SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE UNA EXPLOSIÓN DE NUBE DE VAPOR NO

CONFINADA DE HIDROCARBUROS LIVIANOS

LUIS FELIPE MURCIA OCAMPO Proyecto de grado para obtar por el titulo de Ingeniero Químico

Asesor

FELIPE MUÑOZ GIRALDO MEng. PhD.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C.

2010

2

Tabla de contenido

1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 6

2 OBJETIVOS ................................................................................................................................... 7

2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 7

2.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 7

3 EXPLOSIONES .............................................................................................................................. 8

3.1 Explosión por energía física ................................................................................................ 8

3.2 Explosión por energía química ............................................................................................ 9

3.3 Explosiones por energía nuclear ....................................................................................... 10

3.4 VAPORES Y GASES ............................................................................................................. 10

3.5 LÍQUIDOS ........................................................................................................................... 11

3.6 EXPLOSIONES DE NUBE DE VAPOR ................................................................................... 12

4 MODELOS DE EXPLOSIONES DE NUBES DE VAPOR ................................................................. 16

4.1 Método basado en una explosión equivalente de TNT .................................................... 16

4.1.1 Dow Chemical Co. (Brasie & simpson 1968) ............................................................. 19

4.1.2 IIT Research (Eichler and Napadensky 1977) ............................................................ 19

4.1.3 UK Health & safety executive (1979 & 1986) ............................................................ 19

4.1.4 Exxon (CCPS, 1994) .................................................................................................... 20

4.1.5 Factory Mutal Research Corporation (1990) ............................................................. 20

4.2 Métodos basados en una carga Combustible-Aire ........................................................... 21

4.2.1 Método Baker-Strehlow ............................................................................................ 21

4.2.2 Método Multi-enregía TNO ....................................................................................... 24

4.2.3 Método de Wiekema ................................................................................................. 25

4.3 Modelos computacionales de Dinámica de fluidos CFD ................................................... 26

4.3.1 FLACS (FLame ACceleration Simulator) ..................................................................... 26

5 CASO DE ESTUDIO ..................................................................................................................... 31

3

5.1 Distribución de la planta ................................................................................................... 31

5.2 Descripción del accidente ................................................................................................. 34

6 SIMULACIÓN DE VCE CON LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL FLACS ................................ 39

6.1 CASD (Computer Aided Scenario Design) .......................................................................... 40

6.1.1 Construcción de la geometría ................................................................................... 40

6.1.2 Construcción de la rejilla computacional, Grid ......................................................... 44

6.1.3 Construcción del escenario ....................................................................................... 46

7 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN FLACS ............................................................................ 59

7.1 Fase de dispersión ............................................................................................................. 59

7.2 Explosión de la nube de vapor .......................................................................................... 65

8 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 70

9 REFERENCIA .............................................................................................................................. 72

4

Tabla de Ilustraciones

Figura 1 Pentágono de explosión .......................................................................................... 10

Figura 2 Árbol de eventos para VCE e Incendios flash ............................................................... 15

Figura 3 Sobrepresión de un VCE en función de la distancia escalada .................................... 18

Figura 4 Sobrepresión vs distancia escalada usando el método Baker-Strehlow .................. 23

Figura 5 Modelo TNO multi-energía para un VCE ...................................................................... 25

Figura 6 Plano de la planta de almacenamiento de GLP de PEMEX ........................................ 33

Figura 7 Vista aérea de la zona de almacenamiento de GLP antes del accidente ................. 34

Figura 8 Plano de la planta de almacenamiento de GLP de PEMEX en san Juan de

Ixhuatepec en ciudad de México, mostrando el área afectada y la distancia viajada por los

fragmentos de los tanques ........................................................................................................... 37

Figura 9 Vista aérea de la zona de almacenamiento de GLP después del accidente .......... 38

Figura 10 Cuadro de dialogo para creación de nueva base de datos ...................................... 41

Figura 11 Elementos geométricos básicos de FLACS .................................................................. 42

Figura 12 Geometría de zona de almacenamiento de GLP vista en FLACS ............................. 44

Figura 13 Información de la rejilla de simulación, suministrada por FLACS ........................... 45

Figura 14 Puntos de monitoreo para la simulación .................................................................... 48

Figura 15 Parámetros típicos de control de salida y simulación recomendados para una

explosión ......................................................................................................................................... 49

Figura 16. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 0 m de altura a los 122

segundos ......................................................................................................................................... 60

Figura 17 Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 0.7 m de altura a los 122

segundos ......................................................................................................................................... 60

Figura 18 Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 2 m de altura a los 122

segundos ......................................................................................................................................... 61

Figura 19 Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 5.1 m de altura a los 122

segundos ......................................................................................................................................... 61

5

Figura 20 Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xz con corte en y= 68 m a los 122

segundos ......................................................................................................................................... 63

Figura 21 Gráfica escalar del radio equivalente en función del tiempo para fase de

dispersión ........................................................................................................................................ 64

Figura 22 Ubicación del punto de ignición dentro de la geometría ......................................... 65

Figura 23 Ventana del Runmanager de FLACS con resultados de explosión .......................... 66

Figura 24 Gráfica escalar de presión en función del tiempo para VCE ................................... 67

Figura 25 Gráfica 2D de presión a 1 m de altura para VCE ...................................................... 68

Figura 26 Gráfica 2D de presión a 2 m de altura para VCE ...................................................... 68

Figura 27 Gráfica 2D de presión a 10 m de altura para VCE .................................................... 69

6

1 INTRODUCCIÓN

Un accidente es un evento desafortunado y desastroso resultado de la combinación de

una serie de eventos, los cuales han estado incubándose desde mucho antes que el

accidente ocurra [1], es decir que ningún accidente ocurre de manera espontanea y sin

previo aviso, por lo cual es posible prevenirlos o mitigar su efecto. Sin embargo, la

industria química ha sufrido un gran número de accidentes a lo largo de su historia los

cuales en su mayoría de veces han sido ocasionados por el mal funcionamiento de uno o

más componente en algún equipo, o por negligencia del personal durante la operación o

mantenimiento de los equipos [2].

Los mayores riesgos en materia de accidentes y desastres en los que la industria química

se ve envuelto son incendios, explosiones y fugas de material tóxico, de estos los más

comunes son los incendios, sin embargo las explosiones son de gran importancia en

materia de fatalidades y pérdidas. Por otro lado las fugas de material tóxico son las que

tienen un potencial mayor de matar números muy grandes de personas [1].

Accidentes que incluyan fuegos y explosiones en la industria química han ocurrido desde

que el hombre comenzó a usar líquidos o gases inflamables como combustibles [3].

Por estas razones se hace necesario encontrar una forma de determinar, evaluar y

cuantificar los alcances y daños que puede llegar a tener este tipo de accidentes en la

industria química, este trabajo se enfocará principalmente en los métodos para evaluar y

cuantificar el alcance y daños producidos por ondas de presión o de choque en una

explosión de nube de vapor en espacios no confinados.

Actualmente existen diferentes métodos para evaluar y/o cuantificar un VCE, entre los

más utilizados se encuentran los métodos semi-empíricos, y computacionales o CFD por

sus siglas en Inglés.

7

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Realizar la simulación y análisis de los efectos de una explosión de nubes de vapor de

metano y de propano.

2.2 Objetivos específicos

Realizar un estudio sobre los modelos existentes para evaluar los efectos de

sobrepresión como producto de explosiones de nube de vapor.

Determinar una guía para la construcción de escenarios de explosión como

producto de la inflamación de nubes de vapor en espacio no confinado, con miras

a garantizar una correcta estimación de efectos.

8

3 EXPLOSIONES

Una explosión se puede definir como un fenómeno donde una gran cantidad de energía es

liberada de manera repentina y rápida de forma violenta, generando un cambio transiente

en la densidad del gas, presión y velocidad del aire que rodea el punto de la explosión,

conocido onda de presión, onda de choque o Blast [3,4]. Existen 3 tipos principales de

energía posible en una explosión, energía física, energía química y energía nuclear [5].

3.1 Explosión por energía física

Una explosión física es una liberación repentina de energía mecánica [6], este tipo de

energía puede tomar muchas formas como energía de presión en gases, energía de

deformación en metales y energía eléctrica. Las explosiones físicas incluyen ruptura de

contenedor, explosión de líquido en ebullición y vapores en expansión o BLEVE por sus

siglas en inglés (boiling liquid expanding vapor explosions), y explosión de transición de

fase rápida. Es necesario aclarar los BLEVE caben dentro de las explosiones causada por

energía de tipo Física y nuclear, ya que este puede ser causado por una nucleación

homogénea que tiene lugar en el líquido, causando una expansión del liquido debido a la

formación de burbujas [14].

Una explosión por ruptura de contenedor, ocurre cuando un contenedor con material

presurizado falla a causa de diferentes mecanismos los cuales pueden ser falla mecánica,

corrosión, sobreexposición al calor, falla cíclica, entre otros. Un BLEVE ocurre cuando un

contenedor de gas licuado el cual es almacenado al a una temperatura por encima de su

punto de ebullición, falla de manera catastrófica y como resultado puede ocurrir una

evaporación flash del liquido con consecuencias desastrosas debido a la rápida expansión

del gas, y la formación de proyectiles producto de la ruptura del tanque [6].

9

3.2 Explosión por energía química

Una explosión química se deriva de una reacción química la cual libera de manera violenta

energía química. Ejemplos de liberación violenta de energía química, son explosión de

contenedor debido a la combustión de un gas inflamable o la explosión de un reactor a

causa de la descomposición del producto en una reacción tipo runaway [5]. Una reacción

tipo runaway ocurre cuando el calor liberado por la reacción excede el calor retirado,

generando un aumento en la temperatura y la presión suficiente para el contenedor en

donde se lleva a cabo la reacción [6].

Una explosión química puede ser de dos tipos, explosión uniforme, o explosión por

propagación. Una explosión en un contenedor suele ser de tipo uniforme, mientras que

una explosión a lo largo de una tubería suele ser de propagación [5]. Una explosión

uniforme se da cuando una reacción ocurre de manera uniforme en el espacio a lo largo

de la masa reactante, la que puede ocurrir en un reactor tipo CSTR. Por otro lado una

explosión por propagación, es una reacción que se propaga espacialmente a lo largo de la

masa que reacciona como es el caso de la combustión de una nube de vapor en una

tubería, esto se conoce como explosión de nube de vapor o VCE por sus siglas en inglés.

