6 Fuegos y Explosiones N

______________________________________________________________________________________ Seguridad de Procesos y Prevencin de Prdidas

6. FUEGOS Y EXPLOSIONES ________________________________________________________________________ 6.1 CONCEPTOS BASICOS Productos qumicos presentan un peligro substancial debido a su potencial para evolucionar a fuegos y explosiones. La combustin de un galn de tolueno puede destruir un laboratorio normal de qumica 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 qumicas son fuegos, explosiones y liberaciones txicas. Solventes orgnicos son la fuente ms comn de fuegos y explosiones en la industria qumica. Las prdidas anuales en los Estados Unidos son estimadas en 150 millones de dlares (dlares de 1979). Prdidas adicionales debidas a interrupcin del negocio, que en primera instancia representan los costos ocultos con un accidente, se estima que pueden exceder los 150 millones de dlares. Para prevenir accidentes debidos a fuegos y explosiones, los ingenieros deben de familiarizarse con :

- Propiedades de fuego y explosin de los materiales - La naturaleza del proceso de fuego y explosin - Procedimientos para reducir los riesgos de fuego y explosin

Este captulo cubre los tpicos de explosiones y fuegos , enfatizando en las definiciones y mtodos de clculo para estimar la magnitud y consecuencias de fuegos y explosiones. 6.1.1 El Tringulo del fuego Los elementos esenciales para la combustin son : combustible, oxidante y una fuente de ignicin. Estos elementos son ilustrados en la Figura 6.1. El fuego o quema, es la oxidacin exotrmica y rpida de un combustible incendiado. El combustible puede ser slido, lquido o en forma de vapor, destacndose que los combustibles lquidos y vapor son ms fciles de encender. La combustin siempre ocurre en fase de vapor, los lquidos volatilizan y los slidos se descomponen en vapor antes de su combustin.

Cuando un combustible, el oxidante y la fuente de ignicin estn presentes en los niveles adecuados, la quema puede ocurrir. Esto significa que un fuego puede no ocurrir si : (1) el combustible no est presente o est presente en cantidades que no son suficientes, (2) el oxidante no est presente o est presente en pequeas cantidades y (3) la fuente de ignicin no est presente o el contenido energtico no es suficiente para iniciar el fuego.

6. Fuegos y Explosiones __________________________________________________________________________________


215

Los dos ejemplos comunes de los tres componentes del tringulo del fuego son : madera, aire y un cerillo; gasolina, aire y una chispa. Sin embargo, otras combinaciones menos obvias de qumicos pueden llevar a fuegos y explosiones. Varios combustibles, oxidantes y fuentes de ignicin comunes en la industria qumica son :

Combustibles

Lquidos Gasolina, acetona, ter, pentano Slidos Plsticos, polvo de madera, fibras, partculas metlicas Gases Acetileno, propano, monxido de carbono, hidrgeno

Oxidantes

Gases Oxgeno, Flor, Cloro Lquidos Perxido de hidrgeno, cido ntrico, cido perclrico Slidos Perxidos metlicos, nitrito de amonio

Fuentes de Ignicin

Chispas, flama directa, electricidad esttica, calor

Figura 6.1 El Tringulo del Fuego

Aire (oxgeno) Combustible

Fuente de ignicin

Fuego : Cuando los tres lados se conectan

No Fuego : Cuando alguno de los lados no se conecta

FUEGO



216

6.1.2 Diferencia entre fuego y explosin La principal distincin entre fuego y explosin es la velocidad de liberacin de energa. Un fuego libera energa lentamente, en cambio en una explosin la liberacin de energa se realiza muy rpido, 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 cmo la liberacin de energa afecta las consecuencias de un accidente con una llanta normal de automvil. El aire comprimido en la llanta contiene energa. Si la energa es liberada lentamente a travs de un orificio, la llanta se desinfla lentamente. Si la llanta sufre una ruptura, toda le energa contenida en la misma es liberada rpidamente, evolucionando a una explosin peligrosa. 6.1.3 Definiciones Algunas de las definiciones comnmente relacionadas con fuegos y explosiones son dadas a continuacin.

Combustin o Fuego: Es una reaccin qumica en la cual una substancia se combina con un agente oxidante y libera energa. Parte de la energa liberada es utilizada para sostener la reaccin.

Ignicin: Ignicin de una mezcla flamable puede ser causada cuando la mezcla entra en contacto con una fuente de ignicin con energa suficiente o cuando un gas reacciona a una temperatura alta para causar que el gas evolucione a su autoignicin.

Temperatura de autoignicin (AIT): Es la temperatura a la cual una mezcla flamable es capaz de extraer energa del ambiente para su propia ignicin. Flash Point (FP): El flash point de un lquido es la temperatura ms 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 presin. Diferentes mtodos experimentales pueden utilizarse para determinar el flash point. Cada mtodo produce valores diferentes; los dos mtodos ms comunes son copa abierta y copa cerrada, dependiendo de la configuracin fsica del equipo. El flash point a copa abierta es generalmente mayor en pocos grados al de copa cerrada. Fire Point : Es la temperatura ms baja para la cual un vapor por encima de un lquido continua quemndose una vez que se enciende; la temperatura del fire point es por lo general mayor a la del flash point para el mismo material.



217

Limites de Inflamabilidad (LFL y UFL): Las mezclas de vapor aire pueden solamente encenderse y quemarse dentro de un rango especificado de composiciones. La mezcla no puede quemar cuando la composicin es ms baja que el lmite bajo de inflamabilidad (lower flammable limit, LFL); por otro lado la mezcla no es combustible cuando la composicin es demasiado rica, es decir por encima del lmite alto de inflamabilidad (upper flammable limit, UFL). Una mezcla solo es flamable cuando la composicin se encuentra entre el LFL y el UFL. Las unidades comnmente utilizadas son % volumen de combustible. Los lmites bajo de explosividad (LEL) y lmite alto de explosividad (UEL) son utilizados de manera indistinta a los LFL y UFL. Explosin: Es una expansin rpida de gases evolucionando a un rpido movimiento de la presin, onda de sobrepresin u onda de choque. La expansin puede ser mecnica (va ruptura del recipiente presurizado) o puede ser el resultado de una reaccin qumica rpida. Los daos debidos a una explosin son causados por la onda de choque u onda de sobrepresin. Explosin mecnica: Es una explosin debida a la falla sbita de un recipiente conteniendo gas no reactivo a alta presin. Deflagracin: Es una explosin con una onda de choque resultante movindose a una velocidad menor que la velocidad del sonido en un medio no reactivo. Detonacin: Es una explosin con una onda de choque resultante movindose a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en un medio no reactivo Explosin confinada (CEs): Es una explosin que ocurre en un recipiente o un edificio, lo ltimo es ms comn y regularmente se traduce en lesiones a los habitantes del edificio y un dao extenso. Explosin no confinada (UEs): Es una explosin que ocurre en ambientes abiertos. Este tipo de explosiones usualmente evolucionan a partir de la fuga de gases inflamables. El gas se dispersa y se mezcla con el aire hasta alcanzar una fuente de ignicin. Las explosiones no confinadas son menos comunes que las explosiones confinadas puesto que el material explosivo se esperara que se diluyera por debajo de LFL por dispersin en el viento. Estas explosiones son ms destructivas debido a que grandes cantidades de gas en reas muy grandes pueden estar involucradas. Explosin de vapores expandidos de lquidos en ebullicin (BLEVEs, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosions): Una BLEVE se presenta si el recipiente que contiene un lquido con una temperatura debajo de su temperatura normal de ebullicin sufre una ruptura. La subsecuente BLEVE es la vaporizacin explosiva de una gran fraccin del material contenido en el recipiente, seguida por la combustin o explosin de la nube vaporizada si esta es combustible. Este tipo de explosiones ocurre cuando un fuego externo calienta el contenido del tanque (material voltil); como el contenido del tanque se calienta, la presin vapor del lquido en el tanque se incrementa y la integridad



218

estructural del tanque se reduce debido al calentamiento. Si el tanque sufre ruptura el lquido caliente volatiliza explosivamente. Explosin de polvos: Esta explosin resulta a partir de la combustin rpida de partculas finas de slidos. Muchos materiales slidos (incluyendo metales comunes tales como hierro y aluminio) pueden ser muy inflamables cuando se reducen a polvo fino. Onda de choque: Una onda presin movindose a travs del gas. Una onda de choque en aire abierto es seguida de un fuerte viento; la onda de choque combinada con viento es denominada onda explosiva. La presin se incrementa en la onda de choque rpidamente haciendo al proceso adiabtico. Sobrepresin: La presin de un objeto como resultado de un impacto de la onda de choque. 6.1.4 Caractersticas de inflamabilidad de lquidos y vapores Las caractersticas de inflamabilidad de algunos materiales qumicos estn listadas en la Tabla 6.1. 6.1.4.1 Lquidos El flash point (FP) es una de las principales propiedades fsicas utilizadas para determinar los riesgos de fuego y explosin de lquidos. Los flash point de componentes puros son fcilmente determinados de manera experimental. La Tabla 6.1 lista algunos valores. Los flash point de mezclas multicomponente pueden estimarse si al menos un componente es flamable y su flash point es conocido. En este caso la temperatura de flash point es estimada por determinar la temperatura a la cual la presin vapor del material flamable en la mezcla es igual a la presin de vapor del componente puro a su flash point, tal y como muestra la Figura 6.2. 6.1.4.2 Vapores Los lmites de inflamabilidad para vapores son determinados experimentalmente en un recipiente cerrado especialmente diseado tal y como se muestra en la Figura 5. Mezclas de vapores y aire de concentraciones conocidas son puestos en el equipo e incendiados. La presin mxima de explosin es medida. Esta prueba se repite con diferentes concentraciones para establecer un rango de inflamabilidad para un gas especfico. La Figura 6.3 muestra los resultados de cada una de las pruebas; la substancia en particular tiene un LFL de 2.2 % y un UFL de 7.8 %.



