LIQUID EXPANDING VAPOUR EXPLOSION DE UN CONTENEDOR DE

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ANÁLISIS DE LAS ONDAS DE SOBRE-PRESIÓN DE UNA EXPLOSIÓN TIPO BLEVE (BOILING

LIQUID EXPANDING VAPOUR EXPLOSION) DE UN CONTENEDOR DE PROPANO EN UN

PARQUE DE ALMACENAMIENTO DE HIDROCARBUROS

CAMILO ANDRÉS ROSAS MARTÍNEZ

PROYECTO DE GRADO

ASESOR:

FELIPE MUÑOZ GIRALDO M. ENG. PHD

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

BOGOTÁ D.C

ENERO DE 2009

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“A mi familia por apoyarme en todo momento

y a todos aquellos que colaboraron

de alguna u otra forma con mi formación”

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iii

AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer a:

• Felipe Muñoz, por su constante guía para la elaboración de este trabajo y

permitirme trabajar con él en este proyecto.

• Andrés García, por colaborarme con varios fundamentos matemáticos.

• Jorge Mario Gómez, por ayudarnos a soportar la investigación bajo todo tipo de

fundamentos reales.

• Richard Gowland, por darme una amplia guía sobre explosiones.

• A mi familia por darme ánimo para seguir trabajando y no parar.

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iv

CONTENIDO

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................ vi

GLOSARIO .................................................................................................................... vii

RESUMEN ...................................................................................................................... ix

INTRODUCCION .......................................................................................................... 1

1. OBJETIVOS .......................................................................................................... 2

2. TIPOS DE EXPLOSIONES .................................................................................... 3

2.1. EXPLOSIONES DE NUBES DE VAPOR ....................................................... 3

2.2. FLASH FIRES ................................................................................................ 3

2.3. BLEVEs .......................................................................................................... 3

3. PROPIEDADES SUPER CALIENTES ................................................................... 5

4. PRINCIPIOS DE UN BLEVE ................................................................................. 7

4.1. CLASIFICACION DE UN BLEVE SEGÚN LOS COMPUESTOS ................... 7

4.1.1. Compuestos inflamables ....................................................................... 7

4.1.2. Compuestos no inflamables ................................................................. 8

4.2. MECANISMO DE UN BLEVE ......................................................................... 8

4.3. ¿QUE PELIGROS TIENE UN BLEVE EN BOGOTA? .................................. 10

5. ONDA DE SOBRE-PRESION .............................................................................. 12

5.1. DESCRIPCION DE LOS METODOS QUE SE VAN A UTILIZAR ................. 12

5.1.1. Método de fluidos no ideales de Baker .............................................. 12

5.1.2. Método básico de Baker ...................................................................... 14

6. FRAGMENTOS ................................................................................................... 18

6.1. DESCRIPCION DE LOS METODOS QUE SE VAN A UTILIZAR ................. 18

6.1.1. Método de Brode.................................................................................. 19

6.1.2. Método de Baum y Baum modificado ................................................ 19

6.1.3. Cálculo de la energía escalada, la velocidad inicial de los fragmentos y rangos de distancias alcanzadas ................................ 20

7. CONSECUENCIAS DE UNA ONDA DE SOBRE-PRESION DE UNA EXPLOSION TIPO BLEVE ........................................................................................................ 22

7.1. DAÑOS ESTRUCUTRALES......................................................................... 22

7.2. EFECTOS EN HUMANOS ............................................................................ 23

8. SIMULACION DEL BLEVE ................................................................................. 25

8.1. MACRO PARA LA EVALUACION DE LA ONDA DE SOBRE-PRESION E IMPULSO ..................................................................................................... 25

8.2. MACRO PARA LA EVALUACION DEL RANGO DE DISTANCIA DE LOS FRAGMENTOS ............................................................................................ 31

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v

9. SIMULACION GENERAL A CONDICIONES ATMOSFERICAS DE BOGOTA ... 33

9.1. ONDA DE SOBRE-PRESION ....................................................................... 33

9.1.1. Daños en estructuras por medio del método de fluidos no ideales . 34

9.1.2. Efectos en humanos por medio del método de Baker ...................... 35

9.1.3. Daños en estructuras por medio del método de Brode .................... 35

9.1.4. Efectos en humanos por medio del método de Brode ...................... 36

9.1.5. Comparación entre los métodos ........................................................ 37

9.2. GENERACION DE FRAGMENTOS .............................................................. 38

9.2.1. Método de Baum modificado .............................................................. 38

9.2.2. Método de Baum .................................................................................. 38

9.2.3. Método de Brode.................................................................................. 39

9.3. ZONAS DE AFECTACION ........................................................................... 39

9.3.1. Onda de sobre-presión e impulso utilizando el método de fluidos no ideales .................................................................................................. 39

9.3.2. Onda de sobre-presión e impulso utilizando el método básico de Baker..................................................................................................... 43

10. ANALISIS DE RESULTADOS ............................................................................. 47

10.1. ONDA DE SOBRE-PRESION ....................................................................... 47

10.1.1. Método de fluidos no ideales .......................................................... 47

10.1.2. Método básico de Baker .................................................................. 47

10.2. GENERACION DE FRAGMENTOS .............................................................. 48

11. CONCLUSIONES ................................................................................................ 50

12. ANEXOS .............................................................................................................. 52

13. NOMENCLATURA .............................................................................................. 55

14. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 57

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vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de árbol de falla del BLEVE de un líquido inflamable. .................... 9 Figura 2 Distancias de separación: la línea blanca equivale a 197.50 metros; la línea punteada es de 201.25 metros; la línea negra es de 164.67 metros. .......................... 10 Figura 3. Hoja de ingreso de condiciones por parte del usuario. ................................. 26 Figura 4. Hoja de propiedades termodinámicas del propano saturado. ....................... 26 Figura 5. Hoja que calcula la energía del líquido y vapor. Por último calcula la energía total. El usuario tiene que especificar el porcentaje de llenado del tanque. ................. 27 Figura 6. Hoja de side-on-peak. Calcula la sobrepresión y el impulso a determinada distancia. ..................................................................................................................... 27 Figura 7. Cálculo de la energía por medio de la ecuación 14 (Brode). ........................ 28 Figura 8. Daños propuestos por Stephens y Glasstone con un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica. ............................................................................. 29 Figura 9. Tipo de daño sugerido por Stephens, y perfil de la onda de sobre-presión vs distancia valido únicamente hasta un valor máximo de sobre-presión de 70 kPa. ...... 29 Figura 10. Tipo de daño sugerido por Glasstone y efectos del impulso sobre la estructura. ................................................................................................................... 30 Figura 11. Intervalos de distancias de afectación en humanos con un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica. .................................................................. 30 Figura 12. Efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión y el impulso generado por dicha onda. ........................................................................................... 31 Figura 13. Calculo de la velocidad inicial para un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica ..................................................................................................... 32 Figura 14. Cálculo de la velocidad inicial de los fragmentos y distribución de su alcance variando los ángulos de lanzamiento. ............................................................ 32 Figura 15. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método de fluidos no ideales. ....................................................................................................................... 40 Figura 16. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método de fluidos no ideales. ....................................................................................................................... 41 Figura 17. Tipo de daño debido al impulso utilizando el método de fluidos no ideales.41 Figura 18. Efecto en humanos debido al impulso generado por la explosión utilizando el método de fluidos no ideales. .................................................................................. 42 Figura 19. Efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión generada por la explosión utilizando el método de fluidos no ideales. .................................................. 43 Figura 20. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método básico. ............. 44 Figura 21. Tipo de daño sugerido por Glasstone utilizando el método básico. ............ 44 Figura 22. Tipo de daño debido al impulso generado por la explosión utilizando el método básico. ............................................................................................................ 45 Figura 23. Efecto en humanos debido al impulso generado por la explosión utilizando el método básico. ........................................................................................................ 45 Figura 24. Efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión generada por la explosión utilizando el método básico. ........................................................................ 46 Figura 25. Gráfica de sobre-presión escalada vs distancia escalada. [5] .................... 53 Figura 26. Gráfica de impulso escalado vs distancia escalada. [5] .............................. 53

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vii

GLOSARIO

o Deflagración: Es cuando la mezcla inflamable se quema a velocidades por debajo

de la velocidad del sonido (331 m/s). [1, 2]

o Detonación: Es cuando la mezcla inflamable se quema a velocidades iguales o

superiores a la velocidad del sonido (331 m/s). [1, 2]

o Fireball (bola de fuego): Quema de una nube de aire-combustible, cuya energía es

emitida en forma de radiación. [3]

o Gases licuados de petróleo: Mezcla de compuestos como el propano y el butano,

los cuales a condiciones atmosféricas se encuentran en estado gaseoso y que a

presiones bajas, se encuentran en estado líquido favoreciendo así, el

almacenamiento y transporte de dichas sustancias. [4]

o Impulso: Medida que puede ser utilizada para definir la habilidad de hacer daño de

una onda de choque. [3]

o Nucleación homogénea: “Cuando se transfiere calor al líquido, la temperatura de la

sustancia se incrementa, el compuesto alcanza el punto de ebullición y el líquido

comienza a formar burbujas de vapor en los sitios activos.1 [5, 6] Cuando no hay

suficientes sitios de nucleación en el líquido, su punto de ebullición puede ser

excedido, sin que éste hierva. En este caso se presenta el estado denominado

súper caliente. Existe un límite a una presión por encima de la cual, la sustancia no

puede estar súper caliente. Cuando este límite es alcanzado, las burbujas de vapor

microscópicas se desarrollan en el líquido puro sin lugares de nucleación.” [3, pág.

158]

o Onda de sobre-presión: Es una presión que se encuentre por encima de la presión

atmosférica, debido a una explosión. [3]

1 Estos sitios se encuentran en las interfases con los sólidos, en este caso las paredes del tanque. La ebullición del líquido sucede en nucleaciones, tales como impurezas, cristales o iones.

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viii

o Temperatura súper caliente: Es la temperatura necesaria a la que tiene que estar

el compuesto al interior del tanque, para que este sufra una explosión tipo BLEVE.

Esta temperatura es menor que la temperatura crítica del compuesto. [3]

o Vaporización flash: Es la vaporización instantánea parcial o total de un líquido,

donde su temperatura, está por encima de su punto de ebullición a condiciones

atmosféricas, cuando ocurre una despresurización súbita. [3]

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ix

RESUMEN

Colombia, en los últimos años ha presentado un gran incremento en la demanda de

fuentes energéticas. Para lograr responder estas demandas de energía, se han

destinado zonas, para las cuales es necesario evaluar las condiciones seguras del

almacenamiento y distribución de los hidrocarburos de la capital.

Para poder realizar lo anterior, es necesario elaborar un análisis de riesgo, en el cual

se incluya los posibles daños a la infraestructura y la seguridad de la población que

rodea al lugar en el que se encuentran los tanques de almacenamiento. Entre los

análisis de riesgo que se pueden realizar, se encuentran las explosiones.