Las explosiones por propagación, son a su vez clasificadas como deflagración o

detonación. La diferencia entre estas dos es la velocidad con la que el frente de la reacción

se propaga a través de la masa que no ha reaccionado. En la detonación, el frente de la

reacción viaja a una velocidad igual o mayor que la velocidad del sonido y en la

deflagración la velocidad del frente de la reacción a través de la masa que no ha

reaccionado es menor que la velocidad del sonido [6].

10

3.3 Explosiones por energía nuclear

Las explosiones nucleares no son de interés en este trabajo por lo cual, no será tenida en

cuenta. Este trabajo se va a centrar básicamente en las explosiones químicas producto de

la combustión de un gas inflamable, más específicamente en las explosiones de nubes de

vapor no confinadas, UVCE.

3.4 VAPORES Y GASES

En la figura 1 se puede ver el triangulo de fuego, el cual es una simplificación de las

condiciones suficientes y necesarias para que se produzca una sustancia determinada

entre en combustión, Generando un incendio o una explosión. Estas condiciones como se

puede observar son la presencia de un combustible, un comburente u oxidante, y una

fuente de ignición. Si alguno de estos cinco componentes falta o es removido, entonces la

explosión no pueden existir [6].

Figura 1. Pentágono de explosión [15].

El elemento combustible necesario para que se dé la explosión o el incendio, puede ser

cualquier sustancia que se encuentre entre el límite inferior y superior de inflamabilidad,

LFL y UFL respectivamente. El comburente, también conocido como elemento oxidante,

11

en la mayoría de los casos es el aire por la presencia de oxigeno en este, sin embargo el

aire puede ser substituido por otros elementos oxidantes como el peróxido de hidrogeno,

acido perclórico nitrato de amonio, y peróxidos orgánicos o metálicos los cuales también

aportan oxigeno [6].

En cuanto a la fuente de ignición, existen un gran número de posibilidades, razón por la

cual la eliminación de este elemento como única defensa para evitar una explosión o

incendio es prácticamente imposible. En la actualidad la alternativa más utilizada para

prevenir una explosión o incendio se centra en evitar la formación de mezclas inflamables

al mismo tiempo que reducir el número de posibles fuentes de ignición.

Entre las principales fuentes de ignición se encuentran fuentes eléctricas como el

cableado de los motores, fumar, chispas por fricción, materiales sobre calentados,

superficies calientes, entre otros [6].

3.5 LÍQUIDOS

Los líquidos también pueden generar una explosión o un incendio. Una característica

importante que presentan los líquidos, es el punto de destello, también conocido como

flash point. Esta temperatura es a la cual, el líquido produce una cantidad de vapor

necesaria para formar una mezcla con el aire la cual está dentro de los límites de

inflamabilidad, la cual puede generar una explosión o incendio mediante un fuente de

ignición externa. Un concepto que es importante tener en cuenta y que en ocasiones es

confundido con el flash point, es la temperatura autoignición. Esta es la temperatura a la

cual una sustancia que se encuentra dentro de los límites de inflamabilidad puede entrar

en combustión, sin necesidad de una fuente de ignición externa. Esto quiere decir que a

esa temperatura la sustancia es capaz de arder de manera espontanea con el solo calor

que esta posee [6].

12

Los límites de inflamabilidad, también conocidos como límites de explosión, son un rango

en el cual un gas puede quemarse en presencia de aire, por debajo del límite inferior de

inflamabilidad (LFL, por sus siglas en inglés), la concentración de gas inflamable es muy

pobre mientras que por encima del límite superior de inflamabilidad (UFL), la

concentración es muy alta para que la combustión pueda ocurrir [1].

3.6 EXPLOSIONES DE NUBE DE VAPOR

Una explosión por nube de vapor, también conocida como VPE por sus siglas en inglés, es

el resultado de la ignición de una nube inflamable de una mezcla de vapores que se ha

formado debido a una fuga de un líquido en ebullición o un gas proveniente de un tanque

de almacenamiento, un contenedor de proceso o de transporte, o un sistema de tuberías

tubería [7]. En estos casos la velocidad de la llama aumenta lo suficiente como para

producir una onda de choque capaz de producir un daño significativo [4].

No todos los escapes de líquidos, vapores o gases inflamables terminan en VCE, para que

una explosión de nube de vapor con una onda de sobrepresión destructiva tenga lugar, se

tienen que cumplir una serie de condiciones.

1) El material liberado debe ser inflamable y estar a las condiciones apropiadas de

presión y temperatura. Ejemplos de estos son gases licuados a presión como

propano y butano, líquidos inflamables a altas temperaturas y/o presión como

ciclohexanos y naftas, y gases inflamables no licuados como metano, etano, y

acetileno.

2) Es necesario que se forme una nube de tamaño suficiente antes de la ignición,

esto se conoce como fase de dispersión. Cuando la ignición ocurre de manera

instantánea, más probable que ocurra un gran incendio, jet flame o esferas de

fuego, pero una sobrepresión con efectos destructivos significativos, es poco

13

probable que ocurra. La nube de vapor debe formarse durante un periodo

anterior a la ignición, dentro del área de proceso, la propagación de la onda de

sobrepresión resultante puede generar gran daño extensivo y considerable a lo

largo del área afectada. Las igniciones que tardan entre 1 y 5 minutos son las

más probables a generar una explosión de nube de vapor.

3) Una gran cantidad de la nube debe encontrarse dentro de los límites de

inflamabilidad del material para causar una sobrepresión extensiva. una nube

de vapor tiene generalmente 3 regiones. Una región rica en concentración de

combustible cerca al punto de la fuga, una región pobre en combustible al

borde de la nube y una región intermedia que se encuentre dentro de los

límites de inflamabilidad. La porción de la nube correspondiente a cada región,

depende de muchos factores incluyendo el tipo y la cantidad de material

liberado, presión al momento de la fuga, tamaño del orificio de la fuga, grado

de confinamiento de esta, humedad, viento y otros factores ambientales.

4) Los efectos de la sobrepresión producto de la explosión de la nube de vapor,

puede variar ampliamente y depende de la velocidad de propagación de la

llama. En la mayoría de los casos, el tipo de propagación es deflagración, pero a

condiciones especiales se puede dar detonación. [3]

En la deflagración, se puede ver una combustión en donde la tasa de propagación se ve

dominada por una tasa de proceso laminar y turbulento, sin embargo en ausencia de

turbulencia, la velocidad de la llama, en hidrocarburos normales, es del orden de 5 a 30

m/s, lo cual es muy bajo para producir un efecto significativo de sobrepresión. Por lo tanto

la turbulencia esta presente en todas las explosiones de nube de vapor [7].

En un VCE, la turbulencia puede ocurrir de tres diferentes maneras:

14

Por turbulencia asociada al solo hecho de darse la fuga, como sería el caso de jet

release, y falla catastrófica de un contenedor del proceso generando una

dispersión de una nube explosiva.

Turbulencia producto de gases en expansión no quemados en frente de una

propagación de una llama a través de un espacio congestionado.

Turbulencia inducida externamente por objetos como sistemas de ventilación,

ventiladores o tubos de intercambiadores de calor. [3]

Estos mecanismos pueden generar una alta velocidad de llama, generando una

sobrepresión con gran poder destructivo. La generación de altas tasa de combustión está

limitada por áreas congestionadas o por áreas afectadas por fugas en régimen turbulento,

de lo que se puede concluir que el área es un factor muy importante para la tasa de

combustión. Si la llama se encuentra en una zona de no turbulencia, entonces la tasa de

combustión y la presión decaerán [3].

Por otro lado la turbulencia puede generar una cantidad de energía suficiente como para

hacer que la propagación pase de deflagración a detonación. En la detonación la velocidad

de propagación supera la velocidad del sonido por un factor de 2 hasta 5 veces esta

velocidad. Generando un máximo de sobrepresión de 18 bar (260 psi). Una vez se ha dado

lugar a la detonación, no es necesaria la turbulencia para mantener la velocidad de

propagación [3].

La energía de ignición es un factor importante al momento de determinar si la

propagación ocurre por deflagración o detonación. Para la deflagración de mezclas de aire

con hidrocarburos se necesita de energías de ignición de 10-4 J mientras que para la

detonación de estas mismas mezclas se requiere de 106 J es por esto que es más común

que ocurra una explosión por deflagración. En la figura 2, se puede observar un árbol de

15

eventos donde se le hace un seguimiento a las diferentes etapas durante el desarrollo de

una explosión de nube de vapor.

Figura 2. Árbol de eventos para VCE e Incendios flash[3].

16

4 MODELOS DE EXPLOSIONES DE NUBES DE VAPOR

Existen diferentes tipos de modelos que permiten estimar el poder destructivo de una VCE

en función de la distancia. Estos modelos están basados en aproximaciones empíricas y

teóricas, y modelos basados en dinámica de fluidos computacional conocido como CFD

por sus siglas en inglés [6].

En esta sección de describirán los modelos empíricos y teóricos más utilizados como el

método de equivalencia de trinitrotolueno (TNT), los métodos basados en una mezcla de

aire-combustible.

4.1 Método basado en una explosión equivalente de TNT

Este método se basa en comparar el poder explosivo de la onda de sobrepresión de una

VCE con el poder explosivo de una cantidad de masa de TNT determinada. El poder

destructivo del TNT ha sido estudiado ampliamente en la industria militar, por lo cual no

resulta extraño el hecho de comparar en poder destructivo de un VCE con una masa de

TNT.

La masa equivalente de TNT de un VCE puede ser estimada utilizando la siguiente

ecuación:

𝑊𝑇𝑁𝑇 = 𝛼𝑒𝑊𝑓𝐻𝑓

𝐻𝑇𝑁𝑇= 𝛼𝑚𝑊𝑓 (1)

Donde:

WTNT es la masa equivalente de TNT con el mismo efecto destructivo que la VCE,

(Unidades de masa).

Wf masa de combustible involucrada, (Unidades de masa).

17

Hf calor de combustión del combustible en cuestión, (Unidades de energía/masa).

HTNT calor de combustión de TNT, (Unidades de energía/masa).

αe coeficiente de equivalencia de TNT basado en la energía, también conocido factor de

eficiencia, yield factor, o factor de equivalencia. (Adimensional).

αm coeficiente de equivalencia de TNT basado en la masa, (Adimensional).

El método de equivalencia de TNT es la forma más sencilla de modelar una explosión de

nube de vapor. El equivalente de TNT puede ser entendido como un factor que permite

convertir el calor de combustión de en energía de una onda de presión, es decir que este

factor expresa la eficiencia de del proceso de conversión de la energía química en energía

mecánica.

