RICARDO ANDRES ARIZA HERNANDEZ ARNALDO BRANGO …

DISEÑO DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA ALIVIO DE PRESIÓN EN UNA

PLANTA DE SÍNTESIS DE METANO POR MEDIO DE UNA SIMULACIÓN DE ASPEN SOFTWARE Y ALOHA

RICARDO ANDRES ARIZA HERNANDEZ ARNALDO BRANGO RODRIGUEZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T Y C.

2018

DISEÑO DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA ALIVIO DE PRESIÓN EN UNA PLANTA DE SÍNTESIS DE METANO POR MEDIO DE UNA SIMULACIÓN DE

ASPEN SOFTWARE Y ALOHA

RICARDO ANDRES ARIZA HERNANDEZ ARNALDO BRANGO RODRIGUEZ

Proyecto entregado como requisito para optar al título de Ingeniero

Químico

RODRIGO RICARDO PAREDES

UNIVERSIADAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T Y C.

2018

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................................ 7

SUMMARY .......................................................................................................................... 7

INTRODUCCION ................................................................................................................... 8

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION. ....................................................................................... 9

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ........................................................................................................ 9

1.2 FORMULACION DEL PROYECTO. .......................................................................................................... 12

1.3 OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 12

1.3.1 objetivo general. ............................................................................................................................... 12

1.3.2 objetivos específicos. ........................................................................................................................ 12

1.4 JUSTIFICACION. .................................................................................................................................... 13

2. MARCOS DE REFERENCIA. .............................................................................................. 15

2.1 ANTECEDENTES. ................................................................................................................................... 15

2.2 MARCO TEORICO. ................................................................................................................................ 17

2.2.1 DISEÑO DE GESTIÓN DE SEGURIDAD. .............................................................................................. 17

2.2.2 CATEGORÍAS DE GASES PELIGROSOS. ............................................................................................... 17

2.2.3 TIPOS DE VÁLVULAS PSV. .................................................................................................................. 20

2.2.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS DIFERENTES VÁLVULAS DE ALIVIO. ........................................... 28

2.3 MARCO CONCEPTUAL .......................................................................................................................... 29

2.4 MARCO LEGAL ...................................................................................................................................... 31

2.5 HIPÓTESIS ............................................................................................................................................. 32

2.6.1 VARIABLES INDEPENDIENTES ........................................................................................................... 32

2.6.2 VARIABLES DEPENDIENTES ............................................................................................................... 32

2.6.3 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES ............................................................................................. 32

3. DISEÑO METODOLÓGICO ............................................................................................... 34

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN ...................................................................................................................... 34

3.2 DISEÑO ADOPTADO ............................................................................................................................. 34

3.3 METODOLOGIA .................................................................................................................................... 34

3.4 ENFOQUE ADOPTADO ......................................................................................................................... 36

3.5 POBLACIÓN Y MUESTRA ...................................................................................................................... 36

3.6 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ............................................................................. 36

3.6.1 FUENTES PRIMARIAS......................................................................................................................... 36

3.6.2 FUENTES SECUNDARIAS .................................................................................................................... 36

4. RESULTADOS Y DISCUSION ............................................................................................. 37

4.1 MONTAJE DE LA PLANTA. .................................................................................................................... 37

4.2 ANÁLISIS DESPRESURIZACIÓN (BLOWDOWN). .................................................................................... 39

4.2.1 PRIMER CASO (NONE). ...................................................................................................................... 39

4.2.2 SEGUNDO CASO (SIMPLE): ................................................................................................................ 42

4.2.3. TERCER CASO (DETAILED): ............................................................................................................... 44

4.2.4. ESCENARIO FUEGO .......................................................................................................................... 47

4.4 SAFETY ANALISIS Y SELECCIÓN DE LA VALVULA. ................................................................................. 52

4.5 VALIDACION DE DATOS. ....................................................................................................................... 57

CONCLUSIONES ................................................................................................................. 61

RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 62

REFERENCIAS ..................................................................................................................... 63

ANEXOS ............................................................................................................................. 65

LISTA DE TABLAS Tabla 1. Tabla de contaminantes no convencionales........................................................................... 10

Tabla 2. Umbrales permitidos para los contaminantes. ....................................................................... 10

Tabla 3. Umbrales permitidos para los contaminantes. ....................................................................... 11

Tabla 4. Consecuencias en salud por niveles de oxígeno. .................................................................. 18

Tabla 5. Valores máximos de las sustancias. ........................................................................................ 18

Tabla 6. Punto de inflamación, Presión de vapor, Temperatura de ignición. ................................... 19

Tabla 7. Propiedades de los gases. ........................................................................................................ 19

Tabla 8. Ventajas y desventajas del tipo de válvula. ............................................................................ 28

Tabla 9. Propiedades del flujo de alimentación. .................................................................................... 57

Tabla 10. Componentes del flujo de alimentación. ............................................................................... 58

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Válvulas según sus características operacionales. ............................................................. 20

Figura 2. Válvula de acción directa. ........................................................................................................ 21

Figura 3. Partes de Válvula de acción directa. ...................................................................................... 21

Figura 4. Disco de ruptura anverso. ........................................................................................................ 22

Figura 5. Disco de ruptura reverso. ......................................................................................................... 22

Figura 6. Disco de ruptura plano. ............................................................................................................ 22

Figura 7. Disco de ruptura en grafito. ..................................................................................................... 23

Figura 8. Porta Discos o Holders. ............................................................................................................ 23

Figura 9. Configuración simple. ............................................................................................................... 24

Figura 10. Configuración combinada en paralelo. ................................................................................ 24

Figura 11. Disco de ruptura aguas abajo. .............................................................................................. 25

Figura 12. Disco aguas arriba. ................................................................................................................. 25

Figura 13. Discos en serie. ....................................................................................................................... 26

Figura 14. Discos en paralelo. ................................................................................................................. 26

Figura 15. Diagrama de Flujo para selección de válvulas PSV. ......................................................... 27

Figura 16. Interfaz Aspen HYSYS 8.6v. ................................................................................................. 37

Figura 17. Interfaz Aspen HYSYS 8.6v. Selección de planta. ............................................................ 38

Figura 18. Planta de síntesis de metano. ............................................................................................... 38

Figura 19. Simulación reactor #5. ............................................................................................................ 39

Figura 20. Temperatura, presión, masa del vapor y CV. ..................................................................... 41


Figura 22. Propiedades del metal. ........................................................................................................... 44


Figura 24. Parámetros de flux de calor. ................................................................................................. 47

Figura 25. Temperatura, presión, masa del vapor y área del orificio. ............................................... 49

Figura 26. Aloha Software, datos. ........................................................................................................... 50

Figura 27. Dispersión de nube de vapor, modelo Gaussiano. ............................................................ 51

Figura 28. Imágenes satelitales de la probable propagación, y lugares más afectados por

blowdown. .................................................................................................................................................... 52

Figura 29. Casos Safety Analysis. ........................................................................................................... 52

Figura 30. Parámetros de operación. ..................................................................................................... 53

Figura 31. Parámetros de la válvula diseñada. ..................................................................................... 53

Figura 32. Criterio para selección de un correcto arreglo de válvula de alivio o PSV. ................... 55

Figura 33. Lugares donde no puede faltar nunca una válvula PSV. .................................................. 55

Figura 34. Configuración más adecuada. .............................................................................................. 56

Figura 35. Planta de hidrocarburos. ........................................................................................................ 57

Figura 36. Casos Safety Analysis. ........................................................................................................... 58

Figura 37. Válvula de planta de hidrocarburos. ..................................................................................... 59

Figura 38. Válvula de Synthesis Gas producción. ................................................................................ 59

Figura 39. Válvula de Synthesis Gas produccion ................................................................................. 59

Figura 40. Válvula de Synthesis Gas producción. ................................................................................ 59

LISTA DE GRAFICOS. Grafico 1. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min). ...................................................... 39

Grafico 2. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min). ............................................................................ 40

Grafico 3. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min). ................................................... 40

Grafico 4. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min). ...................................................... 42

Grafico 5. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min). ............................................................................ 42


Grafico 7. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min). ...................................................... 45

Grafico 8. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min). ............................................................................. 45


Grafico 10. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min). .................................................... 48

Grafico 11. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min). .......................................................................... 48

Grafico 12. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min). ................................................. 49

Grafico 13. Dispersión de nube de vapor. ............................................................................................. 51

TABLA DE ANEXOS

Anexo 1. Valores de temperatura promedio en la ciudad de Cartagena. ......................................... 66

Anexo 2. Aloha software 5.4.7. ................................................................................................................ 66

Anexo 3. Ficha Seguridad Química internacional para el METANO. ................................................ 66

RESUMEN

Los riesgos en la industria química, a los que se ven expuestos sus operarios y la

integridad de la planta, cuando se genera una sobre presión en los contenedores, o en

una purga de emergencia (Blowdown), para su red operaria puede implicar desde

afecciones respiratorias o la muerte, por medio del contacto con estos gases o posible

explosión no deseada por una alta sobre presión en los equipos de almacenamiento o de

proceso. El exceso de confianza, la falta de capacitación, acrecientan la probabilidad de

que este tipo de accidentes tengan un desenlace fatal, no solo en la red laboral de la

planta y su producto, sino también a las poblaciones que se encuentran aledañas y

también muy importante al medio ambiente. Por lo tanto diseñar un sistema de seguridad

de válvulas de alivio que ayude a mitigar los posibles casos de alto riesgo o fatalidad

como los antes mencionados, para disminuir estos riesgos en la planta, ya que esto no

es deseado, nos ayudara a disminuir impacto que podría generar una de estas

catástrofes, como lo es en el ambiente y también tratando de proteger toda la integridad

de la planta como también su personal.