219

TABLA 6.1 CARACTERISTICAS DE INFLAMABILIDAD DE LIQUIDOS Y GASES

Compuesto Flash Point F

LFL %

UFL %

Temperatura de autoignicin, F

Acetato de metilo 15 3.1 16 935 Acetona 0.0* 2.5 13 1000 Acetileno Gas 2.5 100 -- Alcohol etlico 55 3.3 19 793 Alcohol isoproplico 53* 2.0 12 850 Alcohol metlico 54* 6 36 867 Acrolena -14.8 2.8 31 -- Acriolonitrilo 32 3.0 17 -- Anilina 158 1.3 11 -- Benceno 12.0** 1.3 7.9 1044 Butano -76 1.6 8.4 761 Ciclohexano -1** 1.3 8 473 Clorobenceno 85** 1.3 9.6 1180 Cloruro de metilo 32 8.1 17.4 1170 Diborano Gas 0.8 88 -- Dicloruro de propileno 61 3.4 14.5 1035 Dioxano 53.6 2.0 22 -- Estireno 87** 1.1 7.0 914 Etano -211 3.0 12.5 959 Eter etlico -49.0* 1.9 36.0 180 Eter isoproplico 0 1.4 7.9 830 Etileno Gas 2.7 36.0 914 Fenol 174 1.8 8.6 -- Formaldehdo -- 7.0 73 -- Gasolina -45.4 1.4 7.6 -- Heptano 24.8 1.1 6.7 -- Hexano -15 1.1 7.5 500 Hidrgeno Gas 4.0 75 1075 Metano -306 5 15 1000 Metil etil cetona 24* 1.4 11.4 960 Metil isobutil cetona 73 1.2 8.0 860 Metil metacrilato 50* 1.7 8.2 790 Metil propil cetona 45 1.5 8.2 941 Monxido de carbono Gas 12.5 74 -- Nafta -57 1.2 6.0 550 Octano 55.4 1.0 6.5 -- Oxido de etileno -20* 3.0 100 800 Oxido de propileno -35 2.3 36 869 Pentano -40 1.51 7.8 588 Propano Gas 2.1 9.5 -- Propileno -162 2.0 11.1 927 Tolueno 40 1.2 7.1 997

flash point a copa abierta ** flash point a copa cerrada



220

Figura 6.2 Presin vapor de saturacin para metanol

Figura 6.3 Lmites de inflamabilidad de un vapor tpico



221

6.1.4.3 Mezclas de vapores1

Frecuentemente los LFLs y UFLs para mezclas son necesarios. Estos lmites para mezclas son calculados utilizando la ecuacin de Le Chatelier2:

Donde: LFLi : Lmite bajo de inflamabilidad del componente i , % Vol. de i en combustible y aire yi : Fraccin mol del componente i sobre la base combustible n : Nmero de especies combustibles Similarmente:

Donde: UFLi : Lmite alto de inflamabilidad del componente i , % Vol. de i en combustible y

aire

La ecuacin de Le Chateliers es una ecuacin emprica la cual no es universalmente aplicable. Las limitaciones de la misma son mencionadas en la literatura3. _________________________________ 1 Bodurtha, F.T. ; Industrial Explosion Prevention and Protection ; Mc Graw Hill Co.; New York, N.Y. (1980) 2 Le Chatelier, H. ; Estimation of Firedamp by Flammability Limits ; Ann. Mines ; Vol. 19 (1891) 3 U.S. Bureau of Mines Bulletin 503, p. 6 (1952)

(6.1)

LFLy

1 LFL n

1 i i

imezcla

=

=

(6.2)

UFLy

1 UFL n

1 i i

imezcla

=

=



222

6.1.4.4 Dependencia de los lmites de inflamabilidad de la temperatura En general, el rango de inflamabilidad se incrementa con la temperatura4. Las siguientes ecuaciones empricas se han derivado y estn disponibles para vapores:

Donde: Hc : Calor de combustin neto, kcal / mol T : Temperatura, C 6.1.4.5 Dependencia de los lmites de inflamabilidad de la presin La presin tiene un efecto muy pequeo sobre los lmites de inflamabilidad, excepto a bajas presiones (< 50 mm Hg abs.), donde las flamas no se propagan. El UFL se incrementa significativamente cuando la presin se incrementa, afectando el rango de inflamabilidad. Una expresin emprica para el UFL para vapores como una funcin de la presin est disponible5.

Donde :

P : Presin, megapascals abs. UFL : Lmite alto de inflamabilidad, % Vol. de combustible ms aire a 1 atm. 6.1.4.6 Estimacin de lmites de inflamabilidad

Para algunas situaciones puede ser necesario estimar los lmites de inflamabilidad sin datos experimentales. Los lmites de inflamabilidad pueden ser estimados, aunque la determinacin experimental es siempre recomendada.

_________________________________ 4 Zabetakis, M.G., Lambiris, S. and Scott, G.S.; Flame Temperatures of Limit Mixtures; Seventh

Symposium on Combustion ; Butterworths; London (1959) 5 Zabetakis, M.G.; Fire and Explosions Hazards at Temperature and Pressure Extremes; AIChE Inst. Chem. Engr. Symp., Ser. 2, Chem. Engr. Extreme Cond. Proc. Symp.; (1965)

(6.5) 1) P(log 20.6 UFL UFL P ++=

(6.3) H

25) - T ( 0.75 - 1 LFL LFLc

25T

=

(6.4) H

25) - T ( 0.75 1 UFL UFLc

25T

+=



223

Jones6 encontr que para muchos vapores de hidrocarburos, LFL y UFL son una funcin de la concentracin estequiomtrica (Cst) de combustible:

Donde: Cst : % volumen de combustible ms aire. La concentracin estequiomtrica para productos orgnicos puede determinarse utilizando la reaccin general de combustin:

Para la cual la estequiometra marca:

Donde z tiene unidades de moles de O2 / mol de combustible

Relaciones estequiomtricas adicionales y cambios de unidades para determinar Cst como funcin de z son:

_________________________________ 6 Jones, G.W.; Inflammation limits and Their Practical Application in Hazardous Industrial Operations; Chem. Rev.; Vol. 22, N 1, pp. 1-26 (1938)

0.21z 1

100

ecombustibl de molesO moles

0.21

1 1

100

ecombustibl de molesaire moles 1

100

100 aire de moles ecombustibl moles

ecombustibl moles C

2

St

+=

+=

+=

+=

(6.7) C 3.50 UFL

(6.6) C 0.55 LFL

St

St

=

=

(6.8) O H2x CO m O z O HC 222yxm ++

2y -

4x m z +=



224

Sustituyendo z y aplicando en las ecuaciones (6.6) y (6.7) se obtiene:

6.1.5 Concentracin mnima de oxgeno (MOC) e inertizacin

Los lmites de inflamabilidad estn basados en la cantidad de combustible en aire. Sin embargo, el oxgeno es el ingrediente clave y se requiere una concentracin de oxgeno mnima para propagar la flama. Esto es un resultado especialmente til, porque las explosiones y fuegos son prevenibles al reducir la concentracin de oxgeno. Este concepto es la base de un procedimiento comnmente utilizado en la industria y que se conoce como inertizacin.

Por debajo de la MOC, la reaccin no puede generar energa para calentar la mezcla de gases (incluyendo los inertes) en la cantidad requerida para propagar la flama. La MOC tiene unidades de % de oxgeno en aire ms combustible. Si datos experimentales no estn disponibles, la MOC puede estimarse utilizando la estequiometra de la reaccin de combustin y los lmites de inflamabilidad. Este procedimiento puede manejarse con muchos hidrocarburos.

6.1.6 Energa de Ignicin7

La energa mnima de ignicin (MIE) es la entrada mnima de energa requerida para iniciar la combustin. Todos los materiales inflamables (incluyendo polvos) tienen energas mnimas de ignicin. La MIE depende del qumico especfico o la mezcla, concentracin, presin y temperatura. Unos pocos valores de MIE estn presentados en la Tabla 6.2.

Los datos experimentales indican que: La energa mnima de ignicin (MIE) decrece con un incremento en la

presin. La energa mnima de ignicin (MIE) de polvos en general son a niveles de

energa, comparables a gases combustibles. un incremento en la concentracin de nitrgeno incrementa la energa mnima

de ignicin (MIE). ____________________________________________ 7 P. Field, Dust Explosions, Elsevier, Amsterdam (1982)

(6.10) 1 y 2.38 -x 1.19 m 4.76

(100) 3.50 UFL

(6.9) 1 y 2.38 -x 1.19 m 4.76

(100) 0.55 LFL

++=

++=



225

Muchos hidrocarburos tienen MIEs cercanos a 0.25 mJ. Esto es bajo comparado con fuentes de ignicin. Por ejemplo, una descarga esttica de 22 mJ es iniciada por caminar sobre una alfombra y una chispa ordinaria tiene una energa de descarga de 25 mJ. Descargas electrostticas, como resultado del flujo de fluidos, tambin tienen niveles de energa que exceden la MIE de materiales inflamables y pueden proveer una fuente de ignicin, contribuyendo a explosiones en plantas.

