 267 __________________________________________________________________________________ Un valor para CD puede seleccionarse a partir de la Figura 6. in English. _______________________________________ 57 Kinney.. Methods for the Calculation of the Physical Effects of the Escape of Dangerous Materials : Liquids and Gases . 60 y TNO 61.. ( 1976 ) 61 TNO. y Barnett. 6. “ The Yellow Book” . S. La máxima presión para deflagración del contenedor puede ser derivada a partir de información específica sobre metalurgia y diseño. El interés en sistemas de ultra-alta-presión también ha generado interés. 6.4. También se puede suponer que los recipientes pueden fallar a cuatro veces su presión de diseño en el peor de los casos.7 Requerimientos de entrada y disponibilidad La tecnología requiere de datos sobre la resistencia del contenedor.9 Aproximaciones de simplificación Las técnicas presentadas se basan principalmente en aproximaciones simplificadas.22.4. 6. Se puede suponer conservadoramente que el 100 % de la energía almacenada se convierte en ondas de choque. primariamente a escala pequeña con recipientes los cuales se hacen deflagrar en un gran número de fragmentos.6 Fundamento teórico La tecnología de liberación de energía a partir de recipientes presurizados con gas ha empezado a recibir atención después de una centuria de fallas catastróficas de calderas y otros recipientes a presión. Fuegos y Explosiones 268 __________________________________________________________________________________ 6. Sin embargo. 6.4. para muchos propósitos es suficiente con referirse a los códigos de diseño para estimar la presión máxima de deflagración basada en el factor de seguridad empleado.4.4. para relacionar el fenómeno de las ondas de choque con las relaciones desarrolladas TNT.6.8 Salida Las salidas a partir del análisis de sobrepresión contra la distancia para los efectos de las ondas de choque y la velocidad y el rango máximo esperado de proyectiles son generados a partir de la presión de ruptura del recipiente. Mucho trabajo experimental se ha iniciado. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . 6.5 Diagrama Lógico Un diagrama lógico para el modelado de rupturas catastróficas de recipientes llenos con gas es presentado en la Figura 6. 20 COEFICIENTES DE ARRASTRE . CD PARA VARIAS FORMAS ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. Fuegos y Explosiones 269 __________________________________________________________________________________ Figura 6. 21 RANGOS DE FRAGMENTOS ESCALADOS vs FUERZA ESCALADA ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 270 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. Fuegos y Explosiones 271 __________________________________________________________________________________ C urva T N T escalada C ontenedor con gas presurizado O nda de choque E stim ar el equivalente TN T (energía alm acenada) E stim ar el parám etro de distancia escalada para la m ism a sobrepresión dada E stim ar la distancia para la m ism a sobrepresión dada D eterm inar las zonas de efectos de explosiones físicas P royectiles E stim ar el núm ero de fragm entos proyectil E stim ar la velocidad inicial del fragm ento E stim ar el rango m áxim o del fragm ento A sistir en el im pacto de proyectiles en los alredores de la planta y en la com unidad Figura 6.6.22 DIAGRAMA LOGICO PARA CALCULO DE ONDAS DE CHOQUE Y EFECTOS DE PROYECTILES POR LA RUPTURA DE RECIPIENTES PRESURIZADOS LLENOS CON GAS ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Este tipo de incidentes puede derivar en efectos dominó particularmente a partir de los efectos que los proyectiles producen.4.4.4. La energía de ondas de choque a partir de recipientes dúctiles es usualmente direccional. 6. 6. Más dificultad implica las consideraciones de efectos dominó secundarios a partir de los proyectiles.11 Identificación y tratamiento de posibles errores Es muy difícil el predecir el número de proyectiles y hacia adonde los mismos pueden ser proyectados.13 Necesidad de recursos Un ingeniero de proceso debe estar disponible para desarrollar cada tipo de cálculo en pocas horas. esta técnica encuentra una gran aplicación en estudios que involucran riesgos en la planta.4.10 Ventajas y desventajas La principal fortaleza de estos métodos es que ellos se basan en información experimental. 6.6.12 Utilidad En general los recipientes presurizados con gas no pueden almacenar suficiente energía para representar un riesgo más allá de las fronteras de la planta. 6.4.13 Software disponible No existe ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 272 __________________________________________________________________________________ 6. Muy pocos estudios Análisis Cuantitativos de Riesgos en Procesos Químicos han incorporado efectos de proyectiles en una base cuantitativa. por lo tanto. J. la cual está basada principalmente en los trabajos de Bartknecht y asociados. New York ( 1986 ) 63 Noronha. Amercian Society of Mechanical Engineers. MA (1986) 65 Health and Safety Executive "Canvey . and Reed.An Investigation of Potential Hazards from the Operations in the Canvey Island / Thurrock Area ". " Deflagration Pressure Containment (DPC) for Vessel Safety Design ". Fuegos y Explosiones 273 __________________________________________________________________________________ 6. UK (1978) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .3 Aplicaciones Existe poca información publicada que considere las implicaciones de los efectos. descomposiciones térmicas o reacciones fuera de control en recipientes y equipo de proceso son otro componente mayor de explosiones confinadas.A. En general. pp. 1978) considera los efectos de daño por misiles sobre recipientes de proceso. Plant / Operations Progress 1 .C.6. 1986). London.T.5. Reacciones de combustión.. _________________ 62 ASME Boiler and Pressure Vessel Code : Section VIII . 63 (1982). Las explosiones de polvos y explosiones de vapores con contenedores de baja resistencia ( por ejem: edificios) son una categoría mayor de explosiones confinadas. Recomendaciones para esto están contenidas en el estándar 69 de la NFPA (1986) y Noronha y col. Merry. El diseño de sistemas de alivio tanto para confinamientos de baja resistencia como recipientes de proceso. 6.. Pressure Vesseels.1 Propósito Las explosiones confinadas en su contexto incluyen deflagraciones u otras fuentes de reacción química rápida las cuales se desarrollan en recipientes y edificios. J. NFPA 68.5. 195 pp. 1-6 64 Guide for Explosion Venting . Tanto las ondas de choque como los proyectiles son los principales riesgos en explosiones confinadas. . sin embargo el Estudio Canvey 65 (Health and Safety Executive.2 Filosofía El diseño de recipientes de proceso sujetos a presión interna es tratado en códigos tales como Código de recipientes a presión bajo fuego 62 (ASME. National Fire Protection Association. Quincy. HMSO. una deflagración ocurre en un edificio o estructura de baja resistencia tal como un silo de almacenamiento y el impacto de estas en la comunidad vecina es menor debido a las cantidades relativamente pequeñas de combustibles o energía involucrada.5 EXPLOSIONES CONFINADAS 6. comúnmente referido como "venteos de explosión" es cubierto en la "guía para venteos de deflagración" 64 ( NFPA 68.5. 1986). Los recipientes pueden ser diseñados para contener deflagraciones internas. 