Existen varios tipos de explosiones, entre estas están, explosiones de nubes de vapor,

flash fires y BLEVEs. De los anteriores tipos de explosiones, la más peligrosa y

devastadora es la explosión tipo BLEVE (por sus siglas en inglés), especialmente

cuando estos suceden con compuestos inflamables. [7]

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INTRODUCCION

Colombia, al ser un país en vía de desarrollo, se está industrializando cada vez más.

Prueba de ello, es que el sector industrial en Bogotá, ha tenido un crecimiento

significativo en los últimos años (el Ministro de Comercio, Industria y Turismo, señaló a

finales del 2007 que el sector industrial aumentó un 11.87%) [8]. Por otro lado, en

distintos sectores de esta ciudad, se tiene previsto en el plan de ordenamiento

territorial un incremento empresarial significativo, lo que implica una mayor demanda

de fuentes energéticas. [9]

Para lograr responder a estas demandas energéticas, se han destinado zonas, para

las cuales es necesario evaluar las condiciones seguras del almacenamiento y

distribución de los hidrocarburos de la capital.

Para poder realizar lo anterior, es necesario elaborar un análisis de riesgo, en el cual

se incluyan los posibles daños a la infraestructura, la seguridad de la población y

determinar los posibles peligros a los que pueden estar sometidos los pobladores que

rodean al lugar en el que se encuentran los tanques de almacenamiento. Entre los

análisis de riesgo que se pueden realizar, se encuentran las explosiones. Existen

varios tipos de explosiones; entre estas están: explosiones de nubes de vapor, flash

fires y BLEVEs.

De los anteriores tipos de explosiones, la más peligrosa y devastadora es la explosión

tipo BLEVE (por sus siglas en inglés), especialmente cuando estos suceden con

compuestos inflamables. [7]

Es por esta razón que este trabajo se va a centralizar en el riesgo que se correría si

hubiese una explosión de un contenedor de propano tipo BLEVE, en un parque de

almacenamiento de hidrocarburos.

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2

1. OBJETIVOS

El análisis de una onda de sobre-presión de una explosión tipo BLEVE, en un tanque

con un compuesto inflamable, en este caso propano, constituye el objetivo

fundamental en este trabajo. Este tipo de estudio, por lo general, es realizado bajo la

suposición del comportamiento de un gas ideal, por lo cual esta aproximación, toma en

cuenta las propiedades de la sustancia con un comportamiento real, por medio de la

evaluación de las ecuaciones de estado.

Al realizar un estudio de una onda de sobre-presión debida a una explosión tipo

BLEVE, se debe tener en cuenta, los daños que sufrirá la infraestructura y los efectos

que tendrá dicha onda, sobre la población Esta investigación cubrirá los daños y

efectos causados por la onda de sobre-presión, en las infraestructuras y las personas,

respectivamente.

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3

2. TIPOS DE EXPLOSIONES

Se ha desarrollado una clasificación para las diferentes explosiones y las

características que estas presentan, donde las diferencias entre cada una de éstas

son muy sutiles. A continuación se van a describir las explosiones más comunes con

las que se confunde un BLEVE, y sus respectivas diferencias entre ellas y el BLEVE:

2.1. EXPLOSIONES DE NUBES DE VAPOR

Este tipo de explosión resulta a partir de una liberación de una cantidad significativa de

un combustible en la atmósfera. Para que estas sucedan, se necesita que el gas sea

inflamable; que la explosión sea capaz de causar sobre-presión; que la nube tiene que

tener una gran dimensión antes de que suceda la ignición y que la temperatura en el

momento de la explosión no sea igual o mayor a la temperatura súper caliente del

compuesto. La expansión de la nube de vapor depende de diferentes factores; tales

como la dirección y velocidad del viento, la cantidad de material inflamable que se ha

liberado a la atmósfera, humedad, entre otros. Este tipo de explosiones pueden darse

por medio de deflagración y detonación; teniendo en cuenta que para que suceda la

primera se fija el límite de 10-4 Joules y para que suceda la segunda se determina el

valor de 106 Joules. [1, 3]

2.2. FLASH FIRES

Un flash fire es la combustión no explosiva de una nube de vapor de un material

inflamable liberado en la atmósfera. Al igual que las explosiones de nubes de vapor,

este tipo de explosión necesita de un material inflamable y que el tamaño de la nube

sea lo suficientemente grande para que suceda la ignición. Lo que diferencia a las

nubes de vapor y el flash fire es que este último, solo puede ocurrir cuando el proceso

de combustión se da por medio de deflagración. [3]

2.3. BLEVEs

El término BLEVE hace referencia a Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion

(Explosión de Líquido en Ebullición y Vapor en Expansión). A diferencia de los tipos de

explosiones mencionados anteriormente, esta explosión se da con un fluido que se

encuentre presurizado y a una temperatura por encima de su punto de ebullición a

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4

condiciones atmosféricas, es decir, a condiciones súper calientes, sin importar sí la

sustancia es inflamable o no.

Flash fires Explosión de nubes de vapor

Semejanzas

• Material inflamable liberado en la atmósfera.

• Tamaño de la nube lo suficientemente grande para que suceda la

ignición.

• La expansión de la nube depende de factores climáticos y de la cantidad

de material inflamable liberado a la atmósfera.

Diferencias • Se da únicamente por medio de

deflagración.

• Se puede dar por medio de

deflagración y detonación.

Tabla 1. Diferencias y semejanzas entre flash fire y explosión de nubes de vapor.

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5

3. PROPIEDADES SUPER CALIENTES

Reid propuso la teoría de los líquidos súper calientes, en la cual enuncia:

“Cuando se transfiere calor al líquido, la temperatura de la sustancia se incrementa, el

compuesto alcanza el punto de ebullición y el líquido comienza a formar burbujas de

vapor en los sitios activos.2 [8, 9] Cuando no hay suficientes sitios de nucleación en el

líquido, su punto de ebullición puede ser excedido, sin que éste hierva. En este caso

se presenta el estado denominado súper caliente. Existe un límite a una presión por

encima de la cual, la sustancia no puede estar súper caliente. Cuando este límite es

alcanzado, las burbujas de vapor microscópicas se desarrollan en el líquido puro sin

lugares de nucleación.” [3, pág. 158]

Reid también enunció que la temperatura del fluido tiene que estar por encima de la

temperatura súper caliente (TSL), para que exista una onda explosiva; de lo contrario,

existirá ebullición instantánea y se formará una explosión de nube de gas o un flash

fire, en vez de un BLEVE [10]. La magnitud de esta temperatura depende de la

ecuación de estado o correlación que se utilice por ejemplo:

o Opschoor, utilizando la ecuación de Van der Waals, obtiene la relación [11]:

��

o Utilizando la ecuación de Redlich-Kwong, se obtiene la siguiente relación:

��

Esta última relación arroja un error inferior al 2%, tal como se muestra en la siguiente

tabla para el propano:


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6

Alcano Porcentaje de desviación de datos experimentales

PR – EDE RK – EDE SRK – EDE PRMC – EDE B – EDE TRK – EDE VdW – EDE

Propano 3.34 1.74 5.24 3.42 4.37 2.35 3.94

EDE Ecuación de Estado PRMC Peng-Ronbinson-Mathias-Copeman

PR Peng Robinson B Berthelot

RK Redlich-Kwong TRK Twu-Redlich-Kwong

SRK Soave-Redlich-Kwong vdW Van der Waals

Tabla 2. Desviaciones de datos experimentales de la TSL [12]

Al resolver por medio de la ecuación de Redlich-Kwong, se obtiene una TSL de 331 K.

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7

4. PRINCIPIOS DE UN BLEVE

Momentos antes al que se presente alguna falla en el tanque, el compuesto, se

encuentra en condiciones súper calientes.

Un BLEVE sucede por las siguientes condiciones:

o Fuego externo al tanque.

o Corrosión.

o Impacto mecánico (transporte).

o Impacto por proyectiles.

o Presión interna en el tanque excesivamente alta.

o Sobrecarga del tanque.

o Fatiga [13].

Cuando sucede cualquiera de las causas mencionadas anteriormente y, como

consecuencia, traigan al interior del tanque una despresurización súbita; el equilibrio

en el que se encontraba el compuesto se altera. La sustancia (la cual se encuentra en

fase líquida y vapor) busca su equilibrio, evaporando así gran parte del líquido e

incrementando al mismo tiempo, el volumen de la fase vapor. Este proceso se lleva

hasta alcanzar el valor de la resistencia de fluencia del tanque, logrando deformar el

contenedor plásticamente y así causar una explosión tipo BLEVE [14].

4.1. CLASIFICACION DE UN BLEVE SEGÚN LOS COMPUESTOS

Como se mencionó anteriormente un BLEVE se presenta con los siguientes tipos de

compuestos: inflamables y no inflamables. En este último se encuentran los tóxicos y

no tóxicos. Una explosión de cada uno de estos líquidos, presenta una onda de sobre-

presión, pero presentan diferencias en el desarrollo de la explosión tal como se

muestra a continuación:

4.1.1. Compuestos inflamables

En este tipo de explosión existen dos posibles efectos:

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8

o El primero resulta en un flash fire o una explosión de nube de vapor, debido a

que el tanque presente una falla por corrosión, fatiga, ó, que la temperatura del

compuesto en el interior del contenedor no esté en condiciones súper calientes.

o La otra posibilidad es que se genere un fireball, siempre y cuando la explosión

se deba a una envoltura de fuego externa y cercana al recipiente, ó, el origen

del BLEVE sea un golpe de un fragmento. Un ejemplo de este tipo de explosión

es el propano.

4.1.2. Compuestos no inflamables

Este tipo de compuestos se puede dividir en dos, dependiendo de la naturaleza del

químico:

Tóxicos

Este tipo de explosión, presenta una dispersión de una nube de gas tóxica. No hay

fireball. Un ejemplo de este tipo de BLEVE es amoníaco.

No tóxicos

Por lo general este tipo de explosión posee gran cantidad de energía almacenada. No

se presenta fireball. Un ejemplo de este tipo de explosión es el dióxido de carbono.

4.2. MECANISMO DE UN BLEVE

Para entender cómo se llega a una explosión tipo BLEVE, es pertinente analizar el

proceso que sigue el tanque, el fluido y las condiciones necesarias que debe tener la

sustancia para que esta logre llegar a producir una explosión de este tipo.

Si el recipiente sufre corrosión o fatiga, se puede producir un flash fire, ó, una

explosión de nube de vapor. Cuando el tanque es golpeado por un misil, la explosión

es instantánea, con una gran posibilidad de obtener un fireball. Si por el contrario, el

tanque es calentado por un fuego externo, la presión dentro del recipiente aumentará,

se inicia una disminución en la cantidad de líquido y se incrementa el volumen de la

fase vapor, hasta que el tanque falle (incluso con el correcto funcionamiento de la

válvula de seguridad). Una vez esto sucede, ocurre una despresurización instantánea,

lo que genera dos posibilidades:

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9

o La sustancia almacenada se encuentre por encima de su punto de ebullición a

presión atmosférica (es decir súper crítico). En este caso se presentará nucleación

homogénea instantánea.

o El compuesto en el interior del tanque se encuentre por debajo de su punto de

ebullición a presión atmosférica. En este caso se presentará una vaporización,

dando lugar a un flash fire o una explosión de nube de vapor. [13]

Reid propuso la teoría de los líquidos súper críticos, en la cual enuncia: “Cuando se

transfiere calor al líquido, la temperatura de la sustancia se incrementa, el compuesto

alcanza el punto de ebullición y el líquido comienza a formar burbujas de vapor en los

sitios activos.3 [8, 9] Cuando no hay suficientes sitios de nucleación en el líquido, su

punto de ebullición puede ser excedido, sin que éste hierva. En este caso se presenta

el estado denominado súper crítico. Existe un límite a una presión por encima de la

cual, la sustancia no puede estar súper crítico. Cuando este límite es alcanzado, las

burbujas de vapor microscópicas se desarrollan en el líquido puro sin lugares de

nucleación.” [3, pág. 158]

Posterior a la despresurización instantánea, ocurrirá la explosión y el rompimiento del

tanque, generando una onda de sobre-presión, proyectiles y la creación de un fireball.

