Fugas de gas cloro: Estudio de los escenarios usando el software ALOHA

 

Chlorine gas leaks: Scenario studies using ALOHA software

 

Vazamentos de gs cloro: estudos de cenrio usando o software ALOHA

 

 

Natalia Barahona-Alvear I

natalia.barahona@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-6568-0188

 

Hernn 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 tcnicas y aplicadas

Artculo de investigacin

 

 

*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 Ingeniera Qumica, Doctora en Qumica, Escuela Superior Politcnica Chimborazo, Sede Orellana, Riobamba, Ecuador.

                            II.            Magister Scientiae en Ingeniera Qumica, Doctor en Qumica, Escuela Superior Politcnica Chimborazo, Sede Orellana, Riobamba, Ecuador.

                         III.            Ingeniero Qumico, Investigador Ciencias Bsicas, Naturales y Aplicadas, Facultad de Ingeniera, Laboratorio de Petrleo y Catlisis, Universidad de Los Andes, Mrida, Venezuela.


Resumen

Los accidentes relacionados con el gas cloro pueden exponer a trabajadores y comunidad al contacto directo con el gas txico, provocando desde una leve irritacin en los ojos hasta una intoxicacin ms 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 dispersin atmosfrica de la nube de vapor txico. Los resultados proporcionan informacin que puede ayudar en la identificacin de los riesgos y en la respuesta de emergencia, estimando las posibles consecuencias durante la fuga.

Palabras clave: Cloro; Escape; Simulacin.

 

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 gs cloro podem expor os trabalhadores e a comunidade ao contato direto com o gs txico, causando leve irritao nos olhos a intoxicaes mais graves que podem levar morte. Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento do gs cloro durante um vazamento acidental, utilizando o software ALOHA para modelagem da disperso atmosfrica da nuvem de vapor txico. Os resultados fornecem informaes que podem auxiliar na identificao de riscos e no atendimento a emergncias, estimando as possveis consequncias durante o vazamento.

Palavras-chave: Cloro; Escapar; Simulao.

 

Introduccin

La desinfeccin del agua tratada con cloro gaseoso sigue siendo una tcnica comn para garantizar la produccin de agua potable segura. El funcionamiento del sistema de cloracin es altamente eficiente que proporciona un 100% de desinfeccin y de muy bajo costo operativo. Un sistema tpico de cloracin 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 continan 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 peridicamente.

Otro uso que se le da al cloro gaseoso es en las industrias de produccin de PVC (Policloruro de vinilo), los riesgos qumicos pueden estar asociados al uso de gas cloro, ya que este compuesto est presente en el 57% del monmero cloruro de vinilo y presenta alta toxicidad pudiendo ocasionar varios daos 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 petroqumico El Tablazo. Por este motivo, el procesamiento cada vez mayor y ms complejo de productos qumicos peligrosos en las industrias de procesos qumicos es un peligro potencial para el pblico 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, todava se repiten accidentes en las industrias de procesos qumicos (Khan y col.1998; Horng y col. 2005 y Georgiadou y col. 2007). Por lo tanto, adems de las medidas preventivas, tambin se requieren medidas especficas de gestin de emergencias para reducir las consecuencias de los accidentes asociados con riesgos industriales.

Las medidas preventivas son el enfoque ms significativo para avanzar la seguridad en las actividades industriales, al mismo tiempo, las medidas de gestin de emergencias tambin son importantes. La gestin de emergencias se refiere al despliegue de la ciencia, la tecnologa, la planificacin y la gestin para tratar los eventos extremos, el dao 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 situacin de emergencia. Para alcanzar este estado de preparacin, se debe proporcionar capacitacin sistemtica al personal involucrado en el plan de respuesta de emergencia (ERP). El desarrollo de un ERP bien definido y adecuado requiere una revisin sistemtica de los peligros asociados con las instalaciones de la planta y sus consecuencias. Los peores escenarios se usan generalmente en la evaluacin de la consecuencia para analizar el peligro ms grave que podra ocurrir en una planta de proceso (Cheng 2008).

Los estudios de anlisis de riesgos, de consecuencia y de vulnerabilidad de la dispersin de vapores txicos 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 dispersin (Pandya y col. 2012). En general, el tamao de la zona de disipacin depende de la cantidad de material liberado, de la densidad, la volatilidad y las condiciones atmosfricas. De esta manera adems de la influencia de la cantidad liberada y tasa de liberacin, se deben considerar las condiciones y parmetros atmosfricos relevantes para la disipacin de las nubes de vapor txico (Kramer 2010).

