Analisis de Consecuencias Cap. 2y3

Fundamentos básicos del Software

PHAST



para Análisis de Consecuencias.

ANÁLISIS

DE

RIESGO

Y

ANÁLISIS

DE

CONSECUENCIAS

CAPITULO II

MODELOS DE CONSECUENCIA Y EFECTO.

Los accidentes comienzan con un incidente, el cual usualmente resulta en la perdida de contención de material de proceso en depósitos y tuberías que almacenan y transportan productos en forma gaseosa o liquida. En la mayoría de los casos estas sustancias son peligrosas.

Los eventos de gran magnitud que pueden tener lugar en una industria, con efectos graves son los siguientes: 1) Fugas o derrames de sustancias peligrosas

2) Evaporación de líquidos derramados

3) Dispersión de nubes de gases, vapores y aerosoles 4) Incendios de charco o “Pool fire”

5) Dardos de fuego o “Jet fire” 6) Flamazos o “Flash fires”

7) Explosiones de nubes de vapor no confinada o “UVCE”

8) Explosiones por expansión de vapores de liquido en ebullición “BLEVE”

Normalmente, un evento de estas características se produce a partir de algún suceso menor que involucra la perdida de estanqueidad de algún recipiente, deposito o tubería que contiene alguna sustancia peligrosa, lo que produce la fuga o derrame de esta sustancia cuya consecuencia puede ser la formación de nubes tóxicas, incendios y/o explosiones. También es posible un incendio previo o simultaneo a una fuga o incluso, una explosión previa a la fuga o al incendio. No obstante, en la mayoría de los casos el primer suceso consiste en una fuga o derrame incontrolado de producto de su lugar de confinamiento (depósitos, tuberías, reactores, válvulas, bombas, etc.), por lo que hay que prestar una especial atención a este fenómeno. [34]

Este capítulo presenta una revisión de modelos actualmente disponibles en la literatura para análisis de consecuencias. Los incidentes pueden incluir la ruptura o corte de una tubería, un orificio en tanque o tubería, reacciones fuera de control, fuego externo a tanque, etc. Una vez que se define el tipo de incidente, se selecciona el modelo fuente para describir como se descarga el material del proceso. El modelo provee una descripción de la velocidad de descarga, la cantidad total descargada (o tiempo total de descarga), y el estado de la descarga, que es sólido, liquido, vapor o una combinación.

Un modelo de dispersión es usado subsecuentemente para describir como se transporta el material en la dirección del viento y la dispersión a algún nivel de concentración. Para liberaciones de flamables, modelos de fuego y explosión convierte estos resultados específicos del incidente en efectos en las personas (lesión o muerte) y estructuras. Impactos ambientales pueden ser así mismo considerados, pero no se consideran aquí. Adicionalmente se proporcionan modelos para los análisis de vulnerabilidad.

2.1 Modelos de liberación

Los modelos de liberación son usados para definir cuantitativamente el escenario de descarga estimando la velocidad de descarga, la cantidad total descargada (o duración total), grado de vaporización súbita y evaporación de un charco de líquido, y formación de aerosol. Los modelos de dispersión convierten los resultados del modelo de descarga en concentraciones en la dirección del viento. La relación entre el modelo de descarga y el de dispersión, se muestra esquemáticamente en la figura 2.1. Como se muestra en la figura, los modelos de descarga y dispersión están fuertemente relacionados, con los resultados del modelo de descarga se selecciona el modelo apropiado de dispersión.

Figura 2.1 Diagrama lógico de modelos de descarga y dispersión [1] Liberación de una sustancia

peligrosa

Fase de liberación

Vaporización

súbita?

Gas

?

Densidad

del gas

Denso

Modelo Flujo a

dos fases

fases

2.1.1 Modelos de velocidad de descarga.

La mayoría de incidentes peligrosos comienzan con una descarga de un material flamable o toxico de su confinamiento normal. Esto puede ser debido a una fractura o una ruptura del tanque o tubería de proceso, de una válvula abierta o de un sistema de venteo de emergencia. Tales fugas pueden ser gas, liquido o dos fases (liquido – gas). El estimado de la velocidad de descarga y cantidad total descargada (o duración de la descarga) son esenciales como entrada para otros modelos. La cantidad total liberada pueda ser mayor o menor que el volumen del tanque (dependiendo de las conexiones de la tubería, aislamiento, válvulas, etc.).

Estos modelos asumen que no hay formación de hielo el cual suele resultar en predicciones de descarga másica mínima. El uso de estos modelos de flujo másico para representar modelos de descarga los cuales resultaran en una predicción de la mínima velocidad de descarga y por lo tanto, para problemas de dispersión, en un resultado poco conservador. Dependiendo del objetivo del estudio, se determina el diseño conservador aproximado y con ello el modelo de descarga seleccionado. Si el objetivo del estudio es proteger el tanque vía sistema de relevo de emergencia, entonces el modelo de descarga es escogido para minimizar el flujo másico del sistema de relevo y así maximizar el área de relevo. Un modelo de flujo a dos fases típicamente será seleccionado como el modelo de descargas. Si, por otro lado, el objetivo del estudio es diseñar un sistema de tratamiento/confinamiento después de la fuga, entonces un modelo de descarga es seleccionado para maximizar el flujo másico de descarga. Un modelo de descarga de solo fase liquida puede ser apropiado aquí. Finalmente, si el objetivo es determinar los consecuencias de la descarga a la comunidad, entonces un modelo de descarga es seleccionado para maximizar la descara de masa y maximizar las concentraciones en la dirección del viento. Los modelos de descarga son la primera fase en el desarrollo de la mayoría de los estimados de consecuencias. Las aplicaciones de interés son aquellas relacionadas a dos categorías de descarga del proceso: descargas de emergencia de ingeniería (válvulas de alivio) y descargas de emergencia no planeadas (fallas en la contención de material). Las descargas continuas (venteos de proceso y perdidas rutinarias de almacenamiento por respiración de tanques) no son típicamente el enfoque de Análisis cuantitativo de riesgos de procesos químicos CPQRA (Por sus siglas en ingles Chemical Process Quantitative Risk Assessment).

El primer paso en el procedimiento es determinar el escenario apropiado, de acuerdo a la fase de descarga, ruta termodinámica y estado final, tamaño del orificio, duración de la fuga entre otros.

2.1.2 Fases de descarga

Los modelos de velocidad de descarga requieren una cuidadosa consideración de la fase de descarga del material. La fase de descarga es dependiente de las condiciones del proceso y puede ser determinada usando diagramas termodinámicos o datos, o un modelo de equilibrio liquido vapor, y la ruta termodinámica durante la descarga. El punto inicial es definido por las condiciones iniciales del material de proceso antes de ser liberado. Estas pueden ser condiciones de proceso normal o un estado anormal alcanzado por el material de proceso antes de la liberación. El punto final de la ruta seguida será normalmente a la presión final de una atmosfera.

Hay que distinguir tres tipos de fugas atendiendo al fluido de que se trate:

 Fugas de líquidos:

1. Orificio en un tanque de almacenamiento atmosférico (u otra presión en tanque o tubería, debajo de cabeza de líquido).

 Fugas de gas:

1. Orificio en equipo (tubería, tanque) que contiene gas bajo presión 2. Válvula de relevo (de vapor únicamente)

3. Evaporación de charco liquido

4. Válvula de descarga del domo de un tanque de almacenamiento a presión 5. Generación de productos tóxicos de combustión como resultado de un fuego

 Fugas bifásicas: mezclas de gas y líquido a menudo resultantes de la ebullición del líquido en las condiciones de descarga.