[13] En la siguiente figura se muestra el diagrama de fallas para fluidos tóxicos, no

tóxicos e inflamables, mostrando las ramas únicamente de los compuestos

inflamables, puesto que este trabajo se centra en este tipo de químicos.


Figura 1. Diagrama de árbol de falla del BLEVE de un líquido inflamable.

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10

4.3. ¿QUE PELIGROS TIENE UN BLEVE EN BOGOTA?

Bogotá, al ser una ciudad que está cambiando constantemente, exige una gran

demanda energética y petrolera. Por esta razón que se han ubicado sectores

destinados única y exclusivamente al almacenamiento de hidrocarburos, sin tener en

cuenta los diferentes riesgos que esta actividad acarrea para la zona y sus habitantes.

Como se mencionó anteriormente, dependiendo de la naturaleza química del

compuesto que se encuentra almacenado, un BLEVE, va a presentar diferentes tipos

de peligro para las zonas aledañas al epicentro de la explosión. Por ejemplo, si se

tiene un compuesto inflamable como el propano bajo las condiciones para que ocurra

un BLEVE, se van a presentar los siguientes peligros:

o Onda de sobre-presión.

o Generación de fragmentos.

o Fireball.4

En zonas en donde los gases licuados de petróleo son almacenados, se puede

determinar el riesgo elevado que tiene la población y la infraestructura.

Figura 2 Distancias de separación: la línea blanca equivale a 197.50 metros; la línea punteada es de 201.25 metros; la línea negra es de 164.67 metros.5

4 El fireball no va a ser objeto de estudio en este trabajo. 5 Google Earth (2008). Parque de almacenamiento de hidrocarburos, Bogotá, Colombia. Recuperado el 26 de Septiembre de 2008.

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11

La figura anterior, solo con observar el pequeño distanciamiento que existe entre la

cárcel Modelo (197.50 metros), diferentes tanques de almacenamiento de dichos

gases (201.25 metros) y un batallón del ejército nacional en el cual guardan

municiones (164.67 metros); con recipientes destinados para el depósito de

hidrocarburos. El corto distanciamiento que hay entre las diferentes infraestructuras y

una zona de almacenamiento de hidrocarburos contigua a la de interés, mostrando así

el riesgo tan elevado que se tiene si alguno de estos recipientes llegan a sufrir alguna

contingencia para que surja una explosión.

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5. ONDA DE SOBRE-PRESION

Una de las condiciones necesarias para que exista un BLEVE, es que la temperatura

del fluido al interior del tanque, tiene que estar por encima de su temperatura súper

caliente, la cual bajo el modelo de Redlich-Kwong se obtiene mediante la siguiente

correlación:

��

Existen otras correlaciones, para determinar la temperatura súper caliente, pero en

este trabajo, se utiliza la expresada por Redlich-Kwong, porque el porcentaje de error

que esta arroja es inferior al 2%, en la mayoría de los compuestos trabajados.

Mientras que el error porcentual dado por otras correlaciones es superior.

Una implicación de este factor es que la onda de sobre-presión que se va a generar

debido a la explosión va a tener un mayor rango de afectación, debido a la alta energía

que tiene el compuesto y el cumplimiento de este componente hace que la explosión

sea un BLEVE y no una explosión de distinto tipo, tal como una nube de vapor (UVCE)

o flash fire.

5.1. DESCRIPCION DE LOS METODOS QUE SE VAN A UTILIZAR

Los métodos trabajados son los más utilizados en la actualidad para obtener un

estimativo acerca del posible alcance máximo a la onda de sobre-presión. El primero

es el método propuesto por Baker [15], el cual tiene en cuenta las propiedades

termodinámicas de la sustancia en condiciones de saturación. El segundo método [16],

utiliza el cálculo de la energía propuesta por Brode, el cual tiene en cuenta la presión

en el momento de ruptura del tanque, la presión atmosférica el radio de calores

específicos.

5.1.1. Método de fluidos no ideales de Baker

El primero es propuesto por Baker, en el que se consideran las propiedades

termodinámicas de la sustancia (en equilibrio líquido-vapor), lo que permite establecer

el comportamiento no ideal del fluido contenido. Para desarrollar este método, primero

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13

se debe calcular la energía interna en el momento de la falla, la cual se calcula por

medio de la siguiente ecuación:

�� !��"�� # � �# � �# �� !��"��

donde la ecuación 3.1 es para la fase líquida, y la ecuación 3.2 para la fase vapor.

Luego, se procede a calcular la energía interna del líquido y vapor en estado en

expansión a condiciones atmosféricas, utilizando la siguiente ecuación:

�$ � �� %�� & %�# � �� %��'�� %��'�# �� !�� Donde

% � (� � (�(# � (� ��

� ) % ) ��

Una vez obtenidas la energía interna en el estado 1 y 2 para ambas fases, se procede

a calcular el trabajo específico, por medio de la siguiente ecuación:

*+,-� � ��-� � �$-� �� !�� *+,-# � ��-# � �$-# �� !��

es necesario calcular la masa del líquido y del vapor, lo cual se hace utilizando las

propiedades termodinámicas de la sustancia a condiciones de la ruptura (p1). Para

esto se debe considerar el porcentaje de llenado del tanque.

.� � /�00*1234 �� 5��

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14

.# � �� /�00*1234� ��# �� 5��

Ahora, se calcula la energía en expansión, la cual viene dada por la siguiente fórmula:

678�9: � � *+, .� ��; �� <��=�

La ecuación 7, debe aplicarse tanto para el líquido, como para el vapor. Por último, se

debe sumar la energía en expansión obtenida del líquido con la que resulte para el

vapor, para así, calcular la energía en expansión total. Con dicha energía se calcula la

distancia escalada, la cual permite calcular la sobre-presión escalada y el impuso

escalado, donde las ecuaciones con las que se calculan estos dos últimos, es común

para ambos métodos.

>? � @ A �'678�9:B�C ��

5.1.2. Método básico de Baker

Este es un método de estimación rápida, en el cual se tiene como único parámetro

termodinámico el CP y el CV, para determinar la razón de calor específico (γ).

D � EFEG �� Este procedimiento, trabaja con el cálculo de la energía de Brode6 [17] modificada,

678�9H � �� '� ��D � �� ; �� <��

Donde el 0.80 equivale al 80% de la energía total disponible para la onda de

sobrepresión. El cálculo de la distancia escalada es similar al de fluidos no ideales,

pero este procedimiento, es sometido a una corrección cuando >? es menor a 2, debido

6 Brode, propuso definir la energía de explosión, como la energía que debe ser utilizada para presurizar un volumen inicial de presión atmosférica a una presión determinada. Es decir el aumento de la energía interna entre dos fases. En anexos se encuentra la demostración de dicha ecuación. [3]

IQ-2009-I-49

15

a que este da un valor sobre-estimado para la sobrepresión. A continuación se

muestran las ecuaciones:

>? � @ A �'678�9HB�C ��

Si >? I �, entonces

@' � �" �� J!�C ��.��

>? � @' A �'678�9HB�C ��

A partir de este punto, el proceso para ambos métodos es igual.

Para determinar la sobre-presión escalada y el impulso escalado, se puede revisar las

gráficas presentadas en los anexos, ó, se puede utilizar las siguientes ecuaciones, las

cuales son obtenidas a partir de una regresión aplicada a las gráficas ya

mencionadas.7

KLM � �""�� & �� >?$��

N O � �� & �5��=5� >?$��"� Un factor de gran importancia, es la forma que tiene el tanque. Dependiendo de la

geometría de éste, se hacen las siguientes correcciones:

Tanques cilíndricos

PM Multiplicar por

K�M N O <0.3 4 2

≥≥≥≥ 0.3, ≤≤≤≤ 1.6 1.6 1.1

> 1.6, ≤≤≤≤3.5 1.6 1

> 3.5 1.4 1

Tabla 3. Corrección de sobrepresión escalada e impulso escalado, para tanques cilíndricos.

7 La demostración de la obtención de dichas ecuaciones, se presenta en el anexo.

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16

Tanques esféricos

PM Multiplicar por

P's I'

< 1 2 1,6

> 1 1,1 1

Tabla 4. Corrección de sobrepresión escalada e impulso escalado, para tanques esféricos.

Una vez corregidos los factores escalados, se procede a calcular el pico de sobre-

presión y el impulso, por medio de las siguientes ecuaciones:

�� ' � K�M �'��K2��

QL � N O �'$ CR 678� CR2' ��K2 S��

Por último, se debe corregir el valor de pS, de la siguiente forma:

Si

�� T ��K2��5�

Entonces, el valor de pS, toma el valor de p1. Esta corrección es imperativa, dado que

es físicamente imposible que el valor de pS sea mayor al valor de la presión interna en

el tanque en el momento de la falla.

Al comparar los métodos utilizados en este trabajo, se obtienen las siguientes ventajas

y desventajas para cada uno.

Método Básico Método de fluidos no ideales

Ventajas

Permite realizar una estimación rápida de los parámetros de la onda de sobre-presión

Toma en cuenta la energía disponible del líquido y del vapor por separado y, luego las combina.

Considera la forma del tanque almacenador


Considera el comportamiento real de la sustancia


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17

Desventajas

No considera el comportamiento real de la sustancia

Se necesita tener las propiedades termodinámicas de la sustancia, especialmente en el equilibrio líquido-vapor.

El tanque está ubicado sobre una superficie plana

El tanque se encuentra separado de obstáculos que puedan interferir con la dispersión de la onda de sobrepresión

No toma en cuenta la energía disponible del líquido y del vapor por separado.

Tabla 5. Ventajas y desventajas del método básico y del método de fluidos no ideales.

IQ-2009-I-49

18

6. FRAGMENTOS

Cuando sucede una explosión tipo BLEVE un gran número de fragmentos, sin forma

definida, son arrojados con una velocidad considerable. Estos proyectiles pueden

recorrer grandes distancias8, provocar daños en estructuras alejadas a la explosión,

ocasionar efectos devastadores en personas y generar efectos dominó.