Durante los ltimos aos, los investigadores han estado evaluando el poder que tiene la simulacin de modelos de consecuencias por herramientas computacionales para la estimacin 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 estn teniendo una aceptacin creciente en la preparacin 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 accin tomadas durante la simulacin de simulacro, que es muy esencial para comprender las diversas medidas de seguridad para incorporarlas en futuras investigaciones. Los procedimientos de planificacin 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 dispersin atmosfrica de vapor. El modelado de fugas puede ser estudiado de forma ms 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 planificacin y entrenamiento en situaciones de emergencia, con capacidad para evaluar los peligros de liberacin de sustancias txicas e inflamables, donde se estima la distancia a que una determinada concentracin de inters puede alcanzar en funcin del escenario accidental y tambin estima la radiacin trmica en los casos de incendio y explosiones (Cardoso y col. 2012).

Este artculo ilustra el desarrollo de una simulacin de fuga de cloro gaseoso usando la herramienta computacional ALOHA.

 

Metodologa

En el estudio del comportamiento de la dispersin atmosfrica del vapor formado durante la fuga de cloro, se tomaron en consideracin las condiciones atmosfricas como la velocidad del viento y la humedad del aire, adems de la temperatura e intensidad de la radiacin trmica. Se adopt la clasificacin segn 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 climticas de la regin El Vallecito donde se Ubica la Planta Potabilizadora Dr. Enrique Bourgin, Mrida- Venezuela, regin elegida debido a la presencia del tratamiento de agua potable que necesita de gas cloro como materia prima.

La dispersin de una nube de vapor contaminante en el aire depende fuertemente de cmo las condiciones atmosfricas interactan con el vapor formado, pues la orientacin de la dispersin ser trazada por la misma orientacin 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 Climticas

Parcialmente nublado

Nublado

Lluvioso y fro

Lluvioso y fro

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

 

Adems de las condiciones climticas en el instante de la fuga, la dispersin de la nube de vapor tambin depende de las dimensiones y ubicacin 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 lquida a temperatura ambiente sobre el efecto de alta presin, alrededor de 6 atm. El tanque tiene un dimetro 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 travs de un orificio de 0,05 m en el tanque. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de estos cilindros de 1000 Kg.


Figura 1: Cilindros de cloro usado en la potabilizacin de agua 1000 kg.

 

A partir de la etapa de caracterizacin de la instalacin de cloro, se establecieron los escenarios hipotticos de accidentes con el agente qumico estudiado. Los escenarios son similares, con variacin slo de los fenmenos asociados a la fuga y las condiciones climticas.

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 anlisis cuantitativo y cualitativo de las condiciones de la fuga fue realizado por los modelos de dispersin gaussiana usando el software ALOHA. El software utiliza el modelo de dispersin Gaussiano desarrollado por Palazzi (Palazzi y col. 1982). Que describe el comportamiento de liberacin del estado estacionario de corta duracin (Ver Tabla 3).

Este programa trabaja con los niveles de preocupacin (LOC iniciales en ingls 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 algn tipo de ndice o umbral de preocupacin para una sustancia qumica dada. Para la simulacin llevada a cabo se utiliza los niveles de exposicin aguda AEGL en siglas ingls. A continuacin se define este trmino:

AEGL (Acute Guideline Levels o gua de niveles de exposicin aguda)

Los AEGL representan el umbral lmite de exposicin para la poblacin y son aplicables a emergencias para periodos de exposicin desde 10 minutos a 8 horas. Los valores de AEGL-1, AEGL-2 y AEGL-3 sern definidos para uno de los cinco periodos de tiempo (10 y 30 min., 1 h., 4 h., y 8 h.) y se distinguirn por distintos grados de toxicidad. Se cree que los niveles de exposicin recomendados son aplicables a la poblacin incluyendo nios y otros individuos que puedan ser susceptibles. Los tres AEGLs han sido definidos como:

AEGL-1

Concentracin a/o por encima de la cual se predice que la poblacin general, incluyendo individuos susceptibles pero excluyendo los hipersusceptibles, puede experimentar una incomodidad notable. Concentraciones por debajo del AEGL 1 representan niveles de exposicin que producen ligero olor, sabor u otra irritacin sensorial leve.

AEGL-2

Concentracin a/o por encima de la cual se predice que la poblacin 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 exposicin que pueden causar notable malestar.

AEGL-3

Es la concentracin a/o por encima de la cual se predice que la poblacin general, incluyendo individuos susceptibles pero excluyendo los hipersusceptibles, podra experimentar efectos amenazantes para la vida o la muerte. Concentraciones por debajo de AEGL 3 pero por encima de AEGL 2 representan niveles de exposicin 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 leja domstica. A medida que las concentraciones aumentan desde el nivel de deteccin por el olor, tambin lo hacen los sntomas en el individuo expuesto. Dependiendo del nivel de exposicin al cloro, los efectos pueden agravarse durante varios das despus del incidente. Las observaciones de los individuos expuestos deben considerarse parte del programa de respuesta mdica.