La sobrepresión generada por un VCE está relacionada con de la distancia normalizada o

escalada desde el centro de la explosión, como se puede ver en la figura 3. la distancia

normalizada es a su vez función de la distancia real y la masa de TNT equivalente.

𝑟′ =𝑟

𝑄𝑇𝑁𝑇3 (2)

18

Figura 3. sobrepresión de un VCE en función de la distancia escalada. [8]

Esta gráfica de sobrepresión contra distancia escalar, se basa en resultados se basan en

numerosos programas experimentales que involucran explosivos de alto poder

destructivo.

El método de equivalencia de TNT es ampliamente usado para modelar VCE’s, es por esta

razón que a lo largo de los años diferentes autores, compañías y autoridades, han

propuesto sus propios procedimientos y recomendaciones para realizar estas

aproximaciones, razón por la cual este método es criticado, ya que las aproximaciones y

valores de equivalencia utilizados, dependen del autor y por lo tanto no es un método

universal, sin embargo es uno de los métodos más utilizados y aceptados. Alguna de las

diferencias en estos procedimientos según diferentes autores son las siguientes:

La porción de combustible que debe ser incluida en los cálculos.

El valor de la equivalencia de TNT o yield factor.

Los datos de la onda de presión de TNT utilizados.

La energía de explosión de TNT: valores entre 4,19 y 4,65 MJ/kg.

0,1

1

10

100

1000

10000

100000

0,1 1 10 100 1000

Sob

rep

resi

ón

Ps

(kP

a)

distancia escalada R'= r/(QTNT)1/3 (m kg-1/3)

19

Entre las aproximaciones más importantes realizadas, se encuentran las siguientes:

4.1.1 Dow Chemical Co. (Brasie & simpson 1968)

Basaron sus recomendaciones de equivalencias de TNT de nubes de vapor en explosiones

de 3 plantas químicas, y basados en sus observaciones dedujeron que el factor de

equivalencia o equivalencia de TNT, depende de gran medida de la distancia al centro de

la explosión. Observaron que para propósitos de observación, la equivalencia de TNT está

entre 2% para efectos cercanos y 5% para efectos lejanos.

4.1.2 IIT Research (Eichler and Napadensky 1977)

Observaron que el efecto de la onda de presión en un VCE, tiene una gran dependencia

con el modo de combustión. Observaron la posibilidad que deflagraciones o detonaciones

rápidas de todos los combustibles involucrados, podrían resultar en valor de equivalencias

de TNT mucho mayores a los que predijeron Brasie & Simpson (1968). Concluyeron que

una onda de presión producto de una detonación de una carga de combustible-aire puede

ser representada de manera satisfactoria por los datos de una sobrepresión de TNT,

determinaron también que una mezcla estequiométrica de combustible-aire solo para una

sobrepresión de 1 PSI (0,069 bar) se deben usar valores de equivalencia de 20%.

4.1.3 UK Health & safety executive (1979 & 1986)

Se recomiendan valores para el equivalente de TNT valores de 3 % para propósitos de

predicciones, sin embargo aclaran que este valor es para gases con una reactividad

promedio como el caso del metano, para gases con una reactividad por encima del

promedio como es el caso del oxido de propano se recomiendan valores de 6%, y para

20

gases con reactividades muy altas como en el caso del oxido de etano, se recomiendan

valores del 10%. Para permitir una formación de nube tipo spray o aerosol, la masa del

combustible en la nube debe ser 2 veces el flash teórico de la cantidad liberada. La

sobrepresión máxima en la nube se asume como 1 bar y la duración de la onda se presión

debe estar entre 100 y 300 ms.

4.1.4 Exxon (CCPS, 1994)

Exxon reconoce que el efecto de la onda de presión de un VCE está influenciado por la

presencia de confinamiento parcial y/o obstrucción en la nube.

Por lo tanto Exxon recomienda tener en cuanta este factor al momento de asignar una

valor al equivalente de TNT, si la nube de vapor es no confinada, es decir que se encuentra

en un espacio abierto, se le debe asignar un valor del 3%, mientras que si la nube está

parcialmente confinada u obstruida, se debe usar una valor de 10%.

4.1.5 Factory Mutal Research Corporation (1990)

La carga en masa equivalente de TNT es calculada en base al contenido en toda la nube.

Además recomiendan que el factor de equivalencia de TNT debe ser dependiente del

material. Tres diferentes tipos de materiales son diferenciados: Clase I, materiales

relativamente no reactivos, como por ejemplo propano, butano y materiales inflamables

ordinarios; Clase II, materiales moderadamente reactivos, como etileno y dietil éter; Clase

III materiales altamente reactivos, como acetileno.

En este orden de ideas los factores de equivalencia de TNT son los siguientes:

21

Clase Equivalencia TNT

Clase I 5%

Clase II 10%

Clase III 15%

Tabla 1. equivalencia de TNT segun el material. [3]

4.2 Métodos basados en una carga Combustible-Aire

Las de ondas de presión producidas por un VCE han sido modeladas sin tener en cuenta

una de las características más importantes de explosiones de gas y vapor, la variabilidad

de la fuerza de la onda de choque. Además la caracterización de de la onda de choque de

TNT con corresponden bien a las encontradas en explosiones de gas como se evidencia

por la influencia en la distancia en la equivalencia TNT observada en ondas de choque de

VCE.

4.2.1 Método Baker-Strehlow

El método Baker-Strehlow-tang se basa en la velocidad de la llama, donde es seleccionada

basada en 3 factores: la reactividad del material liberado, las características de la

expansión de la llama en la unidad de proceso el cual está relacionado con su

confinamiento y configuración espacial, y la densidad del obstáculo dentro de la unidad de

proceso. La velocidad de la llama o Mach Number se determina mediante la tabla 2. Un

grupo de curvas semi-empíricas son usadas para determinar la sobrepresión [6].

Para usar la tabla es necesario tener en cuenta la dirección de la expansión de la llama,

donde 3D significa que la expansión es completamente libre o el volumen de la expansión

es no confinado, 2D represente un confinamiento en 1 sola dimensión como por ejemplo

espacios debajo de un carro o superficies que cargan algún equipo, 1D son túneles,

22

corredores o sistemas de drenaje donde la expansión se da en un solo sentido, y 2.5D

representa un confinamiento parcial pero que es fácil de romper como un área con un

techo o paredes frágiles.

Expansión

de la llama

Reactividad

del

combustible

Densidad del Obstáculo

Alta Media Baja

1D

Alta 5.2 5.2 5.2

Media 2.27 1.77 1.03

Baja 2.27 1.03 0.294

2D

Alta 1.77 1.03 0.59

Media 1.6 0.66 0.47

Baja 0.66 0.47 0.079

2.5D

Alta 1.18 0.58 0.47

Media 1.0 0.55 0.29

Baja 0.50 0.35 0.053

3D

Alta 0.588 0.153 0.36

Media 0.50 0.44 0.11

Baja 0.34 0.23 0.026

Tabla 2. velocidad de la llama in numero Mach para método Baker-Strehlow [6,8].

Para la reactividad se usa el mismo criterio que en la tabla 1, siendo Clase I reactividad

baja y Clase III reactividad alta.

Para la densidad, bajo significa que el radio de bloqueo del obstáculo por plano es menor

a 10%, es decir que el paso de capas de obstáculos es de 1 o 2 capas, medio es entre 10%

y 40% lo cual equivale a 2 o 3 capas de obstáculos y alta es mayor que 40% equivalente 3 o

mas capas de obstáculos.

23

La aplicación de este método para evaluar los efectos de la onda de presión de un VCE

involucra la definición de la energía de la explosión, calculando la distancia escalada y

luego gráficamente se determina el pico de presión. Las ecuaciones 3 proveen los medios

para calcular la sobrepresión.

𝑅 =𝑟𝑃0

1/3

𝐸1/3 (3)

𝑅 =distancia escalada (adimensional)

r= distancia desde en objetivo al centro de la nube de vapor (unidades de distancia)

P0= presión atmosférica (unidades de presión)

E= energía disponible en la nube (unidades de energía)

Ps= sobrepresión de la explosión (adimencional)

Las curvas de sobre presión para el método Baker-Strehlow son de este estilo:

Figura 4. sobrepresión vs distancia escalada usando el método Baker-Strehlow [8].

24

A pesar de ser un método de gran precisión, presente ciertas dificultadas para poder

utilizarlo, ya que es necesario saber ciertos parámetros que no se conocen o son difíciles

de calcular o asumir.

4.2.2 Método Multi-enregía TNO

El método TNO identifica el volumen confinado en un proceso, y asigna un grado relativo

de confinamiento y luego determina la contribución a la sobrepresión de ese volumen de

confinamiento.

La base de este modelo es que la energía de la explosión, es muy dependiente del nivel de

confinamiento, y no tanto de la cantidad de combustible en la nube. A diferencia de otros

métodos, la energía de combustión corresponde a la suma de la energía de combustión de

las partes de la nube que se encuentra confinado u obstruida. Se entiende como área

obstruida, una área donde los obstáculos están presentes en una configuración tal que

acelera la llama si el área está cubierta por una mezcla inflamable del gas. Cada una de

estas áreas debe tratarse independientemente en caso de que la fuente de la onda de

choque o Blast está suficientemente separada.

Una vez encontrada la energía de combustión asociada a la nube, se puede determinar la

distancia escalada mediante la ecuación 3 utilizada en el método Baker-Strehlow. En la

figura 5 se tiene curvas para 10 diferentes niveles de fuerza inicial de la onda de presión,

siendo 1 una deflagración muy suave y 10 fuerza de detonación.

25

Figura 5. modelo TNO multi-energía para un VCE [3].

4.2.3 Método de Wiekema

Wiekema utilizo un modelo de dinámica del gas inducido por un pistón de expansión

esférica para simular una onda de presión por un VCE. El modelo de onda de presión de

pistón ofrece la posibilidad de introducir una variable inicial de fuerza de onda de presión.

Para utilizar este acercamiento es necesario tener en cuenta 2 características de la onda

de presión de la explosión del gas.

La escala, la cual está determinada por la energía de combustión de la nube.

26

Fuerza inicial, determinada en gran medida por la tasa de combustión en el

proceso de explosión y factores como la reactividad del combustible dividida en 3

clases como se hizo en los métodos anteriores, y la influencia de los obstáculos o

grado de confinamiento de la nube.

El problema que este modelo presente, es asumir que la sobrepresión solo es afectada por

la reactividad del combustible, sin tener en cuenta que este es tan solo uno de los factor

que afecta en realidad la sobrepresión en un VCE, y sin darla tanta importancia al grado de

confinamientos u obstáculos presentes en el área.