En los últimos años, se han realizado varios experimentos para determinar el número

de fragmentos y las condiciones iniciales que van a presentar los fragmentos, para

poder determinar el alcance que van a tener los proyectiles.9 Entre estos estudios, se

destacan los siguientes

o Stawczyk [18] colocó gases licuados de petróleo en tanques cilíndricos con

capacidades entre 5 y 11 Kg. Concluyó, que los recipientes se rompían entre tres y

cinco partes grandes y, bastantes partes pequeñas.

o Schulz-Forberg, realizó tres ensayos en tanques esféricos con capacidad de 4.85

m3. Cada uno de estos recipientes, los llenó con n-butano hasta la mitad de su

volumen. Los resultados logrados fueron tres, cinco y nueve fragmentos en cada

una de las pruebas [19].

Para realizar el análisis de fragmentos debidos a un BLEVE, es necesario calcular la

energía cinética, para luego estimar la velocidad inicial que van a tener los proyectiles

y así la distancia alcanzada queda en función del ángulo con el que el fragmento sale

expulsado de la superficie.

6.1. DESCRIPCION DE LOS METODOS QUE SE VAN A UTILIZAR

En toda explosión se generan fragmentos o misiles del tanque, los cuales salen

propulsados del epicentro absorbiendo entre el 20% y el 50% de la energía liberada.

8 La distancia recorrida por los proyectiles se va a ver afectada por las fuerzas de gravedad y dinámica de fluidos. Los efectos de estas fuerzas dependen de la forma que tengan los fragmentos y de la dirección del movimiento de los proyectiles con respecto al viento.[3] 9 Cabe anotar que la distancia que alcancen los proyectiles, se puede modelar como un movimiento parabólico.

IQ-2009-I-49

19

Esta investigación, ha sido enfocada a gases ideales. Los métodos utilizados

actualmente, fueron propuestos por Brode [20], Baum [3, 21], los cuales asumen una

expansión adiabática.

6.1.1. Método de Brode

El método propuesto por Brode, consiste en calcular la energía disponible por medio

de la siguiente ecuación:

69H � �� '� �D � � �� =�

Para este método, se va a asumir una transformación de la energía resultante en la

ecuación 17 del 20%, puesto que esta energía también es usada para la onda de

sobre-presión. Es decir, la energía cinética disponible para los fragmentos es:

69H�U � �� 69H ��

Ahora se procede a calcular la energía escalada, la cual es un factor adimensional:

6? � A � 69H�U<VWXYZ7 2'-[$ B'�\ ��

donde

2'-[$ � D>�K< �� A.$S$ B ��

6.1.2. Método de Baum y Baum modificado

Para el método propuesto por Baum, se desarrolla de la siguiente manera:

69:]^ � �� D � � ��

Donde el factor K, es la única diferencia entre el método desarrollado por Baum y el

modificado. Para el método de Baum, se tiene que:

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20

� � � ��'��!�_-�� _R ��

Mientras que para Baum modificado, se tiene que:

� � � ��'��!_-�_ & �D � �� '�� `� � a�'��b

-�_ c��"�

El valor de K, calculada en la ecuación 23 también es adimensional. Este método

permite distribuir entre el 20% y el 50% de la energía total a energía cinética disponible

para los fragmentos, Es decir, la energía cinética disponible para los proyectiles es:

69:]^�U � /�*1*@ Q2 69:]^��

6.1.3. Cálculo de la energía escalada, la velocidad inicial de los fragmentos y

rangos de distancias alcanzadas

Ahora se procede a calcular la energía escalada, la cual es un factor adimensional:

6? � A � 69:]^�U<VWXYZ7 2'-[$ B'�\ ��

Una vez calculada la energía escalada, se procede a determinar la velocidad inicial de

los fragmentos, donde se tienen en cuenta las siguientes consideraciones:

Si 6? I ��, entonces

� � d � 6U<VWXYZ7 ��e.S f��5� De lo contrario

� � ��d 69H g<VWXYZ7 �� e.S f��=�

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21

Donde G, depende de la geometría del tanque. Para un tanque esférico,

g � �� & "E�<VWXYZ7

��

Para un tanque cilíndrico,

g � �� & E�<VWXYZ7

��

Una vez calculada la velocidad inicial de los proyectiles, se procede a calcular el rango

que estos pueden alcanzar. Para esto, se asume que el comportamiento que tienen

los fragmentos es descrito por el movimiento parabólico en dos dimensiones, donde la

distancia horizontal está dada por la siguiente ecuación [2]:

> � hi$SQ1��ji� ��.��"��

Y la distancia vertical:

� � hi$SQ1�ji�$� ��.��"��

Cabe anotar que a un αi igual a 45°, se alcanza la distancia horizontal máxima.

IQ-2009-I-49

22

7. CONSECUENCIAS DE UNA ONDA DE SOBRE-PRESION DE UNA EXPLOSION

TIPO BLEVE

En el momento de analizar una onda de sobre-presión, se deben tener en cuenta los

daños que esta pueden causar en las estructuras y los efectos sobre las personas.

Este tipo de ondas, depende de la duración de la onda y de la posición, puesto que la

presión se va reduciendo a medida que se aleja del epicentro.

7.1. DAÑOS ESTRUCUTRALES

Existen varias formas de clasificar los daños en las estructuras debido a una onda de

sobre-presión. Una categorización está dada por Stephens, quien establece cuatro

zonas diferentes, dependiendo de los daños causados por la presión [22]:

Zona Nivel de daño Side-on-peak (KPa)

A Destrucción total >83

B Daño severo >35

C Daño moderado >17

D Daño reducido >3,5

Tabla 6. Niveles de daño.

Glasstone, propuso una tabla más completa [23]. En esta describió la presión

necesaria para generar los diferentes daños debidos a la onda de sobre-presión: Intervalo de

presión (Kpa)

Tipo de daño sugerido por Glasstone

> 70 Destrucción total de edificios. Maquinaria pesada movida y dañada seriamente

70 – 60 Tren cargado en sus vagones es demolido totalmente

60 – 50 Paneles no reforzados de ladrillo (25 - 35 cm de ancho) fallan por flexión o esfuerzos

50 Los carros cisterna cargados son volteados

50 – 35 Cercano a destrucción completa de casas

35 Prensa hidráulica en construcciones dañada levemente. Postes de madera encajados a presión

35 – 30 Ruptura del revestimiento ligero industrial

30 – 20 Ruptura de tanques de almacenamiento. Edificios demolidos

20 Las máquinas pesadas en edificios industriales sufrieron poco daño. Construcciones de acero se tuercen, se dañan los soportes de acero

20 – 15 Rompimiento de concreto no reforzado. Límite más bajo de daño estructural serio. Destrucción del 50% de las casas de ladrillo

15 Colapso parcial de paredes y techos de casas

15 - 10 Torcimiento de los soportes de acero en los edificios

15 – 7 Corrugación de paneles de acero y aluminio, fatiga de estos. Se presenta falla en los paneles de madera

8 Demolición parcial de casas. Se vuelven inhabitables

IQ-2009-I-49

23

7 – 3,5 Rompimiento de ventanas grandes y pequeñas. Daño en los marcos de las ventanas

3,5 – 3 Daños estructurales menores

3 – 2 Distancia segura. 10% ventanas rotas. Probabilidad de 0.95 de no tener daños serios alejado de este valor

2 – 1 Umbral para el rompimiento de vidrio

1 – 0,7 Falla de ventanas bajo esfuerzos

0,7 – 0,3 Falla de vidrio por estallido sónico

0,3 –0,2 Rompimiento de vidrios grandes bajo esfuerzos

0,2 – 0,15 Sonido molesto

Tabla 7. Daño producido por una onda de sobre-presión.

Al haber una explosión, también se tiene que tener en cuenta los daños producidos

por el impulso generado por la misma. Los daños estructurales que este puede

generar están clasificados en una tabla similar a la propuesta por Stephens y viene

dada de la siguiente forma:

Zona Nivel de daño Impulso (Pa*s)

A Destrucción total >27735,5 B Destrucción parcial >13000 y <27735,5 C Daño moderado >11000 y <13000 D Daño menor >6000 y <11000

Tabla 8. Daño en estructuras producido por el impulso generado por la explosión.

7.2. EFECTOS EN HUMANOS

Se pueden distinguir dos tipos de efectos sobre las personas, los directos (también

conocidos como los primarios) y los indirectos.

Efectos directos Efectos indirectos

Causas Se deben al súbito incremento debido al paso de las ondas de sobre-presión.

Se deben al impacto de fragmentos que no provienen de la explosión.

Lesiones en personas

En órganos sensitivos tales como los pulmones y oídos.

Cortaduras o impactos de gran magnitud sobre las diferentes partes del cuerpo causando distintos tipos de lesiones e incluso la muerte.

Tabla 9. Efectos de la explosión sobre humanos.

Estos efectos se subdividen en primarios, secundarios y terciarios, dependiendo de los

tipos de lesiones que se den en las personas; por ejemplo, los primarios son los que

afectan los órganos sensitivos tales como pulmones y oídos, causando la muerte o la

pérdida del sentido auditivo, respectivamente.

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24

Los efectos secundarios son los que resultan de las cortaduras o penetraciones en la

piel, de golpes fuertes debidos al impacto de fragmentos; y los efectos terciarios son el

resultado del viento generado por la explosión [3].

La siguiente tabla, muestra la magnitud de side-on-peak que se necesita para que los

efectos primarios en humanos tales como ruptura de tímpano, daños en pulmones y

letalidad sucedan10:

Side-on-peak (Pa) Efectos en humanos

34.475 – 103.425 Umbral ruptura de tímpano 103.425 – 137.900 50% mayores de 20 anos ruptura tímpano 206.850 – 241.325 50% menores de 20 anos ruptura tímpano 55.160 – 103.425 Umbral daño en pulmones 137.900 – 206.850 Daño severo en los pulmones 206.850 - 344.750 Umbral Letalidad 344.750 - 517.125 50% de Letalidad

> 517.125 100% de Letalidad Tabla 10. Efectos primarios en humanos debidos a la onda de sobre-presión.

También se tiene que tener en cuenta los efectos sobre humanos, producidos por el

impulso generado por la misma explosión. A diferencia de los registrados en la tabla 7,

el impulso, afecta únicamente los pulmones, es decir, no afecta el sentido auditivo, tal

como se muestra en la siguiente tabla:

Zona Nivel de daño Impulso (Pa*s)

A 100% letalidad >99000 B 50% letalidad >72000 y <99000 C Umbral letalidad >51000 y <72000 D Umbral daño pulmonar >16600 y <51000

Tabla 11. Efectos en humanos debidos al impulso generado por la explosión.

10 Este trabajo se va a focalizar en los efectos primarios sobre humanos.

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25

8. SIMULACION DEL BLEVE

Para realizar la simulación de los efectos generados por un BLEVE, tales como la

onda de sobre-presión y el rango de distancia que alcanzarán los fragmentos, se hace

uso de la herramienta computacional Microsoft Excel ®. A continuación se explica el

uso de la macro elaborada en dicho programa.

8.1. MACRO PARA LA EVALUACION DE LA ONDA DE SOBRE-PRESION E

IMPULSO

Para simular el comportamiento de esta onda, se utilizó el método propuesto por Baker

[15], para gases no ideales.