1. Orificio en un tanque de almacenamiento (o tubería) a presión que contiene un liquido sobre su punto normal de ebullición

2. Válvula de relevo (p. ej. Debido a una reacción fuera de control).

2.1.3 Ruta termodinámica y punto final.

El objetivo principal de un modelo de fugas consiste en describir adecuadamente dos variables: a. La cantidad de fluido liberada, y

b. Las condiciones de presión y temperatura de la sustancia fugada.

Este último aspecto es el más difícil de considerar, puesto que en las fugas se producen procesos de transferencia de energía entre el recipiente y su entorno.

Las especificaciones del punto final y la ruta termodinámica son usadas para alcanzar el punto final es importante para el desarrollo del modelo de descarga. Si, por ejemplo, un fluido en reposo es acelerado durante una descarga, el punto final es definido como un fluido en movimiento, entonces la suposición de un camino isoentrópico es normalmente valido. Si, el punto final es definido como un fluido en reposo (por ejemplo un charco de líquido después de la descarga), independiente de cualquier aceleración transiente, entonces las entalpias en el estado final y en el estado inicial serán consideradas iguales (esto no implica que la entalpia sea constante durante el proceso de liberación).

a. Isotérmico: Es aquel que se produce sin cambio de temperatura. Se suele producir cuando no hay cambios importantes de densidad (líquidos), o el proceso es lento y el fluido en el recipiente tiene una inercia térmica suficiente o cuando la presión en el recipiente se mantiene casi constante durante la fuga.

 Adiabático: es aquel proceso que se realiza sin transferencia de calor con el exterior. Se produce cuando el fluido

sufre grandes cambios de densidad muy rápidamente o cuando el recipiente está térmicamente aislado. Es el caso de los procesos en los que el calor que recibe el recipiente desde el exterior, durante el tiempo que dure la fuga, es prácticamente despreciable frente a la energía del fluido que contiene el recipiente. Para el caso adiabático, S=0 para un proceso reversible únicamente.

Para los casos, isoentrópico y el adiabático, el trabajo determinado es un máximo para procesos reversibles.

Para liberaciones isoentrópicas, un modelo de equilibrio de fases puede ser usado para determinar la temperatura final, composición y reparto de fases a la presión ambiente. Claramente, si la ruta permanece en la fase gas o liquido, es modelado como tal. Sin embargo, si hay un cambio de fase, entonces un flujo puede estar a dos fases. Un líquido puro sufrirá una vaporización súbita a su punto normal de ebullición, mientras que una mezcla flasheara continuamente y con composición variable sobre el rango de sus temperaturas de punto de rocía a punto de burbuja.

Para descargas de gases a través de tuberías tanto el modelo de flujo adiabático como isotérmico son validos. Para descargas de gases a la misma temperatura y presión, el modelo de flujo adiabático predice un flujo mayor, que el

isotérmico. El flujo real está en un sitio intermedio entre estos valores. Las fugas durante el trasiego, carga y transporte de productos peligrosos, se analizan generalmente utilizando los modelos isotérmicos (35).

Tamaño del orificio. Un dato de entrada para cálculos de descarga es el tamaño del orifico. Para liberaciones a través de

un sistema de relevo, pueden ser usadas las dimensiones reales de la válvula o tubería. Para descargas a través de orificios, el tamaño debe ser estimado. Esto debe ser guiado por identificación de riesgos y enumeración de incidentes y selección de procesos (si esto es una fuga en brida, ruptura total, etc.). El Banco Mundial (1985) tiene un número de metodologías sugeridas; por ejemplo para tuberías se propone un rango del 20 a 100% del diámetro de la tubería

Duración de la fuga. Se ha generalizado una duración de fuga de 10 minutos, sin embargo se puede usar un tiempo de 3

minutos si hay un sistema de detección de fugas combinado con válvulas aisladas de actuación remota. Otros analistas usan una duración menor. La duración real de la liberación depende de la detección y tiempo de reacción de dispositivos de aislamiento automatizados y tiempo de respuesta de operadores para aislamiento manual. La velocidad de válvulas de cierre en tuberías largas puede influenciar el tiempo de respuesta. Debido al efecto de golpe de ariete, los diseñadores pueden limitar la velocidad de cierre en tuberías de líquido.

Según la duración y tamaño del escape se pueden clasificar las fugas en:

 Fuga instantánea: colapso del recipiente por vertido muy rápido de su contenido.

 Fuga continua o semicontinua: perdida de contenido de magnitud y duración limitadas.

Otras variables. Otras variables especiales a considerar cuando se analizan descargas incluyen las siguientes.

Dependencia del tiempo de descargas transientes (transitorias): velocidades de liberación decrecientes debido a que decrece la presión después del orificio

Reducción en flujo: válvulas, bombas, u otras restricciones en la tubería que pueden reducir la velocidad de flujo debajo de la estimada por la caída de presión y área de descarga.

Inventario en la tubería o proceso entre la fuga y cualquier dispositivo de aislamiento.

2.1.4 Ecuaciones fundamentales

Los modelos de descarga están basados en un balance de energía mecánica. Una forma típica de este balance es:









0

2

1



















v

v

e

W

_m

g

z

z

g

g

dP



_

 es la densidad (masa / volumen)

g es la aceleración debida a la gravedad (longitud / tiempo2 ) gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración)

z es la altura vertical de algunos datos de referencia (longitud) v es la velocidad del fluido (longitud / hora)

f es un término de pérdida por fricción (longitud2 / tiempo2) Ws es el trabajo realizado (energía mecánica/tiempo) m es la tasa de flujo másico (masa/hora)

El termino de perdidas por fricción, ef representa las pérdidas de energía mecánica debida a la fricción e incluye

pérdidas debidas al flujo a través de la longitud de la tubería; accesorios tales como válvulas, codos, orificios, entradas y salidas de tubería.

2.1.4.1 Descargas de líquido.

Para descargas de líquidos, la fuerza impulsora para la descarga es normalmente la presión, la energía de la presión se convierte en energía cinética durante la descarga. Ya que la densidad permanece constante durante la descarga, la integral de la presión en el equilibrio de energía mecánica, Ec. (2.1), se puede integrar directamente al resultado en la siguiente ecuación simplificada:









0

2

1























_

m

Ws

e

V

V

gc

Z

Z

gc

g

P

P





Para el flujo de la tubería, el flujo de másico a través de la tubería es constante y, para tuberías de área transversal constante, la velocidad de líquido es así mismo constante a lo largo de la tubería. En todos los casos, las pérdidas por fricción se producen debido al flujo del fluido. Si se considera que no hay pérdidas por fricción y que no hay trabajo, la ecuación resultante es la ecuación de Bernoulli,









0

2

1













v

v

g

z

z

g

g

P

P



Si el balance se realiza a través de dos puntos en una tubería de sección transversal constante, entonces v2 =v1 y la Ec.

(2.3) se puede simplificar aún más. El modelo es desarrollado a partir del balance de energía mecánica, Ec. (2.1), suponiendo que el término de pérdida por fricción es representado por un coeficiente de descarga, CD. El resultado es la

ecuación 2.4, y CD para descargas de liquidos esta entre 0.6 y 0.8.









