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Fugas de gas cloro: Estudio de los escenarios usando el software ALOHA
Chlorine gas leaks: Scenario studies using ALOHA software
Vazamentos de g�s cloro: estudos de cen�rio usando o software ALOHA
Natalia Barahona-Alvear I
natalia.barahona@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-6568-0188
Hern�n Tixi-Toapanta II
htixi@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-7468-5319
Henry Garmendia III
labpetroleo2018@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-3832-7418
Correspondencia: natalia.barahona@espoch.edu.ec
Ciencias t�cnicas y aplicadas ���
Art�culo de investigaci�n
*Recibido: 14 de abril de 2021 *Aceptado: 15 de mayo de 2021 * Publicado: 09 de junio de 2021
I. Magister en Gerencia de Instituciones de Salud, Magister Scientiae en Ingenier�a Qu�mica, Doctora en Qu�mica, Escuela Superior Polit�cnica Chimborazo, Sede Orellana, Riobamba, Ecuador.
II. Magister Scientiae en Ingenier�a Qu�mica, Doctor en Qu�mica, Escuela Superior Polit�cnica Chimborazo, Sede Orellana, Riobamba, Ecuador.
III. Ingeniero Qu�mico, Investigador Ciencias B�sicas, Naturales y Aplicadas, Facultad de Ingenier�a, Laboratorio de Petr�leo y Cat�lisis, Universidad de Los Andes, M�rida, Venezuela.
Resumen
Los accidentes relacionados con el gas cloro pueden exponer a trabajadores y comunidad al contacto directo con el gas t�xico, provocando desde una leve irritaci�n en los ojos hasta una intoxicaci�n m�s grave que puede llevar la muerte. Este trabajo tiene el objetivo de estudiar el comportamiento del gas cloro durante una fuga accidental, utilizando el software ALOHA para el modelado de la dispersi�n atmosf�rica de la nube de vapor t�xico. Los resultados proporcionan informaci�n que puede ayudar en la identificaci�n de los riesgos y en la respuesta de emergencia, estimando las posibles consecuencias durante la fuga.
Palabras clave: Cloro; Escape; Simulaci�n.
Abstract
Accidents related to chlorine gas can expose workers and the community to direct contact with the toxic gas, causing from mild eye irritation to more severe poisoning that can lead to death. This work aims to study the behavior of chlorine gas during an accidental release, using ALOHA software for modeling the atmospheric dispersion of the toxic vapor cloud. The results provide information that can help in risk identification and emergency response, estimating the possible consequences during the leak.
Keywords: Chlorine; Leaks; Simulation.
Resumo
Acidentes com o g�s cloro podem expor os trabalhadores e a comunidade ao contato direto com o g�s t�xico, causando leve irrita��o nos olhos a intoxica��es mais graves que podem levar � morte. Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento do g�s cloro durante um vazamento acidental, utilizando o software ALOHA para modelagem da dispers�o atmosf�rica da nuvem de vapor t�xico. Os resultados fornecem informa��es que podem auxiliar na identifica��o de riscos e no atendimento a emerg�ncias, estimando as poss�veis consequ�ncias durante o vazamento.
Palavras-chave: Cloro; Escapar; Simula��o.
Introducci�n
La desinfecci�n del agua tratada con cloro gaseoso sigue siendo una t�cnica com�n para garantizar la producci�n de agua potable segura. El funcionamiento del sistema de cloraci�n es altamente eficiente que proporciona un 100% de desinfecci�n y de muy bajo costo operativo. Un sistema t�pico de cloraci�n se basa en un sistema eyector que extrae producto de cloro de un cilindro se pone en contacto con el agua a tratar. Sin embargo, las preocupaciones de seguridad contin�an con el uso de cloro gaseoso, y las normativas, estatales y locales requieren que los operadores de las plantas preparen planes de seguridad, emergencia y respuesta que se actualicen peri�dicamente.