6. W. U.. Deflagraciones Para mezclas de gases inflamables. (1965) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . etc. Bulletin 627 . La detonación es la forma más violenta de la combustión. las resistencias últimas de un recipiente pueden exceder en forma importante la supuesta.30 ) Donde: M = Masa molecular de la mezcla gaseosa N = Número de moles en la fase gas T = Temperatura absoluta de la fase gas P = Presión absoluta max = Valor pico 1 = Estado inicial 2 = Estado final _________________ 66 Lees. Algunas de las explosiones más destructivas en minas de carbón y elevadores de granos dan indicadores fuertes que se aproximan a una detonación pero lo anterior no ha sido verificado totalmente de forma experimental. Fuegos y Explosiones 274 __________________________________________________________________________________ 6.S. 2 Volumes: Butterworths.P. MAWP). Boston (ISBN 0-0408-10604-2). Una presión de ruptura puede estimarse utilizando la resistencia última del material a un 100 % de eficiencia de soldadura en cálculos de stress. Para muchos recipientes de proceso diseñados bajo el código ASME.. " Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors ". en la cual la flama tiene transición a una onda de choque. Donde esto es suficiente para causar falla en el recipiente y las consecuencias pueden ser determinadas. M. para el máximo incremento en la presión: P2 (max) P1 = N 2 T2 M 1 T2 = N 1 T1 M 2 T1 ( 6. London. Lees 66 (1980) sumariza el trabajo de Zabetakis 67 (1965) del Buró de minas de USA. Ejemplos bien conocidos de detonación de gases son el hidrógeno. Washington.6. Una deflagración es un proceso de combustión a baja velocidad.5. F. (1980) 67 Zabetakis. Loss Prevention in the Process Industries.4 Descripción de la técnica Esta técnica se basa en la determinación del pico de presión. D. la presión mínima de ruptura (bursting pressure) es cuatro veces la presión permisible de trabajo (maximum allowable working pressure.C. uso del siguiente espesor de placa para construcción. Ciertos factores en la combustión de polvos son únicos y esto ha llevado a modelar en forma separada respecto a los gases. of the Interior. Bureau of Mines.). pero puede tener una transición a una detonación. Esta transición puede ocurrir en tuberías de proceso pero no es común en recipientes. Dept.G. acetileno y etileno. La explosión de una mezcla flamable en un recipiente de proceso o una tubería puede ser una deflagración o una explosión. Por diferentes razones (corrosión inicial permisible. Una explosión de polvos es usualmente una deflagración. Datos experimentales específicos pueden utilizarse cuando sea posible. San Diego.aire P2 / P1 = 16 para mezclas de hidrocarburo . _________________ 68 Lewis. . Academic Press. Flames and Explosions of Gases. Combustion. energía de ignición y volumen) para producir nomogramas para calcular el área del venteo para aliviar una sobrepresión.6. líquidos y polvos que muestran la Pmax y dP/dt. La guía también lista tablas de datos experimentales para gases. fase. ( 1987 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . la cual puede ser usada para predecir el pico de presión y las propiedades de la onda de choque (por ejemplo: velocidad y presión de impulso).31 ) ⎜ ⎟ dt ⎝ ⎠ max Entonces utilizando esta relación. A partir de estos datos experimentales y a partir de las relaciones dadas por Zabetakis. 3rd edition. and von Elbe. el máximo incremento de presión para muchas deflagraciones es: P2 / P1 = 8 para mezclas de hidrocarburo . B. G. con valores derivados experimentalmente para K (la cual es una función de la composición. CA. Esta presión puede ser varias veces mayor si se tiene reflexión sobre las superficies sólidas. Lees 66 (1980) dice que el pico de presión para una detonación en un recipiente inicialmente a presión atmosférica puede ser cercano a 20 bar.oxígeno Detonación Lewis y von Elbe 68 (1987) describen la teoría de la detonación. Fuegos y Explosiones 275 __________________________________________________________________________________ El estándar 68 de la NFPA también da una relación cúbica del incremento de la presión respecto al volumen del recipiente de la forma : ⎛ dP ⎞ (V 1/3 ) = factor de caracterización ( K g para gases o K St para polvos ) ( 6. 600 bar . M. Si los valores del pico de presión calculados exceden la presión de ruptura del recipiente. . pp.1 para St . Aunque la presión a la cual el recipiente se rompe puede ser por debajo de la máxima presión que puede desarrollarse.m / seg son proporcionados.105 ( 1987 ) 70 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . clase de polvo ( St-1. New York ( 1981 ) Swift. 98 . _________________ 69 Bartknecht.m / seg bar . La presión desarrollada por una explosión en un espacio A puede causar incremento de presión/temperatura en un espacio conectado B. Ecuaciones empíricas son también proporcionadas para resolver el problema de forma algebraica. fragmentos y una nube de calor. tamaño del recipiente y la presión de liberación del venteo son conocidas. And Epstein. Los nomogramas del estándar 68 NFPA pueden ser utilizados para determinar la presión en el recipiente.m / seg Adicionalmente valores de KSt de 50 . Fuegos y Explosiones 276 __________________________________________________________________________________ Explosiones de Polvos El estándar 68 de la NFPA. Springer-Verlag. Prevention. Una pequeña explosión primaria de polvos puede tener consecuencias mayores si polvo combustible adicional está presente. I.m / seg bar .2 para St . El choque de la explosión inicial de polvo puede dispersar el polvo adicional y causar una explosión secundaria con una violencia considerablemente mayor. Los efectos resultantes son ondas de choque. estimaciones similares pueden hacerse utilizando las ecuaciones citadas por Swift y Epstein 70 (1987). Plant / Operations Progress 6. brindando las funciones relacionadas del tamaño del venteo.6.3 para KSt < 200 200 < KSt < 300 KSt > 300 bar . 2 ó 3) o KSt. Este fenómeno se ha observado también de forma frecuente en equipo eléctrico instalado en áreas que manejan materiales inflamables. Bartknecht 69 (1981) y Lees 66 (1980) reportan una cantidad importante de datos de prueba de explosiones. . entonces las consecuencias de la explosión resultante deben ser determinadas. Los nomogramas para las tres clases de polvos son : St . Course. Explosions. En descomposiciones químicas y detonaciones es frecuentemente supuesto que la energía química almacenada disponible es convertida a equivalente de TNT. En el caso de contenedores de baja resistencia. " Performance of Low Pressure Explosion Vents " . El fenómeno incremento de presión es un peligro potencial importante sobre todo en espacios interconectados. Esta presión incrementada es ahora el punto de arranque para un posterior incremento en la presión de explosión. W. Protection. 5.6. Fuegos y Explosiones 277 __________________________________________________________________________________ 6.5 Diagrama lógico Un diagrama lógico del modelado de una explosión confinada es mostrado paso a paso en la figura 6.23.23 DIAGRAMA LOGICO DE UNA EXPLOSION CONFINADA ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Presiones que conduzcan a explosiones de polvos secundarias Si Si No Estimar la onda de choque y fragm entos O ndas de choque Estimar la cantidad de energía liberada como un peso equivalente de TNT Sin consecuencias Proyectiles Utilice las técnicas de estim ación establecidas para explosiones físicas de recipientes Utilice las técnicas de estim ación establecidas para explosiones físicas de recipientes Figura 6. Mezcla flamable o material quím ico potencial en el recipiente de proceso o confinado Estim ar la presión de ruptura del recipiente o confinamiento Estimar el máximo incremento de presión ( para mezclas flamables ) Es el pico de presión mayor que la presión de ruptura del recipiente o confinam iento ? No Efectos secundarios son posibles ?. La presión de ruptura de recipientes puede ser derivada aproximadamente solamente con una apreciación total de la metalurgia del recipiente y la historia de operación.10 Fuerzas y debilidades La principal fuerza de este método es que está basado en un amplio trabajo experimental. Una aplicación detallada para muchos gases se ha observado recientemente. La principal debilidad es que no han sido desarrollados para utilizarse en Análisis Cuantitativos de Riesgo en Procesos Químicos. Utilizando el estándar 68 de la NFPA. 6.5.6. Para moléculas simples. 6. particularmente polvos. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . los nomogramas de la NFPA pueden ser usados para recipientes relativamente resistentes y las ecuaciones de Swift-Epstein indicadas en el estándar 68 de NFPA para estructuras de baja resistencia como edificios.8 Salida de información Los resultados de este análisis para explosiones confinadas en recipientes es típicamente la onda de choque y proyectiles.5. datos sobre el comportamiento del recipiente son más complejos. sin embargo.7 Requerimientos de entrada y disponibilidad La tecnología requiere datos sobre la resistencia de contenedores y parámetros de combustión.9 Aproximaciones de simplificación El pico de presión que se alcanza en explosiones confinadas puede ser estimado como sigue: la deflagración es ocho veces la presión absoluta inicial y una detonación 20.5. el fundamento teórico es el sonido. 