AC

2

g

P

P

m





m es la velocidad de descarga de líquido (masa/ hora) A es el área del orificio (longitud2)

CD es el coeficiente de descarga (adimensional)  es la densidad del líquido (masa/volumen)

gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración)

P1 es la presión antes del orificio (fuerza/área)

P2 es la presión después del orifico (fuerza/área)

La ecuación (2.3) puede ser usada para modelar cualquier liberación de líquido a través de un orificio, siempre que las presiones, el área de orificio y el coeficiente de descarga son conocidos o estimados.

Para orificios en tanques, la presión antes del orificio depende de la cabeza del líquido y cualquier presión en el espacio de cabeza del tanque.

Para orificios en tanques, la descarga de material a través del orificio da como resultado una pérdida de líquido y un descenso en el nivel de líquido. Un balance de masa total de líquido en el tanque para obtener una expresión general para el tiempo de vaciado del tanque.





 

2

1

h

h

dV

g

AC

t

t es el tiempo para vaciar el tanque de volumen V2 a volumen V1 (tiempo)

V es el volumen de líquido en el tanque por encima de la fuga (longitud 3) h es la altura del líquido por encima de la fuga (longitud)

Esta ecuación supone un área de fuga constante, A y un coeficiente de descarga constante CD. Esta ecuación puede ser

integrada, una vez que se especifica el volumen en función de la altura, V = V(h). La velocidad de descarga de la masa de liquido de un orificio en un tanque es determinado usando la siguiente ecuación que supone que, la fricción es representada por un coeficiente de descarga, CD y se incluye para la presión debida a la cabeza de líquido encima el

agujero.

_

















gh

P

g

AC

vA

m







2

m es la velocidad de descarga de líquido (masa/ tiempo) A es el área del orificio (longitud2)

v es la velocidad del fluido (longitud /tiempo) CD es el coeficiente de descarga (adimensional)  es la densidad del líquido (masa/volumen)

gc es la constante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración)

Pg es la presión manométrica en la parte superior del tanque (fuerza/área)

g es la aceleración debida a la gravedad (longitud/tiempo2) hL es la altura de líquido por encima del orificio (longitud)

Esta ecuación se aplica a cualquier tanque de cualquier geometría. La descarga de masa disminuye con el tiempo conforme el nivel de líquido desciende. El caudal máximo ocurre al inicio cuando se produce la fuga.

2.1.4.2 Descargas de gas.

Descargas de gas pueden derivarse de varias fuentes: desde un orificio de un tanque o cercano a este, de una tubería, válvulas de alivio o venteos del proceso. La mayoría de las descargas de gas de plantas de proceso será sónica o estrangulada.

Se supone que el producto fugado se comporta como un gas perfecto. Por tanto, el método es aplicable únicamente para gases y vapores que se encuentren a presiones y temperaturas suficientemente alejadas de las críticas. La integral de la presión en el balance de energía mecánica, requiere una ecuación de estado y una especificación de ruta termodinámica para completar la integración; especialmente para tuberías es importante saber si la liberación ocurre adiabática o isotérmicamente.

Método isotérmico

Para descargas de gas a través de orificios, la Ec. (2.1) se integra a lo largo de una ruta isoentrópica para determinar el flujo másico descargado. Esta ecuación supone un gas ideal, y que no hay transferencia de calor ni trabajo externo.

 















































P

P

P

P

k

k

T

R

M

g

AP

C

m

1

2



m Flujo másico de gas descargado a través del orificio (masa/ tiempo) A Área del orificio (longitud2)

CD Coeficiente de descarga (adimensional)

P1 Presión antes del orificio (fuerza/área)

P2 Presión después del orifico (fuerza/área)

gcConstante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración)

MPeso molecular del gas (masa/mol)

k Relación de la capacidades caloríficas, Cp/Cv(adimensional) Rg Constante de gas ideal (presión-volumen/mol-grado)

T1Temperatura inicial del gas antes del orificio (grado)

El máximo flujo liberado se produce cuando la velocidad de descarga del gas alcanza la velocidad sónica. En este punto, el flujo pasa a ser independiente de la presión después del orificio y depende sólo de la presión antes del orificio. La ecuación que representa el caso sónico, o estrangulado, y que siempre predice un flujo máximo de descarga es:

 1 1 1 1

1

2

















k

T

R

M

kg

AP

C

m



La relación de presión necesaria para lograr el estrangulamiento está dada por:

 1 1

1

2

















k

P

P

Para calcular el flujo másico adiabático el primer cálculo es el de las pérdidas por fricción debidas únicamente a los efectos de entrada y salidadel flujo por el orificio. Para el número de Reynolds mayor que 10,000; HFL1= 0.5 y HLF2 = 1.0.

k_f HLF1 HLF 2 _2.8

Usando la expresión de Darcy para flujo en condiciones sónico y subsónico:





k

P

P

g

A

Y

m



_*

_*

2

*

*



*



m Flujo másico de gas (masa/ tiempo) A Área del orificio (longitud2)

 Densidad del gas antes del orificio (masa/volumen) P1 Presión antes del orificio (fuerza/área)

P2 Presión después del orifico (fuerza/área)

gcConstante gravitacional (fuerza/ masa-aceleración)

Y Factor de expansión de gas (adimensional)

KfSumatoria de los términos de pérdida de energía hidráulica, incluyendo entradas y salidas de la tubería,

Cuando se considera un flujo turbulento, el factor de fricción es independiente del número de Reynolds. El factor de expansión "Y", depende de las pérdidas de fricción y la capacidad calorífica:

0.0006*ln

 

 

 

e

Y



Para determinar a qué presión se obtiene el flujo sónico se hace uso de la ecuación 2.8c; donde A, B, C y D son constantes. Los valores de estás se muestran en la tabla A1 del apéndice A.

A

Ln

k

B

Ln

k

C

Ln

k

D

e

Ps









3

2

_*

Para flujos reales en tubería desde un origen a una presión y temperatura dada, el caudal real será menor que en la predicción adiabática y mayor que la predicción isotérmica. El modelo adiabático siempre predecirá un flujo mayor que el real.

2.1.4.3 Descarga a dos fases

El flujo de dos fases generalmente requiere un área de alivio más grande en comparación con el venteo de vapor únicamente. Cuando se descarga a la presión atmosférica, cualquier líquido presurizado por encima de su punto normal de ebullición se iniciará una vaporización súbita y tendrá como resultado un flujo a dos fases. Un flujo a dos fases también es probable que ocurra por una despresurización del espacio de vapor por encima de un líquido volátil, especialmente si el líquido es viscoso (por ejemplo, más de 500 cP) o tiene una tendencia a formar espuma.

Los flujos de dos fases, se clasifican como reactivo o no reactivo. El caso reactivo es típico de relevos de emergencia de reacciones químicas exotérmicas. El caso no reactivo supone la vaporización súbita de los líquidos, conforme se liberan de contención. El liquido puede estar almacenado bajo su propia presión de vapor o puede estar subenfirado, en tal caso, el flujo descargado es estrangulado desde su presión de vapor de saturación a la temperatura ambiente, ambas situaciones se consideran por la siguiente expresión:

N

G

G

A

m







m es el flujo másico descargado a dos fases (masa/tiempo) A es el área de la aprobación de la gestión (longitud2) GSUB es el flujo másico subenfriado (masa/área-tiempo)

GERM es el flujo másico en equilibrio (masa/área-tiempo)

N es un parámetro de no equilibrio (adimensional).