La macro realizada, le permite al usuario ingresar datos de presión atmosférica y

presión de la válvula de seguridad (en mmHg, atm, bar, MPa y Pa), volumen del

tanque (en cm3, ft3, litros, galones y m3), la forma del tanque (cilíndrica, ó, esférica), así

como el evento inicial de la generación del BLEVE, lo cual implica factores de

corrección:

o Para mal funcionamiento de la válvula de seguridad, se trabaja con un factor de

corrección de 4.

o Para exposición del tanque a un fuego externo, se utiliza un factor de corrección de

1.21.

o Cuando se debe a corrosión o impacto de un misil, se trabaja con un factor de

corrección de 1.

Lo anterior le permite al programa realizar el cálculo automático de la presión en el

interior del tanque en el momento de la falla, p1, por medio de la siguiente ecuación: 11

�� ' & k2lm4@�3*�E4@@*lQ41 �G��K2��"��

11 los recuadros rellenos de color blanco, son los que el usuario debe ingresar

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26

En la siguiente hoja de cálculo de la macro (Prop Termo), el programa calcula los

valores de las propiedades termodinámicas del propano como líquido saturado a las

condiciones descritas por el usuario en la hoja de condiciones. Opcionalmente, el

usuario puede ver la tabla de propiedades del propano desde una temperatura de

85.5°K (punto triple del propano) hasta 369.8°K (punto crítico del propano) con una

separación de un grado centígrado a partir de 86°K hasta 369°K.

.

Una vez calculadas las propiedades termodinámicas, el usuario debe ingresar el

porcentaje de volumen de llenado del tanque (es la única celda de color blanco en la

Figura 3. Hoja de ingreso de condiciones por parte del usuario.

Figura 4. Hoja de propiedades termodinámicas del propano saturado.

IQ-2009-I-49

27

hoja Etotal). El programa calcula automáticamente la energía total que se va a obtener

en la onda de sobre-presión.

Por último, el usuario puede ingresar una distancia objetivo o target (esto es opcional)

en la hoja de cálculo nombrada side-on-peak, en alguna de las unidades ahí

especificadas (pies, kilómetros, millas, o metros), para que el programa calcule la

sobre-presión side-on-peak, y luego continuar para determinar los daños estructurales

y efectos en los humanos a esa distancia.

Figura 5. Hoja que calcula la energía del líquido y vapor. Por último calcula la energía total. El usuario tiene que especificar el porcentaje de llenado del tanque.

Figura 6. Hoja de side-on-peak. Calcula la sobrepresión y el impulso a determinada distancia.

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28

Cabe anotar que la forma del tanque, permite hacer corrección a los factores del

impulso escalado (I’) y sobre-presión escalada (P’S), por lo cual es un factor importante

que toca definir en la hoja de condiciones.

También se realizó una macro para el método que utiliza el cálculo de la energía por

medio de la ecuación propuesta por Brode (ecuación 14) [16, 17]. En esta hoja el único

dato que tiene que ingresar el usuario es la temperatura ambiente en grados

centígrados, tal como se muestra a continuación:

Para determinar el daño estructural, el programa realiza una iteración mostrando las

distancias con alto, medio y bajo potencial de peligro. El programa también da al

usuario la posibilidad de realizar una gráfica de dichas distancias teniendo en cuenta

los parámetros dados por Stephens y Glasstone.

Por último, la macro da la opción al usuario de ver el comportamiento de la onda de

sobre-presión vs distancia12, obteniendo un perfil de dispersión de dicha onda, tal

como se muestra a continuación:

12 Este perfil es válido únicamente hasta un valor de sobre-presión máximo de 70 kPa.

Figura 7. Cálculo de la energía por medio de la ecuación 14 (Brode).

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29

Esta hoja, también permite al usuario ver los efectos que tiene el impulso sobre la

estructura, detallándolo en cuatro zonas, destrucción total, daño severo, daño

moderado y daño menor; tal como se muestra a continuación:

Figura 8. Daños propuestos por Stephens y Glasstone con un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica.

Figura 9. Tipo de daño sugerido por Stephens, y perfil de la onda de sobre-presión vs distancia valido únicamente hasta un valor máximo de sobre-presión de 70 kPa.

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30

Para observar el efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión, el programa

realiza una operación similar a la de daños estructurales, generando unos intervalos

de distancias en los que se encuentra determinado efecto sobre el organismo, tal

como se muestra en la siguiente figura:

También da la posibilidad de representar mediante un gráfico, los radios

correspondientes a los diferentes límites de afectación:

Figura 10. Tipo de daño sugerido por Glasstone y efectos del impulso sobre la estructura.

Figura 11. Intervalos de distancias de afectación en humanos con un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica.

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31

Este programa realiza el mismo procedimiento para el daño en estructuras y los

efectos sobre humanos con el método básico.

8.2. MACRO PARA LA EVALUACION DEL RANGO DE DISTANCIA DE LOS

FRAGMENTOS

Las hojas de condiciones, propiedades termodinámicas, y energía total de este libro de

Microsoft Excel ®, son iguales a las de la macro de sobre-presión.

En la hoja de velocidad inicial, el usuario tiene la posibilidad de variar el radio de calor

específico (γ), debe ingresar la masa del tanque almacenador en kilogramos, el

porcentaje de la energía destinada a los fragmentos y la temperatura ambiente.13 Por

último en la hoja de rango de fragmentos, se muestra los alcances que pueden llegar a

tener los fragmentos, teniendo en cuenta que el máximo alcance se da cuando los

proyectiles salen lanzados a un ángulo de 45 grados. Se realiza una distribución del

rango que puede llegar a alcanzar los fragmentos, para determinar en qué porcentaje

es más probable que alcance el misil. Esto se muestra con cada uno de los tres

métodos mencionados anteriormente.

13 Este valor debe estar entre el 20% y el 50%, sino se encuentra entre estos valores, el programa marca un error al momento de calcular de velocidad inicial de los fragmentos.

Figura 12. Efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión y el impulso generado por dicha onda.

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32

Figura 13. Calculo de la velocidad inicial para un tanque de 100.000 galones, 95% de llenado del tanque presión de la válvula de seguridad de 1.9 MPa y 564 mmHg de presión atmosférica

Figura 14. Cálculo de la velocidad inicial de los fragmentos y distribución de su alcance variando los ángulos de lanzamiento.

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33

9. SIMULACION GENERAL A CONDICIONES ATMOSFERICAS DE BOGOTA

A continuación se presentan los resultados que dan la simulación de la onda de sobre-

presión y de generación de fragmentos, estableciendo como valores iniciales los

siguientes:

o Presión atmosférica: 564 mmHg

o Volumen del tanque: 10.000 galones

o Presión válvula seguridad: 1,9 MPa

o Factor de corrección: 1,21 (Exposición al fuego)

o Forma del tanque: Cilíndrica

o Temperatura ambiente: 20°C.

En ambos casos se asume el mismo volumen de llenado (95%), con el que se obtiene

una masa de líquido de 14,877.92 kg y una masa de vapor de 108.28 kg. Con estos

datos el programa calcula la energía total para la onda de sobre-presión, la cual es

2512.39 MJ.

9.1. ONDA DE SOBRE-PRESION

Como resultado, se obtiene una presión en el momento en el que se fractura el tanque

de 2.37*106 Pa. Es necesario evaluar las propiedades termodinámicas a dos

presiones. A la presión atmosférica ingresada por el usuario y a la presión que se

obtuvo en el momento en que se fractura el tanque. Presión Atmosférica

T(K) T (°C) P0 (bar) P0 (Pa) Vf (m³/kg) Vg (m³/kg) Hf (kJ/kg) Hg (kJ/kg) Sf (kJ/kg*K) Sg (kJ/kg*K)

224,1 -49,05 0,75 75193,82 0,001699 0,57182 406,02 840,98 3,80 5,75

Tabla 12. Propiedades del propano a 564 mmHg.

Presión en el momento de la falla

T(K) T (°C) P1 (bar) P1 (Pa) Vf (m³/kg) Vg (m³/kg) Hf (kJ/kg) Hg (kJ/kg) Sf (kJ/kg*K) Sg (kJ/kg*K)

338,6 65,5 23,74 2374194 0,002412 0,01766 709,82 953,35 4,87 5,59

Tabla 13. Propiedades del propano a 2,39*106 Pa.

Con los valores obtenidos de energía y masa de gas y vapor del propano, el programa

realiza el cálculo del sobre-presión side-on-peak, para las diferentes distancias.

IQ-2009-I-49

34

Seguidamente se muestra la distancia máxima a la que puede llegar a ocurrir algún

efecto debido a la onda de sobre-presión en estructuras y en humanos.

9.1.1. Daños en estructuras por medio del método de fluidos no ideales

Como se mencionó anteriormente, se han propuesto dos formas de representar los

datos en estructuras. A continuación se presentan los daños estructurales según

Glasstone para la onda de sobre-presión calculada por el método de Baker:

Distancia (m) Tipo de daño sugerido por Glasstone y a que distancia ocurre

29,40 Destrucción total de edificios. Maquinaria pesada movida y dañada seriamente

31,65 Tren cargado en sus vagones es demolido totalmente

34,54 Paneles no reforzados de ladrillo (25 - 35 cm de ancho) fallan por flexión o esfuerzos

34,54 Los carros cisterna cargados son volteados

40,96 Cercano a destrucción completa de casas

40,96 Prensa hidráulica en construcciones dañada levemente. Postes de madera encajados a

presión

44,10 Ruptura del revestimiento ligero industrial

53,53 Ruptura de tanques de almacenamiento. Edificios demolidos

53,53 Las máquinas pesadas en edificios industriales sufrieron poco daño. Construcciones de acero se tuercen, se dañan los soportes de acero

61,43 Rompimiento de concreto no reforzado. Límite más bajo de daño estructural serio. Destrucción del 50% de las casas de ladrillo

61,43 Colapso parcial de paredes y techos de casas

74,57 Torcimiento de los soportes de acero en los edificios

88,44 Corrugación de paneles de acero y aluminio, fatiga de estos. Se presenta falla en los paneles de madera

82,97 Demolición parcial de casas. Se vuelven inhabitables

115,58 Rompimiento de ventanas grandes y pequeñas. Daño en los marcos de las ventanas

124,42 Daños estructurales menores

151,04 Distancia segura. 10% ventanas rotas. Probabilidad de 0.95 de no tener daños serios alejado de este valor

210,40 Umbral para el rompimiento de vidrio

249,55 Falla de ventanas bajo esfuerzos

374,00 Falla de vidrio por estallido sónico

454,28 Rompimiento de vidrios grandes bajo esfuerzos

521,18 Sonido molesto

Tabla 14. Distancias – daños con sus respectivos intervalos de presión. Propuesta por Glasstone. Método de fluidos no ideales.

A continuación se presenta la clasificación propuesta por Stephens, con sus

respectivas distancias para el cálculo de la onda de sobre-presión por el método de

Baker:

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35

Sugerido por Stephens

Distancia (m) Zona Tipo de daño

27,10 A Destrucción total

40,96 B Daño severo

57,86 C Daño moderado

115,58 D Daño reducido

Tabla 15. Distancias – daños con sus respectivos intervalos de presión. Propuesta por Stephens. Método de

fluidos no ideales.

