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EVALUACIÓN DE ESCENARIOS PARA  MODELOS DE DISPERSIÓN Y EXPLOSIÓN DE GASES EN ESPACIOS CONFINADOS MEDIANTE EL MODELO CFD.  

 

 

 

 

 

TATIANA CAROLINA MONROY BUITRAGO 

 

 

 

Trabajo  para Optar El  Título de Ingeniero  Químico 

 

 

 

Asesor   

Felipe Muñoz 

 

 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS  ANDES   FACULTAD DE INGENIERÍA  

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUIMICA  BOGOTÁ 2011     

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 CONTENIDO  

  

AGRADECIMIENTOS  

 

Agradezco  a mi  familia  por  todo el  apoyo  incondicional  durante el  proceso  para  optar  por  el titulo  de ingeniera  química,  a mis  amigos,  compañeros  y  colaboradores  en especial  a  Sergio 

García y a mi asesor, Felipe Muñoz  por la orientación, dedicación, paciencia y buenos consejos.  

También agradezco a quienes estuv ieron  involucrados y a los futuros beneficiarios del mismo. 

                               

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TABLA DE CONTENIDO 

INTRODUCCIÓN 

OBJETIVOS  

Objetivo General  Objetivos Específicos   

ESTADO DEL ARTE Nociones básicas del fenómeno de dispersión Modelos para la simulación de dispersiones    Dinámica de Fluidos Computacional Simulador FLACS   CASD   Parámetros para la simulación de dispersiones     CFLV     CFLC    FLOWVIS Modelos Fuente Combustión  y  límites de inflamabilidad  

  METODOLOGÍA 

    Construcción de geometrías      Construcción de escenarios      Visualización de resultados 

  CONSTRUCCIÓN DE GEOMETRÍAS   

  CONSTRUCCIÓN DE ESCENARIOS   

  Puntos  de  monitoreo    CFLV y  CFLC    Condiciones de  Frontera   Condiciones iniciales   Composición y  volumen del gas   Fugas     Fuga  FAN     Fuga  DIFUSSE 

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  VISUALIZACIÓN DE LA SIMULACIÓN 

  METODOLOGÍA DE ANÁLISIS  

  ANÁLISIS DE RESULTADOS      Geometría      Presencia de obstáculos      Posición de  la fuga        Caso 1.        Caso 2.        Caso 3.      Tipo  de  gas       Caso 1.        Caso 2.        Caso 3.        Caso 4.         Caso 5.        Caso 6.    TRABAJO FUTURO   CONCLUSIONES     REFERENCIAS     ANEXOS  

                   

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ÍNDICE DE TABLAS 

 Tabla 1   Constantes del  modelo K‐E (M.  Pontiggia, 2009). ............................................. 15 Tabla 2   Valores  de  presión  para γ (Lowar, 2002).  .......................................................... 23 Tabla 3.  Límites de inflamabilidad para los gases utilizados. .......................................... 29 Tabla 4  Valores típicos  para alturas de Rugosidades  aerodinámicas ............................. 30 Tabla 5  Clasificación del parámetro de Pasquil  (Copyright ©  2009  GexCon AS,  2009) . 31 Tabla 6  Ra zones de  equivalencia para los gases analizados  ........................................... 32 Tabla 7  Tabla de coordenadas de  posición  de  Fuga........................................................ 33 Tabla 8  Áreas y diámetros de  fuga  .................................................................................. 36 Tabla 9  Presión  Máxima para  cada uno de  los puntos.................................................... 54 Tabla 10  Límites de  inflamabilidad.................................................................................. 55 Tabla 11  Tiempos según evento...................................................................................... 56 Tabla 12  Concentraciones y efectos del gas en el  organismo......................................... 64 

                        

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ÍNDICE DE FIGURAS 

  

Figura 1.   Distribución  de  tipos de pérdidas para los  100  más grandes accidentes  en la industria de   hidrocarburos 1957 ‐1986(Bjerketvedt, 1990‐1992) .................................... 4 Figura 2.   Árbol de eventos (Bjerketvedt,  1990‐1992).  .................................................... 9 Figura 3.   La ruta a través  de  la simulación en FLACS.  (Bjerketvedt, 1990‐1992). ......... 17 Figura 4.   Matri z de distribución  de geometrías y  obstáculos. ...................................... 26 

Figura 5.   Matri z de distribución  posición y diámetro de  fuga....................................... 27 Figura 6.   Dimensiones  de  las geometrías ...................................................................... 28 Figura 7.   Geometrías obtenidas en CASD...................................................................... 29 Figura 8.   Puntos  de monitoreo.  ..................................................................................... 30 Figura 9.   Concentración  t=325 seg.  ............................................................................... 35 Figura 10.    Límite de inflamabilidad t=150 seg.  ............................................................. 36 Figura 11.    Límite de inflamabilidad t=325 seg.  ............................................................. 36 Figura 12.    Toxicidad t=67.5 seg.  .................................................................................... 37 Figura  13.    Concentración  de  olor  característico de sul furo de Hidrógeno.  .................. 38 Figura 14.    Dispersión del gas en  diferentes tiempos   ................................................... 39 Figura 15.   Presión  máxima para presencia de obstáculos. ............................................ 39 Figura 16.   Velocidades máximas según posición  de  fuga. ............................................. 40 Figura 17.   Presiones máximas según  posición de fuga.  ................................................. 40 Figura 18.   Magnitud del escape de gas.  ......................................................................... 42 Figura 19.   Concentración  t=325 seg.  .............................................................................. 45 Figura 20.   Concentración  t=325 seg con corte en  Y=9.8 m  . .......................................... 46 

Figura 21.    Cantidad de combustible con  dife rentes diámetros de  fuga.  ...................... 47 Figura 22.    Presión máxima variando  el  diámetro de fuga.  ........................................... 48 Figura 23.    Relación entre  el diámetro del orificio y  la presión del gas (Dong Yuhua, 2002). ............................................................................................................................... 49 Figura 24.    Relación entre  el diámetro del orificio y  la presión del gas. ........................ 49 Figura 25.    Presión máxima variando  el  diámetro de fuga.  ........................................... 50 Figura 26.   Presión  Máxima según tipo de gas. ............................................................... 51 Figura 27.    Velocidad  Máxima según  tipo  de  gas.  .......................................................... 52 Figura  28.   Cantidad de  combustible  .............................................................................. 55 Figura 29.   Concentración  del  tipo  de  gas.  ...................................................................... 56 Figura 30.   Presión  Máxima  Lateral.  ............................................................................... 56 Figura 31.   Presión  Máxima  Posición:  Centro  ................................................................ 56 

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Figura 32.   Límites de inflamabilidad Gas Natural para cada uno  de  los  eventos descritos en  la tabla 11.................................................................................................... 58 Figura 33.   Límites de inflamabilidad H2S.  ...................................................................... 60 Figura 34.   Límites de inflamabilidad Propano................................................................ 61 Figura 35.   Distribución  del  gas, Arriba gas Natural‐ Centro  H2S‐ Abajo Propano. ........ 62 Figura 36.   Dispersión  de cada uno  de  los gases. ............................................................ 64 Figura 37.   Concentraciones noci vas y  toxicas. ............................................................... 66 

             

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1. RESUMEN 

En  las  últimas  décadas  muchos   accidentes  han  ocurrido  como  producto  de  la  liberación  de  gases tóxicos y/o inflamables. Al rev isar las estadísticas  entre los años 1957‐1986, se encuentra  que   el  42%  de  los  accidentes  fueron  causados  por  explosiones    producto de  una  nube   de  vapor,  estos   incidentes,    han  cobrado  un  sin  número  de  vidas  y   millonarias  pérdidas  materiales.  Con  el  fin  de  analizar  e  inferir  las  fortalezas  y  restricciones  de  la  herramienta  computacional  para  la predicción del fenómeno  de  dispersión  de un  gas dentro  de  un espacio confinado,  se  decidió  evaluar  diversas  distribuciones  espacia les,  se  estudió  el  efecto  de variables como   tipo de  gas, velocidad y posición de fuga  dentro  de  un  espacio confinado,  se  visualizaron  los  resultados  obtenidos,  y  se  infirieron  las  fortalezas  y  restricciones  de  la  herramienta computacional. Para el desarrollo  de esta investigación se  utilizó  un sistema CFD,  aplicado  para  la  simulación de geometrías más  complejas, al igual que  para analizar el efecto de grandes  obstrucciones  en una dispersión de gases. Una  herramienta CFD imprescindible  es  FLACS,  un  simulador  en  3‐D  que  permite  representar  las  dispersiones  y  explosiones  de  gas.  Este  programa  provee  una  apropiada   representación  de  los  obstáculos  en el  desarrollo  del código  fuente  de  FLACS.  A  través  de  las  ecuaciones  de  Nav ier‐Stokes,  los  códigos  de  CFD resuelven  modelos  de   ecuaciones   específicos,  tales  como  el  balance   de  masa  y   energía.  Finalmente  el  presente  trabajo define la geometría a utilizar y los  escenarios a  evaluar  para  la predicción del  fenómeno de dispersión de gases inflamables  en espacios confinados  utilizando herramientas CFD. Finalmente  se  encontró  que al  realizar  la caracterización  del escenario y  el análisis  de las variables  que interfirieron en  la dispersión del gas dentro  de la simulación  como la  presión,  la  velocidad  y  la  concentración,  se  pueden  encontrar  las  posibles  formas  de  mitigación  y  prevención  para  una  liberación accidental  de  un  gas  inflamable,  las medidas  de control  existentes  y  algunas  medidas  en  caso  de  una  emergencia  de  este  tipo.  Toda  esta  evaluación  se  realiza  con  miras  a  prevenir,  controlar  y  mitigar  el  riesgo  de  una  explosión  posterior por difusión de un gas  inflamable.  

                   

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 2. INTRODUCCION 

 Desde  la  revolución  industrial,  la  industria  química  ha  sido  asociada  a  una  gran cantidad de incidentes, que incluyen accidentes químicos como derrames, explosiones e  incendios.  Al  revisar  las  estadísticas  entre  los  años  1957‐1986  (Figura  1.),  se encuentra que el 42% de los accidentes fueron  causados por explosiones  producto de una nube de vapor. En esta clasificación, este tipo de explosiones incluyen explosiones de gas al  interior de edi ficaciones o explosiones exte rnas. En  la  figura 1, los eventos denominados  como  explosiones,  constituyen  el  20%,  y  pudieron  ser  causadas  por reacciones  en  sólidos,  reacciones  altamente  exotérmicas, perdidas  de  contenedores por BLEVE y explosiones gaseosas dentro de un equipo de proceso. (Bjerketvedt, 1990‐1992).Estos  datos   estadísticos  demuestran  que  es  muy  importante  realizar  investigaciones encaminadas al desarrollo de escenarios con el fin de  prevenir  futuras catástrofes y disminuir los  efectos en caso de  ocurrencia.  

 Figura 1 . Dis tribución de tipos de pérdidas para los 100 más grandes accidentes en  la industria de hidrocarburos  1957‐1986(Bjerketvedt, 1990‐1992)    Como muestra de lo mencionado anteriormente, se presentará un caso en el cual una dispersión de un gas altamente explosivo condujo a la explosión de las instalaciones de la  Empresa de Servicios  de  acetileno  (ASCO)  en  Nueva  Jersey  la mañana  del  25  de enero de 2005, dejando a  tres trabajadores muertos  y  uno herido.    Luego que el accidente fue controlado el boletín de seguridad observó que las tuberías de  agua  de  las  instalaciones,  estaban  entre  el  generador  de  acetileno  y  grandes tanques al aire libre, estos anexos al almacén que  incluye una válvula de drenaje.  La presión  del  agua  y  un  dispositivo  de  seguridad  denominado  válvula  de  retención previenen  el  flujo  en  reversa  de  acetileno.  Los  operadores  empezaron  a  generar  acetileno esa mañana, usando agua  suministrada por el acueducto  de  la  ciudad.  Los investigadores  concluyeron que  este suministro estaba apagado  con  la  intención de 

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35

22

1051015202530354045

Vapor   Incendio Explosión  Vientos 

Accidentes Químicos 

Accidentes Químicos 

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usar el  suministro de agua  de  reciclo.  La  válvula  de  suministro de  agua  de  reciclo estaba  abierta,  pero  por  razones  que  no  se  determinaron,   los  operadores  no encendieron  el  flujo   de  agua.  Esto   dejo  el  camino  abierto   desde   el  generador   de acetileno hasta la válvula de drenaje del almacén, que había quedado abierta la noche anterior,  para  prevenir  que  las  tuberías  se  congelaran  en  invierno.  La  válvula  de retención   pudo prevenir el  flujo de acetileno en  reversa a través de  las  tuberías. Sin embargo los investigadores encontraron  que la válvula contiene un defecto de diseño que la hace susceptible al fracaso. Debido a esto, en l ugar de sellar adecuadamente el acetileno, el tapón de goma se ubicó  en un ángulo que permitió el flujo en  reversa de acetileno a través  de la válvula de  retención    Los anteriores eventos permitieron que el acetileno  circulará a  través de las tuberías de  agua y  diri giéndolo  hacia una  válvula  de  drenaje  del  almacén.  El  gas  altamente explosivo  se elevo hasta un  nivel altamente peligroso y probablemente  se encendió cuando llego a la superficie caliente del calentador de propano al interior del almacén. (CBS  U. C., U.S. Chemical Safety and Hazard  Investi gation Board,  2006)  Como se pudo observar anteriormente el fenómeno de  dispersión es un evento previo significativamente  importante a  la  hora de  la  ocurrencia  de  un  accidente.  Debido  a esto se hace primordial analizar este fenómeno. La dispersión puede ser  clasificada de diferentes  formas, ya sea por el tiempo de liberación del gas, el comportamiento de la nube de vapor y por la dirección en que se dispersa. Una dispersión de gases puede ser continua, como la de  las chimeneas, instantánea o que fluctué  en el  tiempo. Además, el  comportamiento  que  la  nube  de gas  tenga puede determinar  si el  gas  flota  de manera  neutra,  positiva  o  negativa,  este  último  comportamiento  de  dispersión  se utiliza  para  gases  densos.  En  este  fenómeno  se  debe  tener   muy  presente  las propiedades físicas del gas, como la densidad. Ya que, el comportamiento que tiene un  gas más denso que el aire es muy diferente a uno menos denso. Es importante resaltar que  luego  la  mayoría  de  dispersiones  de  materiales  inflamables  conllevan  una explosión,  sin  embargo  el  objeto  de  este  trabajo  es  el  análisis  de  dispersión  de materiales más y menos densos que  el aire.   El  estudio  de  este  tipo  de  eventos  debe  ser  abordado  desde  la  complejidad  del escenario,  lo  que   involucra  herramientas  de  simulación  como  FLACS,   que  se fundamentan en modelos computacionales para  la dinámica de  fluidos.  Por  tratarse este trabajo de un primer intento con miras a definir la utilización de herramientas  de este tipo,  se diseñaran diversos escenarios de  dispersión  con materiales inflamables más y menos  densos  que el  aire,  por medio  de  la  definición previa de geometrías, además se focalizó el estudio en variables como: tipo de compuesto, velocidad de fuga del  gas,  y   posición  del  punto  de   fuga.  Debido  a  que  estas  variables  influyen significativamente  en  el  proceso  de  dispersión  de  un  gas,  se  hace  imperiosa  la construcción de di ferentes escenarios que  simulen  las  condiciones.  Justificándose en los  resultados obtenidos mediante esta  simulación, también  se pretende determinar 

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una  serie  de  lineamientos  básicos  para  el  planteamiento  de  escenarios  como consecuencia de dispersiones y explosiones  

2.1  OBJETIVOS DEL PROYECTO  El objetivo  general del proyecto  es evaluar escenarios creíbles para  la  dispersión de gases  inflamables  en  espacios  confinados  utilizando  una  herramienta  CFD.   Como primer objetivo  específico  se decidió  evaluar diversas distribuciones espaciales dentro de un espacio confinado. En segundo lugar se estudió el efecto de variables como  tipo de  gas,  velocidad  y  posición  de  fuga.  Finalmente  se  visualizaron  los  resultados obtenidos,  y  se  infirieron  las  fortalezas  y  restricciones  de  la  herramienta computacional, para la predicción del fenómeno de dispersión de un  gas dentro de un espacio confinado.  