4.3 Modelos computacionales de Dinámica de fluidos CFD

Los modelos CFD son programas o códigos de programación especializados, los cuales

resuelven una serie de ecuaciones diferenciales que gobiernan la física del proceso de las

explosiones. Entre los más utilizadas se encuentran FLACS (FLame ACceleration Simulator),

AutoReaGas y otros modelos CFD avanzados como ReacFlow, CFX-4, Cobra entre otros [9].

Sin embargo este proyecto se basara en simulaciones realizadas en FLACS, por lo cual no

se entrara en detalle con los demás programas.

4.3.1 FLACS (FLame ACceleration Simulator)

FLACS es un programa de códigos especializados para simulación de explosiones,

dispersiones e incendios, el cual fue desarrollado por GEXCON. Este programa fue

originalmente concebido para simulaciones de explosiones de gas en módulos offshore. En

un escenario de una explosión de gas en una planta de procesos están involucradas un

gran número de parámetros, entre los que se encuentran la reactividad del combustible

presente en la nube, así como la distribución y geometría de la planta, entre otros, el

comportamiento físico de la explosión se comporta de manera similar en una planta de

27

procesos y en un modulo offshore. Por esta razón FLACS es capaz de manejar y simular

adecuadamente explosiones en plantas de proceso [10].

FLACS usa una interface avanzadas como CASD (computer aided scenario design), para el

manejo de la geometría y distribución de la planta, que puede ser aplicado para

geometrías obstruidas pero no confinadas, utiliza Flowvis, la cual es otra interface

avanzada, la cual es utilizada para la visualización de resultados. Se puede realizar

simulaciones a pequeña, mediana y gran escala [9].

Los modelos CFD como FLACS están basados en ecuaciones diferenciales parciales

fundamentales que rigen el proceso de explosión. Estos modelos inician con la

formulación de ecuaciones básicas de conservación de masa, momentum y energía como

las formuladas en las ecuaciones de Navier-Stokes que gobiernan el flujo de fluidos,

además se usan submodelos físicos para tratar la turbulencia y la combustión. El dominio

de control en FLACS es discretisado en rejillas computacionales conocidas también como

grid, en donde las ecuaciones de conservación son integradas sobre los volúmenes de

control que rodean los puntos relevantes de la rejilla tanto en tiempo como en espacio

[16].

Conservación de masa.

(4)

Donde βv es la porosidad volumétrica y βi es la porosidad de área

- Ecuación de estado de un gas ideal

pW=ρRT (5)

Donde W es el peso molecular de la mezcla y R la constante de los gases ideales.

28

Conservación de momento

Ecuación de Navier-Stokes

(6)

Donde Ri representa la resistencia en la dirección j debido a una obstrucción en la

submalla

(7)

Y fi representa es una constante adimensional que depende del tipo y orientación

de la construcción.

Conservación de entalpía

(8)

Conservación de fracción másica del combustible

(9)

Conservación de la fracción de mezcla

29

(10)

Modelo de turbulencia κ-ε

(11)

(12)

La turbulencia es modelada mediante el modelo de turbulencia κ-ε y la combustión

mediante el modelo de combustión de llama β basado en correlaciones de velocidades de

combustión bajo parámetros de turbulencia [16]. Estas correlaciones se pueden ver en las

ecuaciones 11 y 12. Los parámetros κ y ε son constantes que se obtienen de la ecuación

deferencial y representan la energía cinética y la tasa de dispersión respectivamente [13].

FLACS utiliza el algoritmo SIMPLE [19-20], para la corrección de las presiones y velocidades

utilizando condiciones de frontera generales donde se conoce la presión en la frontera, o

se especifica el componente normal de la velocidad en la frontera. Este algoritmo se

extiende para el manejo de fluidos compresibles con términos adicionales para el trabajo

por compresión en las ecuaciones de entalpia. Las iteraciones se repiten hasta que la masa

residual es de menos de 10-4 [21].

FLACS está clasificado dentro de los códigos CFD simples, ya que está basado en métodos

de resistencia de porosidad distribuida, PDR por sus siglas en inglés, para representar las

30

geometrías, la idea de este método, es de asumir la geometría de pequeña escala que no

está resuelta dentro de la rejilla o mesh computacional como medio poroso, este medio

poroso va a ofrecer un resistencia al fluido en movimiento, la ventaja de este método es

que permite usar una rejilla mucho menos detallada que la necesaria para resolver las

escalas finas de la geometría [18]. Dentro de este mismo grupo se encuentran programas

como EXSIM y AutoReaGas, mientras que programas como COBRA, NEWT, CFX-4 Y

McNEWT, están clasificados en el grupo de códigos CFD avanzados debió a que usan

esquemas numéricos más complicados para mejorar la representación geométrica [16-

17], sin embargo estos programas no son de interés para este trabajo.

31

5 CASO DE ESTUDIO

Este trabajo pretende evaluar los efectos de una explosión de una nube de vapor

confinada de propano y metano, para esto se realizo una simulación de una fuga de

hidrocarburos livianos y posterior explosión con la ayuda de la herramienta computacional

FLACS.

Para la construcción del escenario de la explosión, se escogió una situación real para

poder comparar los datos obtenidos con la simulación en FLACS, y poder determinar el

alcance de esta herramienta computacional.

El caso de estudio escogido para realizar la simulación fue la explosión de la zona de

almacenamiento de la terminal de GLP de PEMEX (petróleos de México) ocurrido el 19 de

noviembre de 1984 en san Juan de ixhuatepec en ciudad de México. A pesar que el

desastre de san Juan de Ixhuatepec o san Juanico como también se le conoce, no está

considerado como un VCE sino como una explosión tipo BLEVE dentro de los registros, se

considero este caso para este trabajo debido a que el desastre fue ocasionado por una

serie de explosiones e incendios producto de un VCE, si bien el VCE no fue el responsable

de la totalidad de los daños, si fue el evento primario dentro de la serie de eventos que

llevaron al desastre de san Juanico [24],[22].

5.1 Distribución de la planta

La planta de la empresa de petróleos mexicanos, PEMEX, ubicada en la localidad de san

Juan de Ixhuatepec, conocido también como san Juanico, era una gran instalación

dedicada al almacenamiento y distribución de GLP. La planta tenía un área de 13000 m2.

32

La planta había sido construida con los estándares de la API, American Petroleum

Institute, por lo cual la mayoría de los equipos habían sido manufacturados en los Estados

Unidos. Se habían instalado antorchas al nivel del suelo para quemar el exceso de gas.

El GLP era alimentado por gaseoducto desde tres diferentes refinerías. La capacidad total

de almacenamiento de la planta era de 16000 m3 aproximadamente, con un volumen de

flujo de 5000 m3 diarios. La capacidad de almacenamiento estaba dad por 6 tanques

esféricos y 48 tanques cilíndricos horizontales.

En la tabla 3 se pueden observar las especificaciones volumétricas de los tanques de

almacenamiento de la planta.

Capacidad nominal individual (m3)

Capacidad total (m3) Contenido aproximado al momento del incidente (m3)

2 esferas 2400 4800 4320

4 esferas 1500 6000 3000

4 cilindros horizontales

270 1080 972

14 cilindros horizontales

180 2520 2268

6 cilindros horizontales

54 324 292

3 cilindros horizontales

45 135 121

21 cilindros horizontales

36 756 680

total 15615 11653

Tabla 3. Especificaciones volumétricas de los tanques de almacenamiento [7],[22].

33

En la zona del accidente existían otros depósitos de GLP, propiedad de otras compañías, a

un poco más de 100 m. de distancia, se encontraba la planta de almacenamiento de la

empresa Unigas, la cual contaba con unos 67 carro-tanques los cuales se encontraban

llenos al momento del accidente, a un poco mas de 200 metros de distancia en la misma

dirección de Unigas, se encontraba la planta de Gasomatico, la cual contaba con un gran

número de cilindros de gas domestico al momento del desastre [24].

En la figura 6 se puede ver un plano de las instalaciones de la terminal de GLP de PEMEX,

en donde se aprecia la distribución de los tanques de almacenamiento y las plantas

adyacentes.

Figura 6. Plano de la planta de almacenamiento de GLP de PEMEX [24].

34

En la figura 7 se puede observar una fotografía aérea de la planta antes del accidente, en

donde se aprecia la cercanía de la planta de PEMEX con las de Unigas y gasomatico,

además de las viviendas aledañas al sector.

Figura 7. Vista aérea de la zona de almacenamiento de GLP antes del accidente [24].

5.2 Descripción del accidente

En la mañana del 18 de noviembre de 1984, la planta de almacenamiento de GLP de la

empresa PEMEX estaba siendo llenada vía gaseoducto desde una refinería ubicada a unos

400km de distancia aproximadamente debido a que la planta había sido vaciada casi en su

totalidad. En el momento en el que el incidente comenzó, los 2 tanques esféricos de

mayor tamaño y los 48 tanques cilíndricos estaban al 90% de su capacidad de

35

almacenamiento, mientras que los 4 tanques esféricos de menor tamaño estaban al 50%

de su capacidad total, por lo tanto al momento de la explosión el inventario era de

aproximadamente 11000 m3.

A las 5:30 am una caída en la presión de la tubería registrada en el cuarto de control y en

una estación de bombeo a 40 km de la planta. Esta caída de presión se debió a una

ruptura de una tubería de 8 in (20.3cm) de diámetro, que conectaba uno de los tanques

esféricos con los tanques cilíndricos, se cree que la causa de la ruptura fue producto de

una sobrepresión en la tubería debido al sobrellenado en alguno de los depósitos, no está

claro porque las válvulas de alivio del depósito. El personal en el cuarto de control intento

identificar de inmediato la causa de la caída de presión pero no se tuvieron éxito [23].

Durante un lapso de 5 a 10 minutos siguió la fuga de GLP, tiempo durante el cual se formo

una nube inflamable de vapor de 200 m por 150 m con una altura aproximada de 2

metros, la cual hizo ignición cuando entro en contacto con una de las antorchas.

Aproximadamente a las 5:40 am la nube hizo explosión dando así inicio a una cadena de

eventos que dejo más de 500 muertos [2]. Esta primera explosión la cual fue de tipo VCE

genero una fuerte onda de sobrepresión y un incendio de grandes proporciones que

afecto 10 casas y algunos de los tanques esféricos de menor tamaño. En este punto los

trabajadores ya estaban trabajando en la fuga, y se acciono el boto de apagado de

emergencia, y se aviso al servicio de extinción de incendios.