6. esto puede ser suficiente para una análisis cuantitativo del riesgo para referirse a códigos de diseño relevantes y estimar la presión de ruptura basadas en el factor de seguridad empleado. Fuegos y Explosiones 278 __________________________________________________________________________________ 6. Se puede suponer que los recipientes de proceso fallan a cerca de 4 veces la presión de diseño para trabajo. como algo opuesto al diseño de sistemas de alivio de presión. Lo último usualmente está disponible. el tratamiento es más empírico. Para especies más complejas.5. 6.5. sobrepresiones pueden ser estimadas para recipientes venteados y edificios lo cual lleva a estimados de los niveles de daño esperados.6 Fundamentos teóricos Si bien los fundamentos de la teoría de la combustión y explosión han evolucionado a lo largo de los últimos 100 años. En el caso de explosiones de polvos. para mezclas de hidrocarburos – aire. Algunos datos son difíciles de obtener. 6. La evaluación de las fuerzas contenidas puede ser la principal fuente de error. W. Fuegos y Explosiones 279 __________________________________________________________________________________ 6. Más difícil resulta la consideración de efectos secundarios y sus implicaciones. Prevention. Springer-Verlag. Protection. New York ( 1981 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .11 Identificación y tratamiento de posibles errores Schofield71 (1984) reporta que recientes experimentos del comportamiento de mezclas inflamables en volúmenes grandes (30 m3 o 1000 ft3) indica que cálculos de venteos desarrollados a pequeña escala pueden sobredimensionar los venteos.13 Recursos Un ingeniero de proceso puede estar disponible para desarrollar cada tipo de cálculo en una hora.5.12 Utilidad Las técnicas discutidas pueden ser aplicables y los datos estar disponibles (proporcionando un estimado simple de la presión de ruptura que es aceptable). .5. 6. 6. Course. Explosions.14 Software No existe o no está disponible.5. _________ 71 Schofield . 6.5. J. y Pritchard.6. I ChemE Symposium Series N° 71. La filosofía de modelado de este tipo de eventos es totalmente empírica. México (19 Noviembre. “ Thermal Radiation Hazards from Large Pool Fires and Fireballs – A Literature Review “ . los incrementos típicos en volumen de este tipo de eventos es de aproximadamente 200 veces. (ISBN 0-08-0287768-9) ( 1982 ) 73 Mudan. La válvula de alivio de presión no es suficiente para proteger de este tipo de eventos. Modelos de proyectiles son también empíricos. “ Quantitative Evaluation of BLEVE Hazards “ . Major Industrial Hazards Project . K. 59 .W. Crescent City.S. Cuando un fuego externo entra en contacto con el cuerpo del recipiente arriba del nivel del líquido. Explosión de vapores expandidos de líquidos en ebullición) ocurre cuando se tiene una pérdida súbita del contenido de un recipiente sujeto a presión que tiene una líquido supercalentado o un gas licuado. R.6. New Orleans. AIChE Spring National Meeting. NSW 2006. Rugby. ____________________________________ 72 Moorhouse. 397 – 428 . 6. pp. . incluyendo a Moorehouse y Pritchard 72 Mudan 73. Paper N° 74e . “ Thermal Radiation Hazards from Hydrocarbon Pool Fires “ . Combust. . Australia ( ISBN 094926937-9 ) ( 1986 ) 75 Prugh. Los tipos más conocidos de BLEVE´s involucran gas LP. University of Sydney . Un gran número de artículos revisan el modelado de BLEVE´s. Sci. 1984). . 1978). bolas de fuego resultarán de la liberación. Un gran número de incidentes de esta naturaleza se han presentado a lo largo del mundo: San Carlos. M.1 Propósito En estas notas se maneja el caso especial de una ruptura catastrófica de un recipiente sujeto a presión. “ Consequence Models for BLEVE Incidents “ . . (ISBN 0360-1285) ( 1984 ) 74 Pitblado.6 EXPLOSIONES DE VAPORES EXPANDIDOS DE LIQUIDOS EN EBULLICION (BLEVE´s) Y BOLAS DE FUEGO (FireBalls) 6. .80 . Illinois USA (21 Junio. pp. Juan Ixhuatepec. Una BLEVE puede ocurrir debido a un mecanismo que resulta en la falla súbita del contenedor con un líquido supercalentado el cual flashea. el calentamiento de los vapores conlleva a una ruptura violenta del cuerpo del recipiente. Si el líquido liberado es flamable. Fuegos y Explosiones 280 __________________________________________________________________________________ 6. March 6-10 ( 1988 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Esto es suficiente para generar una onda de sobrepresión y fragmentos. 10 (1) . 1970) y Sn. I ChemE .2 Filosofía Una BLEVE es la liberación brusca de una gran cantidad de líquido supercalentado a la atmósfera. The Assessment of Major Hazards . R. Proc. AIChE Loss Prevention Symposium.6. España (11 Julio. Una BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion. Esta sección describe los métodos utilizados para calcular los efectos de la ruptura de un recipiente y la bola de fuego que resulta si el líquido liberado es flamable y se incendia. Pitblado74 y Prugh 75.J.M. La causa primaria es usualmente una flama externa en contacto con el cuerpo del recipiente justo arriba del nivel de líquido. Warren Center for Advanced Engineering. el recipiente usualmente falla en un lapso de 10 a 20 minutos. Uk . 6. Apeldoorn. Los efectos de presión usualmente están limitados en magnitud. (ISBN 0-444-42094-0) (1983 ) 79 TNO. Pietersen y Huerta 77). and Reeves. Westine. The Netherlands ( 1985 ) 78 Baker. “ Analysis of Tank Car Tub Rocketing in Accidents “ . AAR Report R 146. in English. D. P. S. and Strehlow. I ChemE . P. ________________________________________ 76 Rijnmond Public Autorithy . 81 (AAR) y por Holden y Reeves 82 . Mexico City. como con incidentes de fuego. “ The Yellow Book” . R. AAR Report R 310. “Fragment Hazards from Failures of Pressurized Liquefied Gas Vessels“ . D. Box 342 7300 AH. Prugh 75 presenta métodos para calcular un equivalente a TNT y también incorpora el proceso de vaporización flash de la fase líquida en adición a la fase vapor originalmente presente. Juanico. TNO 79 también brinda un modelo de explosión física. “ Summary of Ruptured Tanks Car Involved in Past Accidents “ .O. pp.6. Kulesz.S. ya que muchas muertes y efectos dominó son atribuibles a fragmentos.B. 2 volumes. C. es un procedimiento que se desarrolla paso a paso. UK . . Washington. . ( 1972 ) 81 Association of American Railroads . Assessment and Control of Major Hazards . pero un trabajo específico sobre peligros de fragmentos en BLEVE´s ha sido desarrollado por la Association of American Railroads 80 . A Risk Analysis of 6 Potentially Hazardous Industrial Objects in the Rijnmond Area – A Pilot Study .L. (ISBN 0-85295-189-2) ( 1985 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . ( 1973 ) 82 Holden.A. “ Explosion Hazards and Evaluation “ . Washington. Para materiales inflamables la predicción de la intensidad de la radiación térmica a partir de bolas de fuego también debe ser considerada. El método de Baker y col. Elsevier . 19 Nov. New York. Los efectos de presión fue una de las mayores causas de propagación del desastre de Sn.4 Descripción de la técnica El cálculo de incidentes con BLEVE´s. Rugby. Methods for the Calculation of the Physical Effects of the Escape of Dangerous Materials : Liquids and Gases . Baker y col.3 Aplicación Modelos de BLEVE´s son parte estándar de un análisis de riesgos en plantas químicas ( Rijnmond Public Autorithy 76) y para la investigación de accidentes mayores (Ciudad de México. como esto aplica a todos los incidentes con BLEVE´s (independientemente que estén presentes o no materiales inflamables).C.F.M. 6. TNO Report B4-0222. (ISBN 90277-1393-6) ( 1982 ) 77 Pietersen. .Y. P. I ChemE Symposium Series N° 93.J. The Netherlands and Boston.O. N. Box 432 7300AH Apeldoorn.C. Fuegos y Explosiones 281 __________________________________________________________________________________ 6. Cox. W. The Netherlands ( 1979 ) 80 Association of American Railroads . Reidel. . D. D. 205 – 220 . Dordrecht. el cual fue usado por Pietersen y Huerta 77 en el análisis del incidente de Sn. P..6. J. así el interés primario se enfoca a la predicción de efectos dominó sobre recipientes adyacentes para un posible daño a las comunidades vecinas. MA . 