 

2.2    ALCANCE DEL PROYECTO    

Este proyecto  no  pretende  hacer un  estudio exhaustivo de  un  caso  complejo, por el  contrario  intenta  establecer  una  guía  práctica  de  los  efectos que  tienen  diferentes variables en la cotidianidad. Se estudiarán los efectos de 5  variables constituyendo  un total  de  108  casos,  los  cuales  cumplirán  con  los  objetivos  planeados  para  los escenarios de dispersión de gases al interior de un espacio confinado por la fuga de gas de  una  tubería.  En  este  caso el diseño de  la  geometría  será  sencillo  con  el  fin  de facilitar el análisis de resultados y  la comparación de los  mismos.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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3. ESTADO  DEL  ARTE   

3.1 NOCIONES  BASICAS DEL FENOMENO DE DISPERSION DE GAS  

Son  bien  conocidas  las  consecuencias  que  puede  tener  un  accidente  químico,  en especial cuando se trata de una liberación de gas que llega a explotar. A pesar que este tipo de  accidentes  solo  ocurren  ocasionalmente,  las  pérdidas son  enormes: daño  al medio ambiente, gran número de muertes, miles de  heridos, pérdida de confianza por  parte de  los  consumidores, pérdidas de equipos e  inventarios. Estos eventos pueden ocurrir  en  cualquier  tipo  de  industria  desde  industrias  alimenticias  hasta farmacéuticas. (Crowl,  2003).    Todos  los  accidentes mencionados  anteriormente  fueron  producto   de  dispersiones previas  de  la  sustancia  y  de  varios  factores,  ya  sean  errores humanos,  fallas  en  las tuberías,  fallas  en  los  controladores  de  los  equipos  o  en  algunos  casos  el almacenamiento desmesurado de una sustancia  peligrosa.    Existe una amplia  serie de  circunstancias,  las  cuales pueden ori ginar una emisión.  La situación que es discutida más  frecuentemente es aquella en  la que  se  considera una falla en la integridad de una planta, sin embargo es importante considerar otro tipo de eventos  como  el  escape  de  gas mediante  válvulas  que  han  sido  deliberadamente abiertas y  ventilaciones  forzadas de emergencia.  Por  ejemplo  en  una  instalación  de refrige ración de gas  licuado  de petróleo a  baja presión,  una  gran  cantidad  de  vapor  inflamable fue liberada, esto pudo deberse a una  falla en un contenedor a presión o a una red de tubería. Pero una pérdida de re frigeración, da como resultado una nube de ventilación forzada con una gran  cantidad de vapor liberado. Finalmente las emisiones causadas por actos terroristas son  una preocupación  creciente.  (Mannan)  Lo  mencionado  anteriormente   ha  servido  para  modelar  nubes  de  vapor  con condiciones  similares,  variando  la  cantidad  liberada  de  gas,  ya  sea  en  pequeñas, medianas  o  grandes  cantidades.  Los  típicos  escenarios  que  son  utilizados  pueden dividirse en  tres categorías (según  el estado  del  material y tipo de fuga):  

i) Vertido  de  líquido y evaporación posterior ii) Liberación presurizada  en  dos ‐fases  iii) Liberación de un gas o vapor  

 Para entender mejor  las  causas de  los anteriores accidentes es preciso definir en qué consiste una explosión y una dispersión  de gas, y  cuáles  son  los  requerimientos para que estos  fenómenos ocurran. Una explosión, es un  proceso en el cual se lleva a cabo una  combustión  de  una  nube  de  gas  premezclado,  ya  sea  combustible‐aire  o 

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combustible‐oxidante,  causando  un  incremento  acelerado  en  la  presión. Generalmente este fenómeno es la consecuencia de una liberación de gas que luego se dispersa a través de  la atmósfera en  el que este se encuentra.  La figura 2 muestra las consecuencias  típicas de  los vertidos accidentales de un gas  combustible o un  líquido que se evapora en la atmósfera. (Bjerketvedt,  1990‐1992).  

Figura 2. Árbol de eventos .(Bjerketvedt, 1990‐1992)  Una dispersión  se produce  cuando una  liberación  gaseosa, ya  sea por evaporación o fuga  de  gas, entra  en  contacto  con  la  atmosfera,  el  gas  sufre una  propagación por dilución extendiéndose por arrastre debido al viento y las condiciones meteorológicas. Los  tipos  de  emisiones  dependen  de  la  naturaleza  del  gas,  de  las  propiedades termodinámicas y  de  la  continuidad  de  la  emisión. Un gran  número  de  parámetros afectan  la extensión de la dispersión. Muchos de estos dependen  de  la velocidad del viento  y  de  la  estabilidad  de  la  atmosfera.  Estas  condiciones  atmosféricas  están clasificadas  en  varias  clases:  Estables,  Neutras  abajo  ‐  Estables  arriba,  inestables, neutras  y estables  abajo  – neutras  en  lo  alto.   La  estabilidad de  la  atmósfera  está relacionada  con  la velocidad del  viento  y la  luz  solar. Durante el día  la velocidad del viento  aumenta  resultando  en  una  mejor  estabilidad  atmosférica,  mientras  que durante  la noche sucede l o contrario.  (AIChE,  2000)  

3.2 MODELOS  PARA LA SIMULACIÓN DE DISPERSIONES    Algunas de las características que condicionan la dispersión de un gas en la atmósfera es su densidad. Diferenciándose tres tipos: gases ligeros (densidad menor a la del aire), gases neutros  (densidad  cercana  a  la del aire)  y  gases pesados  (más densos  que  el aire).  La  dispersión  de  gases  pesados  (Etileno,  propileno,  amonio,  cloro),  ha  sido modelada en la base de las modificaciones de la teoría de la trayectoria de la nube de gas.  La  Teoría  tiene  en  cuenta,  variaciones  en  la  temperatura,  densidad  y  calor 

Liberación de un gas  y/o liquido

No hay ignición 

Ignición intermedia

Fuego

Formación de   una nube  de  combustible ‐

Aire  (Premezcla)

Ignición (Retrasada)

Explosión del gas

NO hay Daño

Daño al personal y al los  materiales

Fuego

Fuego y BLEVE (explosión de  líquido hirviente en expansión vaporosa)

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específico durante el movimiento de la nube de gas pesado. Al igual que los efectos de la velocidad del viento, densidad del gas, ventilación y velocidad en la dispersión de  la nube.  (Bosch,  Duijm,  &  Bakkum,  2005).  Por  otro  lado  la  simulación  de  gases más ligeros  como  el  Hidrógeno  también ha  sido  de  gran  interés, debido  a  que  se está considerando  la  idea de utilizar el Hidrógeno  como fuente de energía. Se debe  tener  en  cuenta  que  los  peligros  del  Hidrógeno  son  bien  conocidos  y  es  importante demostrar  que el  uso a  gran escala de este material no aumenta  el  riesgo  para  la sociedad. (Prankul Midddha,  2010)  Los  cálculos que  se  realizan  en el  fenómeno de dispersión proveen  un  estimado del área afectada y el promedio esperado de  la concentración de vapor en  la atmosfera. Los cálculos más simples requieren un estimado de la proporción de liberación de gas (o la cantidad total de gas liberado), las condiciones atmosféricas (velocidad del viento,  hora del día, cobertura de la nube), la rugosidad de la superficie, temperatura, presión y diámetro.  Modelos más complicados requieren  de detalles adicionales. (AIChE,  2000)  Debido  a  esto  existen  varios  modelos  que  predicen  el  comportamiento  de  las dispersiones de gases en varios escenarios y condiciones. Los modelos de dispersión de gases  que  se  van  a  considerar  en  esta  revisión  bibliográfica,  son  el  modelo  de dispersión pasiva,  turbulencia de  chorros y  columnas, dispersión de gases densos y el modelo CFD.  (Bosch,  Duijm, & Bakkum, 2005).   Todos los modelos en la literatura la permiten la expansión de la presión de la columna de salida de gas hacia las condiciones ambientales. Se deben considerar tres posiciones en este fenómeno  ((Bosch, Duijm, &  Bakkum, 2005)):  1. El depósito de almacenamiento X0.  2. El plano de salida Xe. 3. El estado  del  ambiente externo  XSA.  El modelo  de dispersión pasiva, es dominado por   la  turbulencia atmosférica.  Esta es determinada por la estabilidad de la atmósfera y la altura sobre de la superficie. Para la dispersión pasiva, se hace uso del modelo de pluma de Gauss (GMP) que es válido para el cálculo de la dispersión de gases en terrenos planos y uniformes. Puede ser aplicado cuando  hay una  corta distancia de   la  liberación  hasta una distancia equivalente a 3 horas de viaje en el  tiempo.  La expresión general para una liberación de gas  continua es (1 ):  (Bosch,  Duijm, & Bakkum, 2005).   

, , , , /                      (1) 

 Donde  q  es la tasa de  liberación continua y una la velocidad  del  viento  en  altura h de columna (si  la altura de la  columna es  menor  de  10  m, se debe  usar la velocidad del  

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viento  a 10  m).  Por otro lado  la expresión de una liberación instantánea o  de  corta  duración (2 ):  

, , , , , ,                (2)  La expresión Fy (x, y)  representa  la dispersión  lateral  (con viento cruzado)  y Fz  (x,  z) representa la dispersión vertical. Además Fy y Fz en las dos ecuaciones son  lo mismo, Sin  embargo  el  tiempo  promedio  para  Fy  será  diferente  en  los  dos  casos.  (Bosch,  Duijm, & Bakkum, 2005).   En  el  modelo  de   chorros  y   columnas  se  fijan  las  constantes  empíricas  de  las expresiones de Chen  y Rodi y se usan  los perfiles de Gauss para  la distribución de  la sección  transversal.  Este  modelo  describe  la  trayectoria  de  una  cortina  de  gas, enfocándose en el progreso de la región de ori gen. Es válido solo para gases que están próximos a  convertirse en incompresibles y  la velocidad de  liberación  de estos debe ser menor  a  un  tercio de  la  velocidad  del  sonido  en  la  presión  del ambiente.  Este modelo  solo  se puede usar  cuando  las  fuerzas  inerciales  son mayores que  las  fuerzas hidrostáticas. (Bosch,  Duijm, & Bakkum, 2005)  En el caso de la dispersión  de  gases densos,  se usan  dos  modelos diferentes:  

• Modelo de  Britter and McQuaid: Es  un método  dimensional que provee una simple pero efectiva  correlación para el diseño de  liberación de gases densos. El  procedimiento  examina  las  ecuaciones  fundamentales,  y  usando  análisis dimensional,  reduce  el  problema a  un  conjunto  de menos  dimensión.  Estas correlaciones  empíricas  están  constituidas  entre  un  grupo  de   variables independientes  que  determinan  las  propiedades  brutas  del  proceso  de dispersión del  gas.(AIChE,  2000)  Las  correlaciones  utilizadas por  este método permiten  preparar  las  estimaciones  de  la  dispersión  de  emisiones  del  gas denso.  La  simplicidad  del  modelo  impone   restricciones  a  su  aplicabilidad. Finalmente el  objetivo  principal  de  este modelo   es  permitir estimar:(Bosch,  Duijm, & Bakkum, 2005) 

 - Para liberaciones continuas:  Los niveles promedio de concentración a 

través del eje de la columna, - Para liberaciones instantáneas: Los niveles máximos de concentración  a 

lo largo  de  una nube baja de viento.   

• Modelo SLAB: Esta basado bajo el  concepto de arrastre de aire dentro de una nube de gas denso y en  la propagación ulterior de la gravedad de  la nube. El  código SLAB puede ser aplicado para estudios avanzados en dispersión de gases densos. Describe la concentración  en una nube por medio de  la solución de  un conjunto  l‐dimensional  de  ecuaciones  para  masa,  concentración  del  

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componente  químico, energía  y  las  3  componentes  de momento.  La  fuente puede ser  una columna horizontal o  vertical, una fuente de área superficial en estado  estacionario  o  una  liberación  instantánea.  SLAB  puede  tratar  con liberaciones de gases  continuas, de  duración  finita e  instantáneas, que  vayan desde  el  suelo hasta  áreas  de  nivel y  corrientes  de  chorro.  Este modelo  fue diseñado para  liberaciones de gases más pesados que el aire, y podría  llegar a simular la dispersión de nubes para liberaciones no  flotantes e incluso en casos donde  la  nube  se  haga menos  densa  que  el  aire.  (Bosch, Duijm,  & Bakkum, 2005)  

Un  modelo  matemático  para  la  simulación  de  dispersiones  y  explosiones  de hidrocarburos  que  se  ajusta  de  manera  adecuada  a  geometrías  complejas  es  la aproximación dinámica de fluidos computacional  (CFD), que  resuelve  completamente las ecuaciones tridimensionales de conservación. El método CFD se usa principalmente para predecir  la  velocidad  del  viento.  Sin  embargo,   este modelo  requiere diversos  detalles  iniciales  como  la  velocidad  inicial  del  viento,  las  alturas  del  terreno, estructuras  cercanas,  temperaturas  etc. Este modelo  puede  obtener  resultados más rápidos, fáciles, económicos y seguros que  los experimentos. Debido a  lo anterior  se utilizará este modelo en el desarrollo de  los escenarios de explosión y  dispersión de gases en espacios  confinados. (s. Dharmavaram, 2005)  

3.2.1 Dinámica de fluidos computacional  (CFD)  La  dinámica  de  fluidos  computacional  empezó  siendo  popular  en  el  campo  de  la ingeniería  de  alta  tecnología en  áreas  como  la  aeronáutica  y  la astronáutica, pero ahora es adaptado para resolver problemas en muchos campos de la ingeniería. CFD se deriva de diferentes disciplinas como la mecánica de fluidos y la transferencia de calor. La  construcción  de  un  nuevo  y  mejorado  sistema  de  diseño  y  la  optimización  de equipos existentes a través de simulaciones, da como resultado el mejoramiento de la eficiencia, además de la disminución de  los  costos de operación.  Los  sistemas CFD  se centran en el estudio de  fluidos que se encuentran en movimiento  y por ende en el  comportamiento de  los mismos. De esta  forma CFD puede  involucrar aspectos  como transferencia  de  calor  y  posiblemente  reacciones  químicas  cuando  existe  flujo  de combustible. (Tu, 2008).    Los  aspectos  físicos  de  cualquier  fluido  están  gobernados  por   tres  principios fundamentales: conservación de la masa, que la fuerza es igual a la multiplicación de la aceleración por la masa (segunda ley de newton) y la conservación de la energía. Estos principios  físicos  pueden  ser  expresados  en  términos  de  ecuaciones  matemáticas básicas, que generalmente están en  forma  integral o derivadas parciales. La dinámica de  fluidos  computacional  es  el  arte  de  reemplazar  estas  derivadas  parciales  o  las integrales en ecuaciones algebraicas en forma discreta. La solución que proporciona es 

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una  solución  numérica para  los valores  del  flujo de  campo en puntos específicos de tiempo o espacio. (Anderson,  1995)  Los  métodos  de  dinámica  de  fluidos  computacional  fueron  aplicados  para  simular geometrías  más  complejas,  al  igual  que  para  analizar  el  efecto  de  grandes obstrucciones  en  una  dispersión de  gases.  Esta  aproximación  se muestra  en  forma tridimensional de  tal manera que permita predecir la velocidad,  la  temperatura y  los campos de concentración dentro del sistema. A medida que se deseen más detalles, se requerirá  un mayor  número  de  requerimientos  en  té rminos de  las habilidades  del analista  y  en  el  tiempo  que  tarda  el  computador  resolviendo  el  problema.  Los resultados  arrojados  mediante  CFD   han  sido   exitosamente  validados  con  datos experimentales, ensayos a escala de laboratorio y han  sido  también utilizados para el análisis de geometrías complejas, tales como  cañones urbanos. (M.  Pontiggia, 2009)  CFD   ha  sido  aplicado  a  un  gran  número  de  problemas  de  diseño,  ingeniería  de reacción, mecánica de sólidos, modelos de  viento, análisis oceánico y  climático y flujo de  líquidos en  tuberías. Muchas  de estas aplicaciones poseen geometrías  complejas como motores y reactores de lecho  fluidizado,  además de un  gran número de objetos como estructuras abiertas y  cerradas,  tuberías, edificios y en algunos casos  todos en espacios  muy  reducidos.  Para  estos  problemas  el  análisis  de  CFD  incluye  una generación en red que permite facilitar la geometría. (s. Dharmavaram, 2005) A tra vés de las ecuaciones de Navier‐Stokes,  (3) y (4), los códigos de CFD resuelven modelos de ecuaciones específicos, tales como el balance de  masa (5) y  el balance  de  energía (6).    