A las 5:45 am, tuvo lugar la primera explosión tipo BLEVE de uno de los tanques esféricos

pequeños, la cual fue registrada por el sismógrafo. Un minuto después ocurrió la segunda

explosión BLEVE, una de las dos más violentas durante el incidente, generando una esfera

de fuego de 300m de diámetro.

36

Durante el periodo de una hora y media siguiente a la segunda explosión BLEVE, tuvieron

lugar una serie de 15 explosiones. Las explosiones fueron registradas por un sismógrafo

ubicado en la Universidad de México.

En la tabla 3, se puede observar la cronología de la serie de eventos del desastre de san

Juan de Ixhuatepec.

Hora Evento

5:30 Ruptura de la tubería de 8 in (20 cm). Caída de presión en sala de control.

5:40 Ignición de la nube de gas. VCE. Incendio grave.

5:45 Primera explosión BLEVE registrada en el sismógrafo. Llaman el servicio de extinción de incendios.

5:46 Segunda explosión BLEVE, una de las dos más fuertes.

6:00 Se alerta a la policía y se para el trafico

6:30 Caos vehicular

7:01 Ultima explosión registrada en el sismógrafo.

7:30 Continúan las explosiones de los tanques de almacenamiento.

8:00-10:00 Labores de rescate

11:00 Ultima explosión registrada de uno de los tanques.

12:00-18:00 Continúan trabajos de rescate.

23:00 Extinción del último incendio en uno de los tanques esféricos grandes.

Tabla 4. Cronología del desastre de san Juan de Ixhuatepec [22][24].

Por causa de las explosiones, fragmentos de los tanques salieron disparados por el aire

como proyectiles, y fragmentos de los tanques esféricos pequeños se encontraron a más

de 400 m. de distancia. Más de 10 tanques cilíndricos fueron encontrados a más de 100 m.

37

de distancia y solo uno fue reportado a unos 1200 m. 4 tanques cilíndricos no fueron

encontrados. Tan solo 4 tanques de los 54 quedaron en pie.

En la figura 8 se puede ver el daño causado por las explosiones, y su radio de afectación,

además de la distancia viajada por los proyectiles. En este esquema, se puede observar

que el área de mayor afectación se encuentra dentro de un radio de 400 m.

Las áreas sombradas corresponden a las zonas con grandes daños, destruidas casi en su

totalidad, los círculos corresponden a fragmentos de gran tamaño de los tanques

esféricos, mientras que los fragmentos de líneas sombreadas corresponden a fragmentos

de gran tamaño de los tanques cilíndricos.

Figura 8. Plano de la planta de almacenamiento de GLP de PEMEX en san Juan de Ixhuatepec en ciudad de

México, mostrando el área afectada y la distancia viajada por los fragmentos de los tanques [22][24].

38

En la figura 9 se puede observar una fotografía aérea de la planta después del desastre. Se

puede observar como el parque de almacenamiento de GLP de san Juan de Ixhuatepec de

la empresa PEMEX quedo destruida casi en su totalidad debido a la serie de explosiones

que allí tuvieron lugar.

Figura 9. Vista aérea de la zona de almacenamiento de GLP después del accidente [22][24].

39

6 SIMULACIÓN DE VCE CON LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL

FLACS

En esta sección se pretende hacer un recuento de los pasos necesarios para realizar una

simulación de una explosión de una nube de vapor en un espacio no confinado, con la

herramienta computacional FLACS, con el fin de lograr una correcta estimación de los

efectos dado un escenario determinado.

Como se mencionó en la sección anterior, se escogió como caso de estudio el desastre de

san Juan de Ixhuatepec en ciudad de México en 1984. Tanto los datos como el escenario

de la simulación, corresponden al evento inicial que desencadeno las demás explosiones.

Dentro del escenario escogido, no se tiene en cuenta la serie de explosiones BLEVE que

ocurrieron después del VCE inicial.

Una simulación típica en FLACS, consta de 3 etapas principales, construcción del

escenario, simulación y visualización de resultados. La construcción del escenario se

realiza a través del procesador CASD, Computer Aided Scenario Disign, el objetivo del

CASD es ayudar al usuario a introducir los datos necesarios para que el programa pueda

llevar a cabo la simulación. En esta etapa el usuario debe alimentar la geometría en donde

se va a llevar a cabo la simulación, una vez establecida la geometría en la cual se va a

trabajar es necesario establecer la rejilla computacional para la simulación, conocida

también como Grid o Mesh, y por último el usuario debe construir detalladamente el

escenario a simular. Una vez terminada esta fase, se procede a la simulación y posterior

visualización de resultados.

40

6.1 CASD (Computer Aided Scenario Design)

El CASD es el procesador que utiliza FLACS para la preparación de los datos necesarios

para definir una simulación. Como se menciono anteriormente estos datos corresponden

al modelo geométrico, la rejilla computacional, las porosidades de la geometría, y la

descripción del escenario.

Este procesador ha sido desarrollado y mejorado con el pasar de los años. El procesador

utilizado por la versión utilizada, FLACS v 9.1, corresponde al CASD 6 el cual fue lanzado en

2008, es una versión mejorada y actualizada de las versiones anteriores, CASD 4 y CASD 5

correspondientes a las versiones lanzadas en 1994 y 2001 respectivamente [21].

6.1.1 Construcción de la geometría

El primer paso para construir un escenario determinado, ya sea una dispersión, explosión

o derrames tipo pool, es la construcción de la geometría en la cual va a ocurrir el evento.

Una vez se accede al CASD se debe crear un nuevo proyecto en la pestaña file, a

continuación se debe crear una base de datos con los objetos que usaran para

construcción de la geometría, y los materiales que se van a usar, es importante aclarar

que el material del objeto no influye en la simulación, es solo una herramienta para darle

diferentes colores a los diferentes elementos geométricos dentro de la simulación. La

base de datos se guardara bajo el nombre y en la ubicación que el usuario desea, una vez

creada la base de datos se definen los materiales. En la figura 10 se puede observar la

ventana de dialogo para crear la base de datos de los materiales y objetos.

41

Figura 10. Cuadro de dialogo para creación de nueva base de datos.

El paso siguiente, es la creación de los objetos o grupo de objetos, para este fin se debe

seleccionar la pestaña geometry para crear el proyecto, y después sus objetos o grupo de

objetos, debido a que en situaciones como el caso de estudio de este trabajo, tiene una

geometría compuesta por 55 elementos correspondientes a los 54 tanques de

almacenamiento mas el terreno, por lo cual es más eficiente dividirlo en grupos de

tanques de las mismas dimensiones, estos se deben crear en la pestaña objects del cuadro

de dialogo de la figura 10, al crear el objeto se abre la ventana para crearlo y editarlo.

El CASD de FLACS ofrece una serie de elementos geométricos los cuales se pueden

adaptar para realizar la geometría deseada, FLACS ofrece 3 elementos geométricos

primarios los cuales consisten en rectángulos o cajas, elipsoides y cilindros, los cuales

pueden tener diferentes dimensiones y ubicación dentro del plano cartesiano, además

cuenta con dos opciones más elaboradas como conos truncados y poliedros complejos, sin

embargo FLACS permite geometrías más elaboradas usando como base estas 5

42

geometrías básicas a través de las opciones de unión de objetos y diferencia de objetos,

estas opciones como su nombre lo indica permite unir dos objetos y eliminar las partes

que tienen en común 2 objetos que están superpuestos, respectivamente.

En la figura 11 se observan las 5 geometrías básicas que ofrece FLACS.

Figura 11. Elementos geométricos básicos de FLACS [21].

La zona de almacenamiento de GLP, correspondiente al modelo geométrico del caso de

estudio escogido para este trabajo, tiene un área de 130 por 130 metros y 20 metros de

altura, cuenta con 6 tanques cilíndricos verticales los cuales reemplazan los esféricos,

manteniendo el mismo volumen de almacenamiento, además de los 48 tanques cilíndricos

horizontales. Los volúmenes y áreas se describen a continuación:

2 tanques cilíndricos verticales capacidad de 2400 m3 cada uno, diámetro de

16.5 m y 11.2 m de altura.

43

4 tanques cilíndricos verticales con capacidad de 1600m3 cada uno, diámetro de

14.5 m y una altura de 9.7 m.

4 tanques cilíndricos horizontales con capacidad de 270 m3 cada uno, diámetro

3.5m y longitud de 32 m.

14 cilindros horizontales de 180 m3 cada uno, 3.5m de diámetro y 21 m de

largo.

21 cilindros horizontales de 36 m3 con 2m de diámetro y 13m de longitud.

6 cilindros horizontales de 54 m3 cada uno, con 2 m de diámetro y 19 m de

longitud.

3 cilindros horizontales ce 45 m3 cada uno, y 2 m diámetro y 16 m de largo.

Cada grupo de tanques con la misma geometría se realizo como un solo objeto para

facilitar la construcción del modelo, esto se realizó creando un solo tanque en cada caso y

duplicándolo en el sentido y a la distancia requerida. Una vez se tienen los objetos o grupo

de objetos por separado, es necesario agregarlos al proyecto para crear el modelo

geométrico final. Esto se realiza mediante la opción instance dentro de la pestaña

Geometry del CASD de FLACS, se debe agregar de la misma manera todos los elementos

de la geometría, una vez terminada la geometría se debe guardar en proyecto como una

extensión caj y asignar un numero a este proyecto ya que por convención se utilizan 6

dígitos para nombrar los diferentes trabajos dentro de un proyecto, 010101.caj, por

último se debe calcular las porosidades mediante la opción en la barra del menú del CASD.

44

El modelo geométrico como se visualizar en FLACS se puede observar en la figura 12.

Figura 12. Geometría de zona de almacenamiento de GLP vista en FLACS.

6.1.2 Construcción de la rejilla computacional, Grid

La simulación debe estar dividida en un grupo de volúmenes de control, los cuales están

conformados por 3 planos de rejillas, uno por cada eje cartesiano. Debe ser definido un

volumen de simulación el cual se debe extender en las 3 direcciones, y definir un numero

de volúmenes de control en los cuales se va a dividir la rejilla, esto se debe hacer para

cada eje cartesiano.