9.1.2. Efectos en humanos por medio del método de Baker

En humanos, se presenta el siguiente comportamiento:

Intervalo de distancia (m) Tipo de efecto sobre los humanos

41,26 En adelante No pasa nada grave debido a la sobre-presión

24,40 41,26 Umbral ruptura de tímpano

21,26 24,40 50% mayores de 20 anos ruptura tímpano

24,40 32,95 Umbral daño en Pulmones

17,51 21,26 Daño severo en los Pulmones

13,72 21,26 Umbral Letalidad

11,30 13,72 50% de Letalidad

0 11,30 100% de Letalidad

Tabla 16. Distancias – efectos sobre humanos, debidos a la onda de sobre-presión. Método de fluidos no ideales.

9.1.3. Daños en estructuras por medio del método de Brode

A continuación se presentan los daños estructurales según Glasstone para la onda de

sobre-presión calculada por el método de Brode a una temperatura ambiente de 17°C:

Distancia (m) Tipo de daño sugerido por Glasstone y a que distancia ocurre

22,17 Destrucción total de edificios. Maquinaria pesada movida y dañada seriamente

23,86 Tren cargado en sus vagones es demolido totalmente

26,04 Paneles no reforzados de ladrillo (25 - 35 cm de ancho) fallan por flexión o esfuerzos

26,04 Los carros cisterna cargados son volteados

30,88 Cercano a destrucción completa de casas

30,88 Prensa hidráulica en construcciones dañada levemente. Postes de madera encajados a presión

33,24 Ruptura del revestimiento ligero industrial

40,36 Ruptura de tanques de almacenamiento. Edificios demolidos

IQ-2009-I-49

36

40,36 Las máquinas pesadas en edificios industriales sufrieron poco daño. Construcciones de acero se tuercen, se dañan los soportes de acero

46,31 Rompimiento de concreto no reforzado. Límite más bajo de daño estructural serio.

Destrucción del 50% de las casas de ladrillo

46,31 Colapso parcial de paredes y techos de casas

56,22 Torcimiento de los soportes de acero en los edificios

66,67 Corrugación de paneles de acero y aluminio, fatiga de estos. Se presenta falla en los paneles de madera

62,55 Demolición parcial de casas. Se vuelven inhabitables

87,13 Rompimiento de ventanas grandes y pequeñas. Daño en los marcos de las ventanas

93,80 Daños estructurales menores

113,86 Distancia segura. 10% ventanas rotas. Probabilidad de 0.95 de no tener daños serios alejado de este valor

158,61 Umbral para el rompimiento de vidrio

188,12 Falla de ventanas bajo esfuerzos

281,94 Falla de vidrio por estallido sónico

342,46 Rompimiento de vidrios grandes bajo esfuerzos

392,89 Sonido molesto

Tabla 17. Distancias – daños con sus respectivos intervalos de presión. Propuesta por Glasstone. Método de Brode

A continuación se presenta la clasificación propuesta por Stephens, con sus

respectivas distancias para el cálculo de la onda de sobre-presión por el método de

Brode:

Sugerido por Stephens

Distancia (m) Zona Tipo de daño

20,43 A Destrucción total

30,88 B Daño severo

43,62 C Daño moderado

87,13 D Daño reducido

Tabla 18. Distancias – daños con sus respectivos intervalos de presión. Propuesta por Stephens. Método de

Brode.

9.1.4. Efectos en humanos por medio del método de Brode

En humanos, se presenta el siguiente comportamiento:

Intervalo de distancia (m) Tipo de efecto sobre los humanos

31,10 En adelante No pasa nada grave debido a la sobre-presión

18,39 31,10 Umbral ruptura de tímpano

16,03 18,39 50% mayores de 20 anos ruptura tímpano

18,39 24,84 Umbral daño en Pulmones

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37

13,20 16,03 Daño severo en los Pulmones

10,34 13,20 Umbral Letalidad

8,52 10,34 50% de Letalidad

0 8,52 100% de Letalidad

Tabla 19. Distancias – efectos sobre humanos, debidos a la onda de sobre-presión. Método de Brode.

9.1.5. Comparación entre los métodos

En general, los métodos utilizados para determinar las distancias seguras, en este

trabajo, tienen una buena aproximación a la realidad, a pesar de esto, la diferencia de

resultados entre los dos métodos es de 200 metros.14 Si se sigue el patrón resultante

utilizando la metodología para fluidos no ideales, en cuanto a daños estructurales, esa

diferencia de 200 metros equivale a rompimiento de vidrios por estallido sónico,

rompimiento de vidrios grandes bajo esfuerzos y sonido molesto.

La diferencia porcentual de resultados entre estos métodos, viene dada por la

siguiente tabla:

Diferencia porcentual

Stephens Glasstone Humanos

23,28% 23,28% 23,28% 23,28%

Tabla 20. Diferencia porcentual entre los métodos de cálculo de onda de sobre-presión

Como se puede observar en la tabla anterior, la diferencia porcentual entre ambos

métodos es constante e igual a 23,28%, lo que permite determinar la siguiente relación

para calcular los daños estructurales y efectos en humanos para fluidos no ideales,

teniendo las distancias para el método de Baker:

nkoN � np��=5=��.��""�

Donde DFNI es la distancia de fluidos no ideales y DB es la distancia del método

básico de Baker.15

14 Refiriéndose a distancias de evacuación. 15 Esta ecuación es únicamente válida para el propano

IQ-2009-I-49

38

9.2. GENERACION DE FRAGMENTOS

En esta macro es necesario establecer la temperatura ambiente para que el programa

calcule la velocidad del sonido en el gas a dicha temperatura, el porcentaje de energía

que se va a destinar a los fragmentos (entre el 20% y el 50%), la masa del tanque en

kilogramos y variar el radio de calores específicos si es necesario.

o Temperatura ambiente: 20°C.

o Porcentaje de energía que se va a destinar a los fragmentos: 35%.

o Masa del tanque: 7.500 kilogramos.

o Radio de calores específicos γ: 1,13.

Se realiza una variación de 1 a 45 grados, para determinar el alcance que pueden

llegar a tener los fragmentos, y luego determinar el porcentaje que se encuentra en

ese rango.

9.2.1. Método de Baum modificado

La velocidad inicial que resulta por este método es de 145,43 m y la distancia máxima

alcanzada con estas condiciones es de 2155,95 m. A continuación se muestra la

distribución de fragmentos para determinar cuál es el porcentaje de proyectiles que se

encuentra en los rangos de distancia determinados:

Distribución de Fragmentos

Rango (m) Numero de Fragmentos en ese rango Porcentaje de Fragmentos en ese rango

0 - 1000 13 28,89%

1000 - 1500 9 20,00%

1500 - 2000 12 26,67%

2000 - 2500 11 24,44%

Sumatoria 45 100,00%

Tabla 21. Distribución de fragmentos utilizando la velocidad inicial calculada por el método general.

9.2.2. Método de Baum





IQ-2009-I-49

39


Rango (m) Numero de Fragmentos en ese rango Porcentaje de Fragmentos en ese rango

0 - 1000 19 42,22%

1000 - 1500 15 33,33%

1500 - 2000 11 24,44%


Tabla 22. Distribución de fragmentos utilizando la velocidad inicial calculada por el método de Baum.

9.2.3. Método de Brode






Rango (m) Número de Fragmentos en ese rango Porcentaje de Fragmentos en ese rango

0 - 1000 7 15,56%

1000 - 1500 5 11,11%

1500 - 2000 4 8,89%

2000 - 2500 5 11,11%

2500 - 3000 6 13,33%

3000 - 3500 10 22,22%

3500 - 4000 8 17,78%

4000 - 4500 0 0,00%

4500 - 5000 0 0,00%

5000 - 20000 0 0,00%


9.3. ZONAS DE AFECTACION

Otra forma de mostrar los resultados mostrados obtenidos en la sub-sección anterior,

es gráficamente.

9.3.1. Onda de sobre-presión e impulso utilizando el método de fluidos no

ideales

Daños en estructuras

Como se mencionó anteriormente, el programa realizado en Microsoft Excel ®, le

permite al usuario ver las zonas de afectación gráficamente. Cabe anotar que en la

Tabla 23. Distribución de fragmentos utilizando la velocidad inicial calculada por el método de Brode.

IQ-2009-I-49

figura que muestra los daños descritos por Glasstone, se muestran las zonas de

afectación más relevantes, de lo contrario no sería fácil distinguir entre todas las zonas

afectadas. A continuación se muestran dichos resultados

propuestas).

Figura 15. Tipo de daño sugerido por

-200

Dis

tanc

ia (m

)

Destruccion TotalDano Moderado

40


relevantes, de lo contrario no sería fácil distinguir entre todas las zonas

A continuación se muestran dichos resultados (bajo las mismas condiciones

. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método de fluidos no ideales.

-150

-100

-50

0

50

100

150

-100 0 100 200

Distancia (m)

Tipo de Dano sugerido por Stephens

Destruccion Total Dano SeveroDano Moderado Dano Reducido


relevantes, de lo contrario no sería fácil distinguir entre todas las zonas

(bajo las mismas condiciones

IQ-2009-I-49

Figura 16. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método de fluidos no ideales.

Figura 17. Tipo de daño

-600 -400

Dis

tanc

ia (m

)

Tipo de dano sugerido por Glasstone

Destruccion TotalCarros cisterna volteadosDestruccion completa de casasColapso parcial paredes y techosDemolicion parcial de casas (inhabitables)Danos estructurales menoresProbabilidad de 0,95 de no tener danos serios alejados de este valorUmbral rompimiento de vidrioFalla de vidrios por estallido sonicoSonido molesto

-10

Dis

tanc

ia (m

)

Tipo de dano estructural debido al

Destruccion total

Dano moderado

41


. Tipo de daño debido al impulso utilizando el método de fluidos no ideales.

-600

-400

-200

0

200

400

600

400 -200 0 200 400 600

Distancia (m)



-6

-4

-2

0

2

4

6

-5 0 5 10

Distancia (m)

Tipo de dano estructural debido al impulso

Destruccion total Destruccion parcial

Dano moderado Dano menor


utilizando el método de fluidos no ideales.

IQ-2009-I-49

Efectos en humanos

Al igual que en daños estructurales, los efectos que tienen la onda de sobre

el impulso en humanos, son representados gráficamente. A

dichos resultados:

Figura 18. Efecto en humanos debido al impulso generado por la explosión utilizando el método de fluidos no ideales.

-4

Dis

tanc

ia (m

)

Efectos en humanos debido al

Umbral dano pulmonarUmbral letalidad50% letalidad100% letalidad

42

Al igual que en daños estructurales, los efectos que tienen la onda de sobre

el impulso en humanos, son representados gráficamente. A continuación se muestran

. Efecto en humanos debido al impulso generado por la explosión utilizando el método de fluidos no ideales.

