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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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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%
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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
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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
36
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
37
‐ 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
39
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
40
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.
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(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
66
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.
67
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
68
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.
69
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
70
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
71
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.
72
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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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
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