TABLA 6.2 ENERGIAS MINIMAS DE IGNICION8

Combustible Presin (atm)

Energa mnima (mJ)

Metano 1 0.29 Propano 1 0.26 Heptano 1 0.25 Hidrgeno 1 0.03 Propano (% mol) [ O2 / (O2+N2)]

1.0 1 0.004 0.5 1 0.012 0.21 1 0.150 1.0 0.5 0.01 Polvo de almidn -- 0.3 Polvo de Hierro -- 0.12

6.1.7 Autoignicin

La temperatura de autoignicin (AIT) de un vapor, algunas veces llamada la temperatura de ignicin espontnea (SIT), es la temperatura a la cual el vapor se enciende espontneamente a partir de la energa del medio ambiente. La temperatura de autoignicin es una funcin de la concentracin del vapor, volumen del vapor, presin del sistema, presencia de material cataltico y condiciones de flujo. Es esencial el determinar la AIT a condiciones tan cercanas como sean posibles a las del proceso.

La composicin afecta la AIT; mezclas ricas en composicin tienen una alta AIT. Volmenes del sistema grandes decrecen la AIT; un incremento en la presin decrece la AIT y un incremento en la concentracin de oxgeno decrece la AIT. Una fuerte dependencia de la concentracin ilustra la importancia de manejar excesivo cuidado al usar datos de AIT. Datos de AIT son presentados en la Tabla 6.1. ____________________________________ 8 (Zabetakis, M.G.; Flammability Characteristics of Combustible Gases and Vapors; U.S. Bureau of Mines Bulletin 627; USNT AD 701, 576 (1965)



226

6.1.8 Autoxidacin

La autoxidacin es el proceso de oxidacin lenta acompaada por evolucin de calor, algunas veces llevando a autoignicin si la energa no es removida a partir del sistema. Lquidos con relativamente baja volatilidad son particularmente susceptibles a este problema. Lquidos con alta volatilidad son menos susceptibles a la autoignicin debido a que se enfran a s mismos como resultado de la evaporacin. Muchos fuegos son iniciados como resultado de autoxidacin, referido como combustin espontnea. Algunos ejemplos de autoxidacin con potencial para combustin espontnea incluyen:

Aceites almacenados en reas muy calientes. Aislamiento sobre tuberas de vapor saturado con ciertos polmeros. Filtro ayuda saturado con ciertos polmeros, Casos han sido registrados donde

residuos de filtro ayuda de diez aos se han encendido cuando el material de rellenos ha sido removido, llevando a autoxidacin y eventual autoignicin.

Estos ejemplos ilustran porque se deben tener precauciones especiales para prevenir fuegos debido a autoxidacin y autoignicin. 6.1. 9 Compresin adiabtica Formas adicionales de ignicin es la compresin adiabtica. Por ejemplo, la gasolina y el aire en un pistn en un automvil puede encenderse si los vapores son comprimidos a una temperatura adiabtica la cual excede la temperatura de autoignicin. Esta es la causa del golpe de preignicin en motores los cuales continan trabajando muy calientes o muy cargados. Es tambin la razn por la cual motores sobrecalentados continan trabajando despus de que la ignicin se ha apagado.

Diversos accidentes son causados por vapores inflamables que son succionados por la admisin de aire a los compresores, compresin subsecuente resulta en autoignicin. Un compresor es particularmente susceptible de autoignicin si el post-enfriador falla. Medidas de seguridad deben incluirse en diseo de procesos para prevenir fuegos indeseables debidos a compresin adiabtica. El incremento de temperatura adiabtica para un gas ideal puede ser calculado a partir de la ecuacin termodinmica de compresin adiabtica:

Donde: Tf : Temperatura final absoluta Ti : Temperatura inicial absoluta Pf : Presin final absoluta Pi : Presin inicial absoluta

= Cp / Cv

(6.11) PP

T T

1 -

i

fif

=



227

6.1.10 Fuentes de Ignicin9

Como ilustra el tringulo del fuego, los fuegos y explosiones son prevenibles por la eliminacin de las fuentes de ignicin. Varias fuentes de ignicin han sido tabuladas para cerca de 25,000 fuegos por la Factory Mutual Engineering Corporation (USA) y se sumarizan en la Tabla 6.3. Las fuentes de ignicin son numerosas; por consecuencia es imposible el identificar y eliminar la totalidad de ellas. La principal razn para adicionar un inerte a un lquido flamable, por ejemplo, es para prevenir un fuego o explosin a partir de una fuente de ignicin no identificada. Todas las fuentes de ignicin probablemente no sean identificadas, por lo que los ingenieros debern continuar trabajando en la identificacin y eliminacin de estas.

Algunas situaciones especiales pueden ocurrir cuando en una instalacin de proceso sea imposible evitar mezclas inflamables. En estos casos a travs de un anlisis de seguridad se pueden eliminar todas las posibles fuentes de ignicin en cada una de las unidades donde se presenten gases inflamables.

La eliminacin de fuentes de ignicin con grandes probabilidades de ocurrencia (Tabla 6.3) debe de prestrseles gran atencin. Combinaciones entre fuentes de ignicin tambin son posibles y deben ser investigadas. El objetivo es eliminar o minimizar las fuentes de ignicin puesto que la probabilidad de fuego y/o explosin se incrementa rpidamente conforme el nmero de fuentes de ignicin se incrementan. El esfuerzo requerido aumenta en funcin del tamao de la planta y las fuentes potenciales de ignicin pueden ser miles.

TABLA 6.3 FUENTES DE IGNICION DE FUEGOS MAYORES ( Accident Prevention Manual for Industrial Operations ; National Safety Council;

Chicago (1974)

Elctricas (operacin de motores) 23 % Fumar 18% Friccin (acoplamientos o partes rotas) 10 % Materiales sobrecalentados (Temperaturas anormalmente altas) 8 % Superficies calientes (calor a partir de calderas, lmparas, etc.) 7 % Flamas en combustin (inadecuado uso de antorchas, etc.) 7 % Chispas de combustin (chispas) 5 % Ignicin espontnea 4 % Cortar y soldar (chispas, arcos, calor, etc.) 4 % Exposicin (fuego saltando a nuevas reas) 3 % Incendiarismo (fuegos provocados intencionalmente) 3 % Chispas mecnicas (esmeriles, molinos, etc.) 2 % Substancias Molten (derrames calientes) 2 % Accin qumica (procesos fuera de control) 1 % Chispas de electricidad esttica (liberacin de energa acumulada) 1 % Rayos (donde no se usan pararrayos) 1 % Miscelneas 1 %

______________________________________________

9 Accident Prevention Manual for Industrial Operations ; (Chicago: National Safety Council, 1974)



228

6.1.11 Sprays y neblinas10

La electricidad esttica es generada cuando sprays y neblinas pasan a travs de orificios. Una carga puede acumularse y descargar en una chispa. Si vapores inflamables estn presentes, un fuego o explosin puede ocurrir. Neblinas o aerosoles y sprays tambin afectan los lmites de inflamabilidad11. Para suspensiones con dimetros de gotas menores a 0.10 mm, el lmite bajo de inflamabilidad es virtualmente el mismo que la substancia en forma de vapor. Esto es cierto an a bajas temperaturas donde el lquido es no voltil y vapor no est presente. Neblinas de este tipo se forman por condensacin. Para neblinas o aerosoles formadas mecnicamente con dimetros de gota entre 0.01 mm y 0.2 mm el lmite bajo de inflamabilidad decrece conforme el dimetro de la gota se incrementa, el lmite bajo de inflamabilidad es menor en aproximadamente una dcima parte del valor normal de LFL. Esto es importante cuando se inertiza en presencia de neblinas o aerosoles.

Cuando sprays tienen dimetros de gota entre 0.6 y 1.5 mm, la propagacin de la flama es imposible. En esta situacin, sin embargo, la presencia de pequeas gotas y/o perturbaciones las cuales puedan llevar a grandes gotas, pueden crear una condicin peligrosa.

6.1.12 Explosiones El comportamiento de una explosin depende de una gran cantidad de parmetros.

Un sumario de los parmetros ms importantes es mostrado en la Tabla 6.4.

TABLA 6.4 PARAMETROS QUE AFECTAN SIGNIFICATIVAMENTE EL COMPORTAMIENTO DE EXPLOSIONES

1 Temperatura ambiente 2 Presin ambiente 3 Composicin del material explosivo 4 Propiedades fsicas del material explosivo 5 Naturaleza de las fuentes de ignicin : tipo, energa y duracin 6 Geometra de los alrededores : confinada o no confinada 7 Cantidad de material combustible 8 Turbulencia del material combustible 9 Tiempo despus de la ignicin 10 Velocidad con la cual el material es liberado

______________________________________________

10 Frank P. Lees ; Loss Prevention in the Process Industries ; Butterworths, Boston (1980) 11 Borgoyne, J.H. ; The Flammability of Mists and Sprays ; Chemical Process Hazards ; Vol. 2; p.1 (1965)



229

El comportamiento de una explosin es muy difcil de caracterizar. Muchas aproximaciones al problema han sido hechas para entenderlo, incluyendo estudios tericos, semiempricos y empricos. A pesar de estos esfuerzos, el comportamiento de una explosin no ha sido completamente entendido. El ingeniero en la prctica, deber extrapolar resultados de forma cuidadosa manejando para todos sus diseos un cuidadoso margen de seguridad.