1984 “ . A. La predicción de los efectos de fragmentos es también importante. 78 discute la predicción de ondas de presión en detalle y brinda un problema de ejemplo en el capítulo 2 de su libro. and Huerta.A. P. 78 puede ser usado. El primer paso es la determinación de la presión y fragmentos. Juan Ixhuatepec en México.C.. “ Analysis of the LPG Incident in San Juan Ixhuatepec.E. and Cogwill. U. BLEVE´s a partir de pequeños recipientes de gas LP tienen una historia de un rango amplio de fragmentos. así la presión normal de ruptura es de 4 veces la presión de trabajo. Normalmente. 83). BLEVE´s usualmente ocurren debido al contacto de flama directa sobre la porción no húmeda (espacio de vapor) del tanque. Fuegos y Explosiones 282 __________________________________________________________________________________ La AAR reporta que 113 fallas mayores en recipientes cilíndricos horizontales en situaciones de fuego.6. una sección final en el incidente de Sn. . “ Comparison of Thermally Coated and Insulated Rail Cars Filled with LPG Subjected to a Fire Environment “ .S. pero existe cierta discrepancia en las fuentes de datos. Esta área rápidamente alcanza 1200 °F y desarrolla suficiente fuerza para que el tanque falle a aproximadamente 300 – 400 psig.77 + 0. Zook. Holden y Reeves 82 sugieren una correlación basada en 7 incidentes (Figura 6. Department of Transportation ( 1974) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . cerca del 80 % se tradujeron en fragmentos proyectados. La fórmula TNO (Pietersen y Huerta 79 ) da una buena aproximación a los datos observados. C.. Los fragmentos usualmente no están bien distribuidos. W. 78 discuten la predicción de fragmentos en detalle y Holden y Reeves 82 brindan gráficas que muestran el rango de fragmentación. (Towsend y col. Anderson. Juanico viajó 1000 m (3300 ft).25): [ N ° de fragmentos = .32 ) El rango de validez es capacidades de 700 a 2500 m3.3. _________________________________ 83 Towsend. Baker y col. G.0096 capacidad del recipiente (m 3 ) ] ( 6. La dirección axial del recipiente recibe más fragmentos que en otras direcciones. Report FRA-OR and D 7532 . Pitblado74 lista 13 correlaciones publicadas y compara diámetros de BLEVE´s como una función de la masa liberada. El número total de fragmentos es aproximadamente función del tamaño del recipiente. Dec. J. Ellos tienen un factor de seguridad de 4. los tanques de almacenamiento de gas LP están diseñados para una presión de trabajo de 250 psig.24 muestra que cerca del 80% de los fragmentos cubren un rango de 300 m (1000 ft).. La Figura 6. 325 ( 6.33 ) Donde: M = Masa inicial de material flamable.35 ) Diámetro inicial de la hemiesfera a nivel de piso. Massachusetts. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. Esto.3 D max ( 6. seg. : t BLEVE = 0.26 ( 6. kg Duración de la bola de fuego. El diámetro inicial es utilizado para describir la duración corta del volumen de la flama hemiesférica a nivel de piso antes de que las fuerzas de flotación la lleven a una altura semiestacionaria. Fuegos y Explosiones 283 __________________________________________________________________________________ Todos los modelos usan una correlación tipo ley de potencia para relacionar el diámetro de la BLEVE y su duración con la masa. m: D inicial = 1. Este efecto es claramente mostrado en la película de la NFPA “BLEVE” disponible a partir de la Asociación Nacional de Protección contra el Fuego. por supuesto varía y puede afectar el tamaño de la bola de fuego. NFPA en Quincy. Fórmulas útiles para parámetros físicos de la BLEVE son: Diámetro pico de la bola de fuego.825 M 0.34 ) Altura al centro de la bola de fuego.75 D max ( 6. m: D max = 6.48 M 0. m: H BLEVE = 0.36 ) Las fórmulas particulares para el diámetro de la bola de fuego y su duración no incluyen el volumen de oxígeno para la combustión. Fuegos y Explosiones 284 __________________________________________________________________________________ Figura 6.24 RANGO DE FRAGMENTOS EN INCIDENTES CON GAS LP ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. 25 CORRELACION ENTRE NUMERO DE FRAGMENTOS Y LA CAPACIDAD DE RECIPIENTE ESFERICO PARA 7 EVENTOS ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 285 __________________________________________________________________________________ Figura 6.6. m __________________________________ 84 Simpson. τ . distancia a partir de la superficie de la flama al objetivo. Pietersen y Huerta 77 recomiendan una fórmula que correlaciona los efectos de la humedad: τ = 2. kW / m2 Factor de visión. Esto causa una reducción en la radiación recibida por los objetivos.0. Para trayectorias grandes (cerca de 20 m). La radiación térmica es absorbida y disipada por la atmósfera. kW / m2 Transmisividad.38 ) Donde: τ = Transmisividad atmosférica entre 0 y 1. . adimensional La transmisividad atmosférica. efectivamente suponiendo un valor de τ = 1 para la transmisividad. es un factor importante.6. donde la absorción puede ser de 20 – 40 %.C. Discusiones útiles están dadas por Simpson 84 y Pitblado74.37 ) Donde: QR = τ = E = F21 = Radiación recibida por un objetivo cuerpo negro. Algunos modelos de radiación térmica ignoran este efecto. “ Atmospheric Transmissivity – The Effect of Atmospheric Attenuation on Thermal Radiation “ . adimensional PW = Presión parcial del agua. UKAEA Safety and Reliability Directorate. Report SRD R 304 . I.09 ( 6. Fuegos y Explosiones 286 __________________________________________________________________________________ La radiación recibida por un objetivo (para la duración del incidente de la BLEVE) está dada por: Q R = τ E F 21 ( 6. Pascals ( New / m2) X = Longitud de la trayectoria.02 ( PW X ) . esto puede llevar a una sobreestimación de la radiación recibida. UK. Culcheth. (1984 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . adimensional Flujo emitido por la superficie. 6. Culcheth. “ The Physiological and Pathological Effects of Thermal Radiation “ . I.197 – 212 ( 1981) 86 Hymes. kW / m2 M = Masa de gas LP en la BLEVE.25 – 0. un factor de visión geométrico para una esfera a la superficie normal de la esfera (no los componentes vertical u horizontal) puede utilizarse: F21 = D2 4 x2 ( 6. a través de la ecuación de Stephan-Boltzmann. kJ / kg Dmax = Diámetro pico de la bola de fuego.40: E = Frad M H c π (D max )2 t BLEVE ( 6. UK.25 a 0. kg Hc = Calor de combustión. m Frad = Fracción de radiación.40 ) Donde : F21 = Factor de visión entre una esfera y la superficie objetivo D = Diámetro de la esfera. Los flujos típicos de calor en BLEVE´s (200 – 350 kW / m2) son mucho más elevados en fuegos de derrames cuando la flama no genera humo. m ___________________________________________ 85 Roberts.F. Fuegos y Explosiones 287 __________________________________________________________________________________ La radiación térmica usualmente se calcula utilizando el flujo emitido por la superficie. E.39 ) Donde: E = Flujo emitido por la superficie. . . “ Thermal Radiation Hazards from Releases of LPG from Pressurized Storage “ . la cual requiere la temperatura de la flama. 0. Fire Safety Journal 4 ( 3 ) . seg Como los efectos de una BLEVE principalmente se relacionan con lesiones a las personas. (1983 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . m x = Distancia del centro de la esfera al objetivo. Roberts 85 y Hymes 86 brindan la manera de estimar el flujo de calor de la superficie como una fracción radiada del total del calor de combustión. Esta fracción típicamente es de 0. A. UKAEA Safety and Reliability Directorate.40 tBLEVE = Duración de la bola de fuego. pp. Report SRD R 275 . ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6.8 Salida La salida de un modelo de BLEVE es usualmente en nivel de flujo radiante y su duración. Fuegos y Explosiones 288 __________________________________________________________________________________ 6. Esta información es fácil de conocer. Modelos de fragmentos son muy simples y requieren del volumen del recipiente y la presión de vapor. térmica y efectos de fragmentación de una BLEVE de material flamable. Efectos de sobrepresión.6. Número de fragmentos y rangos pueden ser estimados. Baker y col. duración y fracción radiante) y relaciones fundamentales (para factor de visión y transmisividad). 