Palabras claves: explosion, PSV (presión security valve), seguridad en plantas,

Blowdown, ALOHA, sobre presión, fuga de gases.

SUMMARY

The risks in the chemical industry, to which its operators are exposed and the integrity of the plant, when an overpressure is generated in the containers, or in an emergency purge (Blowdown), for its network operator can involve from affections Respiratory or death, through contact with these gases or possible unwanted explosion by high pressure on the storage or process equipment. The excess of confidence, the lack of training, increase the likelihood that this type of accident will have a fatal outcome, not only in the work network of the plant and its product, but also to the populations that are nearby and also very important to the environment. Therefore design a relief valve safety system that helps mitigate possible cases of high risk or fatality such as those mentioned above, to reduce these risks in the plant, as this is not desired, will help us to reduce the impact that It could generate one of these catastrophes, as it is in the environment and also trying to protect the integrity of the plant as well as its personnel. Keywords: explosion, PSV (pressure security valve), plant safety, Blowdown, ALOHA, overpressure, gas leakage.

INTRODUCCION

En la industria química, y petroquímica, se busca la estabilidad de los procesos para poder mantener la seguridad, la sustentabilidad y sostenibilidad de estos, los procesos industriales químicos y petroquímicos son de alta peligrosidad para el personal que lo compete, la seguridad es un índice primordial, puesto que compromete la integridad de aquellos involucrados en las operaciones de planta, y ayuda previniendo con antelación anomalías en proceso o catástrofes que por consiguiente generarían un gran impacto ambiental, lo que nos lleva a la necesidad de crear un plan de contención para estos tipos de riesgos los cuales podrían ocasionar pérdidas económicas, y un gran impacto a ecosistemas cercanos, la biodiversidad del lugar geográfico en el cual se encuentre la planta, o perder parte del personal por no realizar previas evaluaciones a los procesos, para así idear planes de contención para estos contratiempos. Luego cuando se opera equipos, reactores o tanques a altas presiones, se busca la mejor manera para poder afrontar las eventualidades, ya que estas se pueden generar de diversas maneras, sea por falta de conocimiento del personal, por un excesiva confianza a la hora de operar o por error de operación, por esta y muchas más razones pueden ocurrir accidentes altamente peligrosos, por ende, la realización de evaluaciones a los procesos de la planta, visualizar los posibles escenarios, las posibles sobre presiones, explosiones o fugas, para esto se requiere un sistema de purgas necesarias para proteger equipos o ruptura de discos de seguridad en algunas o válvulas de PRV (Pressure Relief Valve), es vital para minimizar estos tipos de riesgos de las sobre presiones instantáneas y riesgosas en los equipos y la producción, de las industrias químicas, y petroquímicas.

DISEÑO DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD PARA ALIVIO DE PRESIÓN EN UNA PLANTA DE SÍNTESIS DE METANO POR MEDIO DE UNA SIMULACIÓN DE ASPEN SOFTWARE Y

ALOHA

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Analizando a nivel mundial los desastres industriales que han tenido amplia atención durante el paso del tiempo, se han observado accidentes inesperados en diversas empresas, grandes o pequeñas, puesto que los productos químicos, los cuales pueden ser inflamables, corrosivos, tóxicos es decir altamente peligrosos, poseen un riesgo potencial para la salud, por fugas o derrames, ya sea por una situación accidental en las plantas de procesamientos o por errores humanos en el manejo de los mecanismos de seguridad en los complejos procesos industriales [1]. Desde el principio del decenio de 1980 ocurrieron una serie de accidentes catastróficos muy graves en la industria química y del petróleo, en los que intervinieron materiales muy peligrosos, que causaron un gran número de víctimas mortales y heridos, así como una gran cantidad de pérdida material y económica. Los accidentes sirvieron como impulso para que los organismos oficiales, los sindicatos, y las asociaciones privadas de todo el mundo elaboran y aplicaran códigos, reglamentos, procedimientos y prácticas de trabajo seguras encaminadas a eliminar y mitigar estos acontecimientos indeseables, mediante la aplicación de los principios de gestión de seguridad en proceso. [2] Los desastres mayores incluyen el incidente de 1984 en Bhopal, India, el cual resulto en más de 2000 muertes, por una fuga de isocianato de metilo; el de octubre de 1989 en la Philips Petroleum Company, Passadena, TX, en el cual resultaron 23 muertos y 132 lesionados, cabe resaltar la explosión del 8 de diciembre de 1977 en Abocol, Colombia – Cartagena, en planta de urea donde se contabilizo 22 muertos, 24 heridos y 37 personas con síntomas de asfixia lo cual nos da una gran razón a estudiar y realizar un sistema de seguridad para estos procesos altamente peligrosos [3]. [4]. Un ejemplo puntual de las industrias que utilizan altas presiones son las industrias alimentaras, la tecnología es llamada HPP (High Pressure Processing), la cual es vital para la preservación de alimentos, sus puntos a favor son que no modifican la estructura química de los productos y destruyen los microorganismos no deseados desde la molécula, esta técnica se empezó a implementar desde el año de 1999. [5] La industrialización en Colombia va creciendo a niveles sorprendentes, ya sea textil, agrícola, química o petroquímica, para el período enero-octubre de 2016, comparado con igual período en 2015, la industria colombiana creció 3.9% en producción, 3.5% en ventas y las ventas hacia el mercado interno aumentaron 4.2%, a nivel regional se puede observar una variación de crecimiento en los diferentes sectores industrializados en Colombia, el mayor crecimiento acumulado de la producción real se observó en el eje cafetero al registrar 3,1%, seguido de la región de Cali con 2,7% y la Costa Atlántica con 1,9%, así como se observa un crecimiento industrial abundante, también este

Tabla 1. Tabla de contaminantes no convencionales.

Tabla 2. Umbrales permitidos para los contaminantes.

crecimiento lleva a la alta generación de emisiones de gases a el ambiente, un gran potencial de accidentalidad o catástrofe en las industrias, según el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial en Colombia, la tabla uno y dos muestran los niveles permisibles de gases a el ambiente establecidos en un periodo de tiempo límite.[6], [7].

Fuente: ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial resolución número (601) 04 de abril de 2006.

Fuente: ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial resolución número (601) 04 de abril de 2006.

Tabla 3. Umbrales permitidos para los contaminantes.

Fuente: ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial resolución número (601) 04 de abril de 2006. En las industrias el grado de accidentalidad y catástrofe es bastante alto, estos accidentes se asocian a la manipulación, producción, almacenamiento y transponerte de estos materiales peligrosos. Dada la posibilidad de que sus efectos puedan afectar a áreas relativamente extensas, pueden tener consecuencias sobre las instalaciones,

sobre las personas y sobre el entorno. En las últimas décadas se ha incrementado de

manera importante la atención a los riesgos derivados de estos accidentes, debido a que en un momento determinado hubo la percepción de la frecuencia de desastres reportados como accidentes graves iba en aumento. Las consecuencias de estos accidentes sobre las personas y el entorno han sido ampliamente estudiadas [CCPS, 2000; Mannan, 2005; Casal, 2008]. No obstante, a pesar de los esfuerzos realizados para mitigar los riesgos e incrementar el conocimiento de los mismos, su evaluación y la reducción de su impacto continúa siendo un reto científico, ya que es una disciplina en la que existen todavía numerosas inquietudes. [8] A partir de las situación anteriormente descritas en el siguiente proyecto se pretende evaluar por medio del programa HYSYS los principales riesgos, dependiendo del tipo de gas que se esté empleando en la planta química o petroquímica, realizara una evaluación que podrá predecir los comportamientos de la planta según los posibles casos que se puedan presentar, esto se llevara a cabo con la herramienta de SAFETY AND SECURITY ANALYSYS, con lo cual podremos analizar los diferentes casos de riesgo presentados en una planta, el lugar donde se encuentre ubicada la planta, y las condiciones climáticas promedio que presente este ecosistema, una vez teniendo los datos arrojados por la evaluación se podrá generar un diseño de seguridad de válvulas

de alivio para tratar de evitar una catástrofe mayor y así tener una o varias chaquetas de seguridad, teniendo en cuenta los datos arrojados por ASPEN HYSYS estos serán llevados a ALOHA y se medirá el impacto ambiental causado por estas, las cuales deben ser permitidas por la resolución 601 de abril 4 de 2006 del ministerio de ambiente, desarrollo y vivienda. Se busca realizar un diseño y análisis certero el cual pueda predecir un comportamiento en la planta al momento de una fuga por fallo de equipo o ruptura de la tubería o alguna fuga del tanque en el cual se esté almacenando éste. Esta simulación se verá recreada por el modelamiento de un software de la organización de naciones unidas para eventos riesgosos llamado ALOHA. 1.2 FORMULACION DEL PROYECTO. ¿Qué criterios técnico-ambientales se deben tener en cuenta para diseñar un sistema de válvulas de alivio de presión en la industria química?