6.1.13 Detonacin y deflagracin

Las explosiones se pueden clasificar en detonaciones y deflagraciones; la diferencia depende de la velocidad de la onda de choque que se genera a partir de la explosin. Suponiendo que una mezcla combustible es puesta en una tubera grande. Una pequea chispa, flama o alguna otra fuente de ignicin inicia la reaccin en uno de los extremos de la tubera. Despus de la ignicin, una flama o frente de reaccin se mueve por la tubera. Adelante del frente de flama se tiene la onda de choque u onda de presin como se muestra en la Figura 6.4. Si la onda de presin se mueve ms rpidamente que la velocidad del sonido en el medio no reaccionado la explosin es una detonacin; si se mueve a una velocidad menor a la velocidad del sonido la explosin es una deflagracin.

La combustin de la mezcla de gasolina y aire en un motor de combustin interna es una deflagracin, an cuando el proceso de combustin completo ocurre en aproximadamente 1/300 de segundo. Una detonacin ocurre ms rpidamente, siendo este tiempo aproximadamente 1/10,000 de segundo.

La onda de choque es debida a la expansin de los gases por la reaccin. Esta es causada por los cambios estequiomtricos (cambio en el nmero de moles) o efectos de expansin trmica.



230

Figura 6.4 Frentes de reaccin y presin propagndose a travs de una

tubera Las relaciones entre la onda de choque y el frente de reaccin determinan si

ocurrir una deflagracin o una detonacin. Para deflagraciones, el incremento de presin es tpicamente de algunas atmsferas, para una detonacin comparativamente es 10 veces o ms. Si el frente de flama o reaccin depende de la difusin molecular o turbulenta entonces la velocidad de liberacin de energa es limitada por la transferencia de masa. El resultado puede ser de un movimiento del frente de flama o reaccin relativamente lento. Esto es tpico de deflagraciones con frentes movindose lentamente y por debajo de la velocidad del sonido.

Son muy diversos los mecanismos que pueden llevar a una detonacin. El ingrediente esencial es que la energa sea liberada en un perodo de tiempo muy corto en un volumen muy pequeo para producir una presin inicial u onda de choque significativa. Dos mecanismos han sido propuestos para describir cada evento. En el primer mecanismo llamado mecanismo trmico, la temperatura del gas se incrementa por la reaccin llevando a una autoaceleracin de la velocidad de reaccin. En el segundo mecanismo llamado mecanismo de cadena ramificada, radicales libres reactivos o centros son rpidamente incrementados en nmero por una reaccin elemental. Tpicamente un radical libre que participa en la reaccin produce dos radicales libres. Ambos mecanismos pueden contabilizar el comportamiento explosivo. Una deflagracin puede evolucionar a una detonacin. Esto es particularmente comn en tuberas pero poco comn en recipientes o espacios abiertos. En un sistema de tuberas, la energa a partir de una deflagracin puede retroalimentar a una onda de presin, resultando en un incremento en la presin adiabtica. La presin se incrementa y el resultado es una detonacin completa.

Direccin de lapropagacinGASES

REACCIONANDO

GASESNOREACCIONADOS

ZONA DE REACCION Energa liberada Cambio en el nmero de moles

PRESION DE LA ONDA DE CHOQUE Gases no combustionados comprimidos y calentados



231

6.1.13 Explosiones confinadas (CE, Confined Explosions) Una explosin confinada ocurre en un espacio confinado, tal como un recipiente

de reaccin o un edificio. Los dos escenarios ms comunes de explosin confinada involucran vapores explosivos y polvos explosivos. Estudios empricos muestran que la naturaleza de una explosin es una funcin de diversas caractersticas determinadas experimentalmente. Estas caractersticas dependen del material explosivo usado e incluyen los lmites de inflamabilidad o explosividad, la velocidad del incremento de presin despus de que la mezcla se incendia y la presin mxima despus de la ignicin. Estas caractersticas se muestran en las Figuras 6.5 y 6.6.

Aparatos para explosin de vapores: El aparato utilizado para determinar la

naturaleza explosiva de vapores es mostrado en la Figura 6.5. El procedimiento de prueba incluye : 1) evacuar y purgar el recipiente, 2) ajustar la temperatura, 3) ingresar los gases midindolos para obtener la mezcla adecuada, 4) encender la mezcla con una chispa y 5) medir la presin como una funcin del tiempo. Despus de la ignicin la onda de presin se mueve a travs del recipiente hasta que colisiona con las paredes; la reaccin se termina en las paredes. La presin en el recipiente es medida por un transductor localizado sobre la pared externa. Una grfica tpica de presin contra el tiempo es mostrada en la Figura 6.6. Experimentos de este tipo usualmente resultan en deflagraciones con unas pocas atmsferas de incremento en la presin. La velocidad de incremento en la presin es indicativa de la velocidad de propagacin del frente de flama y as la magnitud de la explosin. La velocidad de presin o pendiente es calculada al punto de inflexin de la curva de presin como se muestra en la Figura 6.6. El experimento es repetido a diferentes concentraciones. La velocidad de presin y la presin mxima para cada corrida son graficadas contra la concentracin. La presin mxima y la velocidad mxima del incremento de presin son determinadas. Tpicamente, la presin mxima y la velocidad de presin se presentan en un cierto rango de inflamabilidad (pero no necesariamente a la misma concentracin). Utilizando este conjunto de experimentos relativamente simples, las caractersticas explosivas son completamente establecidas; para los diagramas presentados los lmites de inflamabilidad estn entre 2% y 8%, la presin mxima es de 7.4 bar y la velocidad mxima del incremento de presin es 360 bar/seg.

Aparatos para explosin de polvos: El aparato experimental utilizado para

caracterizar la naturaleza explosiva de polvos es mostrado en la Figura 6.8. El dispositivo es muy similar al aparto para explosiones de vapores, con la excepcin de un mayor volumen y la adicin de un contendor de la muestra y un anillo de distribucin, el cual asegura un adecuado mezclado del polvo antes de su ignicin. El procedimiento experimental es como sigue. La muestra de polvo es colocada en el recipiente de muestra. El sistema de computadora abre la vlvula solenoide y el polvo es impulsado por presin de aire pasando a travs del anillo de distribucin al interior del recipiente. Despus de un retrazo de milisegundos para asegurar un adecuado mezclado y distribucin el polvo se enciende. La computadora mide la presin como una funcin del tiempo utilizando transductores de alta y baja presin. El aire utilizado para conducir el polvo dentro de la esfera es cuidadosamente medido para asegurar una presin de una atmsfera. (0.987 bar) en la esfera al momento de la ignicin. Los datos son colectados



232

y analizados en la misma forma que para vapores, la presin mxima y la velocidad mxima de incremento de presin son evaluadas as como los lmites de inflamabilidad.

Figura 6.5 Aparato de prueba para datos de explosin de vapores

Figura 6. 6 Comportamiento tpico de datos de presin contra el tiempo en

una explosin de vapores



233

Caractersticas de explosin: Las caractersticas determinadas utilizando los

aparatos experimentales para explosiones de polvos y vapores son utilizados de la siguiente forma:

1. Los lmites de inflamabilidad o explosividad son usados para determinar las concentraciones seguras o la cantidad de inerte requerida para controlar las concentraciones en regiones seguras.

2. La velocidad mxima de incremento en la presin es un indicador de la robustez de una explosin. As, el comportamiento explosivo de diferentes materiales puede ser comparado sobre una base relativa. Es tambin utilizada para disear un venteo para alivio de un recipiente durante una explosin antes de que el recipiente sufra ruptura o establecer el intervalo de tiempo para adicionar un material supresor de explosin (agua, dixido de carbono) para parar el proceso de combustin.

Una grfica del logaritmo de la pendiente de la presin mxima contra el

logaritmo del volumen del recipiente lleva a linealizar con una pendiente 1/3 como se muestra en la Figura 6.9. Esta relacin se denomina Ley Cbica:

Donde Kg y K St son llamados ndices de deflagracin para gas y polvo

respectivamente. Conforme la robustez de una explosin se incrementa, los ndices de deflagracin Kg y K St se incrementan. La ley cbica establece que el frente de presin se incrementa al propagarse a travs de un recipiente grande. Unos pocos valores de Kg y K St estn dados en las Tablas 6.5 y 6.6. Los polvos son clasificados en cuatro clases dependiendo del valor de su ndice de deflagracin. Estas clases son mostradas en la Tabla 6.6.

(6.12) K constante VdtdP g

1/3

max

==

(6.13) K constante VdtdP St

1/3

max

==



234

TABLA 6.5 VALORES PROMEDIO DE Kg PARA GASES ( Bartknecht, W.;

Explosions ; Springer-Verlag; New York (1981)).

Gas Kg (bar-m/seg)

Metano 55 Propano 75

Hidrgeno 550 Nota: Las pruebas se corrieron a condiciones ambiente con una energa de ignicin de 10 Joules.

TABLA 6.6 VALORES PROMEDIO DE KSt PARA POLVOS ( Bartknecht,

W.; Explosions ; Springer-Verlag; New York (1981)).

Polvo Pmax bar

K St bar-m /

seg

PVC 6.7 8.5 27 - 98 Leche en polvo 8.1 9.7 58 - 130 Polietileno 7.4 8.8 54 - 131 Azcar 8.2 9.4 59 - 165 Polvo de resina 7.8 8.9 108 - 174 Carbn 8.1 10.0 93 - 176 Polvo de madera 7.7 10.5 83 - 211 Celulosa 8.0 9.8 56 - 229 Pigmentos 6.5 10.7 28 - 344 Aluminio 5.4 12.9 16 - 750

Clases St para polvos

Indice de deflagracin ,

K St

Clase St

0 St 0 1 - 200 St 1

200 300 St 2 > 300 St 3



235

Las ecuaciones (6.12) y (6.13) son utilizadas para estimar las consecuencias de una explosin en un espacio confinado, tal como un recipiente o un edificio.