6. si son importantes.7 Requerimientos de entrada y disponibilidad Modelos de BLEVE requieren las propiedades del material (calor de combustión y presión vapor). 78 utilizaron análisis dimensional para el diámetro y duración aproximando a una correlación de raíz cúbica. pueden también obtenerse. la masa del material y la humedad atmosférica.5 Diagrama lógico Un diagrama lógico muestra el procedimiento de cálculo (figura 6.6. 6. Correlaciones de fragmentación son empíricas.6. simetría radial es supuesta. Este muestra la secuencia de cálculo para la determinación de la onda de choque.26). 6.6 Fundamentos teóricos Modelos de BLEVE son una mezcla de correlaciones empíricas (para tamaño.6. pero una aproximación probabilística es necesaria para determinar las consecuencias. Fuegos y Explosiones 289 __________________________________________________________________________________ Masa de gas flamable BLEVE Liberación flamable Ondas de choque Utilizar las técnicas para explosiones físicas Determinar las zonas de efectos explosiones físicas Fragmentos Utilizar técnicas para explosiones físicas Fracción radiación emitida Distancia al objetivo Radiación térmica Estimar tamaño y duración de la BLEVE Estimar el flujo emitido por la superficie Estimar factor geométrico de visión Estimar transmisividad atmosférica Estimar flujo térmico recibido Determinar el impacto térmico Figura 6.26 DIAGRAMA LOGICO PARA CALCULO DE BLEVE’s E INTENSIDAD TERMICA ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. 6. ________________________________________ 87 Considine. Fuegos y Explosiones 290 __________________________________________________________________________________ 6. seg M = Masa de gas LP en la BLEVE. .10 Ventajas y desventajas Las dimensiones y duración de BLEVE´s han sido estudiadas por muchos autores y la base empírica la constituye diversos incidentes bien descritos. El uso de un estimado del flujo emitido por la superficie es una desventaja. UK.6.41 ) = 38. Proceedings of the Gastech 84 LNG / LPG Conference . 6-9 .9 M 0. Similarmente utiliza correlaciones tipo ley de potencia para sumarizar su modelo más fundamental. and Grint.9 M 0432 ( 6.42 ) t Donde: r50 = Rango de peligro para un 50 % de fatalidades. así como también pequeñas pruebas a nivel laboratorio. 187 – 200 ( 1985 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . . “ Rapid Assessment of the Consequences of LPG Releases “ .9 Aproximaciones de simplificación Diversos autores utilizan correlaciones simples basadas en modelos fundamentales.C.43 ) La correlación de fragmentos descrita para contenedores de gas LP es una aproximación simplificada. pp. ya que no es una propiedad fundamental.33 ( 6. Considine y Grint 87 han actualizado lo anterior y proponen: r 50 = 22 t 0. ton Las ecuaciones anteriores pueden arreglarse como: r50 = 38. M.379 M 0. 6. Nov.6. Published by Gastech Ltd.307 ( 6. m t = Duración de la BLEVE. G. Correlaciones para fragmentos son objeto de discusión hasta la fecha. Rickmansworth. Cuando esta no está debidamente fundamentada. Fuegos y Explosiones 291 __________________________________________________________________________________ 6.4 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . 6. El flujo emitido por la superficie es un término empírico derivado de la fracción radiante estimada.6. Modelos de fragmentos muestran el posible alcance de fragmentos volando y los efectos de daños dificultan su uso. 355 East Campus View Blvd.6.6. Ohio 43085 USA ALOHA version 5. Suite 110 Columbus.11 Identificación y tratamiento de posibles errores Los dos errores potenciales son la estimación de la masa involucrada y el flujo emitido por la superficie. Una gráfica simplificada o correlación de aproximación debe ser checada.6. Los cálculos de la zona térmica peligrosa pueden iterarse debido al factor de forma y transmisividad las cuales son función de la distancia. considerando tipos diferentes de materiales y condiciones ambientales. el valor usual es similar en magnitud (pero mayor) que el usado en el estándar API 521 para estimados de radiación de fuegos de quemadores tipo jet.14 Software disponible WHAZAN Computer Package Technica Inc.12 Utilidad Modelos BLEVE requieren de una aplicación muy cuidadosa.13 Necesidad de recursos Un ingeniero de proceso con algo de entendimiento de efectos de radiación térmica podrá utilizar modelos de BLEVE’s muy fácilmente. 6.6. factor de visión o transmisividad pueden llevar a un error significativo. ya que errores en la superficie de flujo. Un tiempo estimado de cálculo de medio día puede llevar a computarizar el cálculo y analizar resultados en función a la sensitividad de los mismos. 6. 44 resulta posible evaluar las consecuencias de diversos tipos de incidentes. Con el uso de la ecuación 6. k2 para los diferentes tipos de eventos.) y sus correspondientes constante k1 . liberación tóxica.) La tabla 6. 89 utilizaron este método para evaluar los efectos de gases tóxicos al establecer una correlación estadística entre la dosis que representa una concentración por unidad de tiempo. Springfield. Un método que ayuda a evaluar las consecuencias es el método de efecto directo. NTIS AD-015-245. Lynch.10 nos presenta un compendio de diferentes tipos de daños ( fuego. U.44 ) Donde: Pr = Valor de la función probit k1 . . etc.A Simulation System for assesing Damage from Marine Spills “ .. explosión. Por ejemplo Eisenberg y col. VA ( 1975 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .9 muestra información que permite la transformación de valores de probits a porcentajes.J. El método probit (unidad de probabilidad) refleja una relación generalizada dependiente del tiempo para cualquier variable que probabilísticamente pueda ser definida por una distribución normal. Office of Research and Development. El método probit utiliza la ecuación: Pr = k 1 + k 2 ln ( V ) ( 6. ________________________________________ 88 Finney. las consecuencias no toman la forma de funciones discretas pero pueden conformarse a funciones de distribución probabilísticas.S. Coast Guard. de explosiones así como también efectos debido a nubes tóxicas. C. k2 = Constantes para la función probit particular V = Variable causal ( fuego. como analistas de riesgos de determinar los efectos que los mismos generarían.A. El método probit también puede ser utilizado para evaluar los efectos térmicos.6.J. “ Vulnerability Model . D. Cambridge University Press. etc.7 MODELOS DE EFECTOS Los escenarios descritos anteriormente pueden llevarnos a la necesidad. liberación tóxica. Un método estadístico para evaluación de consecuencias es el método probit descrito por Finney 88. R. . 3rd edition . Probit Analysis . Report N° CG-D-136-75.J. el cual predice los efectos sobre personas o estructuras basados en criterios predeterminados ( ejem : las muertes se supone que es el resultado de una exposición individual a cierta concentración de gas tóxico ). Cambridge ( ISBN 0-51080-41-X ) ( 1971 ) 89 Eisenberg. En la realidad. N. Fuegos y Explosiones 292 __________________________________________________________________________________ 6. La tabla 6. explosión. and Breeding. 61 4.13 5.87 4.71 6.64 4.53 4.95 6.33 % 0.5 0.58 5.41 3.99 6.01 4.18 7.19 4.55 3.42 4.36 5.6.72 4.05 5.15 5.8 0.6 0.9 99 7.96 4.7 0.77 6.74 6.75 7.97 5.2 0.64 5.44 5.04 6.26 4.90 5.23 4.39 5.67 3.48 4.81 6.18 5.29 4.23 7.88 3.3 0.77 4.03 5.10 5.41 7.85 5.75 3.37 7.64 3.92 5.36 3.28 5.45 4.61 5.33 7.05 3.33 5.12 3.67 6.47 5.08 5.65 7.75 5.95 5.34 2.52 4.51 7.77 5.84 6.08 6.1 0.39 4.50 4.41 5.52 5.92 4.55 5.25 5.92 6.59 4.59 4.88 6.20 5.48 3.66 4.80 5.50 5.82 5.00 5.56 4.31 5.72 4.87 5.08 4.25 3.69 4.8 TRANSFORMACION DE PROBITS A PORCENTAJES % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 --3. Fuegos y Explosiones 293 __________________________________________________________________________________ TABLA 6.0 0.95 3.13 6.82 4.28 2.05 4.12 4.23 5.16 4.88 8.33 4.46 7.67 4.58 7.09 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .45 4.4 0.36 4. 