1.3 OBJETIVOS 1.3.1 objetivo general.

Diseñar un sistema de seguridad de válvulas de alivio de presión, por medio de una simulación de efectos físicos, según los protocolos pertinentes para disminución de riesgos en equipos de alta presión. 1.3.2 objetivos específicos. Evaluar el impacto generado por la liberación de emergencia o blowdown de válvulas PSV. Clasificar los posibles riesgos mediante un safety análisis, por medio de Aspen HYSYS. Validar los resultados obtenidos con datos reales según la evaluación obtenida.

1.4 JUSTIFICACION.

Teniendo en cuenta que en la industria química se utilizan muchos gases que pueden ser tóxicos, inflamables, corrosivos, inertes, etc. y estos a su vez son principales componentes para los procesos actualmente usados en la industria, es importante el estudio de sus posibles riesgos en los canales usados para su transporte, almacenamiento y producción.

La seguridad en las plantas químicas está intrínsecamente relacionada con la seguridad del personal, de los equipos, y del entorno de la planta. En estas plantas se trabaja con grandes cantidades de material que puede ser tóxico, inflamable y/o explosivo, y las emisiones accidentales de estos materiales pueden acarrear graves problemas medio ambientales, pérdidas económicas y daños a las personas, por ende, la posibilidad de simular un proceso que permita detectar los riesgos, puede constituir una herramienta para la toma de decisiones en la industria sobre el tema de seguridad de procesos, las fugas de sustancias peligrosas, explosiones, y así lograr disminuir los riesgos de daño al personal, a la empresa y al medio ambiente y el entorno. La razón para el desarrollo de este proyecto es realizar los diversos análisis de riesgo en una planta de síntesis de metano para así generar un sistema de seguridad de válvulas de alivio con el cual no cuenta esta planta base, dado a la facilidad de operación y de obtención de datos de operación de la planta y versatilidad de esta para el análisis buscado, tomando como pilar de estudio de los posibles casos de sobre presiones e incendios por fuga, para evitar situaciones adversas en la planta, el realizar una evaluación viable tomando datos de planta ya estipulados por una base de datos del software Aspen Hysys, y observando los posibles casos de riesgo. La idea es reunir una cantidad significativa de datos de una planta simulada, para poder así evaluarlos de manera correcta y dar un veredicto lo más acertado posible hacia un riesgo en la planta, o en el desarrollo de un protocolo común, como lo es en la parada de planta, o realización de un mantenimiento o posible purga o fuga imprevista. La importancia del tema para la Ingeniería Química, se ve reflejado en el campo laboral e industrial, ya que en estos se manejan procesos de alta peligrosidad, con flujos de alto riesgo que pueden afectar la efectividad de un proceso y así dañar el equipo, al personal, y también al medio ambiente, por ende siempre en el campo industrial se verá que la seguridad es lo primordial, y más aún si son afectado por una fuga de gases peligrosos que puedan generar una alarma de alto riesgo en la planta, y así dar señales preventivas de una situación anómala que se presenta en el área de procesos o en sistemas de instrumentación y control de la planta, por lo que el operador debe tomar una acción efectiva para regresar el proceso a su estado normal de operación. Referente al plan de estudio, este proyecto de tesis se encuentra vinculado a los módulos, de control y simulación, seguridad e higiene industrial y diseño de planta, con un pequeño énfasis en métodos numéricos ya que se vera la utilización de software para poder realizar con efectividad estos objetivos. Este tema va con los lineamientos del Proyecto Educativo Bonaventuriano el cual busca que la comunidad estudiantil indague e

investigue, la autoformación el pensamiento propio para la aplicación del conocimiento a los principios científicos, haciendo énfasis en el conocimiento, manejo y revisión pertinente y permanente de los métodos de investigación existentes.[9] El control de las variables del proceso es importante para la estabilidad del proceso porque muchos accidentes han tenido su origen en una pérdida inicial de la estabilidad del proceso, Este proyecto se centrará en la evaluación de casos de riesgo posibles en planta para así prevenir las emisiones no permisibles de gases o emisiones no controladas por problemas de control de variables , la cual afecta al proceso y podría dañar al personal y la calidad de este, lo más importante cabe resaltar es la seguridad primero del personal y de la planta, por lo cual se busca dar facilidad a este tipo de evaluaciones con este proyecto, el buscar el mínimo esfuerzo para que este ayude de manera eficaz los procesos y así busque la seguridad del operario, ingeniero y planta por medio de análisis de casos posibles. [10], [11]. Este proyecto se llevó a cabo, debido a que el manejo de estos tipos de gases o fluidos son altamente peligrosos para el bien del ecosistema, y la integridad personal de la empresa, además del impacto económico que podría ser producido por una explosión dada a la sobre presión del sistema, se desea demostrar las causas del impacto ambiental que se puede generar al momento de un accidente como este, y tratar de evaluar los casos de riesgo posibles para así tratar de mitigar estos riesgos.

2. MARCOS DE REFERENCIA. 2.1 ANTECEDENTES. Dada la necesidad de las industrias químicas y petroquímicas en brindar un ambiente seguro y estable en sus diversos procesos, se genera lo que se llama hoy en día la seguridad en procesos, la cual busca dar total manejo y control de estos, y así evitar catástrofes y/o déficits económicos importantes, a través de los años se ha visto afectada no solo la integridad del producto sino la seguridad propia de la planta, los procesos de estas industrias se ven comprometidos al manipular estos componentes peligrosos, ya que estas sustancias deben estar regidas por un control preciso y minucioso, un leve escape de estas sustancias químicas no solo generara pérdidas económicas, puede afectar los ecosistemas aledaños a la planta o peor aún generar catástrofes causando muerte al personal que labora en estas industrias. [12]. Por consiguiente, en este capítulo se reseñan los principales estudios y proyectos que se han llevado a cabo, inicialmente la gran preocupación por los desastres proporcionados por los malos controles en la planta sobre los dispositivos de seguridad como lo son las PSV. Estudios previos de ingeniería indican que en la Universidad industrial de Santander se realizó una tesis (algoritmo para el cálculo de impactos por fuga de líquidos y gas en tuberías de hidrocarburos), en el cual se dio a conocer un modelo algorítmico para predecir los comportamientos en la fuga de líquidos y gases en tuberías de hidrocarburos para las industrias petroleras colombianas, gracias a este modelo se puede predecir el comportamiento de estos, ya que cada fluido se ve afectado gracias a la zona donde se encuentre la fuga, su densidad, punto de ebullición normal, peso molecular, su punto de auto ignición el cual puede ser afectado por las condiciones a las que se encuentre este fluido, la zona de geográfica donde se encuentre esta tubería la cual le ocurre una ruptura, velocidad de propagación, población cercana, etc.[13]. Uno de los estudios primarios realizados para la caracterización de la llamarada generada por la fuga del gas GNL, fueron en China Lake en 1979, el cual busco ampliar el escaso conocimiento sobre este tipo de incendios, y mejorar la evaluación de los riesgos asociados a este tipo de incendios generados por estas fugas, este se llevó a cabo en seis experimentos, en un campo de pruebas controlado. [14]. Un año después de las pruebas de China Lake se realizó otra prueba importante en Maplin Sands Inglaterra en 1980, las cuales fueron realizadas por el instituto marítimo nacional, y fue patrocinado por la empresa Shell. Estas pruebas se desarrollaron para obtener datos de radiación térmica y dispersión de 20 fugas de GNL y 14 fugas de propano sobre agua para los casos de fugas instantáneas y continuas. [15].

El ministerio de trabajo y asuntos sociales de España en conjunto con el instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo ha generado una normatividad para aquellos problemas dimensionados a las fugas de gases, tomando como base los GNL (Gas Natural Licuado) Y GLP (Gas Licuado de Petroleo), estos estudios o normativas son llamadas las NTP y API en la cual para este proyecto está regido por la API 521,NTP 510, NTP 430, NTP 475 y la NTP 363, donde nos dan base para los estudios para el diseño de válvulas PSV en la industria química y petroquímica, y las NTP nos dan base para los estudios de fugas o dispersiones de gases peligrosos en la industria.

Un estudio realizado para fugas gases fue el diseño de un procedimiento para la atención de emergencias por fuga de amoniaco en una planta de productos cárnicos en caloto – Colombia, realizado en la universidad San Buenaventura seccional Cali. La cual se hizo la evaluación de riesgos en las personas, ambientes y comunidades aledañas. Por lo cual llevo al diseño las acciones operativas y administrativas del personal en caso de presentarse una fuga de amoniaco. [16]. En Colombia se ha tratado de aumentar las investigaciones hacia los equipos e instrumentación, para así conocer más como puede ser el comportamiento de estos en modelos dinámicos, la universidad Pontificia Bolivariana seccional Bucaramanga realizo un estudio sobre los módulos virtuales de control para nivel y flujo de agua, estos módulos virtuales permiten el manejo o control de dos variables de control comunes en el campo industrial como lo son el nivel y el flujo, además permite implementar diferentes estrategias de control.[17].