Para descargas reactivas a dos fases, la descarga es impulsada por la energía que se crea en el fluido debido a la reacción exotérmica, y el análisis de relevo es altamente dependiente del balance de energía en el reactor. Para modelos de consecuencias, el modelo de descarga debe ser seleccionado para maximizar el flujo másico (mientras que en la fase de diseño para alivio a dos fases se debe estimar un area mayor que la requerida para minimizar el flujo masico a través del alivio).

Descarga de tanques expuestos a fuego.

Cuando la descarga es un relevo debido a exposición a fuego en un sistema no reactivo, puede emplearse un método empírico dado por la Asociación de Proteccional Nacional, NFPA, por sus siglas en inglés National Fire Protection Association, donde una suposición clave de estos métodos es el flujo de gas únicamente. Ciertas situaciones de alivio

(por ejemplo, sistemas de reacción) pueden dar lugar a descargas de dos fases que requerirán una mayor área de alivio para la misma protección del tanque, suponiendo que sólo se descarga gas.

Se recomiendan cuatro valores de flujo de calor a través de la pared del tanque basado en el área de superficie mojada de tanques no presurizados. Para LNG(tanques presurizados) considerado en la NFPA 58 el flux de calor esta basado en el área superficial total del tanque en lugar del área superficial mojada, aunque ocurre poca transferencia de calor a través de la porción no mojada. La experiencia indica que este enfoque es satisfactorio para LPG. Sin embargo, el metal solo en contacto con vapor puede calentarse rápidamente bajo condiciones de fuego externo y pierde su fuerza conduciendo a una BLEVE conforme aumenta la presión. Los requerimientos están basados en las siguientes ecuaciones para predecir el flujo de calor:

Q



34

,

500

FA

Donde Qf es el calor de entrada a través de la pared del tanque debido a exposición a fuego externo (BTU/Hr), A es el área

superficial total del tanque (ft2), F es el factor de medio ambiente (adimensional). Para una instalación resistente al fuego, F=0.3. Para un tanque subterráneo o enterrado, F=0.3 Los valores superiores para F no son multiplicativos se combinan sistemas de protección en un lugar. El área, A, en esta ecuación es el área superficial entera del tanque, no el área superficial mojada

La velocidad de descarga de gas de una válvula de relevo, m, es entonces calculada igualando la velocidad de entrada de energía a la velocidad de salida de energía debida a la vaporización. Esto tiene como resultado la siguiente ecuación:

fg

h

Q

m



Donde m es la velocidad de descarga del gas de la válvula de alivio (masa/tiempo), y hfg es el calor latente de vaporización a la presión de relevo (energía/masa).

2.2 Evaporación instantánea y continua

El propósito de modelos de flash y la evaporación es estimar el vapor total o velocidad de vapor que forma una nube como consecuencia de una fuga de líquido o de líquido y gas, para su uso como entrada a modelos de dispersión. Los modelos matemáticos intentan predecir la cantidad de gas o vapor que se desprende de un derrame de líquido en determinadas condiciones de presión, temperatura, velocidad del viento, tipo de suelo, y otras variables. Por tanto, se distinguen varios casos posibles de vaporización de líquidos:

 Líquidos sobrecalentados: son los procedentes de líquidos almacenados bajo presión a temperatura mayor que su temperatura de ebullición normal.

 Líquidos hirvientes: son aquellos procedentes de gases licuados por enfriamiento.

 Líquidos no hirvientes: sustancias liquidas almacenadas a temperatura ambiente.

2.2.1 Evaporación de Líquidos Sobrecalentados

Cuando se produce una pérdida de contención o fuga en un depósito con un gas licuado bajo presión en su interior, si el líquido se almacena por encima de su punto de ebullición normal (sobrecalentado), ocurrirá parcialmente una vaporización súbita cuando se descargue a presión atmosférica. El vapor producido puede introducir una cantidad significativa de líquido como gotas. Algo de este líquido pueden precipitarse en el suelo, y algo puede permanecer suspendido como un aerosol con posible evaporación posterior. El líquido restante en el suelo es probable que forme un charco en ebullición que procederá a evaporarse, resultando en vapor adicional que se carga en el aire. Un ejemplo de una descarga sobrecalentada es una descarga de cloro líquido o amoníaco desde un contenedor presurizado almacenada a temperatura ambiente.

Si el líquido no está sobrecalentado, pero tiene una alta presión de vapor (volátil), las emisiones de vapor surgirán de evaporación superficial de los charcos resultantes. La velocidad de vaporización es proporcional al área superficial del charco y a la presión de vapor del líquido, y puede ser significativa para charcos grandes. Estos modelos son dominados principalmente por efectos de transferencia de masa. El viento y la radiación solar pueden así mismo afectar la velocidad de vaporización. Un ejemplo es una descarga de tolueno líquido, benceno o alcohol.

Para líquidos que salen de un proceso como un chorro, las inestabilidades de flujo pueden causar que este se rompa en gotas antes de que se impacte en el suelo. El tamaño de las gotas resultantes y la velocidad de entrada de aire en el chorro, así como la temperatura inicial del líquido influyen en la velocidad de evaporación de las gotas mientras están suspendidas. El tiempo de trayectoria de las gotas, influencian la fracción de la descarga que se precipita, que se evapora o que permanece en la nube de vapor/aerosol.

2.2.2 Evaporación de Líquidos Hirvientes

Esta situación se produce en la evaporación de derrames de gases licuados por refrigeración (enfriamiento) que se encuentran a su temperatura de ebullición y en la evaporación de derrames procedentes de gases licuados a presión después de la evaporación súbita inicial. La evaporación se produce por la presencia de un líquido que se encuentra a su temperatura de ebullición.

Cuando un líquido es liberado de equipos de proceso, pueden ocurrir varias cosas: Para líquidos fríos depositados sobre sustratos calientes, una ebullición inicialmente grande es seguida por una menor vaporización conforme se enfría el sustrato; finalmente el calor entrante puede ser restringido a convección atmosférica o solar. Los modelos de charcos de líquido son principalmente dominados por efectos de transferencia de calor.

El modelo para una fuga o derrame de un líquido que se evapora está basado en la ecuación de Dispersión Gaussiana de un gas o vapor.

2.2.3 Vaporización súbita:

Para un líquido sobrecalentado descargado a la presión atmosférica la vaporización puede ser estimada considerando que los estados inicial y final de la liberación son los mismos, entonces las entalpias inicial y final son la misma (esto no implica una entalpia constante en el proceso). Para líquidos que son acelerados durante la liberación, tal como en un chorro, un enfoque común es asumir una ruta isoentrópica. Estos cálculos pueden también ser realizados para materiales puros mediante un diagrama de Mollier o datos termodinámicos tabulados. La diferencia en resultados numéricos entre las rutas isoentrópica e isoentálpica es con frecuencia pequeña para muchas situaciones de descarga, pero esto no siempre esta garantizado y depende del compartimiento termodinámico del material.

