COMBUSTIÓN Tipos de accidentes con combustibles. FUEGOS Y EXPLOSIONES

1. TEMA 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) • COMBUSTIÓN • Tipos de accidentes con combustibles. • FUEGOS Y EXPLOSIONES • Características de inflamabilidad • Vapor cloud explosion (VCE) • Boiling liquid expanding-vapor explosion (BLEVE) • TOXICIDAD • Indicadores de efectos tóxicos a corto y a largo plazo • IDENTIFICACIÓN Y EVALUACIÓN DE RIESGOS • Estudios HAZOP • Material Safety Data Sheets (MSDS) • DOCUMENTACIÓN SOBRE SEGURIDAD Y SALUD Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 1

2. COMBUSTIÓN -ΔHC0 para formar H2O (l) -ΔHC0 para formar H2O (v) • COMBUSTIÓN: Es una reacción muy rápida de oxidación de un combustible, a elevada temperatura. • COMBUSTIBLE (Fuel): • Sólidos: carbón, coke, madera, … • Líquidos: hidrocarburos, petróleo, alquitranes, … • Gases: gas natural, hidrocarburos ligeros, … • OXIDANTE: O2, Cl2, H2O2, … • FUENTE DE IGNICIÓN: chispa, llama, electricidad estática, calor … • Higher Heating Value (HHV): (Poder Calorífico Superior (PCS) • Lower Heating Value (LHV): (Poder Calorífico Superior (PCS) • HHV = LHV + n ΔHV (H2O, 25) • n: nº de moles formados de H2O/mol combustible quemado • Caracterización de combustibles según su poder calorífico. Para combustibles que son mezclas de sustancias: • HV = Σ xi (HV) Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 2

3. COMBUSTIÓN. TEMPERATURA ADIABÁTICA DE LLAMA (TAD) • TAD: Temperatura que alcanzan los productos de una reacción de combustión realizada en un reactor adiabático. • Cálculo de TAD: • Cambio de entalpía (ΔH) para reacción de combustión completa de ńCOMB moles/s de combustible: • Para el proceso adiabático (ΔH = 0 ): • TAD es MÁXIMA para proporciones estequiométricas de reactantes. Si la mezcla es rica (combustible en exceso) o pobre (O2 en exceso) el valor de TAD disminuye. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 3

4. TIPOS DE ACCIDENTES CON COMBUSTIBLES • Fuegos, explosiones y liberación y dispersión de sustancias tóxicas son los tres peligros más frecuentes en las operaciones en plantas químicas, en el almacenamiento y en el transporte (carga/descarga) de materiales peligrosos. PRINCIPALES PELIGROS EN PLANTAS QUÍMICAS TIPO DE DISPERSIÓN ACCIDENTE FUEGO EXPLOSIÓN SUSTANCIAS TÓXICAS Probabilidad de Alta Intermedia Baja que suceda Potencial de Baja Intermedia Alta mortalidad Potencial de Intermedia Alta Ba ja pérdidas económicas Ejemplo de Sandoz, Flixborough, Bhopal, India, accidente Basilea, 1988 UK, 1974 1984 Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 4

5. CAUSAS DE ACCIDENTES CON COMBUSTIBLES Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 5

6. ESTADÍSTICAS DE ACCIDENTES OSHA INCIDENT RATE: lesiones y muertes (dias trabajo perdidos / 200.000 h exposición FATAL ACCIDENT RATE: muertos / 108 h exposición FATALITY RATE: muertos /año·población con riesgo Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 6

7. FUEGOS Y EXPLOSIONES • Peligro de fuego y explosión existe siempre que estén presentes combustibles, oxidantes y fuentes de ignición. Sólo desaparece el peligrosi en el medio no existe alguno de estos componentes (o está presente en una cantidad demasiado baja). • La principal diferencia entre FUEGO y EXPLOSIÓN es la velocidad de liberación de energía. El FUEGOlibera energía lentamente mientras que la EXPLOSIÓN lo hace muy rápidamente (típicamente, microsegundos). • El peligro producido por un material inflamable y sus posibilidades de producir fuego y explosión depende de diversos factores o características de inflamabilidad: su temperatura de autoignición, su flashpoint, sus límites de inflamabilidad, la energía liberada en la combustión, etc. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 7

8. FUEGOS Y EXPLOSIONES aTLV: Theshold limit value bSimple asphysiant; value shown is 10% of LFL cSuspected carcinogen; exposures should be carefully controlled to levels as low as reasonably achievable below TLV Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 8