Para simulaciones de explosiones, se recomienda ubicar las rejillas a medio metro de

distancia entre ellas, es importante estirar y refinar la rejilla en las regiones alejadas del

punto de ignición, debido a que al realizar estos ajustes, la velocidad de la simulación se va

a disminuir, obteniendo resultados en menos tiempo. El aumento de una rejilla a otra no

45

puede exceder el 30%, ya que generaría errores dentro de la simulación. El aumento de

las rejillas por efecto de estirar y refinar, se puede observar en el menú grid en la opción

information, en donde nos aparecerá una cuadro de dialogo como el de la figura 13, el

cual contiene toda la información de nuestra rejilla de simulación, la información

referente al aumento de cada rejilla corresponde a Max percentage diff por ningún motivo

los números correspondientes a los ejes x, y, z deben ser mayor a 30.

Figura 13. Información de la rejilla de simulación, suministrada por FLACS.

Para la construcción de la rejilla de simulación del caso de estudio de este proyecto, se

definió el volumen de la región a trabajar como el mismo utilizado para la geometría, 130

en el eje X, 130 en el eje Y y 20 en el eje Z.

46

Para la explosión se construyo una rejilla con 1 metro de distancia entre cada rejilla,

estirándola un poco en las zonas alejadas del punto central de la explosión. Esto se hace

con el fin de optimizar la simulación, para hacer que la simulación corra lo más rápido

posible.

Para el caso de la fase de dispersión previa a la explosión, se procedió de manera similar,

es decir misma región y 1 metro de distancia entre cada rejilla, la diferencia es que refino

la rejilla en los puntos donde se da la fuga de material, además se agregaron mas rejillas

en la zona inmediatamente cercana a la fuga, generando una rejilla de aproximadamente

20 centímetros de distancia entre las rejillas, esta metodología solamente es necesaria en

la rejilla ubicada en el plano perpendicular a la fuga. Esto con el fin de mejorar la presión

los datos obtenidos en la simulación. Al igual que en el caso anterior se estiro la rejilla en

las zonas alejadas de la fuga para mejorar el tiempo de simulación, teniendo cuidado que

la diferencia de las distancias entre rejillas no es mayor al 30%.

6.1.3 Construcción del escenario

Los archivos correspondientes a los escenarios de las simulaciones, son archivos que

permiten ser manipulados a través del CASD de FLACS, o manualmente con la ayuda de un

block de notas o Wordpad en el caso de equipos con sistema operativo Windows o kwrite

en el caso de equipos que trabajen con Linux, esta segunda opción solo se recomienda

para caso de edición del escenario, ya que es necesario que el archivo tenga un formato

especial. Esta opción es de gran ayuda ya que en algunas ocasiones, cuando se trabaja en

Linux, al grabar cambios mediante el CASD los archivos se dañan y FLACS no los reconoce,

en cambio que al editarlos manualmente en el block de notas de Linux, los archivos no

sufren ningún daño.

47

Los ítems del menú del escenario son leidos de un archivo de escenario definido, estas

plantillas de escenarios pueden variar, sin embargo exista una plantilla que se usa por

defecto, default, sin embargo existe otras como default +1 que habilitan un mayor

número de parámetros, especialmente en los controles de simulación y variables de

salida.

El primer paso en la construcción del escenario, es la ubicación de los puntos de

monitoreo, estos son pontos dentro del volumen de control definidos por el usuario, en

donde se monitorearan las variables de interés por el usuario. El usuario debe evitar

ubicar los puntos de monitoreo sobre las líneas de las rejillas de simulación, debido a que

al momento de calcular las porosidades, FLACS ubicara las paredes de algún elemento

serán ajustadas al volumen de control más cercano, y podría moverlo al lado equivocado

del punto de monitoreo.

En la figura 14 se puede observar los puntos de monitoreo ubicados para esta simulación,

los cuales están representados por pequeñas esferas.

.

48

Figura 14. Puntos de monitoreo para la simulación.

Después de ubicar los puntos de monitoreo es necesario de definir las variables a

monitorear, es decir las variables que se van a medir, esto también depende del tipo de

evento que se esté estudiando porque para el caso de una dispersión, es de mayor interés

medir el flujo molar, concentración volumétrica del gas y velocidad de flujo, mientras que

para una explosión es de mayor importancia medir el cambio en la presión, velocidad del

aire, fracción de combustión de producto masa. Estas pueden ser de tipo escalar o 3D.

Las variables de salida de tipo escalar permite medir la magnitud de una variable

especifica en 1 o más de los puntos de monitoreo establecidos a lo largo de todo el

tiempo, mientras que las de tipo 3D permite al usuario generar graficas de distribución

espacial de las variables a lo largo del tiempo. Las variables más comunes para simulación

de explosiones son presión (P), fracción másica de producto de combustión (PROD),

49

concentración de gas (FMOLE), presión máxima (PMAX) y vectores de velocidad (VVEC) y

para simulaciones de dispersión las variables de salida más importantes son radio

equivalente (ER) el cual es una medida de la concentración del gas, concentración

volumétrica de gas (FMOLE) y vectores de velocidad (VVEC).

El siguiente paso en la construcción del escenario, corresponde a definición de los

controles de salida y simulación, estos determinan las condiciones de inicio y final de la

simulación, y la forma de graficar los resultados. En la figura 15 se observan los

parámetros típicos de una simulación de explosión de nube de vapor.

Figura 15. Parámetros típicos de control de salida y simulación recomendados para una explosión [21].

La opción TMAX corresponde al intervalo de tiempo máximo que una simulación durará

antes de detenerse, pero en el caso de las explosiones se puede aplicar el valor que utiliza

FLACS por defecto el cual es -1, en donde automáticamente se dan fin a la simulación,

según unos parámetros establecido. FLACS detendrá la simulación automáticamente

cuando el 90 % del combustible se consuma.

50

LAST es permite establecer el número máximo de iteraciones por simulación, por lo

general esta opción no es usada, el valor por defecto del programa es –1, lo cual significa

que no hay un número máximo de iteraciones.

CFLC es el número de Courant-Friedrich-Levy basado en la velocidad del sonido, este valor

conecta la longitud de los escalones de tiempo con las dimensiones del volumen de

control a través de la velocidad de propagación de la velocidad, de tal manera que cada

escalón de tiempo es escogido de tal manera que las ondas de sonido solo se propagan

una distancia limitada, la cual es la distancia promedio del volumen de control

multiplicada por el valor CFLC. Su valor por defecto es 5.

CFLV es el número de Courant-Friedrich-Levy basado en la velocidad de flujo del fluido.

Este valor conecta la longitud de los escalones de tiempo con las dimensiones del volumen

de control a través de la velocidad de propagación de la velocidad, de tal manera que cada

escalón de tiempo es escogido de tal manera que el fluido se propagan una distancia

limitada, la cual es la distancia promedio del volumen de control multiplicada por el valor

CFLC. Su valor por defecto es 0.5.

La opción SCALE es un parámetro utilizado para escalar las dimensiones lineales del

escenario, su valor por defecto es de 1. La opción MODD permite determinar que tan

seguido los datos de las graficas escalares de tiempo son escritos en los archivos de

resultados en una simulación, el valor por defecto es de 1, este valor no es utilizado para

explosiones aunque se recomiendan valores de 10 para el caso de simulación de

dispersiones. La opción NPLOT permite determinar que tan seguido se escriben los datos

de gráficas de campo durante una simulación. La opción DTPLOT, especifica el intervalo de

tiempo para los datos de salida de campo, field output, esta opción es importante para las

simulaciones de dispersión de gas y explosiones, donde se requiere datos de salida

frecuentemente, es importante aclarar que esta variable no afecta los resultados de la

51

simulación, solo la cantidad de información guardada. WALLF es una especie de switch de

control que permite utilizar funciones de pared en FLACS, las cuales se usan para resolver

los efectos de momento y capas térmicas de frontera en las ecuaciones de momento y

energía en las regiones cercanas a la pared, el programa solo acepta valores de 0 para

anular esta función, y 1 para aplicar esta función, se recomienda usar una valor por

defecto de 1. La última opción en esta lista de parámetros, es la opción HEAT_SWITCH, la

cual permite controlar la activación de los atributos térmicos en objetos en FLACS, el valor

por defecto es 0, el cual se recomienda usar.

Al utilizar la plantilla default + 1, aparecen nuevos parámetros de simulación. TSTART,

permite especificar el tiempo de inicio de la simulación, su valor por defecto es de 0, sin

embargo -1 quiere decir que esta opción no aplica. TMIN define un tiempo mínimo de

simulación su valor por defecto es de -1. LOAD permite cargar dump files directamente

desde el CASD, sin embargo es posible cargar dump files desde la ventana de comandos

de simulación de FLACS. La opción STEP permite especificar el valor los escalones de

tiempo en las variables de entrada.la opción KEYS permite especificar opciones del archivo

setup directamente del CASD.

Después de definir las variables de simulación y salida, es necesario especificar las

condiciones de frontera usadas en la simulación, es importante aclara que estas

condiciones afectan el resultado de la simulación, por lo tanto es importante definir bien

estas condiciones. Las condiciones disponibles en FLACS son EULER, NOZZLE,

PLANE_WAVE y WIND.

EULER utiliza las ecuaciones de Euler discretizadas para elementos de frontera, esto

significa que las ecuaciones de momento y continuidad se resuelven en la frontera para el

caso de flujo de salida. La presión atmosférica es utilizada como condición de presión por

fuera de la frontera. Esta opción es la más recomendada para la mayoría de explosiones,

52

sin embargo puede dar valores muy bajos de sobrepresión en geometrías extensas y no

confinadas, en estos casos se recomienda la opción PLANE_WAVE.

La opción NOZZLE, utiliza flujo interno y externo subsónico además de flujo externo

sónico, esta opción es recomendada para áreas porosas con orificios de bordes afilados,

un coeficiente de descarga es calculado con el área de porosidad y coeficiente de arrastre,

esta opción arroja resultados simulares a EULER, sin embargo las operaciones en esta

opción son mas robustas.

La condición PLANE_WAVE permite reducir la reflexión de las ondas de sobrepresión en

fronteras abiertas que ocurre con las condiciones EULER y NOZZLE, esto ocurre al asignar

una presión fija en la frontera. Esta condición extrapola la presión de manera que la

reflexión se elimina con ondas salientes. Es importante aclarar que esta opción presenta

algunos problema cuando s edita el escenario como un archivo cc, ya que no lo reconoce.

La condición WIND modela vientos externos, la velocidad y los perfiles del viento deben

ser especificados en la frontera del viento, ya sea estableciendo parámetros de

turbulencia manualmente o determinando en tipo de estabilidad atmosférica mediente la

clase de pasquill. Este tipo de frontera es recomendada especialmente para simulación de

dispersiones. En los casos en que el flujo interno tiene un impacto fuerte sobre las

fronteras, como en el caso de las explosiones, esta condición no es recomendable. Con

esta condición, es posible especificar la velocidad del viento, la dirección del viento,

intensidad de turbulencia relativa, escala de longitud de turbulencia y tiempo de presencia

del viento.