Otro uso que se le da al cloro gaseoso es en las industrias de producci�n de PVC (Policloruro de vinilo), los riesgos qu�micos pueden estar asociados al uso de gas cloro, ya que este compuesto est� presente en el 57% del mon�mero cloruro de vinilo y presenta alta toxicidad pudiendo ocasionar varios da�os irreversibles al ser humano y al ambiente afectado.
El cloro gaseoso proviene o se sintetizan por el proceso de Cloro-Soda. Venezuela cuenta con una planta de esta en el complejo petroqu�mico El Tablazo. Por este motivo, el procesamiento cada vez mayor y m�s complejo de productos qu�micos peligrosos en las industrias de procesos qu�micos es un peligro potencial para el p�blico y el medio ambiente. Los accidentes en la industria de procesos pueden ocurrir debido a fallas en el equipo de proceso, errores operacionales y errores humanos o debido a interrupciones externas como desastres naturales. Aunque se han realizado esfuerzos considerables para prevenir accidentes industriales, todav�a se repiten accidentes en las industrias de procesos qu�micos (Khan y col.1998; Horng y col. 2005 y Georgiadou y col. 2007). Por lo tanto, adem�s de las medidas preventivas, tambi�n se requieren medidas espec�ficas de gesti�n de emergencias para reducir las consecuencias de los accidentes asociados con riesgos industriales.
Las medidas preventivas son el enfoque m�s significativo para avanzar la seguridad en las actividades industriales, al mismo tiempo, las medidas de gesti�n de emergencias tambi�n son importantes. La gesti�n de emergencias se refiere al despliegue de la ciencia, la tecnolog�a, la planificaci�n y la gesti�n para tratar los eventos extremos, el da�o a la propiedad y la vida comunitaria (Ainuddin y col. 2012). Por lo tanto, las autoridades de emergencia involucradas deben prepararse y estar preparadas en todo momento para enfrentar cualquier situaci�n de emergencia. Para alcanzar este estado de preparaci�n, se debe proporcionar capacitaci�n sistem�tica al personal involucrado en el plan de respuesta de emergencia (ERP). El desarrollo de un ERP bien definido y adecuado requiere una revisi�n sistem�tica de los peligros asociados con las instalaciones de la planta y sus consecuencias. Los peores escenarios se usan generalmente en la evaluaci�n de la consecuencia para analizar el peligro m�s grave que podr�a ocurrir en una planta de proceso (Cheng� 2008).
Los estudios de an�lisis de riesgos, de consecuencia y de vulnerabilidad de la dispersi�n de vapores t�xicos de gas cloro en forma de nubes son de gran importancia, pues permite el modelado del accidente identificando �reas de riesgo y el comportamiento de la dispersi�n (Pandya y col. 2012). En general, el tama�o de la zona de disipaci�n depende de la cantidad de material liberado, de la densidad, la volatilidad y las condiciones atmosf�ricas. De esta manera adem�s de la influencia de la cantidad liberada y tasa de liberaci�n, se deben considerar las condiciones y par�metros atmosf�ricos relevantes para la disipaci�n de las nubes de vapor t�xico (Kramer 2010).
Durante los �ltimos a�os, los investigadores han estado evaluando el poder que tiene la simulaci�n de modelos de consecuencias por herramientas computacionales para la estimaci�n en tiempo real de una emergencia. Hay varios programas de modelado de consecuencias disponibles, como ALOHA, SLAB, PHAST, SAFETI, DEGADIS, BREEZE HAZARD e HYSIS (Hendershot 2006), que est�n teniendo una aceptaci�n creciente en la preparaci�n de ERP. Se han reportado varios estudios de que un ERP efectivo es necesario para la industria de procesos con el fin de reducir las consecuencias de los accidentes asociados con las actividades industriales (Massa y col., 2014). Aunque muchos autores han informado que los simulacros son inevitables para ERP para probar la efectividad, solo unos pocos autores han explicado las secuencias de acci�n tomadas durante la simulaci�n de simulacro, que es muy esencial para comprender las diversas medidas de seguridad para incorporarlas en futuras investigaciones. Los procedimientos de planificaci�n bien entendidos y ampliamente deducidos y aceptados son los factores clave en el ERP para proteger la vida humana, la propiedad y el medio ambiente. Se ha notado que el plan de emergencia en el sitio se est� haciendo con elementos discretos y existe la necesidad de desarrollar un ERP estructurado uniforme en el lugar para la planta de estudio caso Fuga de Cloro.