9. FUEGOS Y EXPLOSIONES. IGNICIÓN • IGNICIÓN: Si la temperatura de una mezcla combustible excede de un cierto valor (temperatura de ignición), tras un corto período de tiempo adicional (retraso de ignición, típico entre 0,1-10 s), se produce la ignición de la mezcla, con un aumento extremadamente rápido de la velocidad y la temperatura de reacción. • TEMPERATURA DE AUTOIGNICIÓN (TAUT) de un combustible: Valor más bajo de la temperatura a la cual se puede producir su ignición. A esta temperatura el material se enciende espontáneamente en aire. • Por encima de la temperatura de autoignición la zona de reacción se expande a otras áreas con mezclas de fuel y oxidante apropiadas. • FLASH POINTde un líquido: Temperatura a la cual el líquido suministra vapor suficiente para formar con el aire que está sobre su superficie una mezcla que puede tener ignición y explosión. (Temperatura a la cual el vapor en equilibrio con la atmósfera está a LFL). • Valores bajos indican un potencial problema de inflamabilidad. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 9

10. FUEGOS Y EXPLOSIONES. INFLAMABILIDAD • Ejemplo: Gas Natural en aire: LFL = 5% ; UFL = 15% (v) • CH4 + 2 O2 + (79/21) 2 N2 CO2 + 2 H2O + (79/21) 2 N2 • Para prop. esteq.: 1 CH4 / 1 CH4 + [2 + (79/21) 2] aire = 9,5 % • INFLAMABILIDADde una mezcla combustible: Hay dos valores (inferior y superior) de la concentración de un fuel en aire, en c. n. de P y T, que marcan los límites de ignición y de propagación de una llama en la mezcla de reacción. • Lower flammability (or explosive) limit (LFL),(LEL): conc. mínima de fuel que producirá combustión. Por debajo de LFL la mezcla es demasiado pobre en fuel para quemarse. • Upper flammability (explosive)limit (UFL),(UEL): conc. máxima de fuel que producirá combustión. Por encima de UFL la mezcla es demasiado rica en fuel para quemarse. • Una mezcla combustible cuya composición esté fuera de esos límites no tiene ignición, incluso si está expuesta a una llama o chispa (no propagación de la llama ni explosión de la mezcla). Dentro de esos límites puede haber fuego y explosión. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 10

11. FUEGOS Y EXPLOSIONES • EXPLOSIONES: Son combustiones muy rápidas en las que se forman ondas de presión. La combustión crea un aumento grande en T, lo que induce un fuerte aumento local de P. El pulso de presión creado, que se denomina shock wave (onda de choque), camina por el gas, lo comprime e igniciona (explosión). • Deflagración: Si la velocidad de la onda de choque es menor que la velocidad del sonido. • Detonación: Si la velocidad de la onda de choque es mayor que la velocidad del sonido. • Son especialmente graves cuando la ignición tiene lugar en recintos total o parcialmente cerrados. • VAPOR CLOUD EXPLOSION (VCE): Mezclas gaseosas inflamables o polvo de material combustible presente en aire pueden formar nubes, parte de las cuales pueden caer dentro de los límites de inflamabilidad. Si hay ignición la deflagración producirá ondas de choque. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 11

12. FUEGOS Y EXPLOSIONES • Boiling liquid expanding-vapor explosion (BLEVE): • Supóngase un fuego en las proximidades de un tanque de almacenamiento (p.e., por un escape de vapores). Debido al fuego se calienta el interior y se debilitan las paredes. Llegado a un punto, el tanque no soporta la presión interna, se produce ruptura completa y explosión (frecuentemente lanzando fragmentos en todas las direcciones). A este tipo de explosión se le denomina BLEVE. • Normalmente el líquido se almacena por encima de su punto de ebullición ambiente. Cuando repentinamente se pone en contacto con el exterior (ruptura del tanque) la rápida liberación y expansión del vaporpuede producir una onda de choque masiva. Cuando el BLEVE es de una sustancia inflamable la nube resultante puede explotar (VCE). Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 12

13. TOXICIDAD • PELIGROS DE LAS SUSTANCIAS QUÍMICAS • Toxicidad intrínseca • Frecuencia y duración de la exposición • TOXICIDAD INTRÍNSECA: INDICADORES DE TOXICIDAD LD50 y LC50 se utilizan habitualmente como indicadores de toxicidad de las sustancias. • LD50: DOSIS LETAL: dosis letal a la cual muere el 50% de los animales utilizados en el test. Se expresa en mg de sustancia/ kg. • LC50: CONCENTRACIÓN LETAL: concentración, en ppm, que produce el mismo efecto que LD50 considerando un período de 4 horas. • Es costumbre usar tres valores, LD50-oral, LD50-dermal y LC50-inhalation, que determinan el efecto de una sustancia química por ingestión, contacto con la piel e inhalación. • Además de tablas con valores de LD50 y LC50 existen listas que designan las sustancias químicas como cancerígenas, mutagénicas y tóxicas para la fertilidad. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 13