-4

-2

0

2

4

4 -2 0 2 4

Distancia (m)

Efectos en humanos debido al impulso

Umbral dano pulmonarUmbral letalidad50% letalidad100% letalidad

Al igual que en daños estructurales, los efectos que tienen la onda de sobre-presión y

continuación se muestran

IQ-2009-I-49

La onda de sobre-presión en función de la distancia es representada por medio de la

siguiente ecuación:

Donde la sobrepresión está dada en

esta ecuación tiene validez:

o Cuando se trabaja bajo las mismas condiciones descritas anteriormente

o Hasta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de

presión de infinito cuando la

9.3.2. Onda de sobre-presión e impulso utilizando el método

Al igual que para el método de fluidos no ideales,

de gráficos.

-60 -40

Dis

tan

cia

(m)

Efectos en humanos debido a la sobre

100% letalidad50% letalidadUmbral letalidadDano severo en pulmones50% mayores de 20 anos ruptura de timpanoUmbral dano en pulmonesUmbral ruptura de timpano

Figura 19. Efecto en humanos debido a la onda de sobreexplosión utilizando el método de fluidos no ideales.

43

presión en función de la distancia es representada por medio de la

Donde la sobrepresión está dada en kPa y la distancia en metros. Cabe anotar que

uando se trabaja bajo las mismas condiciones descritas anteriormente.

asta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de

infinito cuando la distancia tiende a cero.

presión e impulso utilizando el método básico de Baker

Al igual que para el método de fluidos no ideales, el programa arroja los mismos tipos

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

-20 0 20 40 60

Distancia (m)

Efectos en humanos debido a la sobre-presion


humanos debido a la onda de sobre-presión generada por la explosión utilizando el método de fluidos no ideales.

presión en función de la distancia es representada por medio de la

kPa y la distancia en metros. Cabe anotar que

.

asta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de sobre-

básico de Baker

el programa arroja los mismos tipos

IQ-2009-I-49

Daños en estructuras

-150

Dis

tan

cia

(m)

Figura 20. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método

-600 -400

Dis

tan

cia

(m)



Figura 21. Tipo de daño sugerido por Glasstone utilizando el método básico.

44

-150

-100

-50

0

50

100

150

-100 -50 0 50 100 150

Distancia (m)

Tipo de Dano sugerido por Stephens

Destruccion Total Dano Severo

Dano Moderado Dano Reducido

. Tipo de daño sugerido por Stephens utilizando el método básico.

-600

-400

-200

0

200

400

600

400 -200 0 200 400 600

Distancia (m)



. Tipo de daño sugerido por Glasstone utilizando el método básico.

IQ-2009-I-49

Efectos en humanos

A continuación se muestran los efectos en humanos producidos por la onda de sobre

presión y el impulso debido a la explosión, utilizando el método básico.

Figura 22. Tipo de daño

Figura 23. Efecto en humanos debido al impulso generado la explosión utilizando el método básico.

-4

Dis

tanc

ia (m

)

Tipo de dano estructural debido al

-2

Dis

tanc

ia (m

)

Efectos en humanos debido al

Umbral dano pulmonar

50% letalidad

45

A continuación se muestran los efectos en humanos producidos por la onda de sobre

presión y el impulso debido a la explosión, utilizando el método básico.

Tipo de daño debido al impulso generado por la explosión utilizando el método básico.

. Efecto en humanos debido al impulso generado por la explosión utilizando el método básico.

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-2 0 2 4

Distancia (m)

Tipo de dano estructural debido al impulso

Destruccion total Destruccion parcial

Dano moderado Dano menor

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2 0 2

Distancia (m)

Efectos en humanos debido al impulso

Umbral dano pulmonar Umbral letalidad

50% letalidad 100% letalidad

A continuación se muestran los efectos en humanos producidos por la onda de sobre-

osión utilizando

IQ-2009-I-49

Utilizando el método básico, l

representada por medio de la siguiente ecuación:


esta ecuación tiene validez:

o Cuando se trabaja bajo las mismas condiciones

o Hasta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de sobre

presión de infinito cuando la distancia tiende a cero.

-40 -30

Dis

tan

cia

(m)


Figura 24. Efecto en humanos debido a la onda de sobre

46

Utilizando el método básico, la onda de sobre-presión en función de la distancia es

representada por medio de la siguiente ecuación:


Cuando se trabaja bajo las mismas condiciones descritas anteriormente.

Hasta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de sobre

presión de infinito cuando la distancia tiende a cero.

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-20 -10 0 10 20 30 40

Distancia (m)

Efectos en Humanos


Efecto en humanos debido a la onda de sobre-presión generada por la explosión utilizando el método básico.

presión en función de la distancia es


descritas anteriormente.

Hasta un valor máximo de 70 kPa, de lo contrario se tendrá un valor de sobre-

40

presión generada por la

IQ-2009-I-49

47

10. ANALISIS DE RESULTADOS

Los métodos utilizados para determinar las distancias seguras tienen una buena

aproximación a la realidad, debido a que trabaja las sustancias, basándose en un

comportamiento no ideal.

10.1. ONDA DE SOBRE-PRESION

Como se puede apreciar en las figuras que representan los daños en estructura y los

efectos en humanos debidos al impulso, las distancias seguras, son inferiores a la

distancia resultante para que se obtenga destrucción total en infraestructura y, en

humanos el 100% de letalidad, es por esta razón que en la mayoría de los casos no se

define una distancia segura a partir del impulso, sin importar cuál es el método que se

esté utilizando para evaluar la onda de sobre-presión.

10.1.1. Método de fluidos no ideales

Basado en los resultados presentados en la tabla 14 y 16, se recomienda evacuar un

radio de por lo menos 1,100 metros según los cálculos obtenidos por la onda de sobre-

presión y basado en los daños en estructura. En cuanto a efectos en humanos

(debidos únicamente a una onda de sobre-presión), según el método de fluidos no

ideales, se recomienda un radio de evacuación que esté por encima de los 90 m a la

redonda, corriendo el riesgo de cortaduras por vidrios e incluso por la demolición

parcial de casas.

No se recomienda la distancia exacta debido a que se tiene que evitar el pánico en la

población, razón de esto es que a 521,18 m a la redonda, se alcanza a escuchar un

sonido molesto, lo que puede generar un estado de pánico en la población. Esta

distancia tiene un error porcentual con respecto a la distancia sugerida por Birk [34] del

2,22%. Birk sugiere una distancia de evacuación inicial de 1.125 m.

10.1.2. Método básico de Baker

Basado en los resultados presentados en la tabla 7 y 8, se recomienda evacuar un

radio de por lo menos 900 metros, según los cálculos obtenidos por la onda de sobre-

presión y sustentado en los daños en estructura. En cuanto a efectos en humanos, se

IQ-2009-I-49

48

propone una distancia segura de 70m.16 A estas distancias y según el método, se

asegura que el organismo, no va a sufrir ruptura de tímpano, daños pulmonares y/o

muerte.

Según los cálculos obtenidos por la onda de sobre-presión y basado en los daños en

estructura, se recomienda evacuar un radio de por lo menos 550 metros desde el

epicentro de la explosión. No se recomienda la distancia exacta debido a que se tiene

que evitar el pánico en la población, razón de esto es que a 516,32 m se alcanza a

escuchar un sonido molesto, lo que puede generar un estado de pánico en la

población. Esta distancia coincide con la sugerida por Birk [34] quien sugiere una

distancia de evacuación inicial de 1.125 m.

En cuanto a efectos en humanos (debidos únicamente a una onda de sobre-presión),

se recomienda un radio de evacuación que esté por encima de los 100 m.17 A esta

distancia, se asegura que el organismo, no va a sufrir ruptura de tímpano, daños

pulmonares y/o muerte.

También se puede observar el comportamiento de la onda de sobre-presión con la

distancia, el cual tiene un decaimiento muy rápido en la onda side-on-peak a medida

que se aleja del epicentro, pero logra afectar (o generar pánico) a grandes distancias,

permitiendo ratificar lo mencionado en efectos sobre humanos y daños en estructuras.

Para el impulso, al igual que para el método de fluidos no ideales, la distancia a la que

se obtiene un daño menor debido al impulso sobre estructuras, es menor a la distancia

a la cual se obtiene destrucción total de estructuras debido a la onda de sobre-presión.

10.2. GENERACION DE FRAGMENTOS

Revisando los datos arrojados por los fragmentos y, realizando un promedio de las

posibles distancias máximas alcanzadas por los proyectiles, se obtiene una distancia

de 1,486.37 m. En este caso se recomienda optar por el método más conservador, por

lo tanto se sugiere evacuar como distancia mínima el máximo posible alcance de los

16 Teniendo en cuenta que el efecto en humanos, está basado en la onda de sobre-presión y no se está teniendo en consideración el alcance de los fragmentos. 17 Teniendo en cuenta que el efecto en humanos, está basado en la onda de sobre-presión y no se está teniendo en consideración el alcance de los fragmentos.

IQ-2009-I-49

49

fragmentos, valor que es obtenido por medio del método de Brode, es decir 2,069.95

m a la redonda, teniendo como epicentro, el lugar donde se va a presentar el BLEVE.

Al comparar este resultado con la distancia sugerida por Birk [34], quien para un

tanque de 40 m3 propone una distancia de evacuación total de 2,200 m a la redonda

del epicentro de la explosión, se observa que el valor obtenido por el método de Brode

es congruente con la distancia de evacuación propuesta por Birk.

IQ-2009-I-49

50

11. CONCLUSIONES

o El método de Baker, es bueno para realizar una estimación rápida de las distancias

peligrosas, ya que la distancia a la que se escucha un sonido molesto utilizando

este método, podría ser considerada como la distancia a la que se debe responder

la emergencia.

o El método de fluidos no ideales estima los daños en estructura, teniendo en cuenta

el comportamiento real de la sustancia bajo un equilibrio líquido vapor.

o El impulso causa daños a muy cortas distancias (tanto en estructuras, como en

humanos). Estas son tan pequeñas que incluso no sobrepasan el umbral de

destrucción total y el 100% de letalidad en humanos, debido a la sobrepresión.

Razón por la cual, no es necesario calcular los daños provocados en estructura y

los efectos sobre humanos debidos al impulso.

o Para evitar el pánico en la población debido a la explosión, se recomienda que ésta

se encuentre a un radio de separación superior a los 1,100 m. Distancia que

concuerda con la distancia mínima de evacuación presentada en la tabla 12.

o Los métodos que realizan una mejor estimación para el rango de afectación de los

fragmentos y su velocidad inicial, son el método de Baum y el modificado de Baum.

o La metodología propuesta por Brode, da un sobreestimado de dicha distancia.

o Dependiendo de la sustancia, se puede determinar una ecuación que relacione las

distancias obtenidas por el método de Baker y el de fluidos no ideales.

o Mediante la elaboración de la herramienta computacional, se determinó la gran

importancia que tienen las propiedades termodinámicas de la sustancia (para

modelar el comportamiento real que el compuesto va a presentar), la regla de fases

de Gibbs, la cual para este tipo de explosión, da un grado de libertad (equilibrio

líquido-vapor, con una sustancia pura).

o Se puede determinar una relación entre las distancias resultantes bajo condiciones

constantes.

IQ-2009-I-49

51

o El modelo termodinámico para calcular la temperatura súper caliente del propano

que menor error arroja es el descrito por Redlich Kwong.