2.2 MARCO TEORICO.

2.2.1 DISEÑO DE GESTIÓN DE SEGURIDAD.

La producción de químicos va en paralelo con el crecimiento y con el desarrollo industrial en los países, también se ha incrementado el transporte de estas sustancias químicas, tanto dentro de los países como a nivel internacional. Eventualmente las amenazas naturales podrían desencadenar una emergencia si afectan una planta de productos químicos ocasionando una fuga, eventualmente llegando está a niveles catastróficos colocando en riesgo los lugares aledaños como el ecosistema y el personal industrial. En la identificación y la evaluación sistemática de los riesgos deben considerarse el diseño y la tecnología del proceso, los cambios en el mismo, los materiales y los cambios en los materiales, los procedimientos y las prácticas de operación y de mantenimiento, la formación, la preparación ante emergencias y otros elementos que afectan el proceso, con el fin de determinar si tiene el potencial o no de provocar una catástrofe en el lugar de trabajo y en la comunidad circundante. [18] Dado a lo anterior se elaborara un diseño de gestión de seguridad de procesos (sistema de válvulas de alivio de presión), siempre que existan procesos en donde se utilice presión y temperatura para modificar la estructura molecular, o crear nuevos productos a partir de otras sustancias, existe la posibilidad de incendio, explosión, o emisión de vapores y gases u otros productos químicos intermedios tóxicos e inflamables. El control de estos procesos alta mente peligrosos requiere una ciencia especial llamada gestión de procesos, el cual se refiere a la protección de los trabajadores, el público y el medio ambiente, contra la consecuencia de incidentes indeseables donde intervienen componentes peligrosos.[19] 2.2.2 CATEGORÍAS DE GASES PELIGROSOS. Se conoce tres categorías de riesgos en gases, conocidos con las sigas EX-(riesgo de explosión por gases inflamables), OX- (por consecuencia riesgo de asfixia por desplazamiento de oxígeno, riesgo de aumento de aumento de inflamabilidad por enriquecimiento en oxigeno llamados también comburentes), TOX-(riesgo de intoxicación por gases tóxicos), cabe resaltar que todos los gases y vapores son peligrosos, si los gases no existen en su composición atmosférica familiar y respirable, es más cualquier gas es altamente peligroso, si esta licuado, comprimido o en su estado normal, lo importante es conocer su concentración, la cual los humanos no son capaces de reconocer sin ayuda de una herramienta auxiliar, ya que muchos de estos gases son invisibles e inodoros por lo cual es muy difícil realizar las contramedidas adecuadas.[20] Tomando una de las categorías anterior mente mencionada (OX-), hay casi un 21 Vol% de oxígeno en nuestra atmósfera. La falta de oxígeno es peligrosa para la vida y no puede ser detectada por nuestro olfato, en caso contrario las concentraciones de

Tabla 4. Consecuencias en salud por niveles de oxígeno.

Tabla 5. Valores máximos de las sustancias.

oxígenos mayores al 21% tienen graves consecuencias con las características de inflamabilidad de los materiales e incluso pueden causar un auto ignición. Esto es la razón por la que las medidas de protección contra explosiones solo están relacionadas con la concentración atmosférica de oxígeno.

Fuente: Propiedades de gases y vapores peligrosos, Drager Safety AG & Co, Luebeck, AL, 2009.

Para los TOX- existen comités autorizados deducen propuestas para valores límite umbral (límites de exposición laboral) que deben ser obligatorios. Estos umbrales de valor límite están definidos de tal manera que el trabajador no sufrirá daño mientras que no respire concentraciones de gas superiores umbral del valor límite establecido durante toda su vida laboral. [20]


Los tipo EX se conformados por gases inflamables cuanto más bajo es el límite inferior de explosión (LIE ó LEL), más peligrosos son. Vapores inflamables: cuanto más bajo es su punto de inflamación, más peligrosos son. El punto de inflamación está definido por la presión de vapor dependiente de la temperatura del líquido y su LEL. [20]


Tabla 6. Punto de inflamación, Presión de vapor, Temperatura de ignición.

Tabla 7. Propiedades de los gases.

Según su elevación

•Válvulas de seguridad de apertura instantánea: Cuando se supera la presión de tarado la válvula abre repentina y totalmente.

•Válvulas de alivio de presión: Cuando se supera la presión de tarado, la válvula abre proporcionalmente al aumento de presión.

Según su actuación

•Válvulas de actuación directa: Son válvulas cargadas axialmente, que al alcanzar la presión de tarado abren automáticamente debido a la acción del fluido a presión sobre el cierre de la válvula.

•Válvulas de actuación indirecta: Son válvulas accionadas por piloto. Deben actuar debidamente sin ayuda de ninguna fuente exterior de energía.

Según su agrupación

•Válvulas de seguridad sencilla: Son las que alojan en su cuerpo a un solo asiento de válvula.

•Válvulas de seguridad doble o múltiple: Son las que alojan en su cuerpo dos o más asientos de válvulas.

Según su conexión

•Embridadas.

•Roscadas.

•Soldadas.

Figura 1. Válvulas según sus características operacionales.


Los sensores para la detección de gases y vapores son transductores que usan ciertas propiedades de los gases para la conversión en una señal eléctrica adecuada. Especialmente tres principios de medición se han hecho dominantes en las décadas recientes de la detección industrial de gases: sensores electroquímicos, sensores de perla catalítica y sensores infrarrojos. [20] 2.2.3 TIPOS DE VÁLVULAS PSV.

Fuente: NTP 342: Válvulas de seguridad: características técnicas, 1999.

2.2.4 PARTES DE UNA VÁLVULA PSV.

Fuente: NTP 510: Válvulas de seguridad: selección, 1999.


Figura 2. Válvula de acción directa.

Figura 3. Partes de Válvula de acción directa.

Figura 4. Disco de ruptura anverso.

Figura 5. Disco de ruptura reverso.

Figura 6. Disco de ruptura plano.

2.2.4.1TIPOS DE DISCOS DE RUPTURA.

Disco de ruptura Anverso: Se caracterizan por disponer de un lado convexo en

contacto con el fluido a presión. Estos discos permiten un proceso a prueba de fallos. La

ruptura se da cuando la presión depresión supera la resistencia mecánica del material

después de haber aumentado progresivamente la curvatura del disco. [21]

Discos de ruptura Reverso: Se caracterizan por disponer su lado cóncavo en contacto con el fluido a presión. Estos discos permiten un proceso a prueba de fallos con presiones pulsantes. Los discos reversos presentan una superficie convexa sujeta a la acción de la presión: la forma del disco no se modifica por la presión hasta alcanzar el punto de ruptura. [21]

Discos de ruptura plano: La membrana plana le confiere unas determinadas

características de ruptura a bajas presiones o el trabajo por los dos lados aplicando

convenientemente los soportes de vacío o contrapresión. [21]

Fuente: Seguridad y calidad al servicio de la industria, Tecnovent.


Figura 7. Disco de ruptura en grafito.

Figura 8. Porta Discos o Holders.

Discos de ruptura en Grafito: Los discos de ruptura en grafito se caracterizan por la

resistencia a fluidos agresivos, y a una baja sensibilidad a la presión de ruptura y los

cambios de temperatura, su material de fabricación es un grafito purísimo, impregnado

con resinas fenólicas que le confieren la impermeabilidad necesaria para su aplicación,

la apertura de este disco es inmediata y total, con fragmentación. Hay previsto un

soporte de vacío para las presiones de ruptura inferiores a 1,7 bar g. Para calibrados

superiores, el disco soporta el vacío perfectamente, sin requerir de soporte alguno. [21]

Porta Discos: Una completa gama de portadiscos (también llamados holders o cabezales) permiten instalar de una forma totalmente correcta, estanca y a prueba de fallos a una gran variedad de discos de ruptura. [21]




Figura 9. Configuración simple.

Figura 10. Configuración combinada en paralelo.

2.2.4.2 USOS Y POSICIONES DE DISCOS DE RUPTURA.

El disco de ruptura y la válvula de seguridad pueden emplearse independientemente como equipo de seguridad primaria o conjuntamente. [21]

Las combinaciones posibles son:

1. Disco de ruptura solo: El disco como dispositivo de seguridad único en un sistema.

2. Un disco y una válvula en paralelo: El disco es un dispositivo de seguridad suplementario (usualmente tiene una presión de disparo ligeramente superior a la de la válvula). Aplicación típica: protección de los tanques de gases licuados. [21]



Figura 11. Disco de ruptura aguas abajo.

Figura 12. Disco aguas arriba.