Algunas herramientas computacionales pueden ayudar en el estudio del comportamiento de la dispersi�n atmosf�rica de vapor. El modelado de fugas puede ser estudiado de forma m�s detallada con la ayuda de software ALOHA (Area Location of Hazardous atmospheres), desarrollado por la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). ALOHA puede auxiliar en la planificaci�n y entrenamiento en situaciones de emergencia, con capacidad para evaluar los peligros de liberaci�n de sustancias t�xicas e inflamables, donde se estima la distancia a que una determinada concentraci�n de inter�s puede alcanzar en funci�n del escenario accidental y tambi�n estima la radiaci�n t�rmica en los casos de incendio y explosiones (Cardoso y col. 2012).
Este art�culo ilustra el desarrollo de una simulaci�n de fuga de cloro gaseoso usando la herramienta computacional ALOHA.
Metodolog�a
En el estudio del comportamiento de la dispersi�n atmosf�rica del vapor formado durante la fuga de cloro, se tomaron en consideraci�n las condiciones atmosf�ricas como la velocidad del viento y la humedad del aire, adem�s de la temperatura e intensidad de la radiaci�n t�rmica. Se adopt� la clasificaci�n seg�n Pasquill (1961), donde los escenarios 1,2 y 5 representan a la clase A y los escenarios 3, 4 y 6 a la clase D. Las clases A y D fueron elegidas por representar las condiciones clim�ticas de la regi�n El Vallecito donde se Ubica la Planta Potabilizadora Dr. Enrique Bourg�in, M�rida- Venezuela, regi�n elegida debido a la presencia del tratamiento de agua potable que necesita de gas cloro como materia prima.
La dispersi�n de una nube de vapor contaminante en el aire depende fuertemente de c�mo las condiciones atmosf�ricas interact�an con el vapor formado, pues la orientaci�n de la dispersi�n ser� trazada por la misma orientaci�n del viento en el momento de la fuga. En la Tabla 1 se relacionan los principales datos de entrada en el software ALOHA.
Tabla 1: Datos de entrada en el software ALOHA
Datos de Entrada |
Escenario |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Velocidad del Viento (m/s) |
2,5 |
2,5 |
10 |
10 |
2,5 |
10 |
Temperatura (⁰C) |
25 |
25 |
15 |
15 |
25 |
15 |
Humedad (%) |
65 |
65 |
98 |
98 |
65 |
98 |
Condiciones Clim�ticas |
Parcialmente nublado |
Nublado |
Lluvioso y fr�o |
Lluvioso y fr�o |
Nublado |
Lluvioso |
Masa del Producto Tanque (kg) |
1000 |
1000 |
1000 |
1000 |
600 |
600 |
Altura del Orificio de Escape (m) |
0,5 |
0,1 |
0,5 |
0,1 |
0,5 |
0,1 |
Adem�s de las condiciones clim�ticas en el instante de la fuga, la dispersi�n de la nube de vapor tambi�n depende de las dimensiones y ubicaci�n de la ruptura en el tanque por donde ocurre la fuga. Se consider� que el gas cloro est� almacenado en un tanque de acero carbono en la fase l�quida a temperatura ambiente sobre el efecto de alta presi�n, alrededor de 6 atm. El tanque tiene un di�metro exterior de 1 m y una longitud de 1,22 m y est� situado junto al suelo de la industria al aire libre. La fuga de gas se produce a trav�s de un orificio de 0,05 m en el tanque. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de estos cilindros de 1000 Kg.