La siguiente lista es una recopilacin de los umbrales potenciales de exposicin al cloro y las posibles respuestas en los seres humanos, con una considerable variacin entre los sujetos:

Umbrales, lmites y directrices de exposicin al cloro (ppm)

0,2 - 0,4 Umbral de olor (la percepcin del olor disminuye con el tiempo)

< 0.5 No se conocen efectos agudos o crnicos

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 concentracin mxima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todos los individuos podran estar expuestos durante un mximo de 1 hora sin experimentar ms que leves efectos adversos transitorios para la salud o percibir un olor claramente definido y desagradable.

1 - 3 Irritacin leve de las mucosas, tolerada hasta 1 hora

3 ERPG-2 de la AIHA: Concentracin mxima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todas las personas podran estar expuestas durante un mximo de 1 hora sin experimentar o desarrollar efectos o sntomas irreversibles u otros graves para la salud que puedan mermar la capacidad de una persona para adoptar medidas de proteccin.

5 - 15 Irritacin moderada de las vas respiratorias. El gas es muy irritante, y es poco probable que una persona permanezca en una exposicin de este tipo durante ms de un tiempo muy breve, a menos que la persona est atrapada o inconsciente

10 NIOSH IDLH: La concentracin en el aire que supone una amenaza inmediata para la vida, que causara efectos adversos irreversibles para la salud o que impedira la capacidad de un individuo para escapar de una atmsfera peligrosa. Los valores se basan en una exposicin de 30 minutos.

20 AIHA ERPG-3: La concentracin mxima en el aire por debajo de la cual se cree que casi todos los individuos podran estar expuestos durante un mximo de 1 hora sin experimentar o desarrollar efectos en la salud que pongan en peligro la vida.

30 Dolor torcico inmediato, vmitos, disnea (falta de aire) y tos

40 - 60 Neumonitis txica (inflamacin de los pulmones) y edema pulmonar (acumulacin de lquido en los pulmones)

430 Letal ms de 30 minutos

1000 Fatal en cuestin de minutos.

 


Para el caso a simular de una fuga de cloro en el software ALOHA los valores de AEGL son:


Tabla 2: Etapas utilizadas para modelar usando ALOHA.


Tabla 3: Modelo de dispersin Gaussiano.

Resultado y discusin

Los datos de cada escenario fueron insertados en el software ALOHA, y se obtuvo el modelado grfico de las nubes de dispersin atmosfrica del gas cloro. El modelado de las nubes de gas presenta la concentracin de cloro en ppm presentando lneas referenciales de concentracin observando los niveles de exposicin 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 qumico formando una nube de vapor txico 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 formacin de una nube de vapor txico 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.


Figura 2: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 1


Figura 3: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 2

 

En el escenario 3 la fuga ocasiona la descarga inicial de 214 kg /min del agente qumico formando una nube de vapor txico 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 liberacin inicial de 526 kg/min de gas con formacin de una nube de vapor txico 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.


Figura 4: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 3


Figura 5: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 4

 

En el escenario 5 la fuga provoca la dispersin inicial de 33,3 kg/min del agente qumico formando una nube de vapor txico 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 formacin de una nube de vapor txico 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.


Figura 6: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 5


Figura 7: Modelado de la nube de dispersin para el escenario 6

 

La concentracin mxima de cloro correspondiente a cada regin est representada por las lneas trazadas en los grficos, indicando los niveles de exposicin aguda - Acute Exposure Guideline Levels (AEGL), que son indicadores de niveles txicos de preocupacin desarrollados por la agencia americana EPA. El rea representada por la lnea amarilla indica que el valor de referencia para el gas cloro con tiempo de exposicin de 60 minutos para EAGL-1 es de 0.5 ppm, que por encima de esta concentracin se prev que la poblacin en general puede presentar irritacin debido exposicin al agente qumico.

El rea delimitada por la lnea naranja indica que el valor de referencia para el gas cloro con un tiempo de exposicin de 60 minutos para EAGL-2 es de 2 ppm, por encima de esta concentracin se prev que la poblacin 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 lnea roja indica que el valor de referencia para el gas cloro con tiempo de exposicin de 60 minutos para EAGL-3 es de 20 ppm, por encima de esta concentracin se prev que la poblacin 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 qumico liberados y alcanzando la regin circundante de la planta potabilizada. Para observar este evento, en la Figura 8 se muestra la fuga de cloro posicionada geogrficamente 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 poblacin de la parte Norte de la Ciudad de Mrida.


Figura 8: Posicionamiento de la macha en la Planta Potabilizacin El Vallecito.

 

Conclusin

A partir de los resultados obtenidos en la simulacin de los escenarios hipotticos 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 Potabilizacin de Agua ubicada en El Vallecito. En el anlisis de los escenarios se observ que dentro de las condiciones utilizadas el alcance mximo de las nubes de dispersin atmosfricas 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 atmsfera con una liberacin 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.

 

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2020 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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