Los subndices en recipiente son para el reactor o edificio. El subndice

experimental aplica para datos determinados en el laboratorio utilizando aparatos para explosin de vapores o polvos. La ecuacin (6.14) lleva a resultados experimentales a partir de aparatos de explosiones de polvos o vapores para ser aplicados en la determinacin del comportamiento explosivo de materiales en edificios o recipientes de proceso. Los constantes Kg y K St no son propiedades fsicas del material porque dichos ndices dependen de: a) la composicin de la mezcla, b) el mezclado en el recipiente, c) la forma del recipiente y d) la energa de la fuente. Se hace necesario por lo tanto correr experimentos tan cerca como sea posible a las condiciones reales del escenario bajo consideracin.

Estudios experimentales indican que la mxima presin de explosin usualmente no es afectada por cambios en el volumen y la presin mxima y la velocidad mxima de presin son linealmente dependientes de la presin inicial. Esto se muestra en la Figura 6.10. Cuando la presin inicial se incrementa, se tiene un punto donde la deflagracin se transforma en detonacin, como muestra la Figura 6.11. Las elevaciones en las curvas son indicativas de una detonacin.

(6.14) V dtdP V

dtdP

alexperiment

1/3

maxrecipiente en

1/3

max

=



236

Figura 6.10 Efectos de la presin inicial sobre la presin mxima de explosin y su velocidad ( Datos de Bartknecht, 1981 ).



237

Figura 6.11 Datos de explosin de propano mostrando picos que indican detonaciones ( Datos de Bartknecht, 1981 ).



238

Las explosiones de polvos muestran un comportamiento nico. Estas explosiones ocurren si partculas finamente divididas de material slido son dispersadas en el aire e incendiadas. Las partculas de polvo pueden ser un subproducto no buscado o producirse durante un proceso. Las explosiones que involucran polvos son ms comunes en molinos de harina, almacenamientos de grano y la industria minera del carbn. Accidentes involucrando explosiones de polvos pueden ser muy severos Una explosin inicial de polvos puede derivar en explosiones secundarias que regularmente son las ms peligrosas. La explosin primaria enva una onda de choque y bolas de fuego a travs de la planta, poniendo ms polvo en suspensin lo cual puede ocasionar explosiones secundarias. En este comportamiento, la explosin se da a travs de la planta. Muchas veces las explosiones secundarias son ms dainas que las explosiones primarias. Las explosiones de polvos son ms difciles de caracterizar que las explosiones de gases. Para un gas, las molculas son muy pequeas y de tamao bien definido. Para partculas de polvo, su tamao vara en muchos rdenes de magnitud. La gravedad tambin afecta el comportamiento de las partculas de polvo. Para polvos, deflagraciones aparecen ms frecuentemente que las detonaciones. Las ondas de presin a partir de deflagraciones de polvos, sin embargo, son muy poderosas y son capaces de destruir estructuras y matar o lesionar gente. Para ser explosiva, una mezcla de polvos debe tener las siguientes caractersticas:

Las partculas deben de encontrarse dentro de un cierto tamao mnimo. La carga de partculas debe de encontrarse entre ciertos lmites. La carga de partculas debe ser razonablemente uniforme. Las partculas deben encontrarse en suspensin Las partculas deben encontrarse en un espacio confinado

Para muchos polvos12, el lmite bajo de explosividad est entre 20 a 60 g / m3 y el lmite superior de explosin entre 2 a 6 kg / m3. Las siguientes secciones presentan el anlisis de cada tipo de fuego y explosiones, en forma modular:

Lagunas de Fuego (Pool Fres) y Fuegos tipo Jet Explosiones de nubes de vapores VCEs (Vapor Cloud Explosions) y Fuegos

tipo Flash Explosiones fsicas Explosiones confinadas Explosiones de vapores expandidos de lquidos en ebullicin BLEVEs

(Boiling Liquid Expanded Vapor Explosions) _____________________________________________ 12 Bartknecht, W.; Explosions ; Springer-Verlag; New York (1981)



239

6.2 LAGUNAS DE FUEGO (Pool Fires) y FUEGOS TIPO JET

6.2.1 Propsito Lagunas de fuego o fuegos de derrames y fuegos tipo Jet son tipos de fuegos a partir de derrames de lquidos o a partir de liberaciones presurizadas de gas y/o lquidos. Ellos tienden a ser potencialmente identificados y localizados a manera de conocer los posibles efectos domin y establecer posibles zonas de seguridad para empleados, as como establecer el riesgo a la comunidad. La anterior identificacin permite considerar aspectos como son el espaciamiento entre tanques y entre plantas, aislamiento trmico, especificacin de muros resistentes al fuego, etc. 6.2.2 Tecnologa Modelos de fuego en derrames y fuegos tipo jet, no han sido desarrollados tan ampliamente como modelos para dispersin o explosiones no confinadas de nubes de vapores. 6.2.3 Aplicacin Modelos de fuego en derrames han sido aplicados a derrames de hidrocarburos as como tambin de materiales inflamables. La aplicacin ms comn de modelos de fuegos tipo jet es la especificacin de zonas exclusin alrededor de flamas. 6.2.4 Descripcin de la tcnica Modelos de fuego en derrames

El modelado de fuego en derrames ha sido bien desarrollado. Revisiones detalladas y frmulas sugeridas estn 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. 159-184 ; (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 )



240

Modelos de fuegos en derrames se componen de diversos submodelos como se

muestra en la Figura 6.12. Una seleccin de estos es revisada aqu: Velocidad de quema Tamao de la laguna Altura de la flama Inclinacin de la flama Potencia emitida de la superficie de la flama Factor de visin geomtrico Transmisividad atmosfrica Flujo trmico recibido

Velocidad de quema. Derrames de fuego grandes se queman a una velocidad vertical constante caracterstica para el material. Mudan14 establece valores tpicos 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 frmulas para predecir la velocidad de quema a partir del calor de combustin y el calor latente de vaporizacin. El conocimiento de la velocidad de quema a partir del calor emitido por unidad de rea y la duracin del fuego pueden ser estimadas. Tamao de la laguna. En muchos casos, el tamao de la laguna es fijado por el tamao del derrame y por las barreras fsicas (diques, etc.). Para un derrame continuo, sobre un plano infinito, el dimetro mximo es alcanzado cuando el producto de la velocidad de quema y el rea superficial se iguala con la velocidad de fuga. Derrames circulares son normalmente supuestos, donde se presentan diques cuadrados o rectangulares, un dimetro equivalente puede ser utilizado. Casos especiales incluyen derrames de lquidos criognicos en agua (alta transferencia de calor) y derrames instantneos no retenidos. Altura de la flama. Muchas observaciones de fuegos en derrames muestran que existe una relacin entre la altura de la flama y el dimetro. La correlacin ms conocida para esta relacin esta dada por Thomas 19:

Donde: H = Altura visible de la flama, mt

D = Dimetro equivalente de la laguna, mt Mb = Velocidad de quema, kg / m2 seg a = Densidad del aire ambiente (tpicamente 1.2 kg/m3) g = Valor de aceleracin 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 )

( ) ) 6.15 ( Dg M

42 DH

61.0a

b

=



241

Crocker y Napier 16 dan otras dos correlaciones, una de las cuales contabilizan los

efectos del viento. Bagster 17 sumariza reglas de diseo para relaciones H/D : Parker sugiere un valor de 3 y algunos otros autores citan un valor de 2.

Figura 6.12 DIAGRAMA LOGICO PARA EL CALCULO DE EFECTOS DE RADIACION DE FUEGOS EN LAGUNAS

Laguna de fuego

Estimar la potenciasuperficial

emitida

Estimar el calor totalliberado

Estimar el factorgeomtrico de

visin

Estimar la fraccin radiante

Estimar la transmisividad

Estimar el factor devisin del punto

fuente

Estimar la radiacintrmica incidente

Estimar latransmisividad


Estimar los efectostrmicos

Velocidad de quemadel rea de derrame u otra alternativa de aproximacin

Velocidad dequema del reade derrame



242

Inclinacin de la flama. Los fuegos a partir de derrames tienden a ser inclinados por el viento y bajo vientos intensos, la base de la laguna de fuego puede ser dragada a favor del viento. Estos efectos alteran la radiacin recibida en locaciones de los alrededores. Un nmero importante de correlaciones han sido publicadas para describir estos dos factores. La correlacin de Welker y Sliepcevich 20 para inclinacin de la flama ha sido frecuentemente referida, pero la Asociacin Americana de Gas (AGA) y Mudan14 destacan pobres resultados con fuegos de algunos hidrocarburos. Los anlisis de riesgos pueden incluir o ignorar los efectos de inclinacin y dragado de la flama. La inclinacin de la flama es ms importante, el dragado de la flama es un tpico avanzado y muchos modelos de fuegos en lagunas no incluyen este efecto. Un fuego de tipo vertical (no inclinado) es normalmente supuesto, con lo que la radiacin se supone es la misma en todas direcciones. Si una estructura particularmente vulnerable es localizada en la cercana y la inclinacin de la flama puede afectar esta, una evaluacin completa deber considerar este efecto.