3. Un disco aguas abajo de la válvula: El disco protege la válvula de los fluidos corrosivos que puedan encontrarse en el conducto de descarga. [21]

4. Un disco aguas arriba de la válvula: Esta solución permite combinar los aspectos positivos de los dos equipos; la estanqueidad del disco y el cierre de la válvula. El disco protege la válvula aislándola de los fluidos agresivos o sucios, reduciendo la necesidad de mantenimiento del equipo más caro y delicado. [21]

Protección de la válvula de fluidos corrosivos o sucios.

Reducción de los costes de manutención de la válvula (limpieza y calibración).

Reducción del coste de la válvula al ser fabricada con materiales más económicos.

Posibilidad de averiguar el correcto funcionamiento de la válvula sin parar la planta y sin desmontarla.



Figura 13. Discos en serie.

Figura 14. Discos en paralelo.

5. Dos discos en serie: Sistema de doble seguridad para sistemas muy peligrosos o con altas presiones pulsantes. Habitualmente son sistemas que se equipan con un manómetro y una válvula de exceso de flujo conectado al espacio que hay entre ellos. [21]

6. Dos discos en paralelo: Sistema seguridad doble para sistemas en los que no

puede quedar abierto el conducto de venteo ni sin sistema de seguridad desde el momento posterior al venteo hasta la reposición del disco usado. [21]



Figura 15. Diagrama de Flujo para selección de válvulas PSV.

2.2.5 CRITERIO DE SELECCIÓN PARA DISPOSITIVOS DE ALIVIO DE PRESIÓN.


2.2.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS DIFERENTES VÁLVULAS DE ALIVIO. Tabla 8. Ventajas y desventajas del tipo de válvula.

TIPO DE VALVULA DE

ALIVIO

VENTAJAS DESVENTAJAS

Operada por resorte

(convencional)

Muy confiable.

Se utiliza es muchos procesos y/o servicios.

Se restablece al llegar al 4% por debajo de la presión de activación o de operación.

La presión de alivio es afectada por la presión de vacío.

Operada por resorte La presión de alivio no es afectada por la presión de vacío.

Protege el resorte de la corrosión.

El flujo es función de la presión de vacío.

Puede liberar sustancias inflamables o toxicas a la atmosfera.

Disco de Ruptura Bajo costo y fácil de reemplazar.

Buenos para la liberación de grandes volúmenes.

Menos taponamiento y fouling.

Buenos como segunda capa de alivio.

Se queda completamente abierta cuando da alivio.

Requiere reemplazo periódico.

Sensible a el daño mecánico.

Grandes problemas con altas temperaturas.

Problemas de fática con presión cíclica.

Pasador de Pandeo

(BPRV) No tiene

problemas de fatiga.

La presión de alivio es más precisa que en dispositivos

El precio es mucho mayor que un disco de ruptura.

El elastómero tiene como temperatura

convencionales.

La presión de operación no es sensible a la temperatura de operación.

Reemplazar los pines es muy sencillo y barato.

límite de sellado en unos 450º F.

Piloto Operado La presión de alivio no es afectada por la presión de vacío.

Puede operar a presiones mayores al 98% de la presión de operación.

sella herméticamente bien aun cuando está cerca a la presión de operación.

Limitado a las restricciones químicas y de temperatura de los sellos.

Condensación o líquido acumulado debajo del pistón principal puede causar problemas.

Potencial de contraflujo.

Fuente: “D. Crowl & J. Louvar”, Chemical Process Safety, Tercera Edición, Capitulo 9, pp. 442

2.3 MARCO CONCEPTUAL

GAS: Se conoce como gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Principalmente está compuesto por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción entre sí que es lo que hace que no tengan forma y volumen definido, lo que ocurrirá es que este se expandirá y ocupará todo el volumen del recipiente que lo contiene. VÁLVULA DE SEGURIDAD: Ese dispositivo empleado para evacuar el caudal de fluido necesario de tal forma que no se sobrepase la presión de timbre del elemento protegido. DISCO DE RUPTURA: Es el elemento componente resistente y sensible a la presión del dispositivo protector completo. Es sinónimo de disco de seguridad y disco frágil. PRESIÓN DE ESTALLIDO O RUPTURA: Es el valor de la presión diferencial a través del disco de ruptura a la cual el dispositivo del disco de ruptura se abre. RAZÓN O RATIO DE OPERACIÓN: Es igual a la relación Presión máxima de trabajo x 100/Presión mínima de estallido.

TEMPERATURA COINCIDENTE: Es la temperatura especificada junto a la presión de estallido. Esta presión disminuye al aumentar la temperatura. PRESIÓN MÁXIMA Y MÍNIMA ESPECIFICADA DE ESTALLIDO: Es la presión máxima y mínima citada con su temperatura coincidente al especificar el funcionamiento del disco de ruptura. El disco suministrado estallará en ese rango de presiones. TOLERANCIA DE FUNCIONAMIENTO: Es la diferencia entre la presión máxima y mínima especificada de estallido a la temperatura coincidente. PRESIÓN DE TARADO: Es la presión a la cual abre la válvula. SOBREPRESIÓN: Es el incremento de presión que se produce por encima de la presión de tarado estando la válvula completamente abierta. PRESIÓN DE CIERRE: Es aquella presión a la cual se cierra la válvula una vez desaparecida la causa que motivó su apertura. ESCAPE: Es la diferencia existente entre la presión de tarado y la de cierre. PRESIÓN DE PRECINTO: Es la presión a la que están tarados los elementos de seguridad que protegen el aparato o sistema. También se denomina "timbre" cuando se refiere a la presión máxima de servicio y es la que limita el propio sistema de seguridad. PRESIÓN DE SERVICIO: Es la presión normal de trabajo del aparato o sistema a la temperatura de servicio. PRESIÓN MÁXIMA DE SERVICIO: Es la presión más alta que se puede dar en el aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento del proceso. Es el máximo valor efectivo de tarado de la válvula de seguridad. TEMPERATURA DE DISEÑO: Es el valor de la temperatura que se toma para el cálculo del espesor del aparato en condiciones severas de funcionamiento. TEMPERATURA DE SERVICIO: Es el valor de la temperatura alcanzada en el interior del aparato o sistema en condiciones normales de funcionamiento a la presión de servicio. TEMPERATURA MÁXIMA DE SERVICIO: Es el máximo valor de la temperatura que se estima puede producirse en el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento. TEMPERATURA MÍNIMA DE SERVICIO: Es el mínimo valor de la temperatura que se estima pueda producirse en el interior del aparato o sistema en condiciones extremas de funcionamiento. PROCESOS QUÍMICOS: Es un conjunto de operaciones químicas y/o físicas destinadas a la transformación de unas materias iníciales en productos finales diferentes.

TOXICIDAD: Es la capacidad de alguna sustancia química de producir efectos perjudiciales sobre un ser vivo, al entrar en contacto con él. Tóxico es cualquier sustancia, artificial o natural, que posea toxicidad (es decir, cualquier sustancia que produzca un efecto dañino sobre los seres vivos al entrar en contacto con ellos). El estudio de los tóxicos se conoce como toxicología. INFLAMABILIDAD: La capacidad para iniciar la combustión provocada por la elevación local de la temperatura. Este fenómeno se transforma en combustión propiamente tal cuando se alcanza la temperatura de inflamación. SIMULACION: La simulación de procesos es una de las más grandes herramientas de la ingeniería industrial, la cual se utiliza para representar un proceso mediante o troque lo hace mucho más simple y entendible. SISTEMA GESTIÓN DE SEGURIDAD: Es una actividad multidisciplinaria dirigida a proteger y promover la salud de los trabajadores mediante la prevención y el control de enfermedades y accidentes, y la eliminación de los factores y condiciones que ponen en peligro la salud y la seguridad en el trabajo. INDUSTRIA PETROQUÍMICA: Actividad económica que tiene por objeto elaborar productos derivados del petróleo y del gas natural mediante procesos químicos y físicos. MATERIAL PELIGROSO: Elementos, sustancias, compuestos, residuos o mezclas de ellos que independientemente de su estado físico representen un peligro para el ambiente y la salud humana; por sus características corrosivas, toxicas, reactivas, inflamables y/o biológico-infecciosas. 2.4 MARCO LEGAL El Estado Colombiano tiene un elevado rango constitucional de normas protectoras del medio ambiente que les garantizan a todos los ciudadanos el goce de condiciones ambientales dignas. Para tal efecto, se encuentran consagradas en el capítulo 3 de la Constitución Política de 1991. Cabe mencionar en forma particular que los artículos 79 y 80 que claramente expresan el espíritu del constituyente en cuanto a la protección de los derechos del medio ambiente se refiere: Artículo 80. El estado planificara el manejo y aprovechamiento de los recursos naturales, para garantizar su desarrollo sostenible, su conservación, restauración o sustitución. Además, deberá prevenir y controlar los factores de deterioro ambiental, imponer las sanciones legales y exigir la reparación de los daños causados. Así mismo, cooperara con otras naciones en la protección de los ecosistemas situados en las zonas fronterizas. [22] Artículo 79. “Es deber del estado proteger la diversidad e integridad del ambiente, conservar las áreas de especial importancia ecológica y fomentar la educación para el logro de estos fines”.