1 6.43 t C2 t C2 t C2 t C2 t C2 t C2 t C2 t C2.77.30 1.1 -15.00 3.56.31.10 3.43 t C1.653 t Ct Ct Ct Ct Ct Ct Ct C1.049 3.5 t C2.637 2.27 .79 C0.45 4. min ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .16.87 .10 CORRELACIONES PROBIT PARA DIVERSAS VARIABLES CAUSALES V Tipo de lesión o daño Fuego : Muertes por quemaduras de fuegos flash Muertes por quemaduras de fuegos en derrames Explosión : Muertes por hemorragia en pulmón Ruptura de tímpanos Muertes por impacto ( sobrepresión ) Lesiones por impacto ( sobrepresión ) Lesiones por fragmentos volando Daño estructural Ruptura de cristales Liberaciones tóxicas : Muerte por metilisocianato Muerte por acroleína Muerte por monóxido de carbono Muerte por cloruro de hidrógeno Muerte por fosgeno Muerte por dióxido de azufre Muerte por floruro de hidrógeno Muerte por bromuro de metilo Muerte por acrilonitrilo Muerte por sulfuro de hidrógeno Muerte por amoníaco Muerte por benceno Muerte por bromo Muerte por cloro Muerte por formaldehído Muerte por dióxido de nitrógeno Muerte por óxido de propileno Muerte por tetracloruro de carbono Muerte por tolueno Variable causal V k1 k2 te Ie4/3 / 104 t’ I4/3 / 104 -14.35.9 2.85 5.27 3.26 2.354 5.79 -7.794 1.12.408 0.1 .93 4.91 1.27.39. Fuegos y Explosiones 294 __________________________________________________________________________________ TABLA 6.408 Donde: te = Duración (tiempo efectivo) . W / m2 t’ = Duración del fuego en el derrame .415 .19.8 .8 .23.8.67 . ppm t = Tiempo de exposición .29.29 -6.5.509 0.56 2.9.008 1. seg I = Intensidad de radiación efectiva del derrame con fuego .30 0.82 4.70 2. seg Ie = Intensidad de radiación efectiva . New – seg / m2 C = Concentración .35. W / m2 o p = Onda de sobrepresión .6.92 0.6 .6.92 1.686 2.1 . New / m2 J = Impulso .92 2.1 .42 .13.18.85 .24 .931 -37.98 .008 3.42 .46.642 -9.04 .40 0.5 t .56 po po J J J po po .81 .29 .15.9 -14.9 -109. hospitales. TLV – STEL 4. la dosis tóxica se calcula directamente.7. ) 2 . Criterios tóxicos para efectos específicos a la salud para el gas tóxico en particular ( IDLH’s. TLV – C 3. ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . IDLH’s 2.45 ) i =1 Los requerimientos para el análisis de efectos tóxicos requieren de proporcionar información a dos niveles: 1 . Los criterios manejados para evaluación de efectos a la vida y la salud debido a emisiones accidentales de productos peligrosos son los mismos con los cuales se evalúan modelos de dispersión considerando concentraciones en el siguiente orden de evaluación: 1.00. Fuegos y Explosiones 295 __________________________________________________________________________________ 6. Para emisiones instantáneas (puff) las cuales varían en el tiempo. PEL La dosis tóxica se calcula en términos de la concentración por unidad de tiempo de exposición dando una potencia multiplicada por la duración de la exposición ( Cn t ).6.60 hasta 3. Predicciones de concentraciones tóxicas y duración de la exposición para los diferentes lugares relevantes ( escuelas. etc. con valores de “n” desde 0. Para emisiones de tipo continuo. TLV-STEL. t final Dosis tóxica = n ∫ C dt t inicial n o ∑C n i ∆t i ( 6. la dosis tóxica puede estimarse por integración o un sumatorio de los diferentes incrementos. etc.1 Efectos de gases tóxicos Los resultados obtenidos a partir de modelos de dispersión pueden ser utilizados para la evaluación de los efectos debidos a gases tóxicos. 11 ). TABLA 6.94 9.12.67 19.87 60 40 30 16 9 6 4 2 2 ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Fuegos y Explosiones 296 __________________________________________________________________________________ 6. El estándar API RP 521 (1982) brinda una revisión corta de los efectos por radiación térmica sobre la gente. excluyendo la radiación solar.33 2.11 TIEMPO DE EXPOSICION ECESARIO PARA ALCANZAR VALORES LIMITE DE RADIACION ( API 521 ) Intensidad de radiación Btu / hr ft2 kW / m Tiempo de exposición segundos 500 740 920 1500 2200 3000 3700 6300 1. Otros criterios de daño por radiación térmica se sumarizan en la tabla 6.7.90 4.6. API sugiere un criterio térmico ( tabla 6. Tratando de encontrar un valor límite y para propósitos de comparación la intensidad de la radiación solar en un día claro de verano es de 320 Btu / hr ft2 ( 1000 W / m2 ). el conjunto de zonas de exclusión o determinación de la altura de la flama para el personal expuesto. Este se basa en experimentos y los datos están sumarizados en la tabla 3.46 11.74 2.73 6.2 Efectos térmicos El propósito es la estimación de lesiones o daños a la gente y propiedades a partir de la radiación térmica a partir de incidentes que involucren fuegos. 5 25 12.73 Intensidad calorífica en áreas donde acciones de emergencia requieren de varios minutos por personal sin blindaje pero con ropa adecuada 500 1.77 3000 9. fusión de tubería plástica Valor límite de exposición después de 8 seg .5 9.46 2000 6.31 1500 4.6 Condiciones Intensidad de calor sobre estructuras y en áreas donde los operadores no necesariamente desarrollarán actividades Valor de K para diseño de quemadores en cualquier localización para la cual el personal tenga acceso.5 4 1. sin embargo puede ocasiona problemas en la piel (quemaduras de segundo grado . 0 % letalidad Puede causar molestia después de períodos amplios de exposición ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . suficientes para escape solamente Intensidad calorífica en áreas donde acciones de emergencia requieran de 1 min por personal sin blindaje pero con ropa apropiada EFECTOS DE LA RADIACION TERMICA Efecto observado Suficiente para ocasionar daño a equipo de proceso Energía mínima requerida para hacer arder madera en tiempo indefinidamente grandes (no piloteado) Energía mínima requerida para ignición piloteada de madera.58 Valor de K para diseño de quemadores en cualquier localización donde el personal estará continuamente expuesto TABLA 6. La exposición se limita a unos pocos segundos.6.12 DISEÑO RECOMENDADO DE NIVELES DE RADIACION DE QUEMADORES EXCLUYENDO LA RADIACION SOLAR ( API 521 ) Nivel permisible de diseño (K) Btu / hr ft2 5000 kW / m2 15.14 Intensidad de radiación kW / m2 37. Fuegos y Explosiones 297 __________________________________________________________________________________ TABLA 6. quemaduras de segundo grado después de 20 segundos Suficiente para alcanzar el valor límite en 20 seg. 0 psig ) ( 1.5 psig ) ( 0.Lesiones indirectas por misiles u objetos voladores La tabla 6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .3 Efectos de explosiones A partir del uso de las ecuaciones probits resulta posible establecer los efectos de explosiones.05 barg 0.7 psig ) ( 0.3 psig ) La gente fuera de edificios o estructuras es susceptible de: .7.Lesiones directas por sobrepresión .10 barg 0.14 sumariza los efectos de sobrepresión en explosiones.35 barg 0. Otros criterios utilizados indican que daños relevantes de explosiones en edificios tipo residencial pueden inferirse como: Daños severos a edificios Daños reparables a edificios Daños a vidrios de edificios 10 % de vidrios rotos 0.02 barg ( 5.6. Fuegos y Explosiones 298 __________________________________________________________________________________ 6. 14 Presión Psig 0.000 lb) en edificio de proceso dañada 5. Fuegos y Explosiones 299 __________________________________________________________________________________ TABLA 6. paneles de madera dañados. daño ocasional de marcos ventanas 0.00-2.00 Máquinaria pesada (3000 lb) en edificios de proceso sufren daños pequeños 3. algún daño a techos de casas. 10 % de cristales rotos.30 Límite inferior de daños estructural severo 2.00 Carros tanque completamente dañados 10.00 Completa destrucción de casas 7.10 Ruptura de ventanas pequeñas 0.15 Presión típica de ruptura de cristales 0. paneles de acero de edificios de proceso severamente afectados Daño importante a edificios de proceso 5.6.00 Ventanas pequeñas y grandes dañadas .00 Destrucción total probable de edificios.00 Demolición parcial de casas haciéndolas inhabitables 1. similar a la ruptura de una bombilla 0. 