IQ-2009-I-49

52

12. ANEXOS

Para demostrar la ecuación de Brode, se comienza por la definición de energía interna

de un gas ideal:

� � � �D � ��"��

Brode propone que la energía de explosión, es la energía que debe ser utilizada para

presurizar un volumen inicial de presión atmosférica a una presión determinada, es

decir:

�' � �' �D � � ��"5��

�� D � � ��"5��

qrs�tu � ∆� � �� '� �D � � �� "5�"�

Donde la ecuación 36.3 es la energía propuesta por Brode.

A continuación, se muestra la grafica de sobre-presión escalada vs distancia escalada.

Cabe aclarar que para el desarrollo del programa, se tomó en cuenta únicamente la

curva altamente explosiva, porque las sustancias con las que trabaja el programa

presentan un nivel alto de explosividad. La figura 26, representa la curva de impulso

escalado vs distancia escalada.

IQ-2009-I-49

53

Por último, se realiza la demostración de las ecuaciones 11 y 12.

Se puede observar de las figuras 5 y 6 que la ecuación que representa el

comportamiento de las gráficas es:18

18 De la grafica de sobre-presión, se trabaja únicamente la curva de altamente explosivo

Figura 25. Gráfica de sobre-presión escalada vs distancia escalada. [5]

Figura 26. Gráfica de impulso escalado vs distancia escalada. [5]

IQ-2009-I-49

54

Donde a y b, son constantes mayores o iguales a cero.

A partir de las figuras 5 y 6, se obtuvieron los datos experimentales y para encontrar

los valores teóricos, se realizo en MatLab un programa el cual minimice el error

generado por la siguiente ecuación:19

6@@4@ � vwx7,y � xV+zw${

U|'��"��

19 Agradecimiento especial a Andrés García.

IQ-2009-I-49

55

13. NOMENCLATURA

Nomenclatura Significado Unidades

TSL Temperatura límite súper caliente ˚K TC Temperatura crítica ˚K U1f energía interna del liquido en el momento de la falla KJ/kg U1g energía interna del vapor en el momento de la falla KJ/kg H1f entalpia del liquido en el momento de la falla KJ/kg H1g entalpia del vapor en el momento de la falla KJ/kg V1f volumen molar del liquido en el momento de la falla m3/kg V1g volumen molar del vapor en el momento de la falla m3/kg U2 energía interna del liquido a presión atmosférica KJ/kg H2f entalpia del liquido a presión atmosférica KJ/kg H2g entalpia del vapor a presión atmosférica KJ/kg V2f volumen molar del liquido a presión atmosférica m3/kg V2g volumen molar del vapor a presión atmosférica m3/kg X Tasa de vapor Adimensional S Entropía específica J/(kg˚K) S1 Entropía estado inicial J/(kg˚K) SL Entropía estado líquido a presión ambiente J/(kg˚K) SV Entropía estado vapor a presión ambiente J/(kg˚K)

eEX-f Trabajo específico del liquido J/kg eEX-g Trabajo específico del vapor J/kg mf Masa de liquido kg mg Masa de vapor kg

EEX,Ba Energía de expansión de Baker J P Distancia escalada Adimensional p0 Presión ambiente Pa p1 Presión en el momento de la falla Pa

EEX,Br Energía de expansión definida por Brode J γ Radio de calores específicos del gas en el sistema Adimensional V Volumen del tanque lleno de gas m3 r Distancia m r0 Distancia m }~ Factor de sobre-presión escalada Adimensional � Factor de impulso escalado Adimensional pS Sobre-presión Pa iS Impulso Pa*s a0 Velocidad del sonido (331 m/s) m/s

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56

R Constante de gases (8.314 J/(mol*˚K)) J/(mol˚K) PM Peso molecular de la sustancia g/mol � Energía escalada Adimensional EK Energía cinética J

MTANQUE Masa del tanque vacío kg C Masa total del gas kg vi Velocidad inicial m/s H Altura m R Distancia recorrida horizontalmente m

DFNI Distancia del método de fluidos no ideales m DB Distancia del método de Baker m αi Ángulo ˚

Tabla 24. Nomenclatura utilizada.

IQ-2009-I-49

57

14. BIBLIOGRAFIA

[1] Lees, F. P. Loss Prevention in the process industries-hazard identification,

Assesment and control. Capítulo 17, recuperado el 25 de Febrero de 2008 de

la base de datos Engineering Village.

[2] Serway, R. (1999). Física Tomo 1. 4ta Ed. México D.F., México: McGraw Hill.

[3] CCPS-AIChE (1998). Guidelines for evaluating the Characteristics of Vapor

Cloud Explosions, Flash Fires and BLEVEs. New York, United States: AIChE.

[4] Gobierno de España, Ministerio de turismo, industria y comercio. Tomado el día

de 7 de noviembre de 2008: http://www.mityc.es/GLP

[5] Planas-Cuchi, E.; Casal, J.; Salla, J.M. (2006). Calculating overpresssure from

BLEVE explosions. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 17,

431, 436. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la base de datos de Science

Direct.

[6] Reid, R.C. (1979). Possible mechanism for pressurized-liquid tank explosions or

BLEVEs. Science 203 (3).

[7] Genova, B.; Silvestrini, F.J.; Trujillo L. (2008). Evaluation of the blast wave over-

pressure and fragments initial velocity for a BLEVE event via empirical

correlations derived by a simplified model of released energy. Journal of Loss

Prevention in the process industries, 21, 110-118. Recuperado el 25 de Enero

de 2008 de la base de datos de Science Direct.

[8] Mayor confianza de inversionistas jalona crecimiento industrial: Ministro Plata.

Tomado el día 5 de Abril de 2008, de:

http://www.mincomercio.gov.co/eContent/newsdetail.asp?id=6166&idcompany=1

IQ-2009-I-49

58

[9] Puente Aranda, una localidad empresarial. Tomado el día 10 de Marzo de

2008, de:

http://www.bogota.gov.co/portel/libreria/php/decide.php?patron=01.01090716

[10] Reid, R. C. (1976). Superheated Liquids. American Scientist. 64:146-156.

[11] Opschoor, G. (1974). Onderzoek naar de explosieve verdamping van op water

uitspreidend LNG. Report Centraal Technisch Instituut TNO, Ref. 74-03386.

[12] Abbasi, T.; Abbasi, S. A. (2007). Accidental risk of superheated liquids and a

framework for predicting the superheat limit. Journal of Loss Prevention in the

Process Industries, 20, 165-182. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la

base de datos de Science Direct.

[13] Abbasi, T.; Abbasi, S. A. (2005). The boiling liquid expanding vapour explosion

(BLEVE): Mechanism, consequence assessment, management. Journal of

Hazardous Materials, 141, 489-519. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la


[14] Birk, A.M.; Davison, C; Cunningham, M. (2006). Blast overpressures from

medium scale BLEVE tests. Journal of Loss Prevention in the process

industries, 20, 194-206. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la base de

datos de Science Direct.

[15] Baker, W. E.; Kulesz, J. J.; Richer, R. E.; Bessey, R. L.; Westine, P. S.; Parr, V.

B. and Oldham, G. A. (1975 and 1977). Workbook for predicting pressure wave

and fragment effects of exploding propellant ranks and gas storage vessels.

NASA CR-134906. Washington: NASA Scientific and technical information

office.

[16] Baker, W. E.; Kulesz, J. J.; Cox, P. A.; Westine, P. S.; Strehlow, R. A. (1978a).

A short course on explosions Hazards evaluation. Southwest Research

Institute.

IQ-2009-I-49

59

[17] Brode, H. L. (1955). Numerical solutions of sphericals blast waves. J. Appl.

Phys. 26:766-775.

[18] Stawczyk, J. (2003). Experimental evaluation of LPG tank explosion hazards.

Journal of Hazardous Materials, B 96, 189-200.

[19] Schulz-Forberg, B.; Droste, B.; Charlett, H. (1984). Failure mechanisms of

propane-tanks under thermal stresses including fire engulfment. Proceedings of

the International Symposium on Transport and Storage of LPG and LNG.

1:295-305.

[20] Brode, H.L. (1955). Numerical solutions of sphericals blast waves. J. Appl.

Phys. 26:766-775.

[21] Baum, M.R. (1984). The velocity of missiles generated by the disintegration of

gas pressurized vessels and pipes. Trans. ASME. 106:362-368.

[22] Stephens, M. M. (1970). Minimizing Damage from nuclear attack, Natural and

Other disasters. Washington: The office od Oil and Gas, Department of Interior.

[23] Glasstone, S.; Dolan, P. J. (1977). The effects of Nuclear weapons. U.S.

Department of Defense, Third Edition.

[24] Salla, J. M.; Demichela, M.; Casal, J. (2006). BLEVE: A new approach to the

superheat limit temperature. Journal of Loss Prevention in the process

industries, 19, 690-700. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la base de

datos de Science Direct.

[25] Smith, J. M.; Van Ness, H. C.; Abbott M. M. (2001). Introducción a la

termodinámica en Ingeniería Química. 6ta Edición. México D.F., México:

McGraw Hill.

IQ-2009-I-49

60

[26] Planas-Cuchi, E.; Gasulla, N.; Ventosa, A.; Casal, J. (2004). Explosion of a

road tanker containing liquified natural gas. Journal of Loss Prevention in the

process industries, 17, 315-322. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la


[27] Birk, A. M. (1995). Scale effects with fire exposure of pressure-liquified gas

tanks. Journal of Loss Prevention in the process industries, 8, 275-291.

Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la base de datos de Science Direct.

[28] Pitblado, R. (2007). Potential for BLEVE associated with marine LNG vessel

fires. Journal of Hazardous Materials, 140, 527-535. Recuperado el 25 de

Enero de 2008 de la base de datos de Science Direct.

[29] Pinhasi, G. A.; Ullmann, A.; Dayan, A. (2007). 1D plane numerical model for

boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE). International Journal of Heat

and Mass Transfer, 50, 4780-4796. Recuperado el 25 de Enero de 2008 de la


[30] Perry, R. (1997). Manual del ingeniero químico. Séptima edición. Mc Graw Hill.

[31] Abbasi, T.; Abbasi, S. A. (2007). Accidental risk of superheated liquids and a

framework for predicting the superheat limit. Journal of Loss Prevention in the

process industries, 20, 165-181. Recuperado el 23 de Septiembre de 2008 de

la base de datos de Science Direct.

[32] Casal, J.; Salla, J. M. (2006). Using liquid superheating energy for a quick

estimation of overpressure in BLEVEs and similar explosions. Journal of

Hazardous Materials, A137, 1321- 1328. Recuperado el 25 de Enero de 2008

de la base de datos de Science Direct.

[33] Gubinelli G., Cozzani V. (2008). Assessment of missile hazards: Evaluation of

the fragment number and drag factors. Journal of Hazardous materials, 161,

439-449. Recuperado el 23 de Septiembre de 2008 de la base de datos de

Science Direct.

IQ-2009-I-49

61

[34] Birk, A. M. (1995). BLEVE Response and Prevention technical documentation.

Kingston, Ontario, Canada. Queen’s University. Department of mechanical

engineering.

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