14. TOXICIDAD Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 14

15. TOXICIDAD Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 15

16. TOXICIDAD FRECUENCIA Y DURACIÓN DE LA EXPOSICIÓN: INDICADORES DE EXPOSICIÓN • Long-term (chronic): indicadores de efectos tóxicos en un trabajador tras exposiciones de 8 h/día de trabajo (valores promediados). • TLV (Threshold limit value): concentración a la que se cree que puede estar expuesto un trabajador (día a día, 8 h/día, 5 días/ semana) sin sufrir daño. • PEL (Permissible exposure limit (ppm)): valor límite permisible promediado sobre 8 h de exposición. • REL: recommended exposure limit • Short-term (acute) effects (STEL): indicadores de efectos a exposiciones más cortas (n. a 15-30 min) y mayores concentraciones • TLV-STEL: conc. a la que puede estar expuesto un trabajador durante 15 min, máximo 4 veces/día con 1 h mínimo entre exposiciones, sin sufrir daño. • TLV-C (Ceiling concentration (instantánea)): concentración que no resulta segura incluso para una exposición instantánea. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 16

17. EVALUACIÓN DE RIESGOS ETAPAS A CONSIDERAR EN UN DISEÑO SEGURO DE UNA PLANTA QUÍMICA • PREVENCIÓN DE FUEGOS Y EXPLOSIONES. (CONTROL DE PELIGROS) • Inertización • Minimizar electricidad estática (chispa) • Ventilación de la planta • Instalación de sprinklers, … • Instalación de equipo e instrumentación a prueba de explosiones • Control del proceso: Buen diseño, provisión de sistemas automáticos de control, alarmas, disparos automáticos, trips, … Buenas prácticas de dirección y operación • Limitación de daños: Instalación de instrumentos para liberar la presión (válvulas de seguridad, discos de ruptura, knock-out drums, …) y hacer que los vapores vayan a la atmósfera o a condensadores o a scrubbers o a antorcha, … Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 17

18. EVALUACIÓN DE RIESGOS ETAPAS A CONSIDERAR EN UN DISEÑO SEGURO DE UNA PLANTA QUÍMICA • IDENTIFICACIÓN DE PELIGROS Y EVALUACIÓN DE RIESGOS • Son dos etapas claves en el diseño final de la planta. Incluyen: • Identificación de todas las reacciones, principales y secundarias, especialmente las que producen compuestos explosivos o tóxicos y dan lugar a sobrepresiones. • Evaluación de la resistencia de los materiales de construcción y su velocidad de corrosión. • Identificación de todos los caminos posibles hacia un accidente, en operación normal y con fallos: Estudio HAZOP (Estudio de riesgo y operabilidad). • Creación de un árbol de fallos: cómputo de la probabilidad de que ocurra cualquier potencial accidente. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 18

19. EVALUACIÓN DE RIESGOS ETAPAS A CONSIDERAR EN UN DISEÑO SEGURO DE UNA PLANTA QUÍMICA • MATERIAL SAFETY DATA SHEETS (MSDS) • Son hojas con información sobre propiedades físicas, químicas, toxicológicas, …, (p0, UFL, LFL, flash point, TLV, …), sobre seguridad, riesgos y precauciones para un uso y manejo seguro de los productos químicos. • El diseño de planta debe incluir MSDS de todas las sustancias existentes o posibles en el proceso pues una finalidad primordial de las hojas es la de suministrar a los trabajadores y personal de emergencia el procedimiento de manejo correcto de dichas sustancias. Son también muy útiles si hay derrames u otros accidentes. • Las MSDS son elaboradas por los fabricantes de productos y se mantienen actualizadas por organismos como OSHA (Occupational Safety and Health Agency). Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 19

20. DOCUMENTACIÓN SOBRE SEGURIDAD Y SALUD • (en web asignatura). • TABLA LFL/UFL • Ver archivo titulado “tabla_límites_inflamabilidad” • NORMATIVA SOBRE SEGURIDAD Y SALUD • Ver archivo titulado “documentación_seguridad” • NORMATIVA SOBRE SEÑALES • Ver archivo titulado “Seguridad (Señales)” • DOCUMENTACIÓN SOBRE MSDS • Ver archivo titulado “MSDS_benceno” • Ver página web http://hazard.com/msds/ • Ver página web http://www.ilpi.com/msds/ • ESTUDIOS DE CASOS DE ACCIDENTES • Ver http://www.csb.gov • Ver archivo titulado “accidentes_estudio_casos”. Introducción a la Ingeniería Química UVa - 8: SEGURIDAD, SALUD LABORAL Y MEDIO AMBIENTE (SHE) 20