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Figura 1: Cilindros de cloro usado en la potabilizaci�n de agua 1000 kg.
A partir de la etapa de caracterizaci�n de la instalaci�n de cloro, se establecieron los escenarios hipot�ticos de accidentes con el agente qu�mico estudiado. Los escenarios son similares, con variaci�n s�lo de los fen�menos asociados a la fuga y las condiciones clim�ticas.
1. Uso de la herramienta computacional ALOHA.
El programa ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) fue desarrollado por la EPA (Enviromental Protection Agency) y la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). La tabla 2 se muestra los pasos utilizados para modelar el caso de estudio de fuga de cloro gaseoso. El an�lisis cuantitativo y cualitativo de las condiciones de la fuga fue realizado por los modelos de dispersi�n gaussiana usando el software ALOHA. El software utiliza el modelo de dispersi�n Gaussiano desarrollado por Palazzi (Palazzi y col. 1982). Que describe el comportamiento de liberaci�n del estado estacionario de corta duraci�n (Ver Tabla 3).
Este programa trabaja con los niveles de preocupaci�n (LOC iniciales en ingl�s Level of Concern) que representa un �rea que define las condiciones peligrosas y no peligrosas. El LOC para un escenario dado puede ser alguno de los siguientes �ndices:
� IDLH
� AEGL
� ERPG
� TEEL
O puede estar definido especialmente por un usuario calificado para establecer alg�n tipo de �ndice o umbral de preocupaci�n para una sustancia qu�mica dada. Para la simulaci�n llevada a cabo se utiliza los niveles de exposici�n aguda AEGL en siglas ingl�s. A continuaci�n se define este t�rmino:
AEGL (Acute Guideline Levels o gu�a de niveles de exposici�n aguda)
Los AEGL representan el umbral l�mite de exposici�n para la poblaci�n y son aplicables a emergencias para periodos de exposici�n desde 10 minutos a 8 horas. Los valores de AEGL-1, AEGL-2 y AEGL-3 ser�n definidos para uno de los cinco periodos de tiempo (10 y 30 min., 1 h., 4 h., y 8 h.) y se distinguir�n por distintos grados de toxicidad. Se cree que los niveles de exposici�n recomendados son aplicables a la poblaci�n incluyendo ni�os y otros individuos que puedan ser susceptibles. Los tres AEGLs han sido definidos como:
AEGL-1
Concentraci�n a/o por encima de la cual se predice que la poblaci�n general, incluyendo individuos susceptibles pero excluyendo los hipersusceptibles, puede experimentar una incomodidad notable. Concentraciones por debajo del AEGL 1 representan niveles de exposici�n que producen ligero olor, sabor u otra irritaci�n sensorial leve.
AEGL-2
Concentraci�n a/o por encima de la cual se predice que la poblaci�n general, incluyendo individuos susceptibles pero excluyendo los hipersusceptibles, puede experimentar efectos a largo plazo serios o irreversibles o ver impedida su capacidad para escapar. Concentraciones por debajo del AEGL 2 pero por encima del AEGL 1 representan niveles de exposici�n que pueden causar notable malestar.
AEGL-3
Es la concentraci�n a/o por encima de la cual se predice que la poblaci�n general, incluyendo individuos susceptibles pero excluyendo los hipersusceptibles, podr�a experimentar efectos amenazantes para la vida o la muerte. Concentraciones por debajo de AEGL 3 pero por encima de AEGL 2 representan niveles de exposici�n que pueden causar efectos a largo plazo, serios o irreversibles o impedir la capacidad de escapar.
2. Peligros para la salud del cloro
El gas cloro es principalmente un irritante respiratorio. A bajas concentraciones, el gas cloro tiene un olor similar al de la lej�a dom�stica. A medida que las concentraciones aumentan desde el nivel de detecci�n por el olor, tambi�n lo hacen los s�ntomas en el individuo expuesto. Dependiendo del nivel de exposici�n al cloro, los efectos pueden agravarse durante varios d�as despu�s del incidente. Las observaciones de los individuos expuestos deben considerarse parte del programa de respuesta m�dica.