· 0           (3) 

 · ·   (4) 

 

        (5) 

 

· ·      (6) 

 En donde   es  la densidad,  t  es  el  tiempo,  v es la  velocidad,  p es la presión,    es  el esfuerzo  cortante,  g  es  la  aceleración  de  la  gravedad,     y      son  los  calores específicos, T es la temperatura y   es la conductividad  térmica. (M.  Pontiggia, 2009)  El modelo  CFD puede  ser desarrollado  a  través  de  la aproximación  RANS  (Reynolds Averaged  Navier–Stokes),  por  medio  de  una  simulación  como  la  numérica  directa (DNS, por  sus siglas en ingles) o por medio del modelo LES  (Large  Eddies Simulations),  sin embargo estas últimas son demasiado demandantes y generalmente  se usan para casos  demasiado  simples.  En  consecuencia RANS   representa un  buen  compromiso 

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entre  la precisión de  los  resultados y los esfuerzos  computacionales. Un modelo que está muy  ligado a  la aproximación RAMS es el modelo k–ε de dos ecuaciones, ya que garantiza  resultados  ra zonables  y  buena  estabilidad.  (M.  Pontiggia,  2009).  Sin embargo,  se  ha  demostrado  que predicen  campos de  flujo  incorrectamente  cuando hay remolinos  signi ficativos en el  flujo.   En el modelo  CFD  también  se incluyen algunas ecuaciones de t ransporte como  la de entalpia, el transporte de fracción másica del combustible o el transporte de la fracción de  la mezcla.  En  este  trabajo  se usará el modelo k–ε  para  la  representación  de  la turbulencia. Este modelo introduce dos ecuaciones mas de transporte turbulento: una es la de transporte de energía cinética k (7) y la otra es la tasa de disipación de energía cinética turbulenta ε (8 )(M. Pontiggia, 2009):   

      (7) 

  

  (8) 

  Donde   la    es  la  velocidad  del  componente  a  tra vés  de   la  dirección  ,   es  la viscosidad,   es  la viscosidad turbulenta,    (7) es el  esfuerzo  cortante  relacionado con la producción de energía  cinética turbulenta,    (8) es la  flotabilidad relacionada relacionado  con la  producción  de  energía cinética turbulenta,    es la  compresibilidad la producción de energía cinética.  (M. Ponti ggia, 2009)  

      (9) 

 

      (10) 

 En las ecuaciones  (9) y  (10)  ,  es el  coe ficiente té rmico de expansión, gi  es el vector  del componente gravitacional  a través de xi, Prt es el número de Prandtl para energía y T es  la temperatura.   , , , ,  Son  constantes empíricas. Los valores de  Jones  y  Launder    son  utilizados  para  todas  las  constantes  del modelo  k–ε. (M.  Pontiggia, 2009)  Tabla 1 . Constantes del modelo  k–ε(M. Pontiggia,  2009)   

           

1.44   1.92   1.0   1.0   1.3   0.09  

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Como se puede ver la predicción de las consecuencias de una explosión gaseosa en un entorno industrial no es  tarea  fácil. El uso de  interpolaciones para el escalado de  los resultados puede  ser una buena herramienta a utilizar, sin embargo  estos pueden ser  engañosos.  Los parámetros  tales  como  la  geometría  (es decir  el  confinamiento,  el tamaño,  el  tipo  de  obstáculos,  la  disposición  geometría),  el  tipo  de  gas  y  la concentración  pueden afectar la propagación de  la  llama y  con ello el aumento de  la presión  lo  que  conlleva una  posterior explosión. En el  (Bjerketvedt, 1990‐1992, pág.  125) se  reporta que  las  recomendaciones acerca de  las áreas de ventilación, pueden ser  totalmente  inadecuadas  para  espacios  confinados.  Es  necesario  utilizar  herramientas más avanzadas para  simular una explosión en  la industria.  Debido a que las explosiones son precedidas por la liberación y subsecuente dispersión de materiales  inflamables en  la  atmósfera  y  alrededor  del  lugar,  el modelo  CFD  de FLACS contiene  algoritmos para calcular la dispersión inicial del gas.  3.3  SIMULADOR FLACS    FLACS  (Flame ACelerator  Simulator) es una herramienta de CFD desarrollada en 1980 por el  instituto de  investigación Christian Michelsen en Noruega, principalmente para la  simulación  de  explosiones  en  plataformas  petroleras.(s.  Dharmavaram,  2005).  Rápidamente  su  funcionalidad  se  extendió  incluyendo  dispersiones.  Durante  tres décadas  se  han  venido  desarrollando  experimentos  con  miras  a  perfeccionar  el desempeño  de  este  programa.  En  la  actualidad  FLACS  es  una  herramienta  CFD imprescindible  para  la  modelación  de  explosiones  gaseosas,  de  dispersiones  y explosiones  de  polvos  y  para  la  modelación  de  procesos  en  áreas  confinadas.(s.  Dharmavaram, 2005)  El código de FLACS es un simulador en 3‐D que permite representar las dispersiones y  explosiones de gas. El modelo tiene en cuenta parámetros tales como la geometría y el flujo  del  gas.  Este  código  proporciona  información  significativa  sobre  el comportamiento  de  la  presión  en  una  geometría determinada.  (Bjerketvedt,  1990‐1992)Una  apropiada  representación  de  los  obstáculos  fue  un  aspecto  clave  en  el desarrollo  del  código  fuente  de  FLACS.  Un  concepto  denominado  distribución  de porosidad  fue desarrollado como  una obligación entre la necesidad de caracterizar l os detalles geométricos  y  la  necesidad de   corre r el  código  en   un  margen  de  tiempo razonable.  Obstáculos  como  estructuras  y  tuberías  son  representados  como  áreas porosas en  las  caras del volumen de control  y  son  representadas  como  porosidades volumétricas en el interior  del  volumen de control. (s. Dharmavaram, 2005)  La ruta que  utiliza FLACS  para la simulación de las dispersiones y explosiones de gases consta  de  tres etapas:  en  la primera  se  define  la geometría a  utilizar  teniendo  en cuenta  la  distribución de  obstrucciones  y  el  tipo  de modulo. El  paso  siguiente es  la 

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determinación  del  escenario  a  analizar,  para  esto  es  necesario  ingresar  ciertos parámetros  que  necesita  el  simulador  entre  los  que  están:  el  tipo  de  compuesto inflamable  a  utilizar,  la  composición  de  la  atmósfera  gaseosa,  el  tamaño  y  la localización del punto de ignición. La siguiente etapa desarrolla todas las ecuaciones de Navier‐Stokes mediante  un método   numérico   para  la  obtención  de  los  resultados. Luego  de  encontrarlos    FLACS  procede  a    visualizarlos  bidimesional  o tridimensionalmente,  por  medio  de  un  programa  denominado  CASD.  (Bjerketvedt, 1990‐1992)  

 Figura 3. La ruta a través  de la s imulación en FLACS.(Bjerketvedt, 1990‐1992)   

3.3.1  CASD  

El pre ‐procesador CASD de  la herramienta CFD para el simulador FLACS es usado para preparar  los datos de entrada o  los datos de un trabajo, que  se definen dentro de  la simulación  en  FLACS  entre  los  cuales  están:  el  modelo  geométrico,  la  cuadricula computacional,  las porosidades y  la descripción del escenario.  CASD es un acrónimo para Diseño de  Escenario Asistido por Computador  (Computer Aided Sc enario Design). Este pre‐procesador es útil para  la  construcción del  las geometrías y de escenario del caso a estudiar. Para la implementación del modelo  en CASD se puede, la mayoría de las  veces,  utilizar  parte  de  otros  proyectos.  Para  las  modernas  instalaciones  de procesos es  posible  importar  geometrías  y  algunas  veces es  necesario  construirlas manualmente.  Los  bloques  de  edificios  dentro  de  las  geometrías  de  CASD  son instancias  de  objetos.  La  estructura  dentro  de  un  objeto  es  llamado  el modelo  de geometría  constructiva  solida  (Constructive  Solid  Geometry  ‐CSG) en donde  sólidos primitivos como cubos y cilindros son combinados con operadores Booleanos  (uniones y di ferencias). (Copyri ght © 2009 GexCon  AS,  2009)  

•Definición Geometría•Tipo de  Compuesto•Ubicación y tamaño del punto de  ignición

•Otras especificaciones

Definición de  la geometría y el escenario CASD

•Simulación de  dispersión   explosión del gas  

Cálculos  en FLACS

•Perfiles  de Presión‐Tiempo•Impulso‐ tiempo•Animaciones  en 2D/3D  •Grabacion de  video

Visualización CASD

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Los  objetos  en   CASD  pueden  ser  globales  o  locales.  Algunas  geometrías  pueden obtenerse a partir de  instancias del mismo objeto global, Donde un objeto  local solo puede ser incluido en  la geometría donde  fue creado. Para la ubicación de los mismos se tiene un sistema de  ejes estandarizados de tal forma  que: 

• Este‐Oeste  a lo  largo del  eje X, con X  positivo   hacia la dirección  este. • Norte‐Sur   a lo  largo del eje Y,  con Y positivo   hacia la dirección  norte • Arriba‐ Abajo a  lo  largo  del  eje Z,  con  Z positivo   hacia arriba  

 

A cada objeto en la base de datos de CASD le es asignada una propiedad de material, y cada material se le asigna un color del círculo de colores 0‐360º. Además de los objetos utilizados  en  la  geometría  es  importante  tener  una  buena  representación  de  l os obstáculos. Eso puede ser caracterizado de manera adecuada escogiendo el enmallado correcto.  En  muchas  de  las  situaciones  prácticas  no  es  posible  representar  los pequeños  obstáculos  en  la  red,  sin  embargo  estos  pueden  ser  incluidos  en  la geometría  con  unos modelos de   subred. Objetos grandes  como el piso, el  techo,  las paredes y  los equipos más grandes  se  resolverán dentro de  la red. Esto  significa que estos deberán ser ajustados de forma tal que coincidan con las líneas de la red. Al igual que  los  obstáculos,  es  importante  representar  adecuadamente  las  aberturas  de ventilación de una geometría en espacios semi‐confinados. (Copyri ght © 2009 GexCon AS,  2009) 

 

3.3.2  Parámetros de las simulaciones de  dispersión  

Los cálculos para un gas inflamable requieren de un re finamiento de la rejilla cerca a la fuga. El área de  la  inyección de expansión  (a presión ambiente) debe  ser resuelta por una celda de la cuadricula en donde (Acv < 2 x Ajet), excepto para las versiones de bajo impulso de los gases de elevado dinamismo, como el hidrógeno donde la directriz (Acv < 1.25 Ajet ) debe ser seguida. En muchos de  los casos, un refinamiento de rejilla cerca a  la  fuga ayuda a mantener  un   tiempo  de  cálculo  moderado  mientras  se  consiguen resultados  aceptables.  Si  sólo  las  concentraciones  de  campo  son  de  interés,  el refinamiento,  cerca  de  la  fuga  no  es  necesario.  Cálculos  más  rápidos  y  menos problemas de estabilidad se observan si no se realiza refinamiento. En el caso de gases más densos  que  el  aire  como  el  H2S  y el  propano  (Utilizados  en  este  trabajo),   es recomendable  usar  una  resolución  más  fina  en  la dirección  vertical  cerca de  piso.  (Copyri ght  © 2009 GexCon  AS,  2009)   

3.3.2.1 CFLV  Este es el número de Courant‐Friedrich ‐Levy basado en  la velocidad de  flujo.  El valor  de  CFLV  conecta  la  longitud  intervalo  de  tiempo  simulación  con  la  dimensión  del 

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volumen de  control a través de la señal de velocidad de  flujo. De la siguiente manera:  Cada  intervalo   de  tiempo es elegido  de  tal manera que  solo se puede propagar una distancia limitada, la cual es la multiplicación del promedio del tamaño de volumen de control  por el  numero de Courant.  El  valor predeterminado utilizado en  CASD es de 0.5. El límite del paso impuesto por este criterio es normalmente dominante en la fase de explosión, cuando la velocidad de flujo y la tasa de combustión son altas.(Copyri ght  © 2009  GexCon AS, 2009)   

3.3.2.2 CFLC   Este es el número de Courant ‐Friedrich‐Levy basado en la velocidad del sonido. El valor  de CFLC permite que este se  conecte a   la  simulación del  tamaño de paso  hacia el ‐amaño del volumen de  control a través de la señal de velocidad de propagación. Cada unas de las longitudes de paso  son elegidas de tal manera que   las ondas de  s onido deben  ser  propagadas  solo  una  distancia  limitada, en la  cual el  volumen  de  control promedio es multiplicado por el valor de CFLC. El valor predeterminado por CASD es de 5 y el paso de  tiempo limitado impuesto por este criterio  es normalmente dominante en  la  etapa    primaria  cuando  la  velocidad  de  flujo  y  la  tasa  de  combustión  son bajas.(Copyright ©  2009 GexCon AS,  2009) 

    3.3.3  FLOWVIS  

FLOWVIS es el post‐procesador para el  código CFD de FLACS, y es un programa para visualizar  resultados de  las simulaciones por ordenador de  las explosiones de gas,   de la  dispersión  de  gases  y  el  flujo  de  fase  múltiple.  FLOWVIS   fue  ori ginalmente desarrollado  para  representar  la  salida de  una  simulación  de  fase múltiple  para  el programa GALIFA (GAs LIquid Flow Analyser). Los usuarios visualizan los  resultados de la simulación creando una presentación que contiene una por una las páginas de uno o más gráficos.  

Los  tipos de gráficos  disponibles en  este programa incluyen  curvas bidimensionales, gráficas de  contorno, vectores y  gra ficas de volumen  tridimensional.   Una página del  área grafica es mostrada a la vez en, la cual posee un rango de colores  que sirven para producir  las  graficas  de  contorno  y  sombra.  FLOWVIS  provee  funciones  para  la manipulación de  la tabla de  rangos  según  la variable a analizar. Dife rentes  tablas de color pueden ser usadas para cada página dentro de la presentación.  Además el valor  del  color o  la  fase de asignación de  color  se pueden ajustar de  forma  individual para cada plano  

 3.4  MODELOS FUENTE  

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Los modelos  fuente  son  construidos por ecuaciones empíricas o  fundamentales que representan los procesos  físico‐químicos ocurridos durante la liberación de materiales. Los mecanismos de liberación son clasificados según si  la apertura de la fuga es amplia o limitada. En el caso de la primera,  la unidad de proceso libera una gran cantidad de material en un periodo  corto de  tiempo. Por el  contrario el mecanismo de apertura limita  la  tasa  de  salida  es  tan  lento que  no  afecta  inmediatamente  las  condiciones aguas  arriba.  Para este  tipo  de  liberaciones  el material  es  expulsado  a manera  de agujeros y  grietas en tanques y/o tuberías. (Lowar, 2002)  Para  el  flujo  de  líquidos  los  cambios  de  la  energía  cinética  son  frecuentemente insignificantes y  las propiedades  físicas, en especial la densidad,  son  constantes. Para el  flujo  de  gases  estas  suposiciones  son  validas  únicamente  cuando  los  cambios  de presión son pequeños y velocidades son menores a 0.3 veces la velocidad del viento en un medio gaseoso. La energía contenida en el gas o vapor es el resultado de la presión convertida en energía cinética a medida que el gas   o vapor es  liberado a  través del  agujero. (Lowar, 2002)  La descarga de gases y vapores son clasificadas como expansiones libres y liberaciones aceleradas. En el  caso de esta última el gas atraviesa una pequeña grieta con un alto nivel de perdidas por  fricción. Una pequeña parte de la energía cedida a la presión del  gas es convertida en energía cinética. Para el caso de una expansión libre la mayoría de la energía producto de la presión es convertida en energía cinética. La suposición de un comportamiento isentrópico es válida. Los modelos fuente para la liberación acelerada requieren una detallada información de  la estructura  física de la fuga. Por el contrario los  modelos  de  expansión  libre  requieren  solamente  el  diámetro  de  la  fuga.  Este último será utilizado durante  el desarrollo de  este trabajo.(Lowar,  2002)   En  el  caso  de  la  liberación  de  gases existen  dos modelos  fuente que  describen  dos situaciones: un flujo de gas a través de un agujero en el cual la tubería es considerada como un  tanque  (Modelo de hoyos) y por otro  lado el  flujo de un gas a  través de un agujero  el  cual  corresponde   al  completo  rompimiento  de  la  tubería  (modelo  de tubería)(Dong  Yuhua a, 2002).  Durante el desarrollo de este  trabajo  se  tomara  como modelo  fuente el  flujo  de  vapor  o  gas a  través  de  un  agujero, debido a  que  este describe de manera más adecuada  la situación. En este  caso  se  simulará el escape de un gas a través de una pequeña  fuga. Por el contrario si se utiliza el modelo de escape de gas a través de una tubería, se asume que la fuga es la ruptura completa del tubo y  la cantidad de  gas liberado  seria mayor en un instante de tiempo corto.   

3.4.1   Cálculo  de flujo  másico  

El  balance  de  energía  mecánica  describe  varias  formas  de  asociación  con  fluidos fluyendo:   

∆ ∆        (11) 

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 Donde :     P: es  la presión   : es la  densidad del fluido  : es la  velocidad  instantánea promedio  del fluido : es la  constante  gravitacional  

: es el factor de corrección  del perfil de velocidad  que tiene los  valores:  =0.5  para flujo  laminar;  =1 para flujo de pistón, y   1 para flujo  turbulento.  : es la  aceleración debida a  la gravedad  

Z:  es la altura sobre el dato F: es  el término  de  pérdida por fricción neta   W: es el trabajo mecánico  : es la  rata de  flujo másico 

La función  ∆ representa el estado  final menos el  inicial.  Para el  caso  de  una  fuga por expansión  libre  el  balance  de  energía mecánica es  el mostrado  en  la  ecuación   11,  que  describe  un  flujo  para  gases  y   vapores incomprensibles. Si se asume un cambio insigni ficante  de   energía potencial  y ningún trabajo mecánico,  resulta una  forma reducida del  balance de  energía mecánica que describe un flujo compresible  a través  de  agujeros:(Lowar,  2002)  

∆ 0               (12)  Se  define  un  coeficiente  de  descarga  y  se  combina  con  la  ecuación  de balance  de energía mecánica. Luego se integra con respecto a dos puntos convenientes. Un punto inicial que  se  selecciono donde  la velocidad es  cero y  la presión Po.  La  integración  se lleva a cabo hasta un punto arbitrario.  Se tiene en  cuenta  la relación de  expansión  de un gas de manera isentropica y usando la ecuación de continuidad se tiene que el flujo másico es: (Lowar,  2002)  

/

/

              (13) 

  La  anterior ecuación  (13) describe  el  flujo másico en  cualquier  punto  durante  una expansión  isentropica. Para algunos estudios de seguridad se  requiere el estudio del  flujo  máximo  de  vapor  a  través  de  un  agujero.  Esto  se  determina  mediante  la diferenciación  de la anterior ecuación con respecto a P/Po y posteriormente se i guala la derivada a cero.  (Lowar, 2002)  

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La Pchoked es  la presión máxima aguas abajo del  flujo máximo  resultante a  través de agujero  o  la  tubería.  Para presiones aguas  abajo menores  que  esta presión  los  dos estados deben  ser  validos:  (1)  la  velocidad del  fluido a  la  salida  del  la  fuga   es  la velocidad  del  sonido  a  las  condiciones  predominantes  y  (2)  la  velocidad  y  el  flujo másico no pueden incrementar más de la presión reducida de la corriente interior. Este tipo de  fluido se llama flujo crítico  o sónico.  (Lowar, 2002)  En el caso de gases ideales la Pchoked es una función solo de  relación de la capacidad calorífica por lo  tanto:       Tabla 2 . Valores  de presión para γ. (Lowar, 2002)  

Gas  γ  Pchoked  Monoatómico   ~ 1.67  0.487 Po  Diatómico y aire   ~ 1.40  0.528 Po  Triatómico    ~ 1.32  0.542 Po  

 Para una  fuga a condiciones atmosféricas (Pchoked=14.7), si la presión de la corriente es mayor a 14,7/0.528=27.8 psia o 13.1 psi, el flujo deberá ser maximizado a través de la  fuga. El flujo  másico máximo se determina por la ecuación:   

/

          (14) 

Donde :  M: es el peso molecular del vapor  o gas que  se escapa.  To:  es la  temperatura de la  fuente  Rg:  es la  constante  de  los gases ideales  La anterior ecuación es utilizada para calcular el flujo másico que será introducido en el programa para la simulación.     