La norma existente en Colombia que cobijan a este proyecto son las siguientes: Ley 430 de 16 de enero de 1998, por medio de la cual se dictan normas prohibitivas en materia ambiental, referentes a los desechos peligrosos y se dictan otras disposiciones. De acuerdo a esta ley, se debe entre otros aspectos, reducir la cantidad de residuos peligrosos que pueden ir a los sitios de disposición final, mediante el aprovechamiento máximo de las materias primas, energías y recursos naturales utilizados, cuando sea factible y ecológicamente aceptable los residuos de los procesos de producción. 2.5 HIPÓTESIS Ha: las válvulas de alivio de presión que se presentan en procesos de producción empresarial del sector industrial de Cartagena, podrían prevenir por medio de su diseño los posibles riesgos de sobre presión o explosión. Ho: las válvulas de alivio de presión que se presentan en procesos de producción empresarial del sector industrial de Cartagena, no podrán prevenir por medio de su diseño los posibles riesgos de sobre presión o explosión.

2.6.1 VARIABLES INDEPENDIENTES Flujos másicos, temperatura, presión, tiempo, área del orificio.

2.6.2 VARIABLES DEPENDIENTES Concentración del gas, velocidad de propagación

2.6.3 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES

VARIABLES

INDEPENDIENTES

VARIABLES DIMENSIONES UNIDADES

Flujos Másicos Física Kg/h

Temperatura Física ºC

Presión Física Psi

Tiempo Física S

Área de orificio Física m2

VARIABLES

DEPENDIENTES

Concentración del

gas

Física

Ppm

Velocidad de

propagación

Física

m/s

3. DISEÑO METODOLÓGICO 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN El proyecto se fundamenta en un tipo de investigación aplicada, porque se trabaja en una situación práctica dentro de un contexto determinado, la cual se caracterizó en la búsqueda de la aplicación o utilización de los conocimientos adquiridos, después de implementar y sistematizar la práctica basada en investigación; en nuestro caso para la realización del diagnóstico cuantitativo del impacto potencial de riesgo que se genera una ruptura, o fuga de gas en una empresa del sector industrial de Cartagena. También, entra en el marco de una investigación explicativa y causal, por cuanto busca identificar las causas de los fallos, y medir los niveles de gas para así dar el diagnóstico. [23]

3.2 DISEÑO ADOPTADO La metodología utilizada está enmarcada dentro de un diseño cuasi experimental en donde se dan los niveles promedio de una fuga en cantidad másica del gas, y a partir de esta se genera una evaluación de seguridad requerida para: posibles rupturas, fugas continuas, fugas semi-continua. Los diseños cuasi experimentales, principales instrumentos de trabajo dentro del ámbito aplicado, son esquemas de investigación no aleatorios. Dado la no aleatorización, no es posible establecer de forma exacta la equivalencia inicial de los grupos, como ocurre en los diseños experimentales. Cook y Campbell (1986) consideran los cuasi experimentos como una alternativa a los experimentos de asignación aleatoria, en aquellas situaciones sociales donde se carece de pleno control experimental. [24] 3.3 METODOLOGIA Este proyecto se encuentra delimitado en el enfoque cualitativo y cuantitativo, debido que para poder realizar el diseño se requieren datos de fuentes científicas que son obtenidos de protocolos API (American Petroleum Institude) y NTP, puesto que a través de estos se podrá dar con certeza un diseño de seguridad de válvulas PSV correcto para la planta de síntesis de metano, y así poder ayudar al proceso de síntesis evitando sobre presiones en el sistema o un problema en dicha planta o proceso, el estudio de esta planta y los protocolos ayudara a realizar un análisis certero del comportamiento de estos fluidos y así prevenir cualquier anomalía o desastre. Estos datos se verán analizados en el programa Aspen Hysys generando así un dimensionamiento de la válvula a utilizar para la seguridad de sobre presiones en la planta y por ende dando el criterio de selección de la válvula PSV más adecuada para el proceso mirando los factores económicos y de seguridad, el impacto ambiental generado por la liberación de los gases por medio de la válvula PSV será evaluado con el programa ALOHA , con el cual se tendrán que tener en cuenta varias variables como lo son, el lugar geográfico donde se encuentre este proceso, la humedad del sitio, la velocidad del viento, ya que esta nos dará un comportamiento más cercano a su propagación del gas al ser liberado, el tipo de recipiente, tanque (Reactor), tubería, tanque elevado, promedio de temperatura en el sitio geográfico especifico dependiendo del mes en que se encuentre. La recolección de datos para estas variables anterior mente dichas serán tomadas de www.windfinder.com el cual nos dará datos estadísticos meteorológicos.

http://www.windfinder.com/

3.2.1 Diagrama de Flujo Metodológico.

Temas de interés

(Base de datos, revistas, artículos, tesis, libros de ingeniería, docentes calificados)

El tutor nos brinda la información de cómo hacer la simulación en aspen y aloha, estos permiten evaluar

los escenarios de riesgo y los impactos ambientales que se pueden generar.

SELECCIÓN DEL TEMA

Seguridad

Medio Ambiente

Título del proyecto

Busca de información

SOFTWARE

ASPEN ALOHA

Análisis y montaje de la planta de síntesis de metano en aspen

Evaluar los escenarios y diseño de válvula en aspen

Análisis de impacto ambiental en ALOHA

Selección de válvula

Análisis y discusión

3.4 ENFOQUE ADOPTADO Este proyecto se desarrolla desde el enfoque cuantitativo, porque implica la recolección de datos para la realización de una evaluación de seguridad, el cual nos permite dar respuesta al problema de investigación planteado. El enfoque cuantitativo utiliza la recolección y el análisis de datos para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis establecidas previamente, confiando en la medición numérica, el conteo y frecuentemente en el uso de la estadística para establecer con exactitud patrones de comportamiento de una población. 3.5 POBLACIÓN Y MUESTRA La población comprende a las plantas e industrias petroquímicas o químicas localizada en Cartagena. La muestra son los equipos que operan a altas presiones en los cuales se debe tener en cuenta las variables de flujo másico, temperatura, presión, y sustancia empleada, ya que estas variables son necesarias para un mejor diseño de sistema de válvulas de seguridad. 3.6 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN 3.6.1 FUENTES PRIMARIAS La información primaria para la consecución de este proyecto se tomara de las fuentes bibliográficas pertinentes como lo son bases de datos fiables, proyectos de investigación, literatura sobre protocolos de diseño de válvulas, en la cual se recopilaran los datos de diseño de las posibles válvulas PSV, cantidades másica de la planta a evaluar, los impactos ambientales potencializados. 3.6.2 FUENTES SECUNDARIAS La información secundaria se basa en los parámetros e intervalos permitidos por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial. De igual forma, los fundamentos teóricos requeridos para el desarrollo de este proyecto fueron obtenidos a través de libros de ingeniería química, libros de ingeniería de procesos, bases de datos de revistas indexadas, y en trabajos de grado relacionados con el tema de este proyecto.

Figura 16. Interfaz Aspen HYSYS 8.6v.

4. RESULTADOS Y DISCUSION

4.1 MONTAJE DE LA PLANTA. La planta utilizada para este proyecto es una planta de síntesis de gas (METANO), la cual en el programa de Aspen HYSYS la podemos encontrar de ejemplo operativo, esta planta consta de una serie de reactores en serie para la síntesis de este gas, la cual nos brindó todo lo necesario para la realización del proyecto ya que nos ofrecía toda la información valida de la planta y todas sus variables importantes como lo son, temperatura de los fluidos y reactores, presiones de las líneas y de estos también, como sus flujos másicos, etc. cabe resaltar las variables operacionales más importantes para la realización del proyecto. El montaje fue sencillo gracias a que el software nos ofrece ejemplos y es aquí donde podemos encontrarla.

Fuente: Aspen HYSYS 8.6v.

Entramos a

este icono.

Figura 17. Interfaz Aspen HYSYS 8.6v. Selección de planta.

Figura 18. Planta de síntesis de metano.



Seleccionamos

esta planta.

4.2 ANÁLISIS DESPRESURIZACIÓN (BLOWDOWN). Para determinar el comportamiento y la cantidad del vapor liberado por la emergencia de sobrepresión se evaluaron tres tipos de casos de transferencia de calor, un primer caso donde no hay aporte de calor, segundo caso (simple) que evalúa la perdida y ganancia calor con ambiente , y un último caso más detallado considera los tipos de transferencia calor , en cada uno de los casos se analizan las variables de temperatura, presión y flujo másico de salida del vapor y cuál es la tendencia de este, además se evalúa escenarios de emergencia / incendios. Para realizar estas evaluaciones se tomó como referencia el último tanque de la simulación de la planta.

Fuente: Aspen HYSYS, 8.6v.

4.2.1 PRIMER CASO (NONE).

En esta primera instancia implica una purga del tanque, sin aporte de calor adicional; es decir será el inicial y con la cual obtendremos el coeficiente de válvula más adecuado (cv).

Grafico 1. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min).

Figura 19. Simulación reactor #5.

