14 seguridad y control_runaway
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Objetivos del sistema de control
1. Seguridad. Es imprescindible que las plantas industriales operen de
forma segura, de manera que la seguridad es siempre el principal
objetivo de los sistemas de control.
2. Regulaciones medioambientales. Las plantas industriales deben
cumplir las regulaciones medioambientales relativas a la descarga de
gases, líquidos, y sólidos fuera de los límites de la planta.
3. Especificaciones de producto y velocidad de producción. Para que
una planta sea rentable debe cumplir las especificaciones tanto en
cuanto a calidad como a cantidad de producto
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4. Operación económica de la planta. Es una realidad
económica que la operación de la planta en periodos
largos debe ser rentable. Por tanto, los objetivos de
control deben ser consistentes con los objetivos
económicos.
5. Operación estable de la planta. El sistema de control
debe asegurar la operación estable del proceso, sin
oscilaciones excesivas en las principales variables del
proceso.
Objetivos del sistema de control
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Capas múltiples de protección
• En las plantas modernas, la
seguridad del proceso recae en
el principio de las capas múltiples
de protección.
• Cada capa de protección consiste
en un agrupamiento de equipos
y/o acciones humanas,
mostradas en el orden de
activación.
(CCPS 1993)
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• Sistema básico de control de procesos (Basic Process Control System,
BPCS) se complementa con dos niveles de alarmas y la supervisión o
intervención del operador.
• Una alarma indica que una medida ha excedido su límite
especificado y que por tanto puede requerir la intervención del
operador.
• Sistema de enclavamiento (bloqueo) de seguridad (Safety Interlock
System, SIS) también denominado safety instrumented system o
emergency shutdown (ESD) system.
• El SIS toma automáticamente la acción correctora adecuada
cuando las capas de proceso y sistema básico de control son
incapaces de manejar la emergencia, por ejemplo el SIS puede
desconectar automáticamente las bombas de reactivos después de
que se produzca una alarma de temperatura alta en un reactor
químico.
• Los discos de ruptura y las válvulas de alivio proporcionan una
protección física mediante el venteo de gas o vapor si ocurre una
sobrepresión.
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• Alarma Tipo 1: alarma de estado del equipo. La bomba está
conectada o desconectada, o el motor está en marcha o
parado.
• Alarma Tipo 2: alarma de medida anormal. La medida está
fuera de los límites especificados.
• Alarma Tipo 3: Un interruptor de alarma sin su propio
sensor. Cuando no es necesario conocer el valor actual de la
variable de proceso, sino sólo si se encuentra por arriba o
por abajo de su límite especificado.
• Alarma Tipo 4: Un interruptor de alarma con su propio
sensor. Sirve como sensor de respaldo en el caso de fallo del
sensor principal.
• Alarma Tipo 5: Sistema automático de parada o arranque.
Tipos de alarmasS
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Sistema de enclavamiento de seguridad
(Safety Interlock System,SIS)
• El SIS sirve como un sistema de respaldo del sistema básico de
control de procesos (BPCS) en caso de emergencia.
• El SIS se inicia automáticamente cuando una variable crítica de
proceso excede los límites de alarma especificados, que
definen la región de operación permitida (arrancando o
parando una bomba, o parando una unidad de proceso).
• Sólo se usa como último recurso para prevenir daños al
personal o a los equipos
• El SIS debe funcionar de manera independiente del BPCS (por
ejemplo debido a un malfuncionamiento o fallos en el BPCS).
De manera que el SIS debe estar físicamente separado del BPCS
y tener sus propios sensores y actuadores.
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Dos
configuraciones de
enclavamiento.
(antorcha)
Un día en la vida de un operador de planta
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• La bomba A de bombeo de petróleo se ha parado – Causa
desconocida
• El operador cambia a la bomba B. No arranca - Causa desconocida
• De repente saltan cientos de alarmas – Causa desconocida
• En unos minutos se produce una explosión y un fuego
• Son las 10:00 de la noche.
• El jefe de planta se encuentra en Aberdeen, Escocia, y no está
disponible.
• Te encuentras en una plataforma petrolífera en el medio del Mar
del Norte.
Eres el Supervisor:
¿Qué hacer?