3.5  COMBUSTIÓN Y LÍMITES  DE INFLAMABILIDAD   “El  fuego no es más que  la manifestación energética de  la reacción química  conocida con el nombre de combustión. Se define la combustión como  una reacción química de oxidación muy viva en la cual se desprende una gran cantidad de calor. Para que una combustión  sea  posible,  se  requiere  la  presencia  simultáneamente de un material combustible, un  comburente, normalmente el oxígeno del aire, y unas condiciones de temperatura determinadas.”(Abreu, 2001)  La  forma más  clara  para  la  explicación  del proceso  de  combustión  es mediante  un triangulo, en el cual cada uno de sus lados  representa un componente necesario para que el fenómeno ocurra. Cuando la sustancia se calienta esta desprende unos vapores 

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o gases; este  fenómeno es conocido  como pirolisis. Estos vapores se combinan con el  oxigeno presente en la atmósfera que en presencia de una fuente de i gnición arden. El  anterior proceso  solo  es  válido  para  sustancias  liquidas  o solidas,  debido  a que,  los gases no necesitan calentarse haciendo que la  combustión de estos  sean muy  rápida. De esta manera a continuación se analizarán las características más importantes de los elementos que  intervienen en la combustión.(Abreu, 2001)   

1. Fuente de Ignición: Esta puede ser de diferentes tipos ya sea fuego, una chispa, un ci garrillo encendido, etc. Cualquier tipo de fuente  de  calor.  

2. Comburente:  El  comburente  es  normalmente  el  oxígeno  del  aire.  En condiciones normales la concentración de oxígeno en el aire es de un 21% pero cerca  de  depósitos  de  oxígeno   o   en   almacenes  donde   existan  botellas  o botellones de  oxígeno, en caso de  fugas esta concentración puede aumentar y favorecer el  inicio de un fuego. 

3. Combustible:  Toda  sustancia que  es  capaz  de  experimentar  una  reacción  de combustión.  Los  aspectos  más  importantes  a  conocer   de   los  materiales combustibles son:   a) Punto de inflamación (Flash Point): Es la temperatura a la cual una sustancia 

comienza  a  desprender  vapores  o  gases  en  cantidad  suficiente  para mantener la combustión. Se expresa en grados centígrados. Este dato es un indicativo  de  la  peligrosidad  de  un  combustible.  Cuanto más bajo  sea  el punto  de  inflamación  más  fácilmente  desprenderá  vapores  un combustible.(Abreu, 2001)  

b) Temperatura de i gnición: Es la temperatura a la cual una sustancia empieza a  arder  espontáneamente.  Se  denomina  también  temperatura  de  auto‐inflamación o auto‐ignición.   

c) Energía mínima de activación: Es  la mínima  cantidad de energía  requerida para que  la mezcla  de  oxigeno  y  combustible  empiece  a arder, en  otras palabras para que ocurra  la reacción  de combustión.  

 d) Límites  de  inflamabilidad:  La  reacción  de  combustión  ocurre  cuando  la 

concentración   de   los  gases  se  encuentra  dentro  de  unos  valores  específicos.(Abreu, 2001)  A  la  concentración  mínima  necesaria  para mantener  la  combustión,  se denomina  Límite  Inferior  de  Inflamabilidad  (L .I.I. ).  Por  otro  lado  la concentración que está por encima de  la cual  la combustión no es posible, recibe el nombre de  Límite Superior de  Inflamabilidad  (L.S.I. ). El  límite de inflamabilidad  de  una  sustancia  nos  indica  la  peligrosidad,  de  tal manera 

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que si el margen entre los dos límites es muy grande la sustancia será más peligrosa.(Abreu, 2001)  A continuación  se mostrarán los límites de inflamabilidad primordiales para el desarrollo de este trabajo.   

 Tabla 3 . Límites de inf lamabilidad para  los gases utiliz ados     

        

  

4. METODOLOGIA  

El desarrollo del proyecto consta de tres partes: la primera se centra en la construcción de  la geometría, una  segunda etapa en  la que  se definen  los escenarios y  finalmente hay una etapa de visualización en la  cual se analizan  los  resultados obtenidos. Para la ejecución  de  este  proyecto  se  realizó  un  diseño  de  experimento por medio  de  una matriz (Anexo 1), en la cual se modi ficarán algunas variables de la simulación. Algunas de  estas  se modificaron  principalmente en  la  etapa  de  definición  del  escenario,  sin embargo una des se realizaron  durante la etapa de construcción de la  geometría.  

Construcción de la geometría: En esta etapa se definirá la forma que tendrá el  recinto, al igual que todas las obstrucciones generales, como el techo, el suelo, las  paredes  y  las  puertas  que  posee  el  recinto  a  simular.  Para  esto  es  importante  tener  en  cuenta  la  ubicación  y  las  proporciones  que  estos obstáculos  tienen  dentro  del  sistema,  puesto  que  estos  elementos  en  un espacio  confinado  influyen   de  manera  significativa  en   los  resultados.  Las  variables que se tendrán en cuenta en esta etapa son la ubicación de un pasillo (central  o  lateral)  y  la  presencia  de  puertas.  La  confi guración  utilizada  se muestra en la figura 4. 

Combustible  Punto  de inflamación  

Temperatura de auto ignición 

Límites de Inflamabil idad   (En aire por vo lumen, %) 

Inferior (LEL)   Superior (UEL)  Sulfuro de hidrógeno. 

No aplica.  260ºC  (500ºF)  4.3%  45.5% 

Gas  natural   Gas inflamable 

650.0°C (1202ºF)   

4.5 %  14.5 % 

Propano  Gas inflamable 

493º C (919º F)   3.4%  13.8% 

28  

 Figura 4 . Matriz  de distribución de geometrías y obstáculos   

Construcción de escenarios: Esta es la etapa principal del proyecto, ya que allí se  definen  los  principales  elementos  a  variar  para  la  construcción  de  la simulación.  El  desarrollo  de   esta  etapa  se  centra  en  la  definición  y  el establecimiento de varios escenarios para el  fenómeno de dispersión del gas dentro  del  recinto  cerrado.  Para  esto  se  tuvieron  en  cuenta  las  variables: Posición de  la fuga, Área de la fuga y tipo  de  gas.   

o Posición de  fuga:  La manera  como el gas  sale puede influir en  la  forma en  la que  se lleva a cabo el  fenómeno de dispersión. Debido a esto, en uno  de   los  cuartos del  recinto  se  ubicó  la  fuga  de  gas  y dentro del mismo cuarto se definieron  tres posiciones: centro,  lado  y esquina.   

o Área  de  la  fuga:  El  tamaño  que posea  la  fuga  puede  determinar  la velocidad de salida del gas y que  tan rápido se llena el recinto. Por esto se definieron  tres áreas distintas, con el  fin de calcular el flujo  de salida de  la  fuga  por  medio  del  modelo  fuente  descrito  en  secciones anteriores.  

o Tipo  de gas:  Los compuestos que  se utilizaron dentro de  la simulación son:  Gas  Natural,  Sulfuro  de  Hidrógeno  y  Propano.  El  propósito  es evaluar  los efectos de  la densidad del gas  con  respecto a  la del aire y tener en  cuenta  los  valores  de  las  constantes  utilizadas  a  la  hora  de calcular el fl ujo volumétrico  de  salida del gas. 

Geometria 1  (Pasillo central)

Con puertas  

Sin puertas  

Geometria 2  (Pasillo lateral)

Con puertas  

Sin puertas

29  

o

Figura 5. Matriz de distribuc ión posic ión  y diámetro de fuga 

  Visuali zación de la simulación: Esta etapa es el resultado de las dos anteriores. El objetivo de esta fase es la visualización del fenómeno de dispersión en 2‐D y en  3‐D  según  se  requiera.  Para  posteriormente  analizar  los  resultados arrojados. En esta etapa del proyecto  se utilizó la  herramienta FLOWVIS.  

En el pre‐procesador CASD se definieron  las variables a mediry a visualizar en el post‐procesador:  

‐ Vector de velocidad: esta es la entidad que brinda los tres componentes de velocidad en el mismo tiempo promedio de  flujo.  La energía  contenida en las  fluctuaciones  temporales del  flujo, que  no es   capturada  usando    una  resolución espacial y temporal dada es manejada por medio del modelo de turbulencia. VVEC  consiste en t res  componentes  U,  V  y W.  (Copyri ght © 2009 GexCon AS, 2009) 

‐ La  relación  de  equivalencia:  es  una  medida  de  la  concentración  del combustible a una concentración estequiometrica. ER es una unidad igual a la  concentración estequiometria. Si  (F/O) es la  relación de Combustible a oxigeno,  la  relación  se  define:  ER  =  (F/O)/(F/O)estequiométrico,  para combustible igual a cero ER es cero, pero si por  el contrario  el combustible esta puro este valor tiende  al infi nito. (Copyright  © 2009 GexCon AS,  2009) 

‐ FMOLE es la fracción molar o  volumétrica de  gas en  la mezcla de gas/aire.  

Estas  tres  variables  fueron  analizadas  por  medio  del  Post‐procesador  FLOWVIS utilizando una visualización en 2‐D a una altura  cercana de  la  fuga y una visualización 3‐D  para  observar  de  manera  general  el  comportamiento  del  gas  debido  a  las diferencias de densidad que tenemos entre los tres gases escogidos.  

Anteriormente  se mostro en  cada una de las etapas las variables  significativas para el desarrollo de la investigación, y aquellas que se tuvieron en cuenta para la recolección de datos. Por otro lado se  mostro la organi zación y aparejamiento de cada una de las 

Posición

Esquina

Centro

Area 1 

GN

H2S

C3H8

Area 2

GN

H2S

C3H8

Area 3 

GN

H2S

C3H8

Lateral

30  

variables  a  cambiar,  las  cuales  son  importantes  para  el  análisis  de  resultados. Finalmente  se mostró  la matriz  del  diseño   de  las  simulaciones.  A  continuación  se mostrará  de  manera  más  detallada  el  desarrollo  de  cada  una  de  las  etapas anteriormente  presentadas,  con  el  fin  de  justificar  la  elección  de  algunos  datos relevantes en el proceso de  análisis.  

 5. CONSTRUCCION DE LA GEOMETRÍA 

 

En esta  etapa  se  definió  la  forma  del  recinto,  al  igual que  todas  las  obstrucciones generales,  como el  techo, el  suelo,  las  paredes y  puertas.  La  figura 6  muestra  los diferentes  tipos de  geometrías  definidas en el  programa  y  las  dimensiones  de  las mismas.  

 

 

Figura 6. Dimensiones de las geometrías. (Arriba  Geometría 1 , Abajo    Geometría 2)   

La geometría fue construida mediante el programa CASD del software FLACS, en donde las  dimensiones generales del espacio  confinado  fueron  definidas así:  10 metros  de ancho, 15 m  de largo, 2,5  metros de altura y espesor de las paredes   0,1 m. Con el  fin de  tener un método  de  contención   durante  el  fenómeno de  dispersión de  un  gas inflamable, se estudió la influencia de una puerta en el cuarto. Para la construcción de dicha puerta se definieron  las  siguientes dimensiones: el ancho de la misma es de un metro y el grosor es de 0,05 m. Igualmente las puertas tienen una longitud de  2.2 m  y se  encuentran  a  0,03  m  por  encima  del  suelo  y  0,03  cm  por  debajo  del  techo. Asimismo,  cabe  resaltar  que  además  de  las  dimensiones  generales  del  espacio confinado, también se define  como variable a analizar  la posición de un pasillo, de tal 

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manera que en una de las geometrías este pasillo se encuentra en el centro del espacio y en otra este se encuentra en uno de los lados. La distribución de este y la relación de espacio se muestran en la figura 6. En donde las figuras a y  b muestran la geometría 1 en presencia del obstáculo y  sin ellos  respectivamente. Por otro  lado las figuras c y d muestran la geometría número 2 con  y sin puertas. Finalmente la figura 7. muestra las geometrías obtenidas en  CASD para el análisis de estas dos  variables.   

                    (a)                                                     (b) 

                                   (c )                                                       (d) 

Figura 7 . Geometrías  obtenidas en  CASD. (Arriba  Geometría 1, Abajo     Geometría 2)    

6. CONSTRUCCION DEL  ESCENARIO  

Esta es  la  etapa  principal del proyecto, porque es el momento  de  definición  de  los elementos  a  variar  para  la  construcción de  los diferentes escenarios.  Este  paso  del proceso es muy importante para la realización de la simulación puesto  que aquí es en donde  se definen  las variables a  tener en  cuenta durante el análisis del  fenómeno de dispersión, una buena definición del escenario permite que  los datos arrojados  luego de la simulación se asemejen mucho más a la realidad. Para esto, se utilizó una matriz (Fi gura 5) en la cual se altera una de las variables, mientras que las otras se mantienen con  los  valores  predeterminados.  A  continuación  se  presentarán  todas  aquellas variables a introducir  que  tienen  una importancia significativa  dentro de la  simulación. 

 

6.1  Puntos de  control  

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Los puntos de  control  se ubicaron al interior de la geometría de  la  siguiente manera: uno al interior de cada  uno de los cuatro cuartos del la construcción a una altura de 1 m. Otros  lugares a analizar  son  los puntos que  se encuentran debajo de  cada una de las puertas, esto  con el  fin de analizar  la velocidad que posee el gas  cuando pasa por debajo de esta o por encima  según  sea el  caso. Además se pusieron unos puntos a  lo largo  del  pasillo.  Todos  estos  puntos  tienen  una  importancia  significativa  en  el momento que el  fenómeno de dispersión  se presente. Por ejemplo en un  caso  real el pasillo probablemente será el acceso a una salida de emergencia, por tanto muchas de las  personas  podrían  ser  afectadas  por el  gas  en  el momento  de  la  evacuación.  La figura 8 muestra la posición de los puntos de monitoreo en 2 y 3 –D para cada una de las geometrías.  

             

            Figura 8 . Puntos de monitoreo   

  

CFLC  Y CFLV: Para la simulación de  dispersión de gases, el valor predeterminado es 20. Este  valor puede ser incrementado por el re finamiento de  la malla, por  ejemplo,  si  la malla es  refinada  cerca de  la  fuga por un  factor de 5, el numero CFLC  de 20 es multiplicado por 5; el nuevo valor   (100) puede   ser tomado  como límite inferior. Un valor inferior a este puede  causar problemas en la estabilidad del sistema. En este caso los valores utilizados fueron los predeterminados. En el  caso de las dispersiones CFLV, puede ser reducido a un  factor de 2, debido a esto se eligió este valor para la realización de la simulación (Copyright © 2009 GexCon AS, 2009) 

 

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6.2 Condiciones  de  frontera  

 Las  condiciones  de  frontera  utilizadas  son  las  condiciones  definidas  en  el  sistema como EULER.  En donde  las ecuaciones de  flujo  son discretizadas por un elemento de frontera.  Esto  significa  que  las  ecuaciones  de  momento   y  de  continuidad   son solucionadas en la  frontera con el flujo  de salida. La presión ambiente es  usada como la presión a  la salida de la frontera. Los parámetros que  requiere esta etapa son:  

‐ Velocidad del vi ento: Es la velocidad de  frontera dada la altura de referencia. Es  posible  usar  valores  de  WIND_SPEED  positivos,  negativos  o   en  ceros,  pero GexCon  recomienda usar valores positivos y usar el parámetro de dirección del  viento para especi ficarlo. Un perfil de velocidad uniforme es obtenido  por  el uso de  la  altura  de  referencia  igualada  a  cero.  Por  esto  el  flux  volumétrico  es  (Copyri ght © 2009 GexCon  AS,  2009):       

∑                                     (18) 

Durante  el desarrollo de  este t rabajo se utilizó  una velocidad del viento  de  2  m/s.  