1.00 Colapso parcial de muros y pisos de casas 2.02 DAÑOS PRODUCIDOS POR SOBREPRESION EN EXPLOSIONES Daño Ruido imperceptible ( 137 dB a baja frecuencia 10-15 Hz ) 0.00 Prensa hidráulica (40.00 Ladrillos de 8-12 pulg.40 0. de espesor totalmente afectados 9.30 Marcos de acero visiblemente afectados y distorsionados 2. maquinaria pesada (7000 lb) es movida de lugar 300.95 de no tener daños serios Daños estructurales menores limitados 0.30 “distancia segura” .50 50 % de destrucción de ladrillos de casas 3.04 Ruido moderado (143 dB) .00 Afectación de muros de concreto no reforzado 2.00 Ruptura de tanques de almacenamiento de combustoleo.00-8. probabilidad de 0.00-3.00 Daño a acero corrugado o paneles de aluminio.00-7.00 4.00-4.70 Daño menor a la estructura de casas 1.50-1.03 Ruptura ocasional de vidrios grandes de ventanas 0.00 Punto límite ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . 6. 2. Esto no solamente por la incertidumbre en el modelado de los eventos descritos o las limitaciones de los mismos.1 Propósito En el evento de un accidente mayor. En seguida de un incidente.. Los refugios varían en su grado de protección – para peligros térmicos o de intoxicación. los efectos sobre la gente hábil para escapar a otra que permanece en un refugio difieren. Otros gases como el fosgeno produce efectos dañinos a concentraciones muy bajas. P. Esta gente puede o no puede estar en un refugio seguro. La Tabla 1 sumariza los factores más importantes para cada tipo de peligro. Para el analista de riesgos cada incidente debe ser considerado por separado porque las consecuencias dependen de: 1. and Purdy. Así las acciones evasivas – buscar refugio. Debido a estas acciones evasivas. Rugby. alguna (o toda) gente en la zona de efecto. Una liberación de monóxido de carbono no proporciona un nivel de alerta comparativamente con una liberación de aminas o amoníaco la cual proporciona un fuerte olor a concentraciones por debajo de niveles de alto riesgo. además de las acciones evasivas tomadas por la gente. “ Toxic Gas Risk Assessment – The Effects of Being Indoors “. los refugios pueden tener un efecto benéfico. _____________________________________ 90 Davies.C. sino también por suposiciones conservadoras. En el evento de un incidente. Fuegos y Explosiones 300 __________________________________________________________________________________ 6.8 ACCIONES EVASIVAS 6. G. Las acciones evasivas incluyen evacuación. La naturaleza del peligro considerando tanto intensidad como duración del mismo. escape y/o evacuación – pueden llevar a un estimado más realista de las consecuencias. Otros (incluyendo a alguna gente en refugios seguros) puede moverse fuera del área afectada (escapando o evacuando) si esto se realiza con suficiente anticipación y cuidadosamente. el número de gente afectada puede reducirse significativamente.. puede buscar refugio. UK ( 1986 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . las consecuencias para la gente pueden ser probablemente menos serias que las predichas por los modelos descritos y los modelos de efectos.para el incidente. el peligro puede incrementarse en el interior por la posibilidad de que el edificio se colapse. refugio o tratamientos médicos.dependiendo si el mismo proporciona aislamiento total o parcial. Esta sección revisa el impacto de acciones evasivas como factores de mitigación de un estudio de riesgo. Davies y Purdy 90 discuten lo anterior referido al tipo de edificio y su relación con el comportamiento humano. pero para explosión. La naturaleza del peligro considerando su grado de toxicidad y sus propiedades de alerta. escape.8. así como factores topográficos y físicos. IchemE Northwestern Branch. 7. Prugh 91 establece correlaciones de eficiencia de evacuación como una función del área a ser evacuada. etc. etc. obviamente puede mejorar las posibilidades de supervivencia para posibles incidentes. pp. lana. la densidad de población y el tiempo de notificación. “ Mitigation on Vapor Cloud Hazards “.W. 6. La EPA (Environmental Protection Agency. La naturaleza de la población en los alrededores.. R. 4. 6. _______________________________________ 91 Prugh. la posibilidad de que los mismos permanezcan intactos en sus techos. resistencia a impactos.8. La efectividad del entrenamiento y la disponibilidad de equipo para responder a emergencias y tratamiento médico – tanto en la planta como servicios externos de apoyo. El tipo de edificios y su construcción – velocidades de ventilación.6. La intensidad y duración para la cual el gas tóxico incapacita al personal expuesto.) y el tipo de ropa que porte el personal expuesto a una posible radiación calorífica – algodón. USA) hizo un estudio de evacuación para determinar los riesgos de mover rápidamente grandes segmentos de población. Las condiciones ambientales prevalecientes. 4. Fuegos y Explosiones 301 __________________________________________________________________________________ 3. Personal entrenado. 95-104 ( ( 1985 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Plant Operation Progress. La distribución de la población del interior varía dependiendo del horario o la época del año. etc. 5. la salud global de la población (gente de edad elevada.2 Tecnología En la industria nuclear la exposición a la radiación y la evacuación resultante han sido investigadas a detalle. 2 April. la topografía y obstrucciones físicas. poliéster. 15 Peligro BENEFICIOS DE ACCIONES EVASIVAS Escape a refugio ( Después del evento) Evacuación (Después del evento) Refugio Escape Fuego en laguna Muy benéfico Muy benéfico Muy benéfico Muy benéfico Fuego tipo jet Muy benéfico Muy benéfico Muy benéfico Muy benéfico Al instante de la BLEVE Muy benéfico si se refugia para minimizar efectos de proyectiles Beneficio limitado (Escape limitado por el tiempo) Sin beneficio (No se cuenta con tiempo para evacuación) Pre-BLEVE Beneficio limitado (Debido al ingreso de vapor) Benéfico Beneficio limitado (Escape limitado por el tiempo). Fuegos y Explosiones 302 __________________________________________________________________________________ TABLA 6. bolas de fuego pueden exceder la velocidad de escape Benéfico Fuego Flash Beneficio limitado (Debido al ingreso de vapor) Beneficio limitado (La flama puede exceder la velocidad de escape) Beneficio limitado (La flama puede exceder la velocidad de escape) Incrementa el riesgo de colapso de la estructura a baja sobrepresión (relacionado directamente con alta fatalidad) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de escape) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de escape) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de evacuación) Misiles Beneficio limitado (protección a partir de misiles primarios pero misiles secundarios pueden generarse) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de escape) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de escape) Beneficio muy limitado (no hay tiempo de evacuación) Exposición Tóxica Muy benéfica (Si no se usa ventilación forzada) Benéfica si el escape es rápido (Depende del tamaño de la nube y la velocidad del viento) Benéfica si el escape es rápido (Depende del tamaño de la nube y la velocidad del viento) Beneficios inciertos durante la liberación RADIACION TERMICA BLEVE EXPLOSION Sobrepresión Beneficio limitado (Tiempo de evacuación limitado de 10 a 30 minutos) Sin beneficio (No se cuenta con tiempo para evacuación) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. NUREG/CR-2300. La probabilidad de escape o escape a un refugio a partir de la liberación de una nube tóxica grande generada a partir de un recipiente que deflagra es muy baja porque es imposible determinar una dirección del escape. Washington. Muchos materiales tóxicos tienen efectos peligrosos que están relacionados con la misma potencia de la concentración mayor de uno de ellos y por lo tanto. el tipo de acción evasiva puede muchas veces estar dictada por los planes de emergencia establecidos. La Figura 6.6. el área a ser evacuada y la densidad de población. La máxima concentración que se desarrolla es una función de la velocidad de infiltración de aire. En adición. El escape a una estructura puede resultar en bajas concentraciones pero la dosis integrada en términos de concentración -tiempo puede ser la misma. la exposición a bajas concentraciones puede resultar en menor oportunidad de desorientación así que acciones evasivas adicionales pueden ser consideradas. En estudios donde las acciones evasivas son consideradas. Estos pueden incluir evacuación o refugiarse en el lugar dependiendo de la cantidad y propiedades peligrosas del o los materiales que pueden liberarse. DC ( 1983 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . US Nuclear Regulatory Commission. 