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lPunto de Vista del Operador de Proceso
Seguridad del Proceso es la mayor preocupación:
Algunos casos graves
• Desastre Piper Alpha, Occidental Petroleum Scotland, 1988
• Explosión en plataforma petrolífera en alta mar
• 164 personas muertas
• $2 Billones de pérdidas
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Seguridad del Proceso es la mayor preocupación:
Algunos casos graves
• Desastre Piper Alpha, Occidental Petroleum Scotland, 1988
• Explosión en plataforma petrolífera en alta mar
• 164 personas muertas
• $2 Billones de pérdidas
• Union Carbide, Bhopal, India, 1984
• Liberación a la atmósfera de MIC (isocianato de metilo)
(6 semanas después estar parada la planta)
• 3 000-10 000 personas muertas
• 100 000 heridos
• $0.5-1.0 Billones de pérdidasSeg
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Seguridad en reactores químicosS
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• Reacción fuera de control (runaway): es consecuencia de la pérdida del control de temperatura en un reactor químico
– También se denomina “explosión térmica” o “runaway térmico”
• Las consecuencias de esta pérdida de control de la temperatura son:
– Un aumento de la velocidad de las reacciones químicas
– La posible aparición de reacciones químicas no deseadas exotérmicas (reacciones laterales o de descomposición)
– Un aumento de la presión, provocado por dos fenómenos:
• Un aumento de la presión de vapor de la mezcla de reacción debido al aumento de la temperatura
• La producción de gases no condensables provenientes de las reacciones laterales o de descomposición
– El aumento de presión en el interior del reactor por encima de su valor de diseño, a menudo, provoca su explosión que conduce a:
• La liberación inmediata de su contenido a la atmósfera � explosiones de nubes de vapor, dispersión en el aire de sustancias tóxicas, etc.
• La formación de proyectiles a partir de la pared del mismo que pueden dañar otros equipos, causando fuegos secundarios
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Seguridad en reactores químicos
Trozo de reactor de 7.6 cm de espesor lanzado a 120 mTrozo de eje de agitador de 10
cm de diámetro lanzado a 106 m
T2 LABORATORIES, INC. RUNAWAY REACTION, FLORIDA (2007)
¿Causas de las reacciones fuera de control?– Complejas
– Requiere un conocimiento muy elevado de la química y del
proceso
– Afectan diferentes parámetros:
• Transmisión de calor
• Efectos de mezcla
• La cinética y la velocidad de generación de calor
• Balance global de energía
• La capacidad de eliminar calor del reactor
• Acumulación de reactivos y energía
• Propiedades físicas y la estabilidad de los reactivos y de la masa de
reacción
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Seguridad en reactores químicos
Los escenarios de reacciones fuera de control pueden estar relacionados con las condiciones en las que la generación de calor de la reacción en curso excede la capacidad de disipación de calor del equipo de proceso. Se pueden identificar varios casos :
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1. En general, durante un proceso
químico el reactor se encuentra
en un estado de equilibrio
inestable, donde la reacción
deseada libera calor. En caso de
acumulación de reactivo y un
fallo simultáneo del sistema de
refrigeración, la velocidad de
producción de calor persiste y
cualquier energía potencial
presente en ese momento se
liberará adiabáticamente.
Riesgos térmicos en reactores químicosS
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Riesgos térmicos en reactores químicos
2. Sin embargo, el riesgo principal en el proceso es la pérdida de
control de la reacción deseada (runaway), por ejemplo, debido a
acumulación de reactivo, a una alta sensibilidad a las impurezas, a
problemas con la iniciación (tiempo de inducción largo), a
suposiciones cinéticas equivocadas, etc.
3. El balance energético está dominado por una capacidad de
disipación de calor baja y la posterior acumulación de energía. En
este caso, incluso las reacciones no deseadas muy débiles pueden
quedar fuera de control.
4. Además, condiciones operativas no deseadas pueden conducir a
una mezcla insuficiente, velocidades de alimentación equivocadas o
muy altas, temperaturas equivocadas, etc.
5. La pérdida de control de la reacción deseada
también puede ser la razón de eventos
secundarios no deseados. En primer lugar, se
alcanza un nivel de temperatura intermedia
debido al “runaway” de la reacción deseada.
Se llama MTSR (temperatura máxima de la
reacción de síntesis = temperatura máxima
alcanzable en base a la cantidad de reactivo
acumulado) o MAT (Temperatura máxima
alcanzable en el peor de los casos suponiendo
un 100 % de acumulación de reactivos). A
partir de MTSR, se pueden activar otros
eventos, en particular las reacciones de
descomposición, lo que en última instancia
puede conducir a una explosión.
6. Por último, las reacciones no deseadas
pueden ocurrir rápidamente si los
compuestos reactivos se mezclan
accidentalmente, por ejemplo, si el agua de
refrigeración penetra en la masa de reacción.
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MTSR (Maximum Temperature of the Synthesis Reaction
TMR: Time to Maximum Rate
∆tR: Time in which MTSR is reached
∆Tad,R: Adiabatic temperature increase of desired reaction
∆Tad,Dec: Adiabatic temperature increase caused by secondary
reaction
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Aumento adiabático de la temperatura
El aumento adiabático de la temperatura se calcula
dividiendo la energía de la reacción por el calor
específico.
∆Tad = Qr / Cp
donde:
∆Tad = aumento adiabático de la temperatura, K
Qr = energía de reacción, J/kg
Cp = capacidad calorífica, J/kg K
Tiempo para máxima velocidad (TMR)
TMRad (el tiempo para velocidad máxima adiabática ) es
un indicador semicuantitativo de la probabilidad de