‐ Dirección del viento: Este es un vector y cada componente debe tener asignado valores positivos, negativos o cero. El valor usado es positivo, por lo tanto el flujo de entrada  va  sobre  los  límites  inferiores de  la  frontera  y  fuera  de  los  límites superiores. Con  un vector de (1, 4,  0) 

‐ Intensidad de turbulencia relativa:  La  intensidad  de  turbulencia  relativa, , es  la proporción entre la  velocidad  de  fluctuación   isotrópica  y  la velocidad de  flujo.  Este  se  parámetro  no  se  definirá  debido  a  que  se  definirá  la  clase  de Pasquill.(Copyright © 2009  GexCon  AS,  2009) 

 

6.3 Condiciones iniciales

Debido a que el programa pide definir algunas de  las  condiciones iniciales a  la  cual la fuga ocurre,  los  siguientes  parámetros  fueron  introducidos  en  el  programa  para  el desarrollo de la simulación: 

‐ La dirección de la fuga es  hacia arriba +Z 

‐ Turbulencia:   0,1  define   baja  turbulencia,  este  es  un   valor  asignado  por  defecto.  

‐ Temperatura: 20°C.  Es  la  temperatura ambiente y presión  atmosférica de 1 atm. 

‐ Aire:  “NORMAL”  lo  cual  indica que  la  composición es 21 % de oxigeno y 70% nitrógeno en fracción molar.  

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‐ Altura del suelo: es  la altura por encima del  suelo  como este es un espacio confinado  la altura es  de 0 m.   

‐ Rugosidad del suelo:  en la tabla se pueden observar algunos de los valores de las rugosidades del suelo, para el desarrollo de esta simulación se trabajara con valores de  0.005.  

  Tabla 4 . Valores típicos para alturas de  Rugosidades aerodinámicas  

Descripc ión del  te rreno    (m)  Agua Abierta, Alcanza al menos 5 km  0.0002 Lodos planos  , nieve; no  vegetac ión, no  obstáculos   0.005  Tierra planas abierta; hierba, algunos objetos aislado  0.03  Cultivos bajos; Grandes obstáculos ocasionales   0.10  Cultivos altos, obstáculos  dispersos  0.25  Parques, Arbus tos  , numerosos obstáculos   0.5 Obstácu los de normal tamaño  (suburbio, bosque)   1.0 

 ‐ Altura de referencia (m ):  esta  es  la  altura  relativa  desde  el  piso,  donde  la velocidad de fuga i guala la velocidad  del viento.  Esta se definió  en  1.2  m  

‐ Clase de Pasquill: clasifica  la turbulencia atmosférica presente en  la zona. De la siguiente manera:  

A muy  inestable  

B  inestable 

C  levemente inestable  

D  neutral 

E  levemente estable 

F  estable 

 

En  la  simulación  se escogió un valor de F,  ya que este es el peor  caso para el análisis del fenómeno de dispersión de gases. Al tener baja velocidad del viento en una condición nocturna, el  gas a analizar no se dispersa rápidamente dentro del espacio confinado,  empeorando  la situación.   

 Tabla 5 . Clasificac ión del parámetro de Pasquil   (Copyright  © 2009 GexCon  AS, 2009)  

Veloc idad  del viento 

Día,  sol 

fuerte 

Día,  Sol moderado 

noche,  nubes>50% 

Noche, nubes<50% 

< 2m/s   A  B  E  F  

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6.4 Composición y  volumen del gas 

Durante el  desarrollo  de  esta  etapa es  primordial  resaltar  que  se  utilizarán  3  gases diferentes  (Propano,  Gas Natural y H S) con el  fin  analizar la influencia que el tipo de gas tiene dentro del modelo de dispersión. Las fracciones volumétricas son: para el gas natural 91 % de metano,  7% de etano y 2%. de propano. Para el caso de H2S se tomará la  concentración  volumétrica  del  mismo  como  100%  al  igual  que  en  el  caso  del  propano. Finalmente las razones de equivalencia del combustible dentro y por fuera de la nube  de  combustible con respecto a las estequiometrias son  mostradasen la tabla  6.  

Tabla 6. Razones de equivalenc ia para los gases analiz ados 

Tipo de gas   E   E  

Gas natural      1 E+30  0 

H2S      1 E+30  0 

Propano   1 E+30 

0 

 

6.5 Fugas

Para las simulaciones se definirán dos tipo de fugas: FAN y DIFUSSE, la primera tiene la función de simular  un ducto de ventilación en el interior del espacio confinado. La otra es  la  fuga de  combustible, a  la  cual  se  le variará  rata de  salida  con el  fin de evaluar  diferentes  tamaños de  fuga.  

6.5.1 Fuga FAN:  Para  este  tipo  de  fuga  los  parámetros  introducidos  en  el software fueron: 

‐  Posición  de   la  fuga:   Esquina  inferior   del  cuarto  escogido,  las coordenadas son:  (0.3, 0.3, 0.3) 

‐  Tiempo  de  Inicio y   duración  de  la  fuga:  Es  necesario  introducir   un tiempo  de  fuga  para  la  simulación,  la  herramienta  TMAX  define   el intervalo de tiempo máximo de simulación. Para este caso se utilizará un 

2 ‐ 3 m/s   A‐B   B‐C  E  F  

3 ‐ 5 m/s   B  B‐C  D  E 

5 ‐ 6 m/s   C  C‐D  D  D 

> 6  m/s   C  D  D  D 

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tiempo de 3 segundos antes  de iniciar la fuga y  la duración será de 325 segundos.  

‐ El área de la sección  transversal de la  fuga: debe ser especificada para cualquier tipo de  fuga. Para un  flujo  másico   (o  flujo  volumétrico   y  densidad  ),  la velocidad  de  salida no  debe   estar  por  encima  de   la velocidad del sonido. El área utilizada en la simulación será de 0,03 cm2. Las siguientes relaciones  aplican para  la condición de salida:  

                                      (15) 

Asumiendo  propiedades de l os gases ideales: 

                                /          (16) 

Donde  R es  la constante de los gases ideales, la temperatura.  

Despejando  la densidad de  esta ecuación  queda:  

                       /              (17) 

              /   Densidad  del  gas a  la salida (kg/m3) 

    Presion  a la salida es la  presión a condiciones  normales (Pa) 

W: peso  molecular para la composición del gas (kg/kmol) 

T: temperatura  de  salida (K) (0.0  ºC = 273.15  ºK) 

U:  velocidad de  salida  (m/s) (Copyright  © 2009  GexCon AS,  2009) 

 

‐ Flujo másico a la salida: este tipo de  fuga  solo supone  un ducto ventilación, en este  caso el  flujo másico utilizado en este  caso es únicamente el  flujo de aire de ventilación, no posee  combustible.   

‐ Intensidad  relativa de la fuga: para este parámetro se tomará en cuenta una intensidad de turbulencia baja para lo cual el valor a usar esta en un rango de 0.01‐0.03  

‐  Escala de  longitud de  la  turbulencia:  Está  relacionada  con el  tamaño de  la boquilla o de  la  tubería de alimentación de  la fuga. Una aproximación   en el rango debe ser del 20 al 30% del diámetro de la boquilla.  En este caso el valor de este dato es de 0.021.  

 

6.5.2 Fuga DIFUSSE 

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 ‐  Posición  de  la  fuga: Durante  el  desarrollo  del  proyecto  se analizarán    tres posiciones  diferentes  de  fuga.  La  primera  estará  ubicada  en  el  centro  del volumen  de  control  en  uno  de  los  cuartos  diseñados  en  la  geometría.  La segunda en una esquina de  la habitación y  finalmente el último punto de fuga estará ubicado cerca a una de las paredes. Las coordenadas de las posiciones se muestran  en  la  tabla  7.  Para definir  los parámetros  de  la  fuga  se  utilizará  la herramienta OUTLET.  

    Tabla 7. Tabla de coordenadas de posición de Fuga 

Posic ión    Coordenadas  Centro    (3.75  , 2  , 1.25)  Esqu ina    (0.3 , 0.3 , 2 .3 )  Lateral    (7.3 , 2   , 1 .25)  

      ‐ Tiempo de  Inicio y duración de  la  fuga: Para este  caso  se utilizará un  tiempo de  5  segundos antes  de  iniciar  la  fuga  y  la duración  de  la  fuga  será  de  300 segundos.  

‐  Área  de  la  sección  t ransversal de  la  fuga:  debe  cumplir  las  características anteriormente mencionadas. Para este caso las áreas de  salida utilizadas en la simulación de este tipo de  fuga se definieron de manera arbitraria. Los valores del diámetro y el  área de la fuga  se muestran a  continuación:  

Tabla 8 . Áreas y diámetros de fuga 

 Numero   Diámetro  Área (m2)    in   M   

1  0,5   0,0127   0,000126609 2  0,7   0,01778  0,000248153 3  0,3   0,0072   0,0000455791  

  ‐ Flujo másico a la salida: Al escoger el área de manera arbitraria, es necesario calcular el flujo másico por un modelo  fuente. El modelo  fuente escogido fue el de  flujo  de gas a  través  de  un  agujero, ya que,  este modelo  asume  que  la tubería tiene las condiciones que posee un tanque y el flujo de gas es modelado través de un agujero.  Este modelo  fue escogido porque que el modelo  fuente de flujo de gas a través de tuberías, supone una ruptura completa de la misma. Además el área a escoger que propone este modelo es el área de la tubería, si se aceptará esta condición dentro del espacio confinado, el tiempo que tardaría el mismo  en  llenarse  sería muy  pequeño.  La  ecuación utilizada  para  el  flujo másico es: 

/

          (14) 

38   

 

‐ Intensidad relativa de  la fuga: para este parámetro  se  tomará en  cuenta una intensidad de  turbulencia baja para  lo  cual el valor a usar esta en un  rango de 0.01‐0.03 

‐ Escala de  longitud  de  la  turbulencia:  Está  relacionada  con  el  tamaño  de  la boquilla o de  la  tubería de alimentación de la  fuga.  Una aproximación   en el  rango debe ser del 20 al 30% del diámetro de la boquilla.  En este caso el valor  de este dato es  de  0.0014.  

 

7. VISUALIZACIÓN DE LA SIMULACIÓN  

 Esta  etapa  es  el  resultado  de  las  dos  anteriores.  El  objetivo  de  esta  fase  es  la visualización  del  fenómeno  de  dispersión  y de  explosión  en  2‐D  y  en  3‐D    según  se requiera. Previamente en el pre ‐procesador CASD se definió que  las variables a medir las  cuales son: Velocidad máxima, FMOLE  (fracción molar o volumétrica de gas en  la mezcla de gas/aire) y Concentración del gas en el aire. Estas tres fueron analizadas por  medio del Post‐procesador  FLOWVIS utilizando una visualización en 2‐D a una altura cercana  de  la  fuga  y  una  visualización  3 ‐D  para  observar  de  manera  general  el comportamiento del gas. 

 

8. METODOLOGIA DE ANALISIS DE RESULTADOS   

La matriz propuesta en el Anexo 1 contiene alrededor de 108 casos di ferentes para las 5 variables propuestas. Con el fin de  optimizar el tiempo y el análisis de los resultados se propuso  utilizar una pequeña muestra de estas simulaciones para el análisis. De tal manera que  se creó una matriz especial  con el  fin de  comparar los peores  casos para cada una  de  las  variables.  E  La matriz    tiene  señalados  con  colores  las  variables a analizar (Posición  y área de la fuga, Tipo  de gas, Geometría y  presencia de obstáculos) y dentro  de  la  casilla  el  tipo de  variable  a  comparar  (Presión,  velocidad,  Limites  de inflamabilidad, concentración etc.).  Las  simulaciones en  color gris no  fueron  tomadas en cuenta. A continuación se mostrarán los resultados obtenidos y el análisis para cada una de  las variables por separado.  

 

9. ANALISIS DE RESULTADOS  

9.1 Análisis de resultados  para Geometrías di ferentes    

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Variabl e: distribución del gas, concentración.

Tipo de  gas:  Sul furo de  Hidrogeno  Posición:  Esquina  Diámetro:  0.5 in Flujo másico:  0,71557 kg/s  En este caso solo se analizará la influencia que tiene la geometría  en la distribución del gas. El análisis a  realizar para el H2S tiene en   cuenta  variables  como  s de   toxicidad,   inflamabilidad y del altura del gas por ser este es más denso que el aire. En la fi gura 9 se observa  la distribución que tiene el gas en su máxima  concentración y el nivel que alcanza desde el  suelo.  La diferencia de   concentraciones en el  cuarto 1 entre  las dos geometrías es del 40%. Esto indica que  al tener las puertas cerradas la geometría que mejor  confina el gas e impide  su distribución a lo  largo de toda  la  construcción es  la geometría  2.  Es  importante  destacar  que  la  ubicación  del  pasillo  influye significativamente en lo anterior, puesto que, un pasillo central permitirá que el gas se extienda por todas las habitaciones al mismo tiempo. Ya que el pasillo irriga las cuatro habitaciones presentes al  interior de la geometría. Por el  contrario, un pasillo  lateral solo tendrá contacto  con 2 de  las 4 habitaciones diseñadas y haciendo  que el gas  se propague  inicialmente dentro de las habitaciones  cercanas al pasillo y que no afecte mayormente las habitaciones conti guas a  este.    

 

Figura 9. Concentración t=325 s eg (Iz q. Geometría 1‐ Der. Geometría 2)  

 

A  pesar  que  la  geometría  2   confina  el  gas  e  impide  una  rápida  distribución  es importante  analizar  cuál  de  las  dos  geometrías  posee  una  mayor  extensión  de atmósfera explosiva en dos instantes de tiempo: t1= 150 segundos  y t2=300 segundos.  Para lograr esto se redujo la concentración máxima y mínima mostrada por FLOWVIS y  solo  se  tuvo  en  cuenta  las  concentraciones  que  comprenden  los  límites  de inflamabilidad. Debido a lo anterior, en la figura 10 se observa que hay espacios dentro 

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de  la  geometría  los  cuales  no  muestran  concentración  de  gas.  En  la  figura  10  se muestra que  luego de 2minutos y medio  (Figura  10)  la geometría 1  tiene atmósfera explosiva  en  todas  las  zonas  de  la  construcción,  la  concentración  del  límite  de inflamabilidad  superior  solo  es  excedida en el  punto  de  emisión  de  la  fuga.  Por  el contrario,  la geometría 2 al  tener el gas confinado  supero  la  concentración del  límite de  inflamabilidad  rápidamente y  solo posee atmósfera explosiva en  la habitación 2 y en el pasillo.  

 

Figura 10 . Límite de inf lamabilidad t=150 s eg (Izq . Geometría 1‐ Der. Geometría 2)  

En el  tiempo  t=325  segundos,  se encontró  que la  geometría 1 posee una atmósfera explosiva a lo largo de todo el volumen, como se puede observar en la figura 11‐a. Esto es  totalmente  opuesto  a  lo  que ocurre en  la  geometría  2  (Figura  11‐b),  en  esta,  la atmósfera  inflamable  solo  se encuentra alrededor del  pasillo. Mientras  que  en  l os cuartos  1  y  2  la  concentración  sobrepaso  el  límite  superior  de  inflamabilidad.  Lo anterior demuestra que dentro del edi ficio la geometría que mayor probabilidad tiene de  causar una explosión  o un  incendio en  caso  de encontrar  una  fuente de i gnición dentro  del  recinto  es el  la número 1.  

 

 

41   

Figura 11 . Límite de inf lamabilidad t=325 s eg (Izq . Geometría 1‐ Der. Geometría 2)  

Como uno  de los  objetivos del presente trabajo es recrear escenarios admisibles para el  fenómeno de dispersión de un gas dentro de una edi ficación, es de esperarse que dentro  de  la  misma  se  encuentren  personas  trabajando.  Por  esto  es  importante observar el  tiempo  que  tendría una persona para abandonar el  edificio mediante el  análisis de  los  límites de  toxicidad dentro del espacio  confinado.  La  figura 12 muestra las concentraciones de H2S para  cada una de las geometrías propuestas en el interior  de  la  construcción, se analizó el  tiempo que tardaría el gas en  invadir  todo el  recinto para cada uno de  los  casos.  La barra de colores  indica la  concentración a partir de  la cual el gas provoca efectos secundarios sobre el ser humano. De esta manera, el color  amarillo presente en la figura 12 muestra la concentración mínima en la cual el sulfuro de hidrogeno  causa perdida de la consciencia, y el rojo indica la concentración mínima para una muerte  inmediata. Se  presumió que existe  una  salida de emergencia en el  final del pasillo en donde  la coordenada en  el eje X = 15 m.  Además se supuso que  al interior de  la edi ficación hay  dos personas, una en la habitación  3 y  otra en  la 4. Al  realizar el análisis de los resultados se concluyó que el tiempo que tendría una persona para evacuar  la  construcción en  el  caso de  la geometría 1 es de   67.5   segundos  (un minuto). Y en el caso de la geometría 2, el tiempo que tiene una persona para evacuar  el edificio antes de inhalar una concentración letal es más de doble de la anterior (160 segundos ó  2 minutos  y medio).   