Una vez establecidas las condiciones de frontera para todos los ejes, es necesario

establecer las condiciones iniciales.

Dirección de la gravedad

53

Magnitud de la gravedad.

Velocidad característica, usada para asignar valores iniciales de turbulencia en el

campo.

Intensidad de turbulencia relativa, radio entre la velocidad fluctuante isotrópica y

la velocidad de flujo media. Este parámetro tiene valores típicos entre 0 y 1, este

parámetro junto con la velocidad característica, es usado para el cálculo de la

turbulencia cinética.

Escala de longitud de turbulencia, es el valor escalar de la turbulencia inicial, es

usado para el cálculo de del valor inicial de la turbulencia cinética en el caso de las

dispersiones.

Temperatura ambiente inicial, valor inicial configurado de 20°C.

Presión atmosférica, se utiliza como presión inicial en la simulación y como

presión afuera del volumen de control. Valor por defecto 1 bar.

Air, se utiliza para determinar la composición del aire, valor por defecto “normal”,

definido cono 20.95% oxigeno y 71.02 % nitrógeno en fracción molar.

Rugosidad del terreno, se refiere a una longitud rugosa aerodinámica, la cual tiene

en cuenta la cantidad de obstáculos en el terreno, los valores aceptados son:

Descripción del terreno Valor

Agua abierta, extendida al menos 5 km 0.0002

Terreno plano, nieve, sin vegetación, sin obstáculos 0.005

Terreno abierto, pasto, pocos obstáculos aislados 0.03

Pastizales bajos, obstáculos grandes ocasionales 0.10

Pastizales altos, obstáculos grandes esparcidos 0.25

Parqueaderos, arbustos, obstáculos numerosos 0.50

Obstáculos grandes regularmente esparcidos 1.0

Tabla 5. Valores aceptados por FLACS para rugosidad del terreno [21]

54

Altura referencia, altura relativa al terreno a la cual la velocidad iguala a la

velocidad del viento.

Altura del terreno, es el valor absoluto donde la capa de frontera comienza

Latitud, debido a la rotación de la tierra, este parámetro solo tiene efecto si el

volumen de simulación es mayor a 200 m en la dirección z.

Calor superficial p1, si la temperatura y la velocidad se conocen en 2 altitudes

diferentes, es posible estimar el flux de calor.

Flujo de calor medio, es el flux de calor desde la superficie hacia el flujo. Este

parámetro solo en necesario si se utiliza clase de pasquill A, B o C.

Clase de Pasquill.

- A Muy inestable

- B Inestable

- C Un poco inestable

- D Neutral

- E Un poco estable

- F Estable

Condición de rugosidad de terreno, la única opción aceptada es “rural”.

Para el caso de estudio se escogió una clase de pasquill D una rugosidad de terreno de

1.0 debido a la gran cantidad de obstáculos.

Para la simulación de explosiones de nubes de vapor, FLACS permite utilizar 3 métodos. El

primero, es definir una nube de gas de tamaño, posición, concentración y composición

específica. La segunda es correr una simulación de dispersión, definiendo un punto y

tiempo de ignición antes de empezar la simulación, esta opción presenta el problema que

no se conocen las concentraciones de gas en el volumen de control, por lo cual no se

puede definir correctamente los puntos y tiempos de ignición. La tercera opción la cual es

55

la más robusta, ya que incluye la fuga y la fase de dispersión, se analizan los posibles

puntos de fuga y luego se simula la explosión, consiste en correr una simulación de

dispersión creando dump files, cada cierto tiempo, luego analizar a diferentes tiempos los

posibles puntos de ignición, y luego cargar los datos de la dispersión y realizar la explosión

de la nube formada.

Para simular una explosión definiendo la región de la nube de gas, FLACS permite la

especificación del tipo de gas con el que se va a trabajar en la fuga y en la explosión. En

esta ventana, el programa permite definir una nube de gas para luego darle ignición y

generar una explosión. Los parámetros a definir son la posición de la nube, la dimensión

de la región con gas, es posible asignar especificaciones toxicas, fracción volumétrica, y

radio equivalente el cual es una medida para la concentración de la nube. Los compuestos

que permite usar FLACS son metano, acetileno, etileno, etano, propileno, propano,

butano, hidrogeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y acido sulfhídrico. El

programa permite también el uso de gases inertes dentro de la región de la nube, pero

para esto es necesario usar las plantillas de escenario inert o inert +1.

El programa permite definir la fuga en el menú escenario en la sección leak, en esta

sección FLACS permite definir diferentes parámetros de la fuga.

Insert, permite definir el número de fugas, el número máximo de fugas permitido

es de 50.

Type, permite definir el tipo de fuga, los tipos de fugas permitidos son los

siguientes:

- Diffuse, punto de fuga con momento bajo.

- Jet, momento de punto de fuga alto y bajo.

- Air, similar a jet pero la fuga está mezclada con aire.

56

- Suction, punto fuente negativo, para remover gas o mezcla de aire.

- Fan, momento fijo en CV.

- Inert, fuga de compuesto inerte.

Position, especifica la posición de la fuga.

Open sides, determina en qué dirección está la fuga.

Start time, establece el momento en la simulación en donde empieza la fuga.

Duration, establece la duración de la fuga.

Después es necesario establecer unos parámetros adicionales de la fuga, como el área de

la fuga, el flujo másico de la fuga, velocidad, intensidad de turbulencia de la fuga, escala

de longitud de turbulencia y temperatura.

Por último es necesario definir el punto de ignición, en este sección se permite definir la

posición de la ignición, el tamaño de la región de ignición, y el tiempo de ignición. Al igual

que en el caso de los punto de monitoreo, es importante tener en cuenta que el punto de

ignición no debe coincidir con ninguna de las líneas de la rejilla de simulación en ningún

eje, ya que esto puede afectar la simulación.

Para la simulación de la explosión, se realizó una simulación de una fuga y posterior

dispersión de la nube de vapor, creando archivos dump para ser cargada nuevamente y

simular una explosión con base en estos datos, la cual con base en la concentración de la

nube en diferentes puntos, se analizó con el fin de establecer los posibles puntos de fuga.

Una vez establecidos los posibles puntos de ignición, se procedió a realizar la simulación

de la explosión de la nube de vapor formada previamente en la fase de dispersión.

Para esto se crearon archivos dump en la simulación de la dispersión y se analizaron los

posibles puntos de ignición como se menciono anteriormente.

57

Para realizar la simulación de esta manera, es necesario guardar la simulación de la

dispersión bajo otro nombre y realizar algunos cambios en el escenario y en el grid

computacional, ya que las simulaciones de explosiones en FLACS requieren una rejilla

computacional diferente al de una dispersión.

En el caso de explosiones es necesario tener una rejilla uniforme, el fabricante

recomienda una rejilla de 0.5 a 1.0 metros de distancia, para agilizar el tiempo de

simulación se recomienda estirar la rejilla en los sitios alejados del punto de la explosión.

Con el fin de llevar acabo la explosión de una nube de vapor formada con anterioridad es

necesario hacer unos cambios en el escenario, para tal motivo, es necesario seguir los

siguientes pasos:

En el menú simulation and output control se debe introducir los siguientes valores,

TMAX -1, NPLOT 50, CFLC 5, CFLV 0.5, DTPLOT -1.

Cambiar las variables de salida, debido a que en la dispersión las variables de

interés son el radio equivalente, vectores de velocidad y flujo molar, mientras que en el

caso de las explosiones las variables de interés son la presión, presión máxima y fracción

másica del producto de combustión.

Ubicar el punto de ignición escogido previamente junto con el tiempo de ignición.

Por último es necesario grabar con un número de trabajo diferente al de la

dispersión, y calcular las porosidades.

Una vez definido el nuevo escenario, se debe cargar el nuevo trabajo en la ventana del

runmanager, en el caso que el trabajo no aparezca en la ubicación en que se encuentre se

debe hacer click en la opción rescan directory. Antes de correr la simulación es necesario

cargar e importar los datos de la dispersión en el nuevo trabajo, esto se hace en el menú

de parámetros en la opción define cc-file. en la ventana que aparece se escribe el

58

comando NLOAD 1, el número debe corresponder al mismo número del archivo Dump

correspondiente.

Por último se debe crear un nuevo archivo rd para comenzar la simulación con basado en

el trabajo de la explosión, esto con el fin de transferir toda la información desde la rejilla

de la dispersión a la rejilla de la explosión. El comando que se debe escribir es el siguiente:

Rdfile rdxxxxxx.n001 rdzzzzzz.n001

Siendo xxxxxx el trabajo correspondiente a la dispersión, y zzzzzz el trabajo

correspondiente a la explosión, el número al final debe corresponder número del archivo

dump que se desea cargar.

Para comenzar la simulación, se debe seleccionar el trabajo que se desea simular y se da

click en la simulate en la ventana del runmanager.

59

7 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN FLACS

La simulación hecha con la ayuda de la herramienta computacional FLACS, se dividió en 2

faces. La fase de dispersión, en donde se tiene una fuga en un escenario establecido, de

un gas compuesto principalmente por propano y metano, la cual tuvo una duración de

122 segundos. En esta fase se formó una nube de vapor dentro de los límites de

inflamabilidad, la cual es sometida posteriormente a una fuente de ignición en la segunda

de la simulación, dando como resultado una explosión de la nube de vapor previamente

formada. Generando una onda de sobrepresión, con efectos destructivos.

7.1 Fase de dispersión

Para simular explosiones de nubes de vapor (VCE), FLACS ofrece la posibilidad de definir

una nube con un tamaño y posición determinado, sin embargo los resultados obtenidos

por este método, no fueron relevantes, ya que la sobrepresión obtenida por la explosión

de la nube de vapor no supero los 0.01 bar, lo cual es una magnitud insignificante y no

está acorde con la teoría de VCE, por esta razón se decidió realizar la simulación desde la

fase de fuga, sin embargo debido a la rejilla tan fina que se manejo y a problemas técnicos

con los equipos de simulación, no fue posible alcanzar los 300 segundos de simulación, se

logro llegar a 122, segundos, y a partir de de las graficas de concentración, se puede ver la

tendencia de la crecimiento de la nube, y se pueden trabajar los posibles puntos de

ignición.