La siguiente lista es una recopilaci�n de los umbrales potenciales de exposici�n al cloro y las posibles respuestas en los seres humanos, con una considerable variaci�n entre los sujetos:
Umbrales, l�mites y directrices de exposici�n al cloro (ppm)
0,2 - 0,4 Umbral de olor (la percepci�n del olor disminuye con el tiempo) |
< 0.5������ No se conocen efectos agudos o cr�nicos |
0,5 ACGIH TLV-TWA (media ponderada en el tiempo de 8 horas) |
1 OSHA PEL (techo) ACGIH TLV-STEL (15 minutos) AIHA ERPG-1: La concentraci�n m�xima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todos los individuos podr�an estar expuestos durante un m�ximo de 1 hora sin experimentar m�s que leves efectos adversos transitorios para la salud o percibir un olor claramente definido y desagradable. |
1 - 3 Irritaci�n leve de las mucosas, tolerada hasta 1 hora |
3 ERPG-2 de la AIHA: Concentraci�n m�xima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todas las personas podr�an estar expuestas durante un m�ximo de 1 hora sin experimentar o desarrollar efectos o s�ntomas irreversibles u otros graves para la salud que puedan mermar la capacidad de una persona para adoptar medidas de protecci�n. |
5 - 15 Irritaci�n moderada de las v�as respiratorias. El gas es muy irritante, y es poco probable que una persona permanezca en una exposici�n de este tipo durante m�s de un tiempo muy breve, a menos que la persona est� atrapada o inconsciente |
10 NIOSH IDLH: La concentraci�n en el aire que supone una amenaza inmediata para la vida, que causar�a efectos adversos irreversibles para la salud o que impedir�a la capacidad de un individuo para escapar de una atm�sfera peligrosa. Los valores se basan en una exposici�n de 30 minutos. |
20 AIHA ERPG-3: La concentraci�n m�xima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todos los individuos podr�an estar expuestos durante un m�ximo de 1 hora sin experimentar o desarrollar efectos en la salud que pongan en peligro la vida. |
30 Dolor tor�cico inmediato, v�mitos, disnea (falta de aire) y tos |
40 - 60 Neumonitis t�xica (inflamaci�n de los pulmones) y edema pulmonar (acumulaci�n de l�quido en los pulmones) |
430 Letal m�s de 30 minutos |
1000 Fatal en cuesti�n de minutos. |
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Para el caso a simular de una fuga de cloro en el software ALOHA los valores de AEGL son:
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Tabla 2: Etapas utilizadas para modelar usando ALOHA.
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Tabla 3: Modelo de dispersi�n Gaussiano.
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Resultado y discusi�n
Los datos de cada escenario fueron insertados en el software ALOHA, y se obtuvo el modelado gr�fico de las nubes de dispersi�n atmosf�rica del gas cloro. El modelado de las nubes de gas presenta la concentraci�n de cloro en ppm presentando l�neas referenciales de concentraci�n observando los niveles de exposici�n aguda y relaciona la distancia y la anchura de las nubes referentes a cada evento.
En el escenario 1 la fuga provoca una descarga inicial de 911 kg/min del agente qu�mico formando una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 6,7 km de longitud y 0,36 km de ancho, como muestra la Figura 2. En el escenario 2 la fuga provoca una descarga inicial de 21,4 kg/s de gas cloro con la formaci�n de una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 7,1 km de longitud y 0,42 km de longitud como se muestra en la Figura 3.
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Figura 2: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 1
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Figura 3: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 2
En el escenario 3 la fuga ocasiona la descarga inicial de 214 kg /min del agente qu�mico formando una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 6,3 km de longitud y 0,25 km de ancho como muestra la Figura 4. En el escenario 4 la fuga provoca la liberaci�n inicial de 526 kg/min de gas con formaci�n de una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 8,9 km de longitud y 0,28 km de ancho como muestra la Figura 5.