 

En la anterior comparación solo se analizó si la persona se encuentra en la habitación 3 o 4 y quiere  evacuar la edi ficación. Es importante analizar el caso en  el cual al interior  del  recinto  se  presenta  una  fuga de  H2S  y no existe alguna alarma  que  indique  la presencia del gas. Como es bien sabido este gas posee un olor característico hidrogeno a  cierta concentración  (Huevo podrido   concentración  de  0.0001  ppm) y  es por esto que es  fácil detectar  la presencia del mismo en cualquier  lugar.  Debido a  la anterior  información el análisis siguiente  tiene en  cuenta  solamente la concentración a  la  cual el H2S es detectable por  el ol fato humano. Luego  de  realizar  la  simulación se pudo observar que el  tiempo que  tardaría una persona en detectar una  concentración de 0.0001% de H2S para la geometría 1 es (figura 31‐a ) de 17.5 segundos y para la otra de 80 segundos. Se tomaron estos tiempos como los momentos en los cuales las personas son alertadas de la fuga de H2S y se analizaron  los resultados anteriores que indican el tiempo máximo  que  tiene  una  persona para  evacuar el  edi ficio.  Se  obtuvo  que  el  tiempo que tiene una persona para evacuar  el edificio desde el momento que detecta el olor de H2S, es de 50 segundos en el caso de la construcción con pasillo central y 80 segundos para  la otra.  

42   

 

Figura 12 . Toxicidad t=67 .5 s eg (Izq.  Geometría 1)  y Toxicidad t= 160 s eg.     (Der. Geometría 2)  

La última variable a  tener en cuenta en  caso de una evacuación de emergencia es  la distancia que tienen que recorrer  las personas al encontrarse en el cuarto 3  contando con el tiempo de evacuación mencionado anteriormente. Para el caso de la geometría 2    el  acceso  al  pasillo  esta más  lejos,  si  se  supone  que  una  persona  camina  con velocidad promedio de 1.1 m/s esta tardaría 5 segundos más en salir que en el caso de la geometría 2. Debido a esto el tiempo que tiene una persona para salir del edificio en caso de una emergencia por  fuga de sulfuro de hidrogeno óes  casi el mismo para  las dos geometrías: 1  minuto  aproximadamente.  

 Figura 13 . Concentración de olor característico de sulfuro  de Hidrógeno  t=17.5  s eg  (Izq .  Geometría 1)   ‐ t= 80 seg.     Der. Geometría 2)  

   

9.2 Análisis de resultados  para Presencia de puertas   

Variabl e a analizar : presión, Conc entración y Distribución del gas.

Geometría 1  

43   

Tipo de  gas:  gas natural    Posición:  Lateral  Diámetro:  0.7 in Flujo másico:  1,43205 kg/s  

 Para el análisis de esta variable se tomaron en cuenta la presión, la distribución del gas a  lo  largo  de  la geometría y   la  concentración.  Se escogió  la geometría  con el pasillo central porque este irriga a todos los cuartos, lo que hace que el gas se propague más rápido.  Luego  de  realizar  la  simulación  se  puede  observar  que  la  zona  afectada disminuye considerablemente al tener puertas en cada uno de los recintos. En la figura 14‐b  se observa  la  distribución  del  gas a  través  de  una  rejilla,  en  donde  el  gas  se dispersa únicamente a través de los orificios superiores e inferiores de cada una de las puertas, en esta configuración (Fi gura 14 ‐b) la concentración máxima del gas natural es de 35% y se presenta en el cuarto 1, mientras que sobre el pasillo es de30%. En el resto de los cuartos la concentración es aproximadamente 10%. Debido que el gas natural es menos denso que el aire, este solo se ubica sobre  la parte superior del  recinto  (Figura 12‐f).  Al  analizar  el  caso  en   el  cual  la  geometría no  posee  puertas,  se  observó  lo contrario, el gas  se distribuye rápidamente  sobre  todas  las zonas de la geometría  con una concentración máxima de 27% que es menor al caso anterior (Figura 12‐e ). En esta situación  el gas  se extiende  verticalmente  también,  por  esto  se observa  que  en  el  mismo  periodo de  tiempo  el nivel  que  tiene  el  gas  en  la  geometría  sin  puertas  es mayor o  abarca  la totalidad del cuarto.  

 

Una buena medida de mitigación en el  caso de  una  fuga es  la utilización de puertas cerradas, para aumentar el tiempo de propagación del gas y disminuir la concentración en áreas diferentes a la zona donde se encuentra el punto de emisión.  Es de esperarse que  la presión máxima  reportada por FLACS sea mayor en el  caso de la presencia de puertas, puesto que una mayor  cantidad de gas es contenida en una sola habitación. Esto se  confirma en  la figura 15  donde  la pendiente  de  la  curva de  presión para un recinto  con puertas  es mucho más  grande  que  sin  ellas.  La  diferencia  de  presiones máximas es de aproximadamente 0.6  bares.  

 

44   

(a)                                                                          (b)  

 

           (c)               (d)  

          (e)                 (f)  

Figura 14 . Dispersión del gas en diferentes tiempos  

 

    Figura 15. Pres ión máxima para presencia de obstáculos  

   

9.3 Posición de  la fuga   

9.3.1      Caso 1  ‐ Variable a analizar: Presión y Velocidad del gas.

Geometría 1 (Sin obstáculos) Tipo de  gas:  Propano  Diámetro:  0.3 in 

0 50 100 150 200 250 300 3500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Tiempo [s eg ]

Pre

sio

n [b

arg

]

Com paración de Pres iones pa ra la p resenc ia de obs tac ulos

Sin pue rtasCon puertas

45   

Flujo másico:  0,28038 kg/s  

Para  evaluar  la  influencia  de  la  posición  de  la  fuga  con  respecto  a  las  variables velocidad y presión, se utilizó un mismo tipo de gas (Propano), en la geometría 1, sin la utilización  de  puertas  y  el mismo  flujo másico para  los  tres  casos.  Las  posiciones a evaluar son: centro, esquina y lado del cuarto # 1. En  las figuras 16 y 17 se muestra las velocidades y presiones máximas según  la posición de  la  fuga, allí se observó que  las variaciones de  presión y  velocidad  son mínimas  para  un mismo  tipo  de gas  en  una posición diferente. Esto es coherente con el resultado esperado, puesto que poseen el  mismo flujo másico y es el mismo gas. La pequeña diferencia de presión que existe en la posición de la esquina se puede deber a dos cosas: la altura de la fuga y la densidad del gas, debido a  que el  gas propano es más denso, este va a  tender a despla zarse sobre el eje Z distribuyéndose de manera más uniforme que en  las otras posiciones y disminuyendo  el valor del punto  de presión máxima.  

 

Figura 16. Velocidades  máximas  según posición de fuga 

 

Figura 17. Presiones máximas según posición de fuga 

9.3.2      Caso 2 ‐ Variable: magnitud y dirección de la fuga t=12.5 seg.

Geometría 1 (Sin obstáculos) Tipo de  gas:  Sul furo de  Hidrógeno  Diámetro:  0.7 in Flujo másico:  1,40252 kg/s 

 

0 50 1 00 1 50 2 00 2 5 0 3 0 0 35 00

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

10 0

Tiem po [se g]

Vel

oci

dad

[m/s

]

Veloc ida d M ax im a p ara m isma fug a, di fere nte po sicio n

Ce ntroEs qu inaL ate ral

0 5 0 1 00 1 5 0 2 00 2 50 3 00 3 500

0.0 5

0 .1

0.1 5

0 .2

0.2 5

Tiem po [se g]

Pre

sió

n [b

arg

]

Pre sió n p ara l a m is ma fu ga co n d ife ren te po si c io n

Cen troEsq uinaLa tera l

46   

Es importante determinar la cuantía de un escape con el fin de evaluar la extensión de la  zona  afectada,  para  esto   es  necesario  evaluar  la  tasa de escape.  La  imagen  18 muestra la magnitud que  tiene el escape de gas en el instante t=12.5 segundos para el H2S  en diferentes posiciones con las mismas condiciones de área y flujo másico. Lo que se  puede  observar  a  simple  vista  es  que   la  distribución  que   tiene  el  hidrogeno H2S (figura  18‐b)  en  la esquina  se  hace  de manera  vertical  debido  a  la altura  de  la posición  de  la  fuga,  el  despla zamiento  sobre  el  eje  x  tiene   un  valor  de  7   m aproximadamente en dirección positiva. Sin embargo en el  caso de la posición  lateral (Fi gura  17‐c)  se  observa  que  la  dirección  es  la  contraria  (‐X),  la  explicación de este fenómeno  se  hace evidente  al  observar que  frente  a este  punto  se encuentra una pared.  Toda  la masa  de  gas  que  sale  por  la  fuga  rebota  sobre  la  pared  y  des vía  o invierte de dirección  del  flujo  de sul furo  de hidrogeno, por esto es posible observar  con  claridad  la magnitud de  la misma. Finalmente  la  figura 17‐a muestra  la  salida de H2S en una posición central sin ningún tipo de obstáculos. En este caso la magnitud en dirección positiva es de aproximadamente 4 m antes que el flujo de gas choque con la pared,  sin embargo  se observa  también un  desplazamiento en  –  X.  La  razón de  este suceso  se explica por dos motivos: el primero el  flujo de  gas  choca  contra  la pared y  cambia  la  dirección  de  este,  el  segundo  se  debe  a  la  presencia  de  un  ventilador simulado mediante la herramienta FAN que se encuentra en dirección +Y en la esquina inferior  del  cuarto. Esta entrada de aire arrastra gran   cantidad de H2S  cambiando el  comportamiento del gas dentro del   recinto. La mejor posición de  fuga es aquella que refuerza,‐ no impide‐ el desplazamiento del gas en la dirección indicada y no tiene  un contacto cercano con el  flujo de aire entrante, dadas estas condiciones la posición que mejor  distribuye  el   gas  dentro   del  cuarto  es  la  de  la  esquina.  Mediante  una aproximación matemática que  calcula  la extensión de  la  fuga teórica  se comparó   la extensión obtenida por FLACS. Para ello  fue  necesario el uso de la siguiente ecuación:  (Garcia Torrent  & Francesc Escuer  Ibars,  2005) 

 

2,1 10 / , , ,                                                      (19) 

Donde :  G= Flujo  másico LEL=Límite infe rior  de  inflamabilidad % M=Peso  molecular  T=Temperatura en ºK   El valor  teórico de  la extensión de  la fuga obtenido para un  flujo másico de 1,40 kg/s  es de 8,8 m. Este valor es analizado únicamente con la dispersión de la esquina puesto que es  la única fuga  que  no  posee  ninguna perturbación  cercana.  Al  comparar  este valor  con  la  figura  18‐b    se  observa  que  el  alcance  máximo  de  la  fuga  es  de aproximadamente 7,5 m que es la extensión del  cuarto #1. Los valores obtenidos por  

47   

FLACS y mediante la aproximación matemática se acercan demasiado, esto demuestra la precisión de la herramienta CFD.  

 

(a)  

 

(b)  

 

(c)  

Figura 18. Magnitud del escape de gas (a) Centro, (b) Esquina (c) Lateral 

 

9.3.3      Caso 3 ‐ Variable a analizar:  Velocidad de di stribución

48   

Geometría 2 (Sin obstáculos) Tipo de  gas:  Gas Natural  Diámetro:  0.5 in Flujo másico:  0,73064 kg/s 

En este caso se evaluó  la velocidad  con la que el gas se dispersa dentro  del recinto, el  gas  utilizado  fue  gas  natural.  En  la  figura  19  se muestra  la  extensión  de  la  zona afectada  en  dife rentes  posiciones  de  fuga,  además  se  pueden  observar  las concentraciones dentro del recinto en un tiempo t=325 segundos. En la fi gura 19 ‐a,  el gas  se disperso de manera vertical de  tal manera que  la  concentración en el cuarto 4 no es mayor al 40%. Sin embargo, el nivel alcanzado por el gas desde el techo al suelo indica que el gas  se disperso a  lo largo y alto del  recinto obteniendo  concentraciones del 30 al 40% sobre el suelo.  Caso  contrario  ocurre con el  segundo evento  (Figura 19‐b), en donde  la fuga estaba ubicada en el centro del cuarto a una altura de 1,25 m. En estas  condiciones el gas  se extendió a  lo  largo  del recinto de manera más uniforme llegando  a  una  concentración  del  70%  en  el  cuarto  1  y2,  a  pesar  de  esto  la concentración  a una altura cercana al suelo  es menor al  10%.  

 

(a) 

49   

 

(b) 

 

(c) Figura 19. Concentración t=325  seg (a) Esquina, (b)Hidrogeno Centro(c) Lateral 

 

Finalmente la fuga ubicada sobre  un lado del cuarto a  la misma altura que la anterior  (1,25 m) reporto una distribución similar a la posición central con menos extensión a lo largo y ancho del volumen. En la  figura 20 se realizó un corte  en y= 9.8 m  con el  fin de observar la altura alcanzada por la nube de gas a lo largo del pasillo, allí se observa que la  distribución  cumple  con  la  hipótesis en   la  cual  la  atmósfera  de  combustible  se extiende verticalmente. Esta  teoría   es muy evidente en  la  imagen 20‐a, en  la  cual el nivel de concentración por debajo de 0.1 %  (azul oscuro) no es visible, mientras que en 

50   

las otras dos (centro‐ b‐ y esquina ‐ c ‐) existe una  franja de concentración por  debajo del 10% sobre el nivel del suelo. Debido a esto se  intuye  que la  forma en  la que   se dispersa el gas, puede variar solamente cambiando la posición de la fuga. Sin embargo,  esta  conjetura  debe  ser  analizada  detenidamente  por  esto  se  hace  necesario  un estudio posterior  que  demuestre  esta hipótesis  

 

(a)  

 

(b)  

51   

 

(c)  

Figura 20. Concentración t=325  seg con corte en Y=9.8  m (a) Esquina, (b)Hidrogeno Centro(c) Lateral 

 

9.4 Área de la fuga  

Variabl e a analizar : Velocidad Máxima, Presión Máxima, Concentración.

Geometría 1 (Con obstáculos) Tipo de  gas:  Gas Natural  Posición: Esquina  

 Para evaluar la influencia que tiene el área de la fuga se utilizaron 3 simulaciones, con  diámetros diferentes  0.3 in, 0.7 in y 0.5 in. La influencia de esta variable se evaluó con gas natural, para la  geometría 1 y una posición de fuga en  la esquina de cuarto 1.  La Figura  21   muestra las velocidades máximas reportadas en el sistema, al comparar los resultados arrojados por las tres simulaciones  se observa que la velocidad es la misma para todos los casos. A partir de eso y de los análisis realizados posteriormente para las demás variables  se puede afirmar que  la velocidad lineal máxima para el  flujo de un gas no está determinada por el flujo másico o por la posición en la que se encuentre la fuga.  Una  hipótesis  que  se  puede   realizar  a  partir  de    todo  lo  anterior   es  que   la velocidad está determinada por el  tipo de gas,  lo  cual podría estar  relacionado  con  la ley de Graham  en la cual se relacionan las velocidades con el peso molecular del gas. Es importante destacar que esta velocidad máxima es inferior a la velocidad del sonido en el aire  (370 m/s).  La nube de gas o vapor a baja velocidad forma una figura en  forma de  pluma;  en  este  caso  las moléculas  del  gas posen  baja  cantidad  de movimiento, alejándose de la fuente de escape y  diluyéndose en el aire, por un fenómeno di fusión o dilución   turbulenta.  La  figura 21 muestra  la  concentración del  gas para  diferentes flujos másicos. Como es de esperarse al incrementar el  flujo  la  concentración del gas en el aire crecerá proporcionalmente a este.  

52   

 

 

Figura 21. Cantidad de combustible con diferentes  diámetros  de fuga 

 

Al analizar la influencia que tiene el  flujo másico a la salida de la fuga con  respecto a la presión máxima dentro de la simulación se obtuvo que las variables son directamente proporcionales. A medida que la cantidad de gas ingresa al recinto mayor será presión máxima reportada  (Fi gura  22), puesto que las moléculas de gas están chocando  entre ellas y con las paredes del recinto constantemente,  entre más cantidad de gas ingrese mayor cantidad  de  moléculas chocarán contra las paredes  del espacio  confinado.  

 Figura 22.  Presión máxima variando el diámetro de fuga  

 En  el  articulo  Evaluation  of gas  release  rate  through  holes  in  pipelines de  Dong  Yuhua,  se realiza un análisis de  la variación de presiones  con  respecto al diámetro del escape,  para cada uno de  los modelos (agujero, tubería y el propuesto por el autor). Con este ejemplo se analizó la presión en el  instante t=5 segundos, que es  cuando empieza a liberarse  la fuga.  Las  condiciones iniciales del ejemplo  son: la presión de la  tubería al 

0 50 100 150 200 250 300 3500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500Ca

ntid

ad [k

g]Cantidad de combustible (area de l a fuga )

Tiempo [seg]

Diametro: 0.5 inDiametro: 0.7 inDiametro: 0.3 in

0 50 100 150 200 250 300 3500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Pres

ión

[bar

g]

Pres ion (a rea de la fuga)

Diamet ro: 0 .5 inDiamet ro: 0 .7 inDiamet ro: 0 .3 in

53  

interior de 725,1885 Psia,  la  temperatura  de 67 ºF  (293  ºK)  y  su peso molecular   de 17.1 kg/kmol.  La  figura 23  extraída del  análisis de Yuhua muestra  la variación de   la presión  con  respecto al diámetro para el caso anterior, es  importante aclarar que el punto a analizar en esta figura  es el P3 debido a que este fue definido como la presión a la salida del orificio con  el mismo modelo utilizado en el presente trabajo.  Debido a que la temperatura y el peso molecular coindicen, este ejemplo puede compararse con las simulaciones realizadas con gas natural. Sin embargo como la presión utilizada en el artículo  es  el  doble  de  la  empleada  en  este  proyecto,  solo  se  analizó  el comportamiento de la  curva obtenida.  La figura 24 muestra  la variación de la presión durante toda la liberación del gas para cada uno de los diámetros. El valor obtenido en el instante t=5 seg para cada uno de los diámetros es mostrado en la figura 24. A pesar que  la diferencia entre  cada uno de  estos no es mayor a 0,2  in  (0,005m)  la presión desciende  con una pendiente de de 0,0002, mostrando un  comportamiento  similar al de la  23. El comportamiento entonces es el mismo, a pesar que la presión del ejemplo duplica  la  presión  utilizada.  Debido  a  esto  se  puede  decir  que  a  medida  que  el diámetro aumenta la presión de salida del  ori ficio desciende.  