Una ecuación estándar para predecir la fracción de liquido que se vaporiza súbitamente puede ser derivada suponiendo que el calor sensible contenido dentro del liquido sobrecalentado debido a su temperatura por encima de su punto de ebullición normal es usado para vaporizar una fracción de liquido. Este análisis isoentálpico conduce a la siguiente ecuación para la fracción vaporizada:





h

T

T

C

F





Cp es la capacidad calorífica del líquido, promediada sobre T a Tb (energía / masa grados)

T es la temperatura inicial del líquido (grados)

hFG es el calor latente de vaporización del líquido a Tb (energía / masa)

Fv es la fracción de masa de líquido descargado vaporizado (adimensional)

La fracción de líquido descargado vaporizado (Fv ) es un predictor pobre de la masa total de material en la nube de vapor,

debido a la posible presencia de líquido entrante como gotas (aerosol). Existen dos mecanismos para la formación de aerosoles: mecánico y térmico. El mecanismo mecánico asume que la descarga de líquido ocurre a velocidades suficientemente altas lo que resulta en tensión superficial. Estas tensiones superficiales causan gotas de líquido que se rompen en gotas más pequeñas. El mecanismo térmico asume que el rompimiento es causado por la vaporización del liquido a vapor.

A un menor grado de sobrecalentamiento, la formación mecánica de aerosoles domina y el rompimiento de las gotas frecuentemente depende de la fuerza relativa de las fuerzas de inercia/corte y las fuerzas capilares en la gota. Esta relación es frecuentemente expresada como el numero de Weber, y las gotas más grandes en el chorro tienen un diámetro, d, estimado por el criterio de estabilidad del numero de Weber, We = au2d/, donde contribuyen todos los

efectos de la tensión superficial, , velocidad del jet u, y la densidad del aire, a.

2.2.4 Efecto del arrastre de aerosoles

El arrastre de aerosoles tiene efectos muy significativos en la dispersión de la nube, que incluyen • La nube tendrá una mayor masa total.

• La evaporación de aerosoles puede reducir la temperatura por debajo de la temperatura atmosférica (contribuyendo a una mayor densidad de la nube).

• El enfriamiento de la nube puede causar condensación adicional de la humedad atmosférica (contribuyendo a una mayor densidad de la nube).

En conjunto, estos efectos tienden a aumentar significativamente la densidad real de nubes de vapor que se formó a partir de vaporización en la descarga. La predicción de estos efectos es necesaria para iniciar correctamente los modelos de dispersión. De lo contrario, el peligro potencial de la nube puede ser manifiestamente tergiversado.

Una práctica común para estimar la formación de aerosoles es asumir que la fracción de aerosol es igual a algún múltiplo de la fracción vaporizada típicamente 1 o 2. Este método sugiere que esto puede subestimar significativamente la masa total en la nube por la poca precipitación que ocurre para liberaciones sobrecalentadas, dando fracciones de vaporización por debajo del 10%.

La forma más común para estimar el contenido de aerosol es predecir el tamaño de la gota y de esto la dinámica de asentamiento en la atmosfera. Un enfoque es determinar el tamaño máximo de la gota del observador, mediante el número de Weber de gota critica, típicamente en el rango de 10-20. La velocidad de asentamiento en la atmosfera de una gota dada puede ser estimada de la ley de Stokes. En general, las partículas de tamaño menor que 100 m tienden a actuar como una niebla y permanecen suspendidas por velocidades del viento superiores a aproximadamente 2 m/s si la descarga es de alturas mayores que 1 o 2 m.

2.2.5 Cálculos para determinar la evaporación.

La evaporación de derrames en tierra están mejor definidos que en agua ya que muchos de los derrames ocurren en un dique o en otro sistema de retención que permite que el tamaño del charco sea bien estimado. Los derrames en agua no están limitados y los cálculos son más empíricos. La vaporización de un charco se determina mediante un balance de energía total en el charco:

H

L

m

dt

dT

mC







m es la masa del charco (masa)

Cp es la capacidad calorífica del líquido, promediada sobre T a Tb (energía / masa grados) T es la temperatura del líquido en el charco (grados)

t es el tiempo (tiempo)

H es el flujo de calor total dentro del charco (energía/tiempo) L es el calor de vaporización del líquido (energía / masa) m es la velocidad de evaporación (masa / tiempo)

El flujo de calor, H, es la energía total neta en el charco de la radiación solar, convección y conducción al aire, a través de la tierra y otras fuentes de energía posible, tal como un incendio. Los enfoques de modelado usando Ec. (2.13) se dividen en dos clases: líquidos de baja y alta volatilidad. Líquidos de alta volatilidad son aquellos que tienen puntos de ebullición cercanos o menores que la temperatura ambiente o del suelo.

Para líquidos de alta volatilidad, la velocidad de vaporización del charco es controlada por la transferencia de calor del suelo (por conducción), el aire (tanto por conducción como por convección), el sol (radiación), y otros fuentes de calor de los alrededores tal como un fugo o una flama. El enfriamiento de líquido debido a la rápida vaporización también es importante.

La fase inicial de vaporización generalmente se controla mediante la transferencia de calor desde el suelo. Esto es especialmente cierto para un derrame de líquido con un punto de ebullición normal por debajo de la temperatura ambiente o la temperatura de la tierra (es decir, el líquido hirviendo).

Después de un tiempo, el flujo de calor solar y la transferencia de calor por convección de la atmósfera son importantes. En caso de un derrame dentro de un piso con dique aislado, estos flujos pueden ser las únicas contribuciones de energía. Este enfoque funciona adecuadamente para LNG, y probablemente para etano y etileno pero no para los hidrocarburos pesados (C3 y superiores). Este modelo no considera el efecto de congelamiento de agua en el suelo, que puede alterar el comportamiento de la transferencia de calor.

Para líquidos que tienen un punto de ebullición normal cercano o superior a la temperatura ambiente, el mecanismo limitante es el de difusión. Las velocidades de vaporización para estas situaciones no son tan grandes como para líquidos vaporizando o charcos en ebullición, pero pueden ser significativas si el área del charco es grande.

2.2.5.1 Difusión de un charco.

Un parámetro importante en todos los modelos de evaporación es el área del charco. Si el líquido está contenido dentro de un dique o de otra área limitada físicamente, el área del charco se determina por estos límites físicos si el derrame tiene un volumen lo suficientemente grande como para rellenar el área. Si el charco no esta limitado, entonces se esperara que el charco se propague y crezca en el área como una función del tiempo. El tamaño del charco y su propagación es altamente dependiente del nivel de rugosidad de la superficie del terreno. La mayoría de los modelos asumen una superficie plana y lisa.

Una aproximación es asumir un espesor de líquido constante a lo largo del charco. El área del charco, es entonces, determinada directamente del volumen total del material. El Dow Chemical Exposure Index (AIChE, 1994) utiliza profundidad de charco constante de 1 cm.

Resolviendo las ecuaciones de movimiento y de continuidad para derivar una ecuación para el radio del chaco. Esta ecuación produce un resultado conservador, suponiendo que el derrame es sobre una superficie plana, el crecimiento de la piscina no está restringido, y el crecimiento de la piscina será radial y uniforme desde el punto del derrame. El resultado es

5 1 2 2 3 3

sin

cos

6



_









_

_













Q

g

C

t

r

r es el radio del charco (longitud)

t es el tiempo después del derrame (tiempo)

C es una constante que se desarrolló a partir de datos experimentales, (adimensional) g es la aceleración debida a la gravedad (longitud/tiempo2)

 es la densidad del líquido (masa y volumen)

QAF es el flujo volumétrico de descarga después de la vaporización (volumen/tiempo)

 es la viscosidad del líquido (masa/longitud-tiempo)

 es el ángulo entre la superficie del charco y el eje vertical perpendicular al suelo, (grados)

C, tiene un valor de 2 para un número de Reynolds superior a 25 y un valor de 5 para un número de Reynolds menor o igual a 25.