2 volumes. Estudios nucleares consideran acciones evasivas tales como refugiarse y evacuación.3 Descripción de la técnica Muchos aspectos de acciones evasivas pueden ser considerados. Correlaciones para este efecto son probadas por Prugh 91. Esta carta puede ser usada para establecer la efectividad de evacuación para diversos escenarios con liberaciones de grandes magnitudes donde el refugiarse en el lugar es lo menos deseable. 6. refugios seguros pueden ser especialmente efectivos.27 (Prugh 91) muestra la efectividad de evacuación. El % de falla en una evacuación es graficado como una función del tiempo de notificación o aviso. Una estructura puede brindar un refugio para emisiones tóxicas. __________________________________ 92 NUREG. PRA Procedures Guide : A Guide to the Performance of Probabilistic Risk Assessments for Nuclear Power Plants .8. Existencia de nubes inflamables en distancias cortas respecto a la fuente y si la misma se incendia presentan efectos térmicos y de proyectiles más allá de las dimensiones iniciales de la nube. basado en datos desarrollados por la EPA. la cual es una función del tipo de estructura (cambios normales de aire) y la velocidad del viento. Fuegos y Explosiones 303 __________________________________________________________________________________ El escape a partir de una liberación en forma de nube de vapor está primariamente asociada con liberaciones tóxicas. Usualmente se tiene un tiempo de reacción muy pequeño en liberaciones inflamables que se incendian. El Procedimiento Guía PRA (NUREG 92) proporciona una visión útil de modelos de evacuación nuclear. Fuegos y Explosiones 304 __________________________________________________________________________________ Figura 6.27 Falla en evacuación. el área A (millas cuadradas) y la densidad de población ( personas por milla cuadrada) ( Prugh) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas .6. dependiendo del tiempo de notificación. Fuegos y Explosiones 305 __________________________________________________________________________________ Una aproximación para establecer una línea base para la fracción de población quien en alguna forma puede estar en el refugio es la siguiente: Del total de población Llamar x = fracción del total de población anteriormente en un refugio y = fracción del total de población inicialmente fuera quien eventualmente puede alcanzar a refugiarse [ y ≤ (1-x) ] La fracción de población en el refugio es: P = x + y y la que no se encuentra en el refugio es: P = 1 .8. Cálculos adicionales. Si niveles peligrosos son posibles entonces es necesario calcular la fracción de población en el refugio la cual puede estar expuesta.5 Requerimientos de información y disponibilidad La información de entrada más importante es el conocimiento de los sistemas de respuesta a emergencias en el lugar. 6. Estos planes de respuesta deben mejorarse para su enfoque y respuesta a acciones evasivas. Información técnica también puede requerirse sobre la efectividad de los sitios de refugio para cada tipo de peligro de los citados en la Tabla 6. Las relaciones pueden ser pesimistas porque incrementan la atención en los planes de respuesta a emergencias en plantas químicas. Información general sobre la población y tipos de comunidades puede ser obtenida a partir de datos de censos y oficinas gubernamentales. el analista puede que tenga que hacer un número importante de suposiciones de simplificación.4 Fundamentos teóricos El análisis de acciones evasivas es empírico y está basado principalmente sobre información histórica a partir de incidentes en el pasado. Este modelo puede fácilmente generar resultados muy amplios dependiendo de la población durante el día o la noche. normalmente son requeridos primeramente para mostrar que las velocidades de infiltración en el refugio son “seguras” para la población. Información detallada puede solamente estar disponible a partir de observaciones en el lugar.(x+y) En este simple modelo no se considera la población anteriormente en el refugio quien alcanza a escapar.8.15.6. tipo de comunidad y densidades de población. Sin embargo. 6. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . Para un análisis a profundidad.7 Aproximaciones de simplificación Las técnicas anteriores son una aproximación simple para la asistencia a posibles acciones de evacuación. que un científico o ingeniero con algo de experiencia en la consideración de aspectos humanos y del comportamiento es necesario. sin embargo. Por supuesto.. la conducción de entrevistas con personal que planea para emergencias locales y completar cuestionarios para determinar el nivel de preparación del público. 6. 6. el peor escenario puede que ya se haya presentado y así no se haya modelado de forma adecuada.8.8 Ventajas y desventajas La omisión de acciones evasivas en un análisis de riesgos puede llevar a una sobrestimación del número de casos. La principal desventaja son los elementos de juicio requeridos y la calidad de los datos de entrada. para efectos de simulación resulta conveniente reflejar y cuantificar las mismas. muchos analistas no consideran las acciones evasivas en sus estudios. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . etc. esto requiere hacer suposiciones generales y analizarlas con datos específicos del lugar.8.6.10 Utilidad y recursos Los recursos necesarios dependen del nivel de detalle requerido para la estimación de las acciones evasivas. los factores requeridos pueden ser rápidamente estimados por un juicio experto y discusión. Fuegos y Explosiones 306 __________________________________________________________________________________ 6.8. Simplificaciones posteriores pueden ser establecidas para reducir el nivel de detalle de datos colectados en el lugar.6 Salida de información La información generada son factores probabilísticos utilizados para modificar el número de casos que siguen a un incidente y que reflejan las acciones evasivas apropiadas. Sin embargo.8. 6.8. la incertidumbre en la estimación de factores afecta la contabilización de las acciones evasivas. la omisión de acciones evasivas usualmente resulta en una sobrestimación del número de casos de lesionados o afectados en un estudio de riesgo. 6. Obviamente. El analista debe tener en mente que con métodos empíricos. Por estas razones. varios días pueden requerirse para visitar el lugar a efecto de obtener datos de la población local. A un nivel simple.9 Identificación y tratamiento de posibles errores La técnica se basa en consideraciones empíricas y cuenta con datos muy limitados. Sponsored by Bureau of Explosives. “ Emergency Planning for Large-Scale Accidents Using a Standarized Evacuation Computer Code “. Hazardous Materials Spills Conference Proceedings . Este programa es utilizado por autoridades de Alemania para la optimización de planes de emergencia. H. MD. _________________________________ 93 Hesel. El programa EVAS (Hesel y Schnadt 93) simula movimientos de evacuación para áreas grandes y también da estimados de la exposición del que evacua a productos químicos o a radiación. and Schnandt. .6.A.11 Software disponible No se cuenta con un nivel importante algún paquete disponible que considere específicamente aspectos de estimaciones de evacuación y refugio. Government Institutes. 399-403 ( 1982 ) ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas . April 19-22. Rockville.8. Los códigos de seguridad nuclear ( ejem: CRA2) incluyen algunas consideraciones. US Coast Guard and US EPA. CMA. D. Fuegos y Explosiones 307 __________________________________________________________________________________ 6. pp. ......9 DIAGRAMAS DE FLAMABILIDAD Annndfkdjfjl......... Fuegos y Explosiones 308 __________________________________________________________________________________ 6........6............ separados por .................................. ______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevención de Pérdidas ...............................