El grafico muestra como la temperatura del vapor va disminuyendo a través del tiempo, desde 454.4 °C hasta una temperatura final 72.19 °C, estabilizándose a los 16 minutos, esta disminución es causada por la realización de una purga, blowdown o despresurización. Grafico 2. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min).

El grafico muestra como presión de vapor va disminuyendo a través del tiempo, desde 3447 Kpa hasta una presión final 105.7 Kpa, estabilizándose a los 18 minutos. Grafico 3. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min).

El grafico nos muestra el flujo másico liberado de vapor por acción de una purga a través del tiempo, estabilizándose a los 3.914 kg/h.

También se calcula cuanto es la disminución de la presión del vapor, temperatura y masa de vapor en el tanque, y el coeficiente de válvula (CV) más adecuado, como se puede observar en la figura 20. Figura 20. Temperatura, presión, masa del vapor y CV.


4.2.2 SEGUNDO CASO (SIMPLE): En este paso se configura el flujo de calor dentro y fuera del sistema de despresurización, es decir será considerado la pérdida / ganancia de calor con el medio ambiente. Grafico 4. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min).

Se observa como en primera instancia la temperatura desciende de una manera muy pronunciada hasta el minuto 3.85 con una temperatura de 130°c, sigue disminuyendo alcanzando una temperatura de 44 °c en minuto 14, y por último la temperatura sube de una manera muy abrupta hasta alcanzar 450.3°c y se mantiene constante, se puede inferir que el pico de temperatura generado se da por el contacto al ambiente ya que a esa temperatura el metano y con los niveles de oxígeno mayores a un 15% se generaría una auto ignición. Grafico 5. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min).

El grafico muestra el comportamiento de la presión de vapor como va disminuyendo a través del tiempo, estabilizándose a los 14 minutos obteniendo una presión final 101.1 Kpa. Grafico 6. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min).

El grafico nos muestra el flujo másico liberado de vapor por acción de una purga a través del tiempo, estabilizándose a los 0.8107 kg/h. De la misma manera como el caso anterior también se calcula cuanto es la disminución de la presión de vapor, temperatura y masa de vapor en el tanque, y el coeficiente de válvula (CV) más adecuado, como se puede observar en la figura 21.

Figura 21. Temperatura, presión, masa del vapor y CV.

Fuente: Aspen HYSYS, 8.6v. 4.2.3. TERCER CASO (DETAILED): Este paso analiza todos los tipos de transferencia de calor (conducción y convección) teniendo en cuenta todas las propiedades del metal y el área total de transferencia, como se puede observar en la figura 22.

Figura 22. Propiedades del metal.

Fuente: Aspen HYSYS, 8.6v. Grafico 7. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min).

Se observa como la temperatura desciende y después de determinado tiempo se Mantiene constante con una temperatura de 355 °C alrededor de los 12 minutos a partir de ahí, empieza a ascender hasta alcanzar una temperatura 372 °C, y cuando ha trascurrido de 18 minutos ocurre un alza de temperatura muy considerable hasta alcanzar los 450 °C, se puede inferir que el pico de temperatura generado se da por el contacto al ambiente ya que a esa temperatura el metano y con los niveles de oxígeno mayores a un 15% se generaría una auto ignición. Grafico 8. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min).

El grafico muestra el comportamiento de la presión de vapor como va disminuyendo a través del tiempo, estabilizándose a los 16 minutos obteniendo una presión final 101.3 Kpa al realizar la purga.

Grafico 9. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min).

El grafico nos muestra el flujo másico liberado de vapor por acción de una purga a través del tiempo, estabilizándose a los 0.04422 kg/h. En este también se calcula cuanto es la disminución de la presión de vapor, temperatura y masa de vapor en el tanque, y el coeficiente de válvula (CV) más adecuado, como se puede observar en la figura 23.

Figura 23. Temperatura, presión, masa del vapor y CV.

Fuente: Aspen HYSYS, 8.6v. 4.2.4. ESCENARIO FUEGO Simula condiciones que pueden ocurrir durante un fuego en la planta, se utilizará fire Stefan bolztmann incluye términos de radiación, convección forzada, temperatura de la llama y términos de temperatura ambiente en los cálculos. Figura 24. Parámetros de flux de calor.


Grafico 10. Temperatura del vapor liberado (°C) vs tiempo (min).

Se puede inferir que el alza de temperatura es por la generación de un incendio alcanzado los 931°C.

Grafico 11. Presión del vapor (Kpa) vs tiempo (min).

Se puede observar un incremento de presión de una manera abrupta por causa de una llamarada, por lo que se pude inferir que el alza de presión se da por una explosión, luego la presión disminuye a 3599 kpa y manteniéndose constante.

Grafico 12. Flujo másico del vapor liberado (Kg/h) vs tiempo (min).

Se presenta disminución del flujo másico debido a una ruptura en el tanque, el cual presenta un orificio de 3mm2.

Fuente: Aspen HYSYS, 8.6v

Figura 25. Temperatura, presión, masa del vapor y área del orificio.

Figura 26. Aloha Software, datos.

4.3 ANALISIS DEL IMPACTO POR DESPRESURIZACIÓN (BLOWDOWN). Teniendo en cuenta como punto de referencia la Universidad San Buenaventura Cartagena, con coordenadas geográficas exactas las cuales son: (10º 23‟14.69” N, 75º 27‟46.13” O) y una elevación de 9m sobre el nivel del mar con una humedad promedio de un 84%, y una temperatura promedio de 27º C, tomando como punto exacto el parque tecnológico de la universidad. [25] Al entrar estos datos a el simulador ALOHA, entregando los datos de dimensión del tanque (reactor) de, Diámetro: 1.193 m y alto: 1.789, dándonos así un tanque con capacidad de 2000 L de capacidad. Este caso se verá analizado en el simulador Aloha, como nube de vapor sin ignición alguna por lo cual no se presentara llamarada.

Fuente: Aloha 5.4.7.

Figura 27. Dispersión de nube de vapor, modelo Gaussiano.

En la figura 26 se puede observar las dimensiones del tanque, la temperatura que se encuentra su contenido y demás parámetros, gracias a todos estos datos de presión, cantidad másica, el software nos arroja en cuanto tiempo se libera la totalidad del reactor, que tiene una velocidad promedio de flujo de 5.11 Kg/min, dando así el siguiente resultado. Grafico 13. Dispersión de nube de vapor.

Fuente: Aloha 5.4.7.

Observando el grafico 13, se puede inferir que en la zona roja, las personas tienen un riesgo alto de muerte por asfixia ya que este gas (metano) desplaza el oxígeno, en la zona naranja las personas pueden ingresar un limitante de tiempo con sus respectivos elementos de protección personal (EPP) certificados para esta exposición, y la zona amarilla es en la cual las personas pueden están 8 horas al día, 5 días a la semana, con los respectivos elementos de protección personal (EPP).

Figura 28. Imágenes satelitales de la probable propagación, y lugares más afectados por blowdown.

Figura 29. Casos Safety Analysis.

Fuente: Google Earth Pro. 4.4 SAFETY ANALISIS Y SELECCIÓN DE LA VALVULA. En este procedimiento llamado safety análisis, se realizan la evaluación de varios casos para así estudiarlos y hacer el proceso más viable al momento de elegir una válvula de alivio o PSV, en este caso se hizo el análisis en 3 casos, los más relevantes los cuales son, apague y arranque del equipo (reactor), sobre presurización del reactor, incendios.

Fuente: Aspen HYSYS, 5.6v. Se procede a describir la unidad a proteger por la válvula de alivio de presión o PSV la cual en este caso sería el reactor, definiendo condiciones de diseño y operación del equipo (reactor), dados en la figura 30.

Figura 30. Parámetros de operación.

Figura 31. Parámetros de la válvula diseñada.

Fuente: Aspen HYSYS 8.6v. Realizando la asignación de datos antes dicha se procede a la revisión de dimensionamiento de los casos y ahí podremos ver que HYSYS nos ha dado un valor de orificio adecuado para nuestra válvula PSV.

Fuente: Aspen HYSYS 8.6v. Para la selección de la válvula se debe tener en cuenta los casos anteriormente analizados para poder saber elegir con buen criterio según la necesidad de la planta y ver la ventaja y desventaja de los tipos que ya se ha comentado en la tabla 8. Una vez designado los parámetros de diseño de válvula (temperatura, presión) y seleccionando el escenario que se quiere evaluar, obtenemos los resultados para el diseño de la válvula PSV como se puede observar en la figura 31.

Calculated orifice (Orificio Calculado): Es al área requerida para el proceso de purga.

Selected orifice (Orificio Seleccionado): Orificio de referencia, es el área máxima que puede tener el diseño de la válvula.

Rated capacity (Tasa/Rata de capacidad): Es la cantidad máxima de flujo que puede pasar por la PSV.

Capacity used (Capacidad Utilizada): Este parámetro indica la capacidad máxima de porcentaje puede trabajar la válvula.

Orifice designation (Orificio Designado): Este parámetro indica que modelo de la válvula se debe seleccionar.

In/Out flanges (Entrada/salida de brida): indica Tamaño de la válvula (Dimensión).

Noise level (Nivel de ruido): Este parámetro mide el nivel de ruido por la acción de despresurización.