El número de Reynolds para la difusión de charco está dada por













r

Q

N

2

El ángulo superficial del charco está dado por

1









5

.

0

25

.

0

tan







B



_



Q

r

B

489

.

22



La solución a este modelo es iterativa ya que varios de los parámetros en Ec. (2.14) dependen del valor del radio del charco, que es el resultado deseado.

Las estimaciones de la fracción de aerosoles entrantes en la nube resultante son en su mayoría empíricas o semiempíricas. La mayoría de los modelos de evaporación se basan en la solución de balances de masa y calor dependientes del tiempo. La transferencia de Momentum normalmente se omite. Los modelos de difusión de charcos están basados principalmente en las fuerzas opuestas a la gravedad y resistencia al flujo y típicamente se asume una superficie horizontal y lisa.

2.3 Modelos de dispersión

Una predicción precisa de la dispersión atmosférica de los vapores es el fundamental para la estimación de consecuencias en un CPQRA. Normalmente, los cálculos de dispersión proporcionan un estimado del área afectada y las concentraciones de vapor promedio esperadas.

Los cálculos más simples requieren una estimación de la velocidad de descarga de el gas (o la cantidad total liberada), las condiciones atmosféricas (velocidad del viento, hora del día, cobertura de nubes), la rugosidad de la superficie, temperatura, presión y quizás diámetro de descarga. Se pueden definir tres tipos de comportamiento de nubes de vapor y tres diferentes modos de descargas dependientes del tiempo:

Comportamiento de nube de vapor: • Gas neutral boyante • Gas positivamente boyante

• Gas denso (o negativamente) boyante Duración de la descarga

• Instantánea (puff)

• Liberación continua (plumas)

• Variable en el tiempo continua (time varying)

Los modelos de Gauss describen el comportamiento de gas neutral boyante, descargado en la dirección del viento a la velocidad del viento. Las descargas de gas denso se mezclan y se diluyen con aire fresco conforme el gas viaja en la dirección del viento y finalmente se comporta como una nube neutral boyante. Por tanto, los modelos neutrales boyantes se aproximan al comportamiento de cualquier nube de vapor a cierta distancia de su descarga en la dirección del viento.

La mayoría de los modelos de gas denso tienen una transición interna automática a dispersión Gaussiana neutral cuando los efectos de la densidad comienzan a ser insignificantes, la difusión por gravedad se ralentiza a alguna fracción de la velocidad del viento, o la dispersión gausiana predice mayor crecimiento. Estos modelos pueden utilizarse para cualquier descarga que es inicialmente densa, aun si la fase es de corta duración. Sin embargo, los modelos Gaussianos aplicados a cualquier descarga de gas denso siempre producirán un resultado conservador, es decir, los resultados de las distancias en la dirección del viento, las concentraciones y el área afectada serán mucho más grandes que el resultado real. En algunos casos los resultados Gausianos pueden ser de órdenes de magnitud más grandes.

Un gran número de parámetros afectan a la dispersión de gases. Estos incluyen (1) estabilidad atmosférica (2) velocidad viento (3) efectos locales del terreno (4) altura de la descarga sobre el suelo (5) geometría de la liberación, es decir, d un punto, de una línea, o de un área superficial (6) momentum del material liberado y (7) la boyancia del material liberado.

2.3.1 Estabilidad atmosférica.

Las condiciones meteorológicas en el momento de la descarga tienen una gran influencia sobre el grado de dispersión. Algunos de estos efectos se muestran en la figura de 2.2, donde el comportamiento de la pluma cambia notablemente dependiendo de la estabilidad de la atmósfera, esto es un estimado del mezclado turbulento; las condiciones atmosféricas estables dan lugar a la menor cantidad de mezclado y condiciones inestables.

En elevación En Planta (a) (b) (c) (d) (e)

Figura. 2.2. Efectos de la estabilidad en la dispersión de la pluma (a) inestable (sinuoso, estabilidades clase A,B); (b) Neutral (enconado, estabilidad clase D); (c) Estable (Horizontal, estabilidades clase E,F); (d) Estable (Elevado); (e) Muy estable (fumigado). [Lees loss prev]

La estabilidad comúnmente se define en términos del gradiente vertical de temperatura atmosférica. El gradiente de temperatura vertical se refiere a la distribución vertical de temperatura en la atmosfera. La temperatura generalmente disminuye con el incremento de la altitud debido a que aumenta la distancia de la fuente de calor que es la superficie terrestre.

Sinuoso Enconada Horizontal

Elevada Fumigada Encerrada

--- Gradiente adiabático seco

Gradiente atmosférico Figura 2.3. Condiciones de estabilidad atmosférica asociadas a los diferentes tipos de plumas.

Si a un pequeño volumen de aire se le rastrea en su ascenso vertical en la atmosfera, dicho gas se encuentra con menor presión y por lo tanto se expande y se enfría. Si el aire estuviera seco y el proceso fuese adiabático, entonces la velocidad de decremento de temperatura tendría un valor conocido como gradiente adiabático seco. Aunque dicho proceso no ocurre en la atmosfera, este gradiente provee un patrón de comparación para condiciones reales atmosféricas.

La magnitud del gradiente de temperatura atmosférica es comparado contra el gradiente adiabático, o velocidad de cambio de temperatura con la altura dT/dZ bajo condiciones adiabáticas es aproximadamente de -10ºC/Km (ALR: dT/dZ= -1ºC/100 m), lo cual es la velocidad del de cambio de la temperatura con la altura para una cantidad de aire seco incrementando (ascendiendo) adiabáticamente. En la estabilidad neutral el gradiente es equivalente al ALR. Las condiciones estables refieren a un gradiente menor que el ALR (en última instancia a una temperatura de inversión) y condiciones inestables a uno mayor que el ALR. La mayoria de la gente utiliza las letras de clases de estabilidad Pasquill porque han producido resultados satisfactorios y son fáciles de usar. En CPQRA, la velocidad del viento y la estabilidad deben estimados de registros meteorológicos locales siempre que sea posible. Cuando no se disponen de esos datos de estabilidad, la tabla simple de Pasquill (Tabla 2.2) permite estimar la estabilidad atmosférica de las condiciones locales de luz solar y velocidad del viento.

Figura 2.4 condición adiabática (teórica) y algunas otras condiciones que ocurren en la atmosfera.

La figura 2.4 ilustra en la primera curva una condición adiabática seca. La curva 2 muestra una condición superadiabática que puede resultar de una radiación solar (insolación) o del paso de aire frio sobre una superficie caliente,. Ambas situaciones promueven movimientos por convección del aire y con esto se favorece la inestabilidad. La curva 3 muestra una condición neutral la cual se asocia a cielos nublados y velocidades de moderadas a fuertes. La curva 4 muestra una condición subadiabática la cual favorece condiciones estables de la atmosfera. La curva 5 es para un proceso isotérmico, el cual favorece fuertemente la estabilidad. La curva 6 muestra una condición de inversión que suprime la convección y favorece aun más la estabilidad.

Del párrafo anterior resalta el hecho de que un gradiente mayor al adiabático seco representara condiciones de estabilidad adiabática inestables, mientras que las que resulten menores serán condiciones estables.