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Figura 4: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 3
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�Figura 5: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 4
En el escenario 5 la fuga provoca la dispersi�n inicial de 33,3 kg/min del agente qu�mico formando una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 3,5 km de longitud y 0,20 km de ancho como muestra la Figura 6. En el escenario 6 la fuga provoca la descarga inicial de 532 kg/min de gas cloro con formaci�n de una nube de vapor t�xico que alcanza, a partir del lugar de la fuga, 9,8 km de longitud y 0,3 km de ancho como se muestra en la Figura 7.
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Figura 6: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 5
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Figura 7: Modelado de la nube de dispersi�n para el escenario 6
La concentraci�n m�xima de cloro correspondiente a cada regi�n est� representada por las l�neas trazadas en los gr�ficos, indicando los niveles de exposici�n aguda - Acute Exposure Guideline Levels (AEGL), que son indicadores de niveles t�xicos de preocupaci�n desarrollados por la agencia americana EPA. El �rea representada por la l�nea amarilla indica que el valor de referencia para el gas cloro con tiempo de exposici�n de 60 minutos para EAGL-1 es de 0.5 ppm, que por encima de esta concentraci�n se prev� que la poblaci�n en general puede presentar irritaci�n debido exposici�n al agente qu�mico.
El �rea delimitada por la l�nea naranja indica que el valor de referencia para el gas cloro con un tiempo de exposici�n de 60 minutos para EAGL-2 es de 2 ppm, por encima de esta concentraci�n se prev� que la poblaci�n en general pueda experimentar efectos serios a largo plazo o irreversibles con el impedimento de su capacidad de escapar de la zona. Para el �rea representada por la l�nea roja indica que el valor de referencia para el gas cloro con tiempo de exposici�n de 60 minutos para EAGL-3 es de 20 ppm, por encima de esta concentraci�n se prev� que la poblaci�n en general, incluyendo individuos susceptibles, experimenta efectos que pueden ser mortales. En los escenarios estudiados, estas �reas comprenden hasta aproximadamente 8,9 km de longitud de distancia del punto de fuga. Siendo los escenarios 2 y 6 presentando mayores tasas de descarga inicial con aproximadamente 800 kg/min de agente qu�mico liberados y alcanzando la regi�n circundante de la planta potabilizada. Para observar este evento, en la Figura 8 se muestra la fuga de cloro posicionada geogr�ficamente en la zona estudiada. Las �reas que cubre son rojo 0,445 km2, naranja 1,80 km2 y amarilla 4,18 km2. En la imagen se observa que esta fuga de cloro afecta a la poblaci�n de la parte Norte de la Ciudad de M�rida.
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Figura 8: Posicionamiento de la macha en la Planta Potabilizaci�n El Vallecito.
Conclusi�n
A partir de los resultados obtenidos en la simulaci�n de los escenarios hipot�ticos de fugas accidentales de cloro, se concluye que existen riesgos significativos asociados a las instalaciones de los contenedores que contienen cloro en la unidad de Potabilizaci�n de Agua ubicada en El Vallecito. En el an�lisis de los escenarios se observ� que dentro de las condiciones utilizadas el alcance m�ximo de las nubes de dispersi�n atmosf�ricas provocadas por la fuga en el tanque de gas cloro fue de aproximadamente de 9,8 km de longitud y 0,42 km de ancho a partir del punto de referencia de fuga, que se encuentra en el escenario 2. Dado que los escenarios 2 y 6 presentaron un mayor caudal de descarga a la atm�sfera con una liberaci�n de aproximadamente 800 kg/min de gas cloro para el medio ambiente.
Finalmente, se puede concluir que los resultados obtenidos son �tiles para las industrias que hacen uso de cloro en sus instalaciones como las Potabilizadoras de Agua e industrias de PVC, ya que permite identificar los riesgos y estimar las consecuencias de posibles escenarios accidentales que pueden ocurrir en los recipientes de cloro.
Referencias
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� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)
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