 Figura 23. Relación entre el diámetro del orificio y la presión del gas (Dong Yuhua, 2002) 

 

 

Figura 24.  Relación entre el diámetro del orificio y la presión del gas  

 

Finalmente,  al  analizar  la  extensión  de  la  zona  afectada  se  observo   que  la concentración  máxima  para  un  flujo  de  1,43205  kg/s  (figura  25‐a )  es  70  %  de 

54   

combustible en el  interior del cuarto  1 y del pasillo. En este  caso  la extensión   de  la zona  afectada es disminuida por  una  puerta, la influencia de este  obstáculo  se evaluó anteriormente.  Por  otra  parte  para  el  caso  de  un  diámetro  de  0.5  in  reportó  un porcentaje  volumétrico  máximo  de  50%  para  las mismas  zonas  del  caso  anterior (cuarto 1 y pasillo). En el caso del diámetro de 0.3 in se encontró que la concentración máxima es de 30%. Estos resultados  son los  esperados, puesto que a  mayor diámetro de  fuga mayor   flujo  volumétrico  y  por  tanto mayor  será  la  concentración  máxima alcanzada en t=5 segundos  y  la extensión de la zona afectada.  

 

 

(a)                  (b) 

 Figura 25.  Presión máxima variando el diámetro de fuga  

 

 

 

 

 

 

9.5 Tipo de  gas:   

9.5.1 Caso 1 ‐ Variabl e a analizar : Presión Máxima.

Geometría 1 (Sin obstáculos) 

55   

Diámetro:  0.7 in   Posición: Centro   

 Figura 26. Presión Máxima 

 

La  figura 26 muestra que  la presión  máxima aumenta con respecto a  la cantidad de combustible  en el  tiempo  como  es  de  esperarse.  Sin  embargo  el  tipo  de  gas  afecta considerablemente la variación de la presión manométrica dentro del recinto. Para el propano la presión máxima es de 0.89 bar, mientras que la presión máxima alcanzada por el sulfuro de Hidrógeno es de 1.25 bar. Por otro lado la presión máxima reportada por el gas natural es considerablemente más grande, con un valor de 2.69 bar (1.8 bar  por encima).  Esto  se  debe a  que la  presión esta  intrínsecamente relacionada   con   la densidad  del  gas.  Ya  que en  el marco  de  la  teoría  cinética  la  presión  de  un  gas  es explicada  como el  resultado macroscópico de  las  fuerzas  implicadas por  las  colisiones de las moléculas del gas con las paredes del recinto. La presión puede definirse por lo tanto haciendo re ferencia a las propiedades microscópicas del gas. Teniendo en cuenta que  la presión a  la que  se encuentra el gas es  la atmosférica,  se puede  afirmar que estos gases tienen un comportamiento ideal, para calcular la presión parcial del gas se utiliza la ecuación:   

                         (20) 

 Teniendo en cuenta que todos los gases de la simulación poseen en mismo volumen, la constante de  los gases es  la misma y la  temperatura  fue definida  igual para  todos  los componentes,  nos  queda  que  para  este  sistema  la  presión  es  proporcional  a  la cantidad de moles. Sin embargo estas están determinadas por el peso molecular y  la cantidad de masa. Como el  flujo másico definido en el sistema  tiene variaciones muy pequeñas  (alrededor  de  ∆ 0,12) el peso molecular influye directamente sobre  la presión. Como se puede ver en la ecuación 20 la presión es inversamente proporcional al  peso molecular, en este  caso el  gas que  tiene menor peso molecular  es  el  gas natural. Y por  tanto es este el que mayor presión  tiene dentro del espacio  confinado.  

0 50 100 150 200 2 50 300 3500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Tie mpo [seg]

Pres

ion

Max

ima

[barg

]

Pr esion Maxima d e gas

Gas Natu ralH2SPropano

56   

Además el  peso molecular  del  gas  natural es  casi  la mitad  del peso molecular  del propano, lo cual hace que la presión del mismo se duplique,  como se puede ver en  la figura 26.    

 9.5.2 Caso 2 ‐ Variabl e a analizar : Velocidad Máxima.

Geometría 1 (Sin obstáculos) Diámetro:  0.7 in   Posición: Centro  

 Figura 27. Velocidad Máxima  

Los  flujos másicos mostrados en  la  figura 27  son  los  flujos máximos  reportados en el interior de  la geometría. Por esto los flujos  se encuentran dentro del régimen  sónico como se muestra en la ecuación para flujo choked. Sin embargo estos cálculos  fueron realizados para tomar  la velocidad a la  salida del orificio  La velocidad de difusión del  gas  a  lo  largo  de  la  geometría  disminuye  considerablemente,  las  velocidades mostradas en la figura 27 son las velocidades que adopta el gas luego  de   emanar por  el orificio. Las velocidades del gas natural, sulfuro de hidrogeno y del propano son: 222 m/s, 117 m/s y  96 m/s respectivamente. En este caso  la mayor velocidad es la del gas natural puesto que es un gas menos denso que el aire y  su  velocidad de  difusión  es mayor.  Por  otro  lado  las velocidades  de  propano  y  sul furo   de  hidrogeno   son mas similares,  probablemente  a  que  su  comportamiento  es  él  de  una  di fusión  a  alta densidad.    9.5.3 Caso 3 ‐ Variabl e a analizar : Cantidad de combustibl e (kg)

Geometría 1 (Sin obstáculos) Diámetro:  0.7 in   Posición: Centro  

0 50 100 150 200 250 300 3 500

5 0

10 0

15 0

20 0

25 0

Tiem po [ seg]

Veloc

idad

[m/s]

Velo cidad

Gas Natura lH2Spro pano

57   

 Figura 28. Cantidad de combustible 

 El  comportamiento de  la  cantidad  de  combustible  con  respecto  a  la variación  en  el tiempo es el esperado, en la   figura 28  se puede observar  la  cantidad de combustible dentro del recinto para cada  tipo de gas. La relación entre este evidencia que  para el  caso del  sulfuro  de  hidrogeno  la  cantidad  de  combustible  es  la menor  con  421  kg,  mientras  que  la  cantidad de  propano  que  se  registro  fue  la máxima  con  458  kg,  la cantidad  intermedia  es  la del  gas  natural  con  441 kg.  Los  37  kg que  diferencian  la cantidad de combustible máxima de la mínima es producto de  la pequeña diferencia que existe entre  los  flujos másicos establecidos   durante el cálculo del mismo a partir del área de  fuga.  

9.5.4 Caso 4 ‐ Variable a analizar: Concentración

Geometría 1 (Sin obstáculos) Diámetro:  0.7 in   Posición: Centro  

Figura 29. Concentración del tipo de gas. 

0 50 10 0 15 0 2 00 25 0 300 3 500

5 0

10 0

15 0

20 0

25 0

30 0

35 0

40 0

45 0

50 0

Tiempo [se g]

Com

bust

ible

[kg

]

Cantid ad de Combus tible

Gas na turalH2SProp ano

0 50 100 150 200 2 50 30 0 3 500

0. 1

0. 2

0. 3

0. 4

0. 5

0. 6

0. 7

0. 8

Tie mpo [se g]

Frac

ción

más

ica [

kg/k

g]

F rac ción más ic a

Gas Na tura lH2SPropan o

58   

  La  concentración  del  sistema  en  función   del  tiempo   teniendo  un   flujo  másico constante a la salida de la fuga, tiene un comportamiento similar para los tres tipos de gases,  (figura  29) en el  cual  la  concentración al  inicio  tiene  un  rápido  crecimiento y  luego empieza a estabilizarse. Este comportamiento es explicado por una función de la forma  x/(x  + Ca) en  la cual  la Ca es  la  cantidad de  aire presente en el  recinto en el  instante t. La disminución en el instante t=300 seg en la figura 29 para todos los gases corresponde a la finalización  de la emisión de gas. Como esta relación se realizó sobre un volumen de control que abarca  solo un  cuarto  del  recinto, lo único  que  se puede afirmar es que esta disminución  se debe al  fenómeno de dispersión del gas. Como  la figura 29 muestra el   tiempo en   función de  la  cantidad de  combustible que entra  al recinto, es  de  esperarse  que  la mayor  concentración  alcanzada  sea  la  del  propano, puesto que  es este el  que  mayor  flujo  másico posee.     9.5.5 Caso 5 ‐ Variabl e a analizar : Presión y velocidad Geometría 1 (Sin obstáculos) Diámetro:  0.7 in   Posición: Lateral  y Centro  

 Figura 30. Presión Máxima  Lateral 

  

0 50 100 150 200 250 300 3500

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Tiempo [seg]

Pres

ión M

áxim

a [ba

rg]

P resión Máxima A rea: 0,000248153 m 2 (Esquina)

Gas NaturalH2SP ropano

59   

 Figura 31. Presión Máxima  Posición: Centro 

 

 Las dos figuras santeriores  (Figura 30 y 31) muestran  la presión máxima  reportada en el  volumen  total  del  recinto,  estas  tienen  una  misma  área  de  fuga  en  diferentes posiciones  y  dentro  de  una misma  geometría  (Geometría 1, Sin puertas).  Se  puede observar que al igual que la figura 26 , la  presión máxima es muy similar para cada tipo de gas. De esta forma, para el propano la diferencia de presiones entre las dos  figuras es  de  0,02  bar  y  para el H2S  es  de 0,04  bar,  l os valores  obtenidos  después  de  la simulación  se muestran  en  la  tabla 9.  Estas  variaciones  son muy  pequeñas  lo  que sugiere  que  la  presión máxima  dentro  del  sistema no depende  de  la  posición  de  la fuga, pero  probablemente  el tipo de  gas  si influye  fuertemente  significativasobre  la presión máxima reportada dentro  del  sistema.  

Tabla 9. Presión Máxima para cada uno de los  puntos Tipo de gas  PMAX(bar)  

Centro PMAX  (bar) Esquina  

PMAX (bar)  Lateral 

ΔP (bar) (G1‐G2)   

Gas Natural  2,69  2,72  2,83  0,11 

H2S   1,25  1,25  1,29  0,04 

Propano  0,89  0,91  0,93  0,02 

 

9.5.6 Caso 6 ‐ Variable: Límite de inflamabilidad

Geometría 2 (Sin obstáculos) Diámetro:  0.3 in   Posición: Centro   

Para el análisis de los  límites de inflamabilidad se realizó una visualización  del  volumen total de simulación en  3D,  por medio  del  visualizador FLOWVIS para la variable 

denominada FMOLE que es la fracción  molar o volumétrica del gas en la mezcla  de  combustible/aire. Se delimitó la visualización únicamente  para las concentraciones en las cuales se presenta una  atmósfera explosiva (Límite inferior de inflamabilidad‐ LEL  y  

0 50 100 150 200 250 300 3500

0. 5

1

1. 5

2

2. 5

3

Tiempo [seg]

Presión Máxima Area: 0,000248153 m 2 (Lateral)

Pres

ión M

áxim

a [b

arg]

Gas NaturalH2SP ropano

60   

Lsuperior de i nflamabilidad – UEL) como se muestra en  la tabla 10. Además se tomaron algunos tiempos signi ficativos para analizar  las velocidades  y duración de la atmósfera explosiva en  cada uno de  las secciones  de  la geometría. En la tabla 11  y  en las figura 

32‐34  se pueden  observar dichos  tiempos y  la característica a  cumplir. 10 Límite 

  

 Tipo de  gas  LEL %  UEL %  

Gas  Natural   5   15 Sulfuro de Hidrogeno  4.3  45.5 

Propano  3.4  13.8 

 Tabla 4. s  de inflamabilidad 

           (1)                                                         (2) 

      (3)                                                  (4)  

 (5)                                                           (6) 

61   

 (7) 

Figura 32. s de inflamabilidad Gas  Natural para cada uno de los  eventos  descritos  en la tabla 11.   

Tabla 11. Tiempos  según evento  

    GN (seg)  H2S (seg)  Propano (seg)  

1  Cuarto 1 LEL  25  27  27.49 2  Cuarto 2 LEL  55  72.5  72.5 3  Cuarto 1 Por encima UEL  80  ‐‐   125 4  Pasillo LEL  100  185  160 5  Cuarto 3 LEL  140  305  230 6  Cuarto 4 LEL  235  ‐‐   282 7  Finalización simulación   325  325  325 

 Al  comparar  estos  tiempos  se  puede  observar  que  la dispersión del  gas  natural  al interior de  la geometría es muy  rápida, en el  instante  t= 25  segundos (Figura 32‐1) el primer  cuarto  tenía  una   atmósfera  inflamable  que  ocupaba  completamente  su volumen.  Los  otros  dos  gases  tardaron  solamente  2  segundos más  en  cumplir  la primera  condición.  Por  otro  lado  la  velocidad  con  la  que  el  gas  natural  saturó  la segunda  habitación  fue 20 segundos más rápida  que  para el caso del propano  y el H2S.  Para el  gas natural  luego de  t=80  segundos  (Fi gura  32‐3) el  cuarto  numero 1  había superado  la  concentración  del  límite  de  inflamabilidad  superior,  disminuyendo  el  riesgo de una posible explosión y/o deflagración en el cuarto en el que se encuentra el punto  de emisión. Sin embargo  como  se puede ver en  las  fi guras 32‐3  y 32‐4, en el  cuarto numero 2 y  el pasillo existe una  atmósfera explosiva. Rápidamente el  volumen restante de la geometría es ocupada por la nube explosiva y al finalizar la simulación el 53.3%  del  volumen  total, posee  una atmósfera  inflamable  y el  porcentaje  restante posee una concentración mayor al 15% en volumen. Esto indica que una  fuga continua de gas natural durante 5  minutos, en un espacio cerrado,  con  mínima ventilación y en presencia  de  una  fuente  de  ignición,    tiene  bastantes  posibilidades  de    causar  un accidente  debido  a  que  por  lo  menos  el  50%  del  volumen  tendrá  una  atmósfera explosiva.   

62   

 (1)                                                                                                     (2) 

             (3)                                                             (4) 

 (5) 

 Figura 33. Límites de inflamabilidad H2S  

 La  dispersión  del  sulfuro  de  hidrogeno  varia  un  poco  con  respecto  al  fenómeno ocurrido  en la dispersión de gas natural, en este caso  el gas se transporta lentamente a  través de  la  geometría,  tanto  que  en  el  instante  t=305  segundos  el  gas  apenas alcanza a ocupar  la mitad del volumen del  cuarto 3 (Figura 33 ‐5). Asimismo el último cuarto no alcanza a poseer una atmósfera explosiva, debido a que el rango entre  los límites  de  inflamabilidad  triplica el  del  gas natural,  la atmósfera  inflamable  en  este caso alcanza  entre 60 a  73% del volumen  total.  El  tiempo  que  tarda  en  llenarse  el recinto totalmente de  gas  es mucho mayor a  5 minutos.    