En la figura 16, 17, 18, y 19 se puede observar el comportamiento de la nube en la fase de

dispersión el plano xy a los 122 segundos a diferentes alturas, la variable evaluada en este

caso es el radio equivalente

60

Figura 16. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 0 m de altura a los 122 segundos

Figura 17. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 0.7 m de altura a los 122 segundos

61

Figura 18. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 2 m de altura a los 122 segundos

Figura 19. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xy a 5.1 m de altura a los 122 segundos

62

En las gráficas anteriores se observa cómo se distribuye la nube de gas a lo largo y ancho

de la superficie dado el escenario planteado, al cabo de 122 segundos de dispersión se

tiene una nube de vapor que cubre alrededor de la mitad de la superficie de la geometría,

en el caso de estudio plateado, se observo una nube de vapor con una área superficial de

150 metros por 200 metros, la cual se formo durante la fase de dispersión la cual tuvo una

duración de 300 a 600 segundos. La nube de vapor obtenida en la simulación, es un poco

mayor a la obtenida, debido a que en este caso se sobreestimo la magnitud del flujo

másico de la fuga, en este caso se realizo el calculó el flujo másico con valores de

concentración del gas cercanos al límite de inflamabilidad superior, y además se asumió

que toda la cantidad de vapor se libero en solo 300 segundos. En las figuras 16 a la 19 se

observa la nube de gas en el plano xy a diferentes cortes en el eje z, 0, 0.7, 2 y 5.1 metros

de altura respectivamente y se observa que como varia la concentración del vapor en la

nube a medida que la altura cambia, a mayor altura, menor es la concentración de vapor

en la nube, esto se debe a que el vapor en cuestión es más denso que el aire por lo cual la

nube tiende a concentrarse al nivel del suelo. Esto impide que la nube se disipe en el aire,

generando una acumulación de vapor en una zona determinada, por lo cual es probable

que una fuente de ignición externa genere la explosión de la nube.

En la figura 20, se observa un corte transversal en el eje y, en este corte se aprecia de

mejor manera como varia la concentración de la nube de vapor con la altura, se observa

que existe una mayor concentración cerca a la superficie, aproximadamente entre los 0 y

7 metros de altura, mientras que por arriba de los 10 metros la concentración es de

menos de 0.6 ER.

63

Figura 20. Gráfica 2D del radio equivalente en el plano xz con corte en y= 68 m a los 122 segundos.

Dentro de las graficas más útiles para analizar la fase de dispersión en un evento como el

del caso de estudio, la ultima que se observa es la gráfica escalar del radio equivalente en

función del tiempo para cada uno de los puntos de monitoreo. En esta grafica se puede

ver por separado el cambio de concentración en los diferentes puntos escogidos dentro

del volumen de control definido para la simulación, el valor obtenido en los picos de la

gráfica dependen de la ubicación de estos puntos de monitoreo, es por esta razón que en

la figura 21 se observa un pico máximo de 1.5 ER en el punto de monitoreo número 16,

cuando en las graficas en 2D, figuras 16 a 20, se observa claramente que existen zonas que

tienen una concentración de hasta 2.5 ER, sin embargo en estas zonas especificas no se

ubicaron puntos de control.

64

Figura 21. Gráfica escalar del radio equivalente en función del tiempo para fase de dispersión

El conjunto de graficas mostrado anteriormente, son herramientas suficiente para

determinar el, o los posibles puntos de ignición, el cual en este caso, se ubicó

aproximadamente a 60 metros en el eje x, 68 metros en el eje y, y 0.5 metros en el eje z.

este punto se escogió teniendo en cuenta que para que la nube de vapor explote, el punto

de ignición tiene que estar ubicado en una en donde la concentración este dentro de los

límites de inflamabilidad, por lo cual este punto no puede estar muy cerca a la fuga debido

a que la gran magnitud del flujo másico y la reducida área de la fuga, ocasiona una

acumulación de la vapor alrededor de la fuga, por lo cual se crea una pequeña zona que

está por encima del límite superior de inflamabilidad. La ubicación del punto de fuga se

puede observar en la figura 22.

65

Figura 22. Ubicación del punto de ignición dentro de la geometría.

7.2 Explosión de la nube de vapor

Esta sección está dedicada los resultados obtenidos en la simulación de la explosión de la

nube de vapor formada previamente en la fase de dispersión. La magnitud de la explosión

se mide en términos de la sobrepresión de la onda de choque producto de dicha

explosión.

La primera figura que se observa en esta sección, figura 23, corresponde al la ventana del

runmanager de FLACS, en donde se observa el avance en el tiempo de la presión, cantidad

de combustible y velocidad del fluido, de la simulación correspondiente a la explosión.

Entre esta 3 variables graficadas, las de mayor relevancia son la presión y la cantidad de

combustible. Se observa que al inicio de la simulación la cantidad de combustible esta

estable con un valor aproximado de 2200 kg de material combustible, mientras que el

valor de la presión es cercano a 0 bar, estos valores se mantienen estables en el periodo

66

entre el fin de la fuga, y el momento de la ignición. Tan pronto como ocurre la ignición, se

observa que la cantidad de combustible empieza a disminuir hasta consumir una gran

parte y posteriormente se estabiliza, al mismo tiempo la presión aumenta paulatinamente

hasta que llega el punto máximo de presión, el cual según la grafica es de 12 bares,

magnitud suficiente para causar daños de gran magnitud a sus alrededores, una vez la

presión llega a este punto máximo, comienza a disminuir hasta que se estabiliza.

Figura 23. Ventana del Runmanager de FLACS con resultados de explosión.

67

La figura 24 es un grafico escalar de la presión en función del tiempo para cada uno de los

puntos de monitoreo escogidos. Se observa que gran parte de los puntos de monitoreo

escogido se encuentran entre los 3.0 y los 3.8 bares, estos puntos corresponden a los

ubicados en la zona de los tanques de almacenamiento cilíndricos verticales, esféricos en

el caso real, ya que en esta zona es donde es mayor el efecto de la sobrepresión producto

de la explosión.

Figura 24. Gráfica escalar de presión en función del tiempo para VCE.

Las figuras 25 a 27 son gráficas en 2D en el plano xy de la magnitud de la sobrepresión

sobre el área de la geometría a diferentes cortes en z, 1, 2 y 10 metros respectivamente.

Se observa una sobrepresión de aproximadamente 3.5 bares de presión en la zona oeste

de del parque de almacenamiento cerca a la superficie, entre los 1 y 2 metros de altura.

No se observa ningún cambio significativo en la magnitud de la sobrepresión entra los 1 y

los 2 metros de altura, sin embargo a los 10 metros de altura se observa una disminución

significativa en la magnitud de la sobrepresión, la cual es de aproximadamente 2 bares.

68

Figura 25. Gráfica 2D de presión a 1 m de altura para VCE.

Figura 26. Gráfica 2D de presión a 2 m de altura para VCE.

69

Figura 27. Gráfica 2D de presión a 10 m de altura para VCE.

70

8 CONCLUSIONES

acuerdo a los resultados obtenidos por las simulaciones realizadas y los tiempos de

simulación obtenidos en la fase de dispersión, se observa la necesidad de buscar

diferentes alternativas para los parámetros utilizados en la elaboración del escenario para

que ayuden a agilizar la velocidad de simulación, entre los parámetros que se pueden

optimizar se encuentra el uso de una rejilla de simulación más gruesa, lo cual optimiza los

tiempos de simulación, sin embargo se corre con el riesgo de obtener datos menos

precisos y por ende una estimación de efectos incorrecta. Se recomienda utilizar en lo

posible equipos con sistema operativo de Linux ya que son más eficientes para

simulaciones largas ya que Linux permite el cálculos en paralelo con procesadores

múltiples mientras que Windows no permite el uso en paralelo de procesadores.

Después de realizar 120 segundos de simulación en la fase de dispersión se procedió a

realizar la correspondiente explosión, y se obtuvo un pico de sobrepresión de 3.5 bar, esta

magnitud de sobrepresión, es considerablemente grande, suficiente para generar daños

considerables a sus alrededores, por lo cual se concluye que la fuerza del VCE en el

desastre de san Juan de Ixhuatepes fue suficiente para dar inicio a la serie de explosiones

ocurridas el 19 de noviembre de 1984 en la terminal de GLP de la empresa PEMEX en

ciudad de México, dejando como resultado más de 500 muertos [2].

A pesar de los resultados obtenidos en cuanto a magnitud de la sobrepresión producto de

la explosión fueron de magnitud suficiente para iniciar las demás explosiones, se cree que

el VCE original fue más fuerte debido a que la fase de dispersión fue de 300 segundos, en

el trabajo con 99 segundos de dispersión debido a problemas presentados con los equipos

71

en donde se llevaron a cabo las simulaciones, lo cual redujo el tiempo disponible para

realizar las simulaciones.

Se logro establecer que de los diferentes métodos que ofrece FLACS para realizar

simulación de explosiones, el que arroja resultados más acercados a la realidad mediante

la ignición de una nube de vapor formada como producto de una dispersión realizada

previamente en FLACS, esto se logra importando los datos de la simulación de la

dispersión al trabajo de la explosión, este método permite el monitores de la fase de

dispersión para poder definir los posibles puntos de ignición y sus tiempos respectivos. A

pesar que este método es más preciso que la explosión de una nube de vapor en una

región definida, cabe aclara que requiere una cantidad de tiempo significativamente más

larga, que definir una región como nube de vapor. Por esta razón se recomienda al usuario

considerar la ignición de una región defienda como nube de vapor en caso de no contar

con tiempo suficiente para realizar la explosión.

En cuanto a la magnitud del desastre ocurrido en san Juan de ixhuatepec, se puede

concluir que uno de los factores determinantes en el elevado número de muertes

ocurridas en este desastre, fue gran número de viviendas construidas a los alrededores de

de la planta las cuales fueron construidas años después de la instalación de la planta.

Instalación de equipos de detección de gas al igual que aislamiento de emergencia

hubieran sido factores de mitigación determinantes para evitar la tragedia, al igual que

planes de emergencia, ya que al momento de la tragedia se produjo un caos vehicular

producto del mal manejo de la situación por parte de los encargados [24].

72

9 REFERENCIA

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and Control, Butterworth Heinemann 2° Ed., Vol 1, 1996.

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engineers (1996), guidelines for Evaluating Process Plant Buildings for External Explosions

and Fires.

[5] LEES F. P., Loss Prevention in the Process Industries, Hazard Identification, Assessment

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[24] LEES F. P., Loss Prevention in the Process Industries, Hazard Identification,

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