Noise height (Altura/Distancia del ruido): Este parámetro nos indica la distancia que puede alcanzar el ruido al momento de una purga.

Discharge coefficient (Coeficiente de descarga): Es un factor adimensional característico de la válvula, que permite calcular el caudal con el que desembalsa una válvula en función del nivel del fluido reserva.

Figura 32. Criterio para selección de un correcto arreglo de válvula de alivio o PSV.

Figura 33. Lugares donde no puede faltar nunca una válvula PSV.

Fuentes: Chemical Process Safety, Third Edition, D. Crowl & J. Louvar. Fuentes: Chemical Process Safety, Third Edition, D. Crowl & J. Louvar.

Figura 34. Configuración más adecuada.

Teniendo en cuenta lo anterior mente mostrado en las figuras 32 y la figura 33, y según la necesidad de la planta de síntesis de metano se puede inferir que:

El arreglo de válvulas o combinación de válvulas para los reactores es aquella en la cual hay un disco de ruptura en paralelo a una válvula de acción por resorte convencional, lo cual el disco de ruptura ayudaría a la válvula de resorte si llegase a ver un aumento muy grande en la presión.

Bajos costos en reparación y mantenimiento de estos, muy confiables.

Se hace la utilización de estos dos sistemas de alivio de presión, ya que el metano no es un gas corrosivo por lo cual podemos tener mayor durabilidad en nuestro sistema de seguridad de válvulas.

Disco de ruptura es viable como backup para las válvulas de acción por resorte, excelente para grandes salidas de volúmenes, lo cual si llegase a dar sobre carga o un alza de presión abrupta ayudaría a su válvula compañera.

Esta configuración seria primordial para todos los reactores que encontramos en la planta de sintonización de metano, ya que como lo especifica la figura 33 todos los reactores tienen que tener este sistema de protección para así evitar catástrofes.

Fuente: http://www.interempresas.net/Medicion/Articulos/22516-Diseno-de-sistemas-de-alivio-de-presion.htm

http://www.interempresas.net/Medicion/Articulos/22516-Diseno-de-sistemas-de-alivio-de-presion.htm

http://www.interempresas.net/Medicion/Articulos/22516-Diseno-de-sistemas-de-alivio-de-presion.htm

Fuentes: Aspen Hysys, Advanced process modelin topic.

4.5 VALIDACION DE DATOS.

Para dar veracidad de los datos obtenidos y tener un soporte el cual nos indique que los

datos obtenidos no están alejados de la realidad, confirmando que cada uno de los

pasos, casos e impactos que se han planteado a lo largo del proyecto, ya sean para el

personal operativo o para el ambiente, se observa que son situaciones que normalmente

pueden ocurrir en una planta (química, petroquímica, etc.), para esto se realiza un

comparativo con una planta de hidrocarburos (ver figura 35), el cual diseñan la válvula

para evitar posibles accidentes por sobrepresión, las propiedades del flujo de

alimentación y de cómo está compuesta se podrá ver en la tabla 9 y 10. [26]

]

Figura 35. Planta de hidrocarburos.

Tabla 9. Propiedades del flujo de alimentación.



Puesto que Aspen HYSYS realiza un modelamiento de los tipos de válvula de PSV,

permitiendo seleccionar y dimensionar la válvula más adecuada de acuerdo a al

escenario de estudio o la problemática que se presente, Al igual que en este proyecto y

en la planta de hidrocarburos mostrada en la figura 35 se evaluaron los mismo

escenarios y casos ver figura 29 y figura 36.

Tabla 10. Componentes del flujo de alimentación.

Figura 36. Casos Safety Analysis.

Una vez evaluado los escenarios y los casos, se puede observar que los datos obtenidos

en la planta de hidrocarburo para la selección y el tamaño de la válvula no son muy

diferentes a los que se obtuvieron es este en la planta de Synthesis Gas Producción que

es la planta evaluada en este proyecto ver figuras (37, 38, 39, 40).

Fuente: Aspen HYSYS 8.6v. Fuente: Aspen Hysys, Advanced process modelin topic

Fuente: Aspen HYSYS 8.6v. Fuente: Aspen Hysys, Advanced process modelin

topic

Como se puede observar en las figuras anteriores la diferencia entre el diseño de las

válvulas no es muy radical, lo cual da entender que los datos obtenidos en la simulación

de la planta de Synthesis Gas Producción, permite seleccionar con certeza cuál es la

válvula de PSV más adecuada para el escenario planteado.

Figura 38. Válvula de Synthesis Gas producción.

Figura 37. Válvula de planta de hidrocarburos.

Figura 39. Válvula de Synthesis Gas producción.

Figura 40. Válvula de Synthesis Gas produccion

Como se puede observar en las figuras anteriores la diferencia entre los parámetros

obtenidos de la planta de Synthesis Gas producción y la planta de hidrocarburos, para el

diseño de las válvulas no son muy significativos, estos cambian por la temperatura y

presión de diseño, lo que indica que los datos obtenidos en la simulación de la planta de

Synthesis Gas Producción, permite seleccionar con certeza cuál es la válvula de PSV

más adecuada para el escenario planteado.

CONCLUSIONES

Luego de implementar la metodología elegida para la realización del proyecto usando a cabalidad y casi totalidad el software Aspen HYSYS para el modelamiento de las válvulas PSV, como también para observar los comportamientos posibles que puedan tener el proceso de síntesis de metano, se pudo analizar gracias a la ayuda del programa ALOHA 5.7.4, el cual nos permitió observar el impacto posible generado por estas liberaciones a veces necesarias para poder proteger la integridad de la planta, o prevenir una fatalidad, observando el alcance que puede tener el no realizar los protocolos correctamente cuando se habla de seguridad de procesos. La importancia de las válvulas de seguridad de presión (PSV), es de gran importancia, ya que estas ayudan a proteger todo el proceso de sobre presiones causadas por alteraciones en el proceso, lo cual es algo normal en la vida diaria de una planta química o petroquímica, el tener bien ubicados estos equipos podría dar una gran efectividad ya que si no se ubican donde deberían estar estamos arriesgando de gran manera la integridad de la planta, siempre que sea seguridad no importa el costo, mientras se mantenga la seguridad del proceso, se mantiene un proceso estable y confiable. El uso de software para estos diseños es vital, ya que muchos tienen los parámetros de los protocolos API, ASME, ISO 4126, por lo cual nos facilitaría el dimensionamiento practico de estos equipos vitales para la planta, los modelamientos matemáticos de diseño para estas válvulas es muy complicado para nivel postgrado y extenso ya que se manejan muchos protocolos y muchos parámetros los cuales son difíciles de conseguir sin tener contacto con la industria, sea química o petroquímica.

RECOMENDACIONES

Podría usarse solamente una PSV de disco de ruptura para así generar mayor economía en equipos de seguridad, ya que si observamos la figura 15, y tomamos y seguimos el diagrama de flujo nos da un como respuesta que debería de usarse disco de ruptura, pero, para mayor seguridad y evitar elevadas pérdidas económicas y multas por contaminación ambiental, ya que estos discos después de rotos, se pierde todo contenido dentro del recipiente que protege, por ende es preferible tenerlo como backup con una PSV de acción de resorte convencional, para posibles alzas grandes de presión. Para establecer un mejor entendimiento de todos los procesos y variables a estudiar, se recomienda ampliar el conocimiento hacia el diseño en la ingeniería de procesos, y seguridad, ya que es vital tener amplio criterio al momento de diseñar o validar equipos de seguridad para las plantas químicas o petroquímicas, el conocimiento de los manuales de la API (American Petroleum Instutude), la ISO-4126, el código ASME (American Society of Mechanical Engineers), las NTP y otras normas que hablen sobre el diseño de válvulas de sobre presión, ya que con estos podemos obtener una guía más certera al momento de tratar los procesos de alto riesgo y así ayudar a disminuir los altercados en las plantas.

REFERENCIAS

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[11] O.GOMEZ CAMARGO,"Gestion de alarmas en plantas de proceso,"boletiniee, pp. 4-

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[12] A.F. MARMOLEJO MOTTOA, “Diseño de un procedimiento para la atención de emergencia por fuga de amoniaco en una planta de productos cárnicos en caloto – Colombia,” Tesis de grado, Dep. Ingeniería. Universidad San Buenaventura, Cali, 2013.

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San Buenaventura, Cartagena, 2014. P. 18-19.

[23] VARGAS CORDERO, Zoila Rosa. La investigación aplicada: una forma de conocer

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[24] BONO CABRÉ, Rose. Diseños Cuasi-Experimentales y Longitudinales. Universidad de Barcelona. Facultad de Psicología. [25] IDEAM, “Características Climatológicas de ciudades principales y municipios turísticos”.

[26] Aspen Hysys, “Advanced process modelin topics”, “aspen tech customer education training”, Course Number EHY202_V9.0_rev1.

ANEXOS

Anexo 1. Valores de temperatura promedio en la ciudad de Cartagena.

Anexo 2. Aloha software 5.4.7.

Anexo 3. Ficha Seguridad Química internacional para el METANO.

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