63   

 (1)                                                     (2) 

 (3)                                                                    (4) 

 (5)                                                         (6) 

 (7) 

Figura 34. Límites  de inflamabilidad Propano  Finalmente la propagación del propano al interior  del recinto es más rápida que la del  sulfuro de hidrogeno  ,a pesar que  la velocidad máxima reportada es menor que la de 

64   

este.  Luego del instante t=72 segundos, en el cual el comportamiento de los dos gases es similar, el propano se distribuye rápidamente a través del pasillo, llenando en t=230 segundos  y  t=282  segundos  los  dos  cuartos  restantes.  Igualmente  la  atmósfera inflamable alcanza más de un 60% del volumen total del recinto,  ya que pasados los 5 minutos  la  habitación 2  aun  no  posee  una  concentración mayor  a  la  del  límite  de inflamabilidad superior.  Para  los  tres  casos  es  importante  destacar que  la posición  de  la  fuente de  ignición podría  influir  de manera  significativa  en  el momento  de  una  explosión  o  incendio posterior a  la dispersión.   Ya que, en el  fenómeno  de dispersión  de  los  tres gases  la densidad  juega un papel muy importante. Si el gas es más denso, como ocurre  con el propano y el sulfuro de hidrogeno, el gas siempre va a disiparse sobre el suelo o cerca a  este.  Al  tener  una  fuente  de  ignición  a  una  altura  considerable  del  suelo  pueden ocurrir  dos  cosas:  la  primera  es  que  el  gas  sobrepase  su  límite  de  inflamabilidad superior antes de que ocurra una explosión  y la segunda es que el tiempo que tarde la atmósfera explosiva en encontrar la  fuente  de ignición  sea mayor.    9.5.7 Caso 7 ‐ Variable: Distribución gas t= 7.5 seg

Geometría 1 (Con obstáculos) Diámetro:  0.5 in   Posición: Esquina   

 (a)  

65   

 

 (c)   

Figura 35.  Distribución del gas, Arriba gas Natural‐ Centro H2S‐ Abajo Propano  La  figura  35 muestra  la  distribución del gas  para  cada  tipo,  en  este  caso  se  puede observar que para los gases más pesados la nube de gas tiene un mayor diámetro en Z con  concentraciones  altas,  que   para  los  gases menos  densos  (Figura  35‐Arriba).  Si  tenemos solamente en cuenta los isocontornos donde la concentración es alta (verde y  amarillo),  se  puede  ver  la  extensión alcanzada  por  la  fuga  2  segundos después  de iniciada en cualquiera de  los casos. La magnitud de  la fuga es  considerablemente más grande  para  el propano   con  un  alcance  de  1.5 m  que  para el  gas  natural  que   es aproximadamente de 0.6 m. En estos dos  casos la  forma de  la fuga es parecida a una pluma, mientras  que  para  el sulfuro de Hidrógeno es un poco más  redondeada.  Es importante  resaltar  que  la  dispersión  de  este  último  tiene  un  alcance aproximadamente  de   3,8 m, pero  que  la  forma  en  la  que  este  se  dispersa  es más difusa, no es  tan  claro el punto de emisión  como en  las otras dos. Además  se puede observar que el propano se dispersó sobre el eje Z cayendo rápidamente sobre el suelo por su alta densidad. La atmósfera explosiva tiene dirección X positiva lo cual confirma en todos los casos el parámetro definido al inicio de la simulación. La figura 35 muestra 

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un  corte en Z=2.3  (posición en  z de  la  fuga) por la parte  superior de  la geometría, en donde  se puede observar el radio  que  tiene  la fuga para un tiempo  de  t=7,5 segundos.   En  la  figura  36  se  observa  que el  radio  que  posee  el  gas  natural abarca  toda   la habitación en un espacio de  tiempo de 2.5  segundos. Esto confirma que la velocidad de este  fluido es mayor a  la de  las otras dos,  como ya  se observo anteriormente. Por otro lado, el  radio que tiene el propano es aproximadamente de 0.4 m, este valor es relativamente más pequeño que los otros dos, probablemente por que como se vio en la figura 33 el  fenómeno de dispersión tiene una distribución vertical y la velocidad  no es muy grande en relación  a la del  gas natural.   

 

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 Figura 36. Dispersión de cada uno de los gases 

  9.5.7 Caso 7 ‐ Variable: Toxicidad

Geometría 2 (Sin obstáculos)   Posición: Lateral  Tipo de  gas:  H2S  Para la medición de esta variable se utilizó la concentración en partes por millón con el fin de  comparar  con  las  concentraciones de dosis  letales, encontradas en  la hoja de seguridad  de  cada uno  de  los  gases  y  se  definió  como  valor máximo  dentro  de  la simulación la cantidad correspondiente a esta concentración. Debido a que el propano y el metano son asfi xiantes simples, estos en concentraciones por  encima del 50 % en una atmósfera normal  podrían  causar  disturbios  leves  en  la  coordinación muscular, Trastorno  emocional,  fatiga,  respiración  interrumpida,  nausea,  vómito,  colapso  y pérdida de  la  conciencia. Y en  concentraciones demasiado altas por encima del 70 % puede  causar movimientos  convulsivos, posible  colapso  respiratorio  y muerte.  Esta última  producto de una asfi xia por  falta de oxigeno  (menor a 6% de oxigeno) no por  efectos de  intoxicación.  La  figura 37  (b ‐c) muestra  la  concentración máxima obtenida en la simulación al pasar 5  minutos de la  liberación de gas (propano y  gas natural).  

Para el caso del H2S se tiene un valor de toxicidad  (800 ppm), debido a esto se definió como  concentración máxima 0.1 ppm  que es  la  concentración   en  la  cual  hay una muerte  inmediata e  inminente, en  la figura 37  se puede ver que un 40% del volumen total de la construcción que está por  encima de la concentración de la dosis letal para una persona, l o que quiere decir que al ingresar a este cuarto  la persona podría morir  inmediatamente  por  una  intoxicación  con  H2S.  La  tabla  12  muestra  para  cada concentración de  H2S  los efectos que este  tiene  sobre el  cuerpo humano. Basándose en esta información en la  figura 37‐d se muestra por medio de isocontornos cada una de las concentraciones listadas en la 12 para un instante de tiempo de t=210 segundos.  En la   figura 37   también se puede observar que luego de tres minutos el cuarto 1 está 

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completamente lleno de sulfuro de hidrogeno a una concentración letal y que el cuarto 2  posee  una  nube  toxica  letal  en  un  50%  de  su  volumen.  Lo  cual  indica  que  al presentarse  una  fuga  continua  de   sulfuro  de  hidrogeno  dentro   de  un  espacio confinado  la  persona  cuenta  solo  con  30  segundos    para  salir  de  la  habitación  y aproximadamente 3 minutos para dejar la construcción. Sin embargo una ventaja que tiene el sulfuro de hidrogeno es el olor.  Este indicador permite tener un  previo aviso y  evacuar rápidamente  el edificio.  

 

 

 

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Figura 3769. Concentraciones  nocivas y toxicas (a) Gas  Natural, Propano (b), H2S (c)  y (d) Isocontorno de H2S 

12  (Anónimo)Efecto   Ppm  % Olor a Huevo podrido  1   0.0001 TLV 8 horas  de trabajo continuo   10  0.001 Pérdida  del  Sentido  del  olfato  por  15 minutos,  irritación  en  l    en  la  piel,    incremento del pulso cardiaco 

100  0.01 

Pérdida  completa  del  sentido  del  olfato, Ardor en gargant a y ojos.  

200  0.02 

Perdida  de  la  consciencia,  respiración  se detiene   

700  0.07 

LClo  800  0.08 Inconsciencia  inmediata    ,  muerte inminente   

1000  0.1 

    Tabla 6. Concentraciones  y efectos  del gas  en el organismo 

10. CONCLUSIONES  

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La distribución de las zonas dentro de un espacio confinado i nfluye signi ficativamente en  el  fenómeno  de  dispersión  de  un  gas,  puesto  que  puede  limitar  la  atmosfera explosiva, extinguirla y disminuir el riesgo de  incendio  o explosión. De esta manera, la posición de un pasillo disminuye en un 87%   la extensión de una atmosfera explosiva dentro  de  un  espacio  confinado. Este  análisis  permite  evaluar  la  vulnerabilidad  del recinto y  las posibles  consecuencias que se  tendrían en caso de encontrar una  fuente de ignición.  La caracterización del escenario  permite disminuir la concentración  en las zonas dife rentes a la que se encuentra el punto de emisión. Por otro lado al confinar el gas  en  la  zona  de  emisión  se  tiene  que  la  concentración  del  gas  dentro  de  este aumenta un   40% en volumen dentro  de un solo  cuarto.  Esto permite    considerar  las posibles  formas  de mitigación,  prevención  para  una  liberación  accidental  de  un  gas inflamable,  las medidas  de  control  existentes  y  algunas medidas  en  caso  de  una emergencia de este  tipo. Ya  que  se  conoce de antemano el  lugar  en  el  cual  existe mayor riesgo de i gnición.   

  

Por otro lado el análisis de la distribución y presencia de obstáculos dentro del sistema enriquecen  el  posible  diseño  de  una  edificación  vulnerable  a  un  escape  de  gas inflamable  y mitigan  de manera acertada  la  distribución de  un  gas  inflamable  y/o toxico    en  el  interior  de  un  edificio. Al  tener  presencia  de  puertas  cerradas  en  una misma geometría se disminuye la extensión de la dispersión del gas en un 33% sobre el volumen  total del  recinto. Disminuyendo el  riesgo potencial de encontrar una  fuente de ignición y reduciendo también las consecuencias de una dispersión de un gas toxico al interior de una edificación.   

 

La posición de la fuga, no infl uye en variables como la velocidad y la presión máxima al interior  de  la  edificación. Sin embargo,  la  dirección  y magnitud  de  la  fuga,  criterios importantes  que  determinan  la  distribución  del  gas  al  interior  del  recinto,  son altamente  influenciados por estas variables. Al  ser un espacio confinado el objeto de estudio, la dirección es modificada por  la altura de la  fuga y  la presencia de paredes, puertas y/o ventiladores. Por otro lado la magnitud de  la fuga de un gas inflamable en una posición que  intensifique  su dirección  (p.e. esquina),   aumenta  la magnitud de  la misma  hasta  en  un  50%  y  mejora  la  distribución  del  gas  al  interior  haciendo  la concentración del mismo  más uniforme y el flujo mas turbulento. De esta manera con una posición que  refuerce la dirección del  flujo en  un gas menos denso que el aire, se puede  obtener hasta un 30% más de  gas sobre el suelo.  

 

Dentro del análisis de variables  como el tipo gas,  se puede  concluir que este    influye drásticamente  en  el  fenómeno  de  dispersión,   propiedades  tales  como  la  densidad 

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relativa,  el  peso molecular  y  la  relación  de  capacidad  calorífica    (γ),  modifican  la distribución y  concentración del gas al  interior de  recinto.  Es por esto que en el caso del los tres tipos de gases analizados se obtuvo  que la presión de gas natural aumenta de 60 al 75 % en comparación a la del sulfuro de hidrogeno y propano.  Por otro lado la atmosfera  inflamable  generada  por  el  propano   al  final  de  una  liberación  de combustible de 5 minutos, ocupa un 10‐15 % más del volumen  total de  la edificación que  los otros dos.  Esto  revela que  la liberación de propano al  interior  de un  recinto puede causar más daños que un escape con otros dos gases, debido a la extensión que logra.  Al  analizar  la  velocidad  de distribución  de  los  gases,  se  encontró  que  el  gas natural  se  distribuye  a  lo  largo  de  la  construcción en 30‐50% más  rápido,   y  que  la atmosfera inflamable al final de la emisión ocupa solamente un 50% del volumen total. Lo cual indica que una liberación de este gas puede originar un incendio más rápido en el  caso  de  existir  una  fuente  de  i gnición  cercana,  pero  alcanza    concentraciones mayores al  límite  superior de inflamabilidad rápidamente  reduciendo la permanencia de una atmosfera  explosiva a lo largo de la construcción   

 

La herramienta computacional reporta de manera general variables como la presión  y  velocidad máxima. Sin embargo,   sin  contar  con  los  puntos  de monitoreo,  es muy engorroso  realizar  un análisis especifico de determinados puntos sobre  la  geometría para medir  la altura ocupada por el  gas,  la presión y  la  temperatura.  Además no  es posible  en  una  misma  simulación  tener  dos  volúmenes  de  control,  con  el  fin  de comparar  variables  como  concentración,  velocidad  entre  otras.  A  pesar  de  lo mencionado anteriormente  la visualización   en 2  y 3D  facilita el análisis de variables como  límite  de  toxicidad  o  la  distribución  de  la  masa  del  gas  dentro  del  espacio confinado  en un periodo de tiempo determinado.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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11. TRABAJO FUTURO  

Es posible  complementar el presente  trabajo desde  diferentes aspectos. Uno de  l os cuales  considera  realizar un análisis matemático de los diferentes casos,  con el  fin de comprobar las hipótesis planteadas y comparar con el  trabajo realizado en FLACS. Por  otro  lado  sería  interesante  utilizar  una  fuente  de  i gnición  para  complementar  el trabajo  realizado  en  diferentes  puntos  de  la  geometría.  Con  el  fin  de  evaluar  los alcances  que  tendría  una  explosión  y/o  incendio  dentro  del  espacio  confinado.  Finalmente el análisis de una fuente de i gnición podría complementar el estudio de las variables  mencionadas  en  este  trabajo,  y  la  influencia  que  tienen  no  solo  en  el  fenómeno  de dispersión,  sino  que también en caso de un i ncendio  o explosión.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Organisation of Applied S cientific Research. Reporte CPR 16 E  . 

 

 

 

 

 

 

 

77   

ANEXO 1. Matriz  Metodológica 

   Tipo de gas   

   Área   

   Posición 

   Obstáculos 

   Geometría   

Geometria 1   

   Posición Diámetro   Área de fuga  Tipo de  gas  Rata de Fuga 

 Variables  analizadas    

Sin obstáculos  

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s       0,000126609  m2  H2  0,71557 kg/s          Propano   0,77885 kg/s    Centro  0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s    (3.75, 2,  1.25)  0,000248153   m2  H2   1,40252 kg/s          Propano   1,52654 kg/s        0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s         0,0000455791  m2  H2   0,2576 kg/s       Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s       0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s       0,000126609  m2  H2S   0,71557 kg/s          Propano    0,77885 kg/s    esquina   0,7 in (0,01778   m)  GN    1,43205 kg/s    (0.3, 0.3  , 2.3  )  0,000248153   m2  H2S    1,40252 kg/s          Propano   1,52654 kg/s    

  

 0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s    0,0000455791  m2  H2S    0,2576 kg/s    Grid: 50, 38, 10  Propano  0,28038 kg/s    

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s       0,000126609  m2  H2S  0,71557 kg/s          Propano  0,77885 kg/s    Lateral   0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s    (7.3, 2, 1.25)  0,000248153   m2  H2S  1,40252 kg/s          Propano  1,52654 kg/s        0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s       0,0000455791  m2  H2S    0,2576 kg/s       Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s    

Obstáculos   

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s         0,000126609  m2  H2  0,71557 kg/s            Propano   0,77885 kg/s    esquina   0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s    (0.3, 0.3  , 2.3  )  0,000248153   m2  H2   1,40252 kg/s          Propano   1,52654 kg/s    

  

 0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s      0,0000455791  m2  H2   0,2576 kg/s Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s    

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s       0,000126609  m2  H2S   0,71557 kg/s          Propano    0,77885 kg/s    Centro  0,7 in (0,01778   m)  GN    1,43205 kg/s    (3.75, 2,  1.25)  0,000248153   m2  H2S    1,40252 kg/s          Propano   1,52654 kg/s        0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s    

78   

   0,0000455791  m2  H2S    0,2576 kg/s       Grid: 50, 38, 10  Propano  0,28038 kg/s       0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s       0,000126609  m2  H2  0,71557 kg/s          Propano  0,77885 kg/s    Lateral   0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s    (7.3, 2, 1.25)  0,000248153   m2  H2  1,40252 kg/s          Propano  1,52654 kg/s        0,3   in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s       0,0000455791  m2  H2S    0,2576 kg/s       Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s    

 

Geometría 2  

Sin obstáculos  

Posición Diámetro y   Área de fuga  Tipo de gas   Rata de  Fuga 

# Simulación  

 Variable a analizar   

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10201       0,000126609 m2  H2  0,71557 kg/s  10202          Propano   0,77885 kg/s  10203    Centro  0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s  10204    (3.75, 2,  1.25)  0,000248153  m2  H2   1,40252 kg/s  10205          Propano   1,52654 kg/s  10206    

  

 0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10207    0,0000455791  m2  H2   0,2576  kg/s  10208    Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s  10209    

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10211       0,000126609 m2  H2S   0,71557 kg/s  10212          Propano    0,77885 kg/s  10213    esquina   0,7 in (0,01778  m)  GN    1,43205 kg/s  10214    (0.3, 0.3  , 2.3  )  0,000248153  m2  H2S    1,40252 kg/s  10215          Propano   1,52654 kg/s  10216       0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10217       0,0000455791  m2  H2S    0,2576  kg/s  10218          Propano  0,28038 kg/s  10219    Lateral   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10221    (7.3, 2, 1.25)  0,000126609 m2  H2  0,71557 kg/s  10222          Propano  0,77885 kg/s  10223       0,7 in (0,01778  m)  GN   1,43205 kg/s  10224       0,000248153  m2  H2  1,40252 kg/s  10225          Propano  1,52654 kg/s  10226       0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10227          H2S    0,2576  kg/s  10228       0,0000455791  m2  Propano   0,28038 kg/s  10229    

Obstáculos   

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10231       0,000126609 m2  H2  0,71557 kg/s  10232          Propano   0,77885 kg/s  10233    Centro  0,7 in (0,01778   m)  GN   1,43205 kg/s  10234    (3.75, 2,  1.25)  0,000248153  m2  H2   1,40252 kg/s  10235          Propano   1,52654 kg/s  10236    

  

 0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10237    0,0000455791  m2  H2   0,2576  kg/s  10238    Grid: 50, 38, 10  Propano   0,28038 kg/s  10239    

   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10241       0,000126609 m2  H2S   0,71557 kg/s  10242          Propano    0,77885 kg/s  10243    

79   

esquina   0,7 in (0,01778  m)  GN    1,43205 kg/s  10244    (0.3, 0.3  , 2.3  )  0,000248153  m2  H2S    1,40252 kg/s  10245          Propano   1,52654 kg/s  10246       0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10247       0,0000455791  m2  H2S    0,2576  kg/s  10248          Propano  0,28038 kg/s  10249    Lateral   0,5 in (0,0127  m)  GN   0,73064 kg/s  10251    (7.3, 2, 1.25)  0,000126609 m2  H2  0,71557 kg/s  10252          Propano  0,77885 kg/s  10253       0,7 in (0,01778  m)  GN   1,43205 kg/s  10254       0,000248153  m2  H2  1,40252 kg/s  10255          Propano  1,52654 kg/s  10256       0,3  in (0,0072m)  GN   0,26303 kg/s  10257          H2S    0,2576  kg/s  10258       0,0000455791  m2  Propano   0,28038 kg/s  10259