Las condiciones atmosféricas normalmente se clasifican en seis clases de estabilidad de Pasquill (denotadas por las letras A a F, donde A representa la condición menos estable mientras F representa la más estable) como se muestra en el cuadro 2.8. Las clases de estabilidad están correlacionadas a la velocidad del viento y la cantidad de luz solar. Durante el día, aumenta la velocidad del viento lo que resulta en una mayor estabilidad atmosférica, mientras que por la noche, sucede lo contrario. Esto es debido a un cambio en el perfil vertical de temperatura del día a la noche.

TABLA 2.2 Condiciones de Meteorológicas definir las clases de estabilidad Pasquill-Gifford (Gifford, 1976)

Velocidad superficial del viento

Radiación solar durante el

día. Cobertura de nubes en la noche

A cualquier hora

(m/s) (mph) Fuerte Moderada ligera Ligeramente nublado> 4/8 nubes bajas ≥3/8 niebla Nublado espeso <2 > 5 A A-B B F F D 2-3 5-7 A-B B C E F D 3-4 7-11 B B-C C D D D 4-6 11-13 C C-D D D D D >6 > 13 C D D D D D

Donde

A Condiciones extremadamente inestable - soleado, vientos ligeros A-B Inestable - como con A solo que menos sol o mas viento

B Moderadamente Inestable - Como con A-B solo que con menos sol o mas viento B-C Moderadamente inestable - moderadamente soleado y moderadamente ventoso C Ligeramente inestable - mucho viento/soleado o nublado/poco viento

C-D Ligeramente inestable - moderadamente soleado y alto viento D Neutral - poco sol y fuerte viento o nublado/noche ventosa

E Condiciones Estables - noche menos nublada y menos ventosa que D F Estable - noche con nubes moderadas y viento ligero-moderado G Muy estable - posible niebla (fog)

A y B son llamadas también condiciones super adiabáticas, corresponden a vientos ligeros con insolación como la observada en una tarde de verano. La categoría C es una condición ligeramente inestable muy similar a A y B con vientos moderados a fuertes. La categoría D es neutra con vientos fuertes durante el día o la noche. Las categorías estables E y F ocurren durante la noche con brisas ligeras de cielos despejados o con baja nubosidad.

La presencia de niebla, smog, llovizna o bruma son indicios de condiciones estables. Bajo estas condiciones el humo de las chimeneas industriales después de perder su calor y su velocidad inicial se rastreara a lo lejos en un plano horizontal, las emisiones de los automóviles y otros vapores permanecerán sobre la superficie aumentando así la concentración de contaminantes. En una atmosfera estable existe poca o nula actividad vertical para el ascenso de humo, polvo y otros contaminantes, los cuales se acumulan en la parte más baja de la atmosfera impidiendo una visibilidad aceptable. En aire inestable cuenta con disipación vertical, la cual dispersa humo, polvo y otros productos de emisión peligrosas. Una buena visibilidad es indicio de condición atmosférica inestable.

2.3.1.1 Capa de inversión

Existen varios tipos de inversión térmica. Uno de estos tipos de inversión es a nivel de superficie terrestre como el mostrado en la curva 6 de la fig 2.3 este caso tiende a ocurrir en noches de cielos despejados y vientos ligeros, en cuyo caso la superficie (suelo) y el aire pierden calor por radiación. Esta condición es igualmente llamada inversión por radiación.

Otro tipo de inversión es la llamada inversión elevada. Cuando una gran masa de aire frio fluye hacia una zona con poca altitud que se encuentre entre valles, esta masa desplaza aire caliente del lugar a una altura que va de los 500 m a 1 Km. La temperatura de aire por lo tano, disminuye de manera normal del nivel de piso hasta alguna altura, supóngase 600 m. cuando el aire frio que se encuentra en la parte inferior de la atmosfera alcanza al aire caliente que se ubica arriba del mismo, la temperatura del aire aumenta con la altura. A esta región de incremento de la temperatura con l altura se le llama capa de inversión. El aire contaminado denso y frio que se encuentre debajo de esa capa no podrá ascender o elevarse; a capa de inversión actúa como una especie de pared o tapa, con la consecuente presencia de contaminantes a niveles elevados.

2.3.1.2 Turbulencia

El flujo de aire es un movimiento en dirección horizontal que se caracteriza por ser un flujo laminar. Cuando se presentan las condiciones necesarias para deshacerlo se causa turbulencia, dichas condiciones son:

 Efectos fricciónales, los cuales pueden producirse por irregularidades topograficas (montañas, cerros o superficies de piso irregular) o por barreras artificiales (construcciones y chimeneas industriales, entre otros).

 Cambios térmicos, los cuales se producen cuando la superficie de la tierra es más caliente o mas fría que el aire lo cual resulta en una corriente de aire.

 Masa de aire, son indicadores de un cambio de clima. Los disturbios frontales pueden ser dbiles o fuertes, son muy comunes en algunas áreas y raros en otras.

2.3.2 Velocidad del viento.

La velocidad del viento de es importante ya que cualquier gas emitido será diluido inicialmente por volúmenes de aire transitorios. Conforme se incrementa la velocidad del viento, el material es llevado en la dirección del viento mas rápidamente, pero el material es así mismo diluido más rápida por una mayor cantidad de aire. Importantes variaciones locales en la velocidad del viento y en la dirección son posibles debidas a los efectos del terreno aun sobre distancias de unas pocas millas. Deben recopilarse datos en el sitio.

El viento es una magnitud vectorial y como tal debe caracterizarse por dos cantidades escalares: la dirección y la velocidad. La dirección del viento se puede medir en grados sexagesimales tomando como referencia el meridiano geográfico de la estación; se miden los ángulos a partir del norte geográfico y en el sentido de las manecillas del reloj. La velocidad y dirección del viento a menudo se presentan en forma de una rosa de los vientos. Esta muestra los patrones del viento en una localización particular. La rosa de los vientos es usualmente presentada en forma de brújula con cada brazo representando la frecuencia del viento desde esa dirección.

Cuando la temperatura desciende, tienden a reunirse las partículas de aire ejerciendo lógicamente mayor presión que cuando la temperatura es alta y las partículas se hayan dispersas. Al haber diferente temperatura y presión entre dos lugares, se origina el viento, que puede definirse como: el aire en movimiento horizontal, es decir, con curso paralelo a la superficie de la tierra.

En las zonas de mayor presión se presenta una densidad superior y debido a esto sus partículas buscan un camino más libre en el medio que las rodea, por tanto, el viento siempre se dirige de una zona de alta presión a una de baja. En base a los elementos termodinámicos del clima (temperatura, presión y vientos) activados por la insolación (cantidad de energía solar absorbida por la superficie de la corteza terrestre), se ha formulado un modelo de circulación atmosférica. Tomando en consideración que los rayos solares inciden en la tierra con diferente inclinación, se dividió a la misma en franjas de diferentes temperaturas y por lo tanto diferente presión. De ahí que se entienda por circulación general de la atmosfera como el movimiento que siguen las masas de aire en función de la distribución de franjas regulares de alta y baja presión, como modelo teórico.

Para comprender la dinámica del aire se parte de la idea de que los vientos se dirigen de zonas de alta presión a las de baja presión. Se parte de la zona ecuatorial en donde el aire asciende hasta cierto límite a causa del paulatino descenso de la temperatura. Al llegar a este punto cambia su movimiento convectivo ascendente a movimiento advectivo.

 Movimiento convectivo de aire: movimientos prerpendiculares, ya sea en ascenso o descenso.

 Moviendo advectivo del aire: movimientos paralelos al plano de referencia hacia la derecha o hacia la izquierda.

Al llegar aproximadamente a los 30º de latitud (es la distancia en grados desde el Ecuador a un punto de la superficie terrestre, se mide a lo largo de los meridianos; el Ecuador se considera que esta a 0º de latitud y desde el Ecuador a cada uno de los polos hay 90º de latitud norte o sur según el hemisferio), las masas de aire descienden debido a las características de presión. Ya en superficie una parte se encauza hacia la región de baja presión ecuatorial, cerrando un circuito y otra parte a la región de ala presión subpolar.

Además el movimiento de rotación del planeta, hace que en el hemisferio norte los vientos se desvíen hacia la derecha y en el hemisferio sur hacia la izquierda, porque las masas de aire se desalojan en sentido contrario al movimiento de la tierra.

En ingeniería es común encontrar la clasificación de viento en dominantes y reinantes. Los dominantes, se refieren a los vientos más fuertes en velocidad que se presentan en una zona, independientemente de la dirección que estos lleves; los reinantes refieren a los vientos cuya dirección es más frecuente en la zona independientemente de su velocidad.

Normalmente, se citan datos de viento sobre una base de 10 m de altura. Las velocidades del viento se reducen sustancialmente dentro de unos pocos metros de terreno debido a los efectos de fricción. Como muchas descargas de materiales densos permanecen cerca del nivel del suelo, datos del viento deben corregirse de 10 m hacia la adecuada para la liberación real. Una ecuación para el perfil de la velocidad de viento se da para los perfiles de viento estable y neutral-cercano:

_















L

z

z

z

In

k

u

u

5

.

4

1

u es la velocidad del viento (m/s)

u*es la constante de velocidad de fricción que es empíricamente derivada (m/s) k es la constante de von Karman, con un valor de 0,41

z es la altura (m)

z0 es el parámetro de longitud de la rugosidad superficial (m)

L es la longitud de Monin-Obukhov (m)

La velocidad de fricción, u* es una medida de la tensión de rozamiento ejercida por la superficie del suelo sobre las corrientes atmosféricas. Es igual a aproximadamente el 10% de la velocidad del viento a una altura de 10 metros. La fracción aumenta a medida que aumenta la rugosidad de la superficie o conforme la capa límite se vuelve más inestable. La longitud de Monin-Obukhov, L, es positiva durante condiciones estables (noche) y es negativa durante las condiciones inestables (día). Está definida por

_

_

T

H

g

u

L

41

.

0



Donde g es la aceleración debida a la gravedad (m/s2), T es la temperatura absoluta (K), y H es el flujo de calor en la superficie (J/m2). Valores para la longitud, L, son dados en la Tabla 2.3.

Tabla 2.3 Relacion entre la longitud de Monin-Obukhov, L, y otras condiciones de Estabilidad meteorologicas. (AIChE/CCPS, 1996)

Descripcion Tiempo y clima Velocidad del viento, u

Longitud de Monin-Obukhov, L

Clase de Estabilidad Pasquill-Guifford

Muy estable Noche clara < 3 m/s 10 m F

Estable 2-4 m/s 50 m E

Neutral Nublado o Ventoso Cualquiera > [100m] D

Inestable 2-6 m/s -50 m B o C

Si el segundo termino en la Ec. (2.19) que contiene la longitud de Monin-Obukov se establece en cero, entonces una simple y bien conocida relación es obtenida, ley de poder (API, 1996):

_













1

z

z

In

k

u

u

La ecuación (2.21) se puede simplificar aún más a una relación de ley de poder si la velocidad es comparada con una velocidad en una altura fija:

p z

z

u

u















10

Donde p es un coeficiente de poder (adimensional), función de la estabilidad atmosférica y la rugosidad de la superficie. Valores típicos son dados en la Tabla 2.4.

Tabla 2.4. Factor de corrección de la velocidad del viento para la ecuación 2.22 Clase de estabilidad

Pasquill-Guifford

Coeficiente atmosférico de la ley de poder

Urbano Rural A 0.15 0.07 B 0.15 0.07 C 0.2 0.1 D 0.25 0.15 E 0.4 0.35 F 0.6 0.55

2.3.3 Efectos locales del terreno.

Las características del terreno afectan el mezclado mecánico del aire que fluye sobre el suelo. Por lo tanto, la dispersión sobre un lago es considerablemente diferente de la dispersión en un bosque o en una ciudad de altos edificios. La mayoría de los datos de campo y prueba de dispersión son en terrenos planos y rurales.

Valores observados para la rugosidad de la superficie, Z0, se muestran en la tabla A2. Se recomienda que la longitud de

rugosidad de la superficie para refinerías grandes sea fijada como 1 m y para refinerías pequeñas en 0,5 m.

2.3.4 Altura de la descarga sobre el suelo.

La figura 2.5 muestra el efecto de la altura en las concentraciones empopadas debido a un lanzamiento. A medida que

aumenta la altura de descarga, la concentración a nivel de suelo, disminuye ya que la pluma resultante tiene más distancia para mezclarse con aire fresco antes de tocar suelo. Nótese que la altura de lanzamiento sólo afecta a la concentración a nivel de suelo. la concentración inmediatamente en la dirección del viento a la altura de la descarga permanece sin cambio.

2.3.5 Geometría de la descarga.

Una descarga ideal para un modelo de dispersión Gaussiano seria de un punto fijo. Descargas reales son más propensas a presentarse como una liberación en línea (a partir de un chorro de material escapando), o como un área (de un charco de liquido en ebullición).

Figura 2.5 Efecto de la altura de la descarga en la concentración a nivel de suelo.

2.3.6 Momentum y Boyancia del material liberado.

Una pluma de gas denso típica es mostrada en la Figura 2.6 Los gases densos pueden ser también liberados de un venteo elevado. Tales descargas presentan una combinación de comportamiento de denso y Gausiano, inicialmente la pluma asciende debido al momentum, seguido por una inclinación y hundimiento de la pluma debido a los efectos de gas denso. Lejos de la descarga, en la dirección del viento, debido al mezclado con aire fresco, la pluma se comportara como una nube neutral boyante.

Figura 2.6 La aceleración y boyancia iniciales del material liberado afecta el comportamiento de la pluma. La liberación muestra la liberación de un gas denso que exhibe un caída seguida por una dispersión a un estado boyante neutral. Puesto que la mayoría de las descargas son en forma de jet en lugar de una pluma, es importante evaluar los efectos del momentum inicial y la entrada de aire en el comportamiento de un chorro. Cerca de su punto de liberación donde la velocidad del jet difiere bastante de la velocidad del viento, un jet entra en el aire ambiental debido al corte (diferencia de velocidad), crece en tamaño y se vuelve diluido.

Para un jet simple (boyancia neutral), su momentum moviéndose hacia arriba permanece constante mientras que su masa se incrementa. Por lo tano, si es liberado verticalmente, las fuerzas de arrastre aumentan conforme el área superficial se incrementa y finalmente domina el momentum horizontal. El resultado es que el jet comienza a inclinarse a

Conforme aumenta la altura de la liberación, esta distancia incrementa. El incremento de la distancia permite una mayor dispersión menor concentración a nivel de suelo.