Energa o potencia emitida por la superficie. La potencia emitida por la superficie o flujo de calor radiado puede ser calculada a partir de la ecuacin de Stephan-Boltzmann. Esta es muy sensible la temperatura supuesta de la flama; ya que la radiacin vara con la temperatura a la cuarta potencia (Perry y Green 21). Por otro lado el efecto de obscuridad del humo reduce substancialmente la radiacin total emitida sobre la superficie de la flama. Aproximaciones alternativas utilizan los flujos trmicos medidos a partir de lagunas fuegos para varios materiales [TNO 13] o utilizar la fraccin radiada del total de la potencia de combustin. En ambos mtodos se incluyen la absorcin de energa radiada por el humo (este proceso convierte la radiacin en conveccin). Flujos emitidos de superficies tpicos a partir de lagunas de fuego estn dados por Raj 22 , Mudan14 y Considine 15. Fuegos de hidrocarburos y gas LP radian aprox. 250 kW/m2 (79,000 Btu/hr-ft2). Valores para algunos otros hidrocarburos estn en el rango de 110 170 kW/m2 (35,000 - 54,000 Btu/hr-ft2), pero el humo puede ser capaz de reducir a valores de 20 60 kW/m2 (6,300 - 19,000 Btu/hr-ft2). La potencia emitida por la superficie por unidad de rea puede ser estimada utilizando el mtodo de fraccin de radiacin como sigue:

1. Calcular la potencia total de combustin (basados en la velocidad de quema y rea de la laguna )

2. Multiplicar por la fraccin de radiacin para determinar la potencia radiada 3. Determinar el rea superficial de la flama (comnmente se usa solamente el

rea exterior de un cilindro) 4. Dividir la potencia radiada por el rea superficial de la flama.

___________________________________________________________ 20 Welker, J.R. and Sliepcevich, C.M. ; Bending of Wind Blown Flames from Liquid Pools ; Fire Technology ; 2 , 127 ( 1966 ) 21 Perry R.H. and Green.D. (editors) ; Perrys Chemical Engineering Handbook ; 6th edition; Mc Graw-Hill; New York, N.Y. ( 1984 ) 22 Raj, P.P.K. ; Calculation of Thermal Radiation Hazards from LNG Fires A Review of the State of Art ; American Gas Assn. Oper. Sect. Proc. ; American Gas Association ( Catalog N 50477) ; Arlington, VA pp. T135 T138 ( 1977 )



243

La fraccin de radiacin de la potencia total de combustin se encuentra en un rango de 0.15 0.35 [TNO 13, Mudan14]. Factor geomtrico de visin. La radiacin trmica recibida para un objetivo localizado es determinada por el factor geomtrico de visin (ignorando la absorcin atmosfrica). Los factores de visin son discutidos a profundidad en textos sobre radiacin trmica. Una ecuacin general integral es dada por Considine 15. TNO 13 , Mudan14 y el Institute of Petroleum 18 proporcionan ecuaciones para superficies emisoras cilndricas. El ms simple factor de forma es un punto fuente que supone que toda la radiacin se genera en un punto sencillo y es recibida por un objeto orientado perpendicularmente a ste:

Donde: Fp = Factor de visin del punto fuente, m-2

x = Distancia a partir del punto fuente al objetivo, m

Transmisividad atmosfrica. La transmisividad atmosfrica es un factor importante, ya que tpicamente del 20 al 40 % de flujo trmico puede ser absorbido o disipado por la atmsfera sobre una distancia de 100 m bajo condiciones normales. La ecuacin (6.17) puede ser utilizada para determinar la transmisividad atmosfrica:

Donde: = Transmisividad atmosfrica entre 0 y 1, adimensional PW = Presin parcial del agua, Pascals (New / m2) X = Longitud de la trayectoria, distancia a partir de la superficie de la flama al objetivo, m La transmisividad atmosfrica, , es un factor importante. La radiacin absorbida y disipada por la atmsfera. Esto causa una reduccin en la radiacin recibida por los objetivos. Algunos modelos de radiacin trmica ignoran este efecto, efectivamente suponiendo un valor de = 1 para la transmisividad. Para trayectorias grandes (cerca de 20 m), donde la absorcin puede ser de 20 40 %, esto puede llevar a una sobreestimacin de la radiacin recibida.

( ) ) 6.17 ( X P 2.02 0.09 - W=

) (6.16 x 4

1 F 2p =



244

Flujo trmico recibido. Basados en clculos previos y en el diagrama de la Figura 6.12, la radiacin trmica recibida a partir de una laguna de fuego est dada por:

Donde: Qx = Radiacin trmica recibida a la distancia x, kW/m2

= Transmisividad atmosfrica, adimensional E = Flujo emitido de la superficie por unidad de rea, kW/m2 Fa = Factor geomtrico de visin de la superficie de la flama al objetivo, adimensional QR = Calor total radiado, kW Fp = Factor de visin del punto fuente, m-2

La ecuacin anterior supone que no existe reflexin a partir de la superficie que recibe, lo cual es usualmente vlido. Cuando lesiones humanas estn consideradas, se hace necesario adicionar la radiacin solar al valor anterior para contabilizar la radiacin total recibida. 6.2.5 Descripcin de la tcnica Modelos de fuego tipo Jet

El modelado de fuegos tipo Jet no ha sido tan bien desarrollado como para fuegos en lagunas, pero diversas revisiones han sido publicadas. Los fuegos tipo Jet incorporan muchos mecanismos, similares a los considerados para fuegos del tipo Pool Fires, tal y como muestra el diagrama lgico mostrado en la Figura 6.13. Tres aproximaciones han sido revisadas por Bagster 17, as como la API 23, Craven 24 y Hustad y Sonju 25. El mtodo sugerido por la API es relativamente simple, comparado con otro tipo de modelos. . ________________________________________ 23 API ; Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems; API Recommended Practice 521,; 2nd edition; American Petroleum Institute ; Washington, DC ( 1982 ) 24 Craven A.D.; Thermal Radiation Hazards from Ignition of Emergency Vents ; 4th Symposium on Chemical Process Hazards with Special Reference to Plant Design; icHEM Symp. Series N248 33; IchemE, Rugby, UK p. 7 ( 1972 ) 25 Hustad, J. and Sonju, O.K.; Radiation and Size Scaling of Large Gas and Gas-Oil Diffusion Flames ; 10th International Colloquium on Dynamics of Explosions and Reactive Systems; Berkeley, CA; American Institute of Aeronautics and Astronautics; New York, N.Y. ( 1985 )

) 6.19 ( FQ Qo

) 6.18 ( F E Q

pRx

ax

=

=



245

El mtodo API fue originalmente desarrollado para el anlisis de quemadores, pero an as ha sido ampliamente utilizado. Este se basa sobre una fraccin radiante de la energa total de combustin, la cual se supone se genera a partir del punto fuente a lo largo de la trayectoria de la flama tipo jet. Una grfica proporcionada por el estndar API 521 que correlaciona la longitud de la flama con el calor de la flama. La fraccin radiante est dada como 0.15 para hidrgeno, 0.2 para metano y 0.3 para otros hidrocarburos (a partir de experimentos en laboratorio). Un factor modificado posteriormente de 0.67 puede ser aplicado a procesos con combustin incompleta

Ninguno de los mtodos anteriores considera modificaciones de la flama, en la asistencia de potenciales efectos domino sobre recipientes adyacentes peligrosos. Sin embargo las dimensiones de la flama pueden ayudar a visualizar dichos efectos. 6.2.6 Fundamentos tericos

La velocidad de quema, la altura de la flama, la inclinacin de la flama, la potencia superficial de emisin y la transmisividad atmosfrica son todas empricas, pero con factores bien establecidos. El factor geomtrico de visin tiene fundamentos tericos establecidos, pero ecuaciones ms simples o compilaciones de tablas tambin pueden ser utilizadas. La ecuacin de Stephan-Boltzmann tiene un amplio fundamento, pero no es tan simple utilizarla, as como tambin la temperatura de la flama que raramente es conocida. El modelo API para fuegos tipo jet es emprico y se basa en la longitud de la flama y la fraccin radiante pero solamente es aplicable para descargas verticales. 6.2.7 Requerimientos de informacin y disponibilidad

El tamao de la laguna puede ser definido basados en los sistemas locales de contencin o por algunos modelos para una superficie plana. Velocidades de quema pueden ser obtenidas a partir de tabulaciones o pueden ser estimadas a partir de propiedades fsicas del combustible. Mediciones del flujo superficial emitido estn disponibles para una buena cantidad de combustibles o pueden ser calculadas utilizando fracciones de radiacin empricas. Un estimado para la humedad atmosfrica es necesario para la transmisividad; el resto de los parmetros pueden ser estimados. 6.2.8 Salida de informacin

La informacin generada de modelos de radiacin trmica es la radiacin trmica recibida por diferentes objetivos localizados. Duraciones del fuego pueden tambin ser estimadas y como modifican los efectos trmicos.



246

Figura 6.13 DIAGRAMA LOGICO PARA EL CALCULO DE EFECTOS DE RADIACION DE FUEGOS TIPO JET

Fuego tipo jet

Estimar la velocidadde descarga

Estimar el calortotal liberado

Estimar la fraccinradiada

Estimar el factorde visin

Estimar latransmisividad


Estimar los efectostrmicos



247

6.2.9 Aproximaciones de simplificacin

Crocker y Napier 16 establecieron tablas de zonas de impacto trmico a partir de situaciones comunes de fuegos en techos de tanques y derrames. A partir de estas tablas, distancias seguras de separacin para la gente a partir de fuegos en lagunas pueden ser estimadas como 3 a 5 dimetros de la laguna de fuego (basados en un impacto trmico seguro de 4.7 kW/m2.

Considine y Grint 26 dan una correlacin simplificada basada en la ley de potencia

en fuegos tipo jet de gas LP para zonas peligrosas. Las dimensiones de la antorcha o flama, la cual es supuesta con geometra cnica, estn dadas por:

Donde: L = Longitud de la flama, m W = Mitad de la anchura de la flama jet cnica a la punta de la flama, m m = Velocidad de liberacin de gas LP, kg/seg en un rango de 1 < m < 3000 kg / seg rs,50 = Rango de peligro del lado interior para un 50 % de fatalidad, m en un rango r > W t = Tiempo de exposicin, 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. 6.2.10 Ventajas y desventajas

Los fuegos en lagunas han sido estudiados por muchos aos y las ecuaciones empricas utilizadas en los submodelos estn bien validadas. El tratamiento de flamas humeantes es difcil. Flamas tipo jet han sido menos tratadas tericamente, pero correlaciones simples como el mtodo API puede proporcionar estimaciones adecuadas del peligro. Una debilidad en los modelos es que alteraciones de la flama no son simuladas, esto lleva a altos flujos de calor que son predichos por modelos de radiacin trmica para modelos de lagunas de fuego y fuegos tipo jet.

______________________________________________ 26 Considine, M. and Grint, G.C. ; Rapid Assessment of the Consequences of LPG Releases ; Proceedings of the Gastech 84 LNG / LPG Conference ; Nov. 6-9 , Published by Gastech Ltd. ; Rickmansworth, UK; pp. 187 200 ( 1985 )

) 6.22 ( m t1.9 r) 6.21 ( L0.25 W ) 6.20 ( m 9.1 L

0.47 0.4 50 s,

0.5

===



248

6.2.11 Identificacin y tratamiento de posibles errores

Un error potencial grande en el modelado de lagunas de fuego es introducido por la estimacin del flujo emitido por la superficie. Donde frmulas predictivas son utilizadas (especialmente del tipo Stephan-Boltzmann) chequeos de las relaciones de energa radiante a la energa global de combustin deben realizarse. Los tamaos estimados de derrames son importantes, y el potencial de diques u otros dispositivos de contencin deben ser considerados debido a los efectos por el momentum de los fluidos o por espuma. El uso de un modelo de cilindro vertical ignora los efectos de inclinacin debido al viento, lo anterior puede originar peligro en los recipientes vecinos sujetos a posibles efectos domino que puedan subestimarse. Los modelos de fuegos tipo jet basados en aproximaciones a un punto fuente pueden llevar a estimados pobres del flujo trmico cercano al jet y modelos mecansticos deben ser utilizados. La fraccin de energa radiante tambin se encuentra sujeta a error. 6.2.12 Utilidad

Modelos de lagunas de fuego y fuegos tipo jet son relativamente tiles al ser utilizados. Mucho cuidado se requiere en la estimacin del flujo superficial usualmente por la energa radiante. 6.2.13 Necesidad de recursos

Un ingeniero de proceso entrenado puede requerir de medio da para completar un escenario de una laguna de fuego o un fuego tipo jet de forma manual con todos los datos termodinmicos necesarios, frmulas de factor de visin y datos de humedad si estn disponibles. 6.2.14 Software disponible

WHAZAN Computer Package Technica Inc. 355 East Campus View Blvd. Suite 110 Columbus, Ohio 43085 USA



249

6.3 EXPLOSION DE NUBES DE VAPORES VCEs (Vapor Cloud Explosions) Y FUEGOS TIPO FLASH 6.3.1 Propsito Cuando grandes cantidades de materiales voltiles inflamables son rpidamente dispersados a la atmsfera, una nube de vapores se forma y se dispersa. Si esta nube se incendia antes de que la nube se diluya por debajo de su LFL [Low Flamability Limit (Lmite bajo de flamabilidad)], una explosin de nubes de vapores (VCE) o un fuego tipo flash puede ocurrir. Para un modelado de un anlisis cuantitativo de riesgos, la principal consecuencia en una VCE es la onda de choque que resulta y la principal consecuencia para un fuego flash es la radiacin trmica. 6.3.2 Filosofa El proceso de combustin de grandes nubes de vapores no es completamente entendido a la fecha. Una revisin de registros histricos indica que la liberacin de pequeas cantidades de vapor es suficiente para derivar en fuegos flash sin sobrepresin significativa. Posteriores (olvidndonos del nombre de VCE) experiencias y trabajos experimentales limitados muestran que alguna forma de confinamiento y turbulencia de la nube es necesaria para que daos por sobrepresin ocurran. Esto indica que la nube de vapores inicial debe estar cercana a un tamao crtico (para el cual no existen valores conocidos) para que el dao por sobrepresin ocurra. Sin embargo, el tamao mnimo precisado de la nube para especies qumicas de vapor no puede ser precisado a la fecha. Lewis y von Elbe27 , Kinney y Graham28, Bodurtha29 y Baker y col. 30 son referencias que pueden ayudar a analizar cada problema. En general, modelos de VCE estn mejor desarrollados que modelos para fuegos flash. 6.3.4 Aplicaciones Modelos VCE se han aplicado para el anlisis de incidentes [ejem : Sadee y col. 31 para la explosin de Flixborough, Inglaterra ] y en predicciones de anlisis de riesgo. Un modelo de fuegos flash ha sido desarrollado para propsitos de anlisis de riesgo por Eisenberg y col. 32. ____________________________________________ 27 Lewis, B. and von Elbe, G.; Combustion, Flames and Explosions of Gases ; 3rd edition; Academic Press, San Diego, California (ISBN 0-12-446751-2) ( 1987 ) 28 Kinney, G.F. and Graham, K.J.; Explosive Shocks in Air ; 2nd edition, Springer - Verlag, New York, N.Y. ( 1985 ) 29 Bodurtha, F.T.; Industrial Explosion Prevention and Protection ; Mc Graw - Hill, New York, N.Y. (1980) 30 Baker, W.E., Cox, P.A. , Westine, P.S., Kulesz, J.J. and Strehlow, R.A. ; Explosion Hazards and Evaluation ; Elsevier , New York, N.Y. (ISBN 0-444-42094-0) ( 1983 ) 31 Sadee, C., Samuels, D.E. and OBrien, T.P. ; The Characteristics of the Explosion of Ciclohexane at the Nypro (UK), Flixborough Plant on June 1, 1974 ; Journal of Occupational Accidents 1 ; 203 - 235 , 3 July 1977 ( 1977 ) 32 Eisenberg, N.A., Lynch, C.J. and Breeding, R.J. ; Vulnerability Model - A Simulation System for assesing Damage from Marine Spills ; U.S. Coast Guard, Office of Research and Development, Report N CG-D-136-75, NTIS AD-015-245, Springfield, VA ( 1975 )



250

6.3.5 Descripcin de la tcnica Davenport33 ha sumarizado 71 incidentes con VCE, de los cuales 72 % ocurrieron en plantas de proceso y 23 % involucraron transportacin. Todos (con una posible excepcin) fueron deflagraciones ms que detonaciones. Pietersen y Huerta34 han sumarizado los puntos claves de 80 fuegos flash. Los dos mecanismos ms importantes para aceleracin de la flama son la expansin trmica y la turbulencia. Las estructuras de proceso contribuyen a un confinamiento parcial y turbulencia, as una gran cantidad de parte del equipo de proceso y muchas estructuras estn presentes, esto permitir una transicin de fuego flash a VCE. Basados en observaciones de varios autores se puede concluir que: Puede ser que solamente una masa mnima de material flamable es requerida para

llevar la transicin de fuego flash a VCE. Estos estimados estn en un rango de 1 tonelada (Wiekema35 ) a 15 toneladas (Health and Safety Executive36). Se debe proceder con precaucin en la determinacin del valor mnimo. Gugan37 brinda algunos pocos ejemplos de VCE con cantidades tan bajas como 100 kg para especies ms reactivas tales como hidrgeno y acetileno. Un accidente relativamente reciente ( North y MacDiarmid38) produjo efectos de explosin a partir de la liberacin e ignicin de aproximadamente 30 kg de hidrgeno.

La presencia de algunos confinamientos / obstculos puede ser necesaria para tener la

transicin a VCE Materiales con velocidades de combustin relativamente altas pueden producir

fcilmente la transicin a VCE para una cantidad dada de material ________________________________________ 33 Davenport J.A. ; Study of Vapor Cloud Incidents ; Chemical Engineering Progress 73 ; 54 - 63; September 9 ( 1977 ) Davenport, J.A.; A Study of Vapor Cloud Incidents - An Update ; 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries, Harrogate, UK; pp. C1-C9; Pergamon Press, New York, N.Y. ( ISBN 0-08-031396-5 3 vol ) ( 1983 ) 34 Pietersen, C.M. and Huerta, S.C. ; Analysis of the LPG Incident in San Juan Ixhuatepec, Mexico City, 19 Nov. 1984 ; TNO Report B4-0222, P.O. Box 342 7300 AH, Apeldoorn, The Netherlands ( 1985 ) 35 Wiekema, B.J. ; Vapor Cloud Explosions; Chapter 8 in Methods for the Calculation of the Physical Effects of the Escape of Dangerous Materials : Liquids and Gases ( The Yellow Book ) ; P.O. Box 342 7300 AH Apeldoorn, The Netherlands ( 1979 ) 36 Health and Safety Executive ; Advisory Commitee on Major Hazards : Second Report ; HMSO, London, UK ( ISBN 0-11-883299-9 ) ( 1979 ) 37 Gugan, K. ; Unconfined Vapor Cloud Explosions ; Gulf Publishing Co. ; Book Division; Houston, TX; ( ISBN 0-87201-887-3) ( 1979 ) 38 North, G.J.T. and MacDiarmind, J.A. ; Lessons Learned from a Hydrogen Explosion in a Process Unit ; AIChE Loss Prevention Symposium, Paper N 78a. ; AIChE Spring National Meeting, New Orleans, March 6-10 ( 1988 )



251

VCEs se consideran deflagraciones no detonaciones Los picos de sobrepresin de VCEs son mucho menores que los de detonaciones,

tpicamente 1 bar (15 psi) o menores y duraciones de la fase positiva de 20-100 mseg. Parmetros importantes analizando incidentes de combustin son las propiedades del material: Lmite bajo de flamabilidad (Lower Flammable Limit, LFL) y Lmite superior de flamabilidad (Upper Flammable Limit, UFL), flash point, temperatura de autoignicin, calor de combustin, peso molecular y estequiometra de la combustin. Algunos de estos datos estn disponibles ( Perry and Green39 ; U.S Deparment of Transportation40 ; Stull41 ). Nubes de vapores ininflamables pueden encenderse a partir de numerosas fuentes que pueden ser continuas ( ejem : calentadores, flamas piloto, etc. ) u ocasionales ( ejem : humo, vehculos, sistemas elctricos, etc.). Las nubes son normalmente encendidas y el efecto de ignicin termina con un espreado de la nube en direccin de esta. Fuegos flash inicialmente combustionan y expanden rpidamente en todas direcciones. Despus de la combustin inicial, la expansin es desarrollada debido a la flotacin. Como el nmero de fuentes de ignicin se incrementa as la ignicin puede incrementarse generalmente. As, en un sitio con un nmero importante de fuentes de ignicin sobre o alrededor, ste debe tender a prevenir que las nubes a partir de su origen aumenten la extensin total de su peligro, pocas nubes pueden dispersarse seguramente antes de ignicin. Un anlisis ms complejo de anlisis cuantitativo de riesgos debe considerar la localizacin y probabilidad de fuentes de ignicin en los alrededores. Cada ignicin antes de que la nube est totalmente formada, puede traducirse en un fuego flash o una explosin de tamao pequeo. La ltima ignicin puede traducirse en una explosin del mximo efecto posible. Este anlisis debe desarrollarse posterior al punto fuera despus de que las nubes se han dispersado abajo del LFL, lo cual significa que el efecto mximo posible puede experimentarse. El trfico debe considerarse en el anlisis de fuentes de ignicin. Modelos de VCEs estn primariamente basados sobre tres aproximaciones ( Opschoor y Schecker42 ): Equivalencia detonante altamente explosiva ( ejem : Modelo TNT )

Correlaciones con VCEs observadas ( ejem : Modelo TNO ) Modelos dinmicos para gas ideales ( ejem : Modelo acstico )

_____________________________________ 39 Perry, R.H. and Green, D. ( eds ) ; Perrys Chemical Engineering Handbook ; 6th ed. ; Mc Graw - Hill; New York, N.Y. ( 1984 ) 40 U.S. Deparment of Transportation ; CHRIS Hazardous Chemical Data ; U.S. Coast Guard, MI6465-12; Washington D.C.; U.S. Gover ment Printing Office; October ( 1979 ) 41 Stull, D. ; Fundamentals of Fire and Explosion ; AIChE Nomograph Series 73 ( N 10 ); AIChE , New York, N.Y. ( 1977 ) 42 Opschoor, G. and Schecker, H.B. ; Consequence Analysis ; 4th International Symposium on Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries ; Harrogate, UK ; pp. G25-G32 ; Pergamon Press, New York, N.Y. ; ( ISBN 0-08-031396-5 3 vols ) ( 1983 )



252

El modelo TNT es fcil de usar y se aplica para muchos CPQRA (Chemical Process Quantitative Risk Anlisis, Anlisis de Riesgo Cuantitativo de Procesos Qumicos). Este es descrito por Decker43, Stull41 , Lees44 y Baker y col. 30. Este se basa en la suposicin de equivalencia entre el material flamable y TNT, involucrando un factor de rendimiento de explosin:

) 6.24 ( E M E

=W TNT c

c Donde: W = Masa equivalente de TNT (kg, lb) M = Masa de material flamable liberada = Rendimiento emprico de explosin (o eficiencia) (Rango de 0.01 a 0.10) Ec = Calor de combustin del gas flamable ( kJ / kg o BTU / lb ) EcTNT = Calor de combustin del TNT ( 4437 - 4765 kJ/kg 1943 - 2049 BTU/lb ) El rendimiento o eficiencia de la explosin de una nube flamable es emprico, con muchos estimados vara entre 1 a 10 % ( Brasie y Simpson45 ; Gugan37 ; Lees44 ). Bodurtha3 establece que el lmite para eficiencia es 0.2. Eichler y Napademsky46 a partir de revisiones histricas de datos concluyen que el valor mximo esperado es de 0.2 para nubes simtricas, pero ste puede ser significativamente alto -arriba de 0.4 - para nubes asimtricas. Este factor se basa en anlisis de incidentes que involucran VCE. Prugh47 establece una correlacin de ayuda de masa de gas flamable contra la probabilidad de VCE a partir de datos histricos. Decker43 muestra como un modelo de dispersin gaussiano puede encadenarse a un modelo TNT. _____________________________________________________ 43 Decker, D.A. ; An Analytical Method for Estimating Overpressure from Theoretical Atmospheric Explosions ; Annual Meeting of the National Fire Protection Association and Society of Fire Protection Engineers; May 23 (1974 ) 44 Lees, F.P. ; Loss Prevention in the Process Industries ; 2 volumes ; Butterworths, London, Boston ( ISBN 0-0408-10604-2) ( 1980 ) 45 Brasie, W.C. and Simpson, D.W. ; Guidelines for Estimating Damage Explosion ; Loss Prevention Volume 2 ; Chemical Engineering Process Technical Manual ; AIChE , New York, N.Y. (1968 ) 46 Eichler, T.V. and Napadensky, H.S. ; Accidental Vapor Phase Explosions on Transportation Routes Near Nuclear Power Plants : Final Report January - April 1977. ; Prepared for Div. of Eng. Stds. Development, U.S. Nuclear Regulatory Commission under FIN N A20057, May 1978 (Available from NTIS ) ( 1978 ) 47 Prugh, R.W. ; Evaluation of Unconfined Vapor Cloud Explosion Hazards ; Proceedings of the International Conference on Vapor Cloud Modeling ; November 2 - 4 ; AIChE , New York , N.Y. ( 1987 )



253

Los efectos de explosiones de una carga de TNT estn bien documentados como se muestra en la Figura 6.13 para una carga en una explosin hemiesfrica y la Figura 6.14 para una carga en una explosin esfrica. La presin la cual debe registrarse sobre el lado de una estructura paralela al impacto es sobre el lado de sobrepresin o PSO. La presin reflejada, Pr , es la presin sobre la estructura perpendicular a la onda de choque y es en un factor de 2 mayor que sobre el lado de sobrepresin. Los parmetros de impulso son tambin importantes cuando los efectos de la explosin son considerados. Los diversos parmetros de una explosin son graficados como una funcin de la distancia escalada, ZG; la cual es definida como la distancia dividida entre la raz cbica de la masa de TNT (W). La sobrepresin 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. ( Health and Safety Executive36). El modelo TNO (Wiekema35) fu desarrollado para evitar la necesidad de desarrollar el equivalente altamente explosivo de una nube de vapor puesto que los efectos de sobrepresin de una VCE son en algunos casos diferentes a los de un efecto de sobrepresin altamente explosivo. El modelo TNO es aplicable a muchos materiales ininflamables de mediana reactividad. El modelo predice las distancias para cuatro niveles de sobrepresin, basados en una frmula de ley de potencia utilizando la masa de material flamable en la nube. Otros modelos incluyen el modelo acstico de Strehlow48. Modelado de fuegos flash no est bien desarrollado. Eisenberg y col. 32 describen un modelo basado en radiacin trmica utilizando la ecuacin de Stephan - Boltzmann, pero este es muy sensible a estimados de temperatura de flama [usualmente no conocida]. Una aproximacin simple es utilizar un modelo de dispersin adecuado para determinar el isopleth (perfil de concentracin) definiendo el LFL o 1/2 del LFL como concentracin para delimitar esta zona. El uso de cada uno de los perfiles permite definir los efectos de radiacin trmica requiere la suposicin de que los procesos de combustin no son intensos y son de corta duracin, adems de que toda la expansin trmica de la nube ocurre verticalmente debido a la flotacin. Estas suposiciones no son ciertas en la experiencia actual pero ellas pueden ayudar a simplificar el proceso de clculo. La transicin del rgimen de fuego flash a VCE est pobremente definida. ___________________________________________________ 48 Strehlow, R.A. ; Blast Wave from Deflagration Explosions - An Acoustic Approach ; Loss Prevention Vol. 14 ; Chemical Engineering Progress Technical manual ; pp. 145 - 153 ; AIChE , New York , N.Y. ( 1980 )



254

EXPLOSION HEMIESFERICA

0.1

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100Distancia escalada (ft/lb1/3)

Sobr

epre

sion

(lb/

in2)

Figura 6.13 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES HEMIESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army ,

1969 )

EXPLOSION ESFERICA

0.1

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100Dis tanc ia e s c alada (ft/ lb 1 / 3 )

Figura 6.14 PARAMETROS DE ONDAS DE CHOQUE PARA

EXPLOSIONES DE TNT EN SUPERFICIES ESFERICAS A NIVEL DEL MAR ( US Army , 1969 )

6. Fuegos y Explosiones ______________________________________________________________________

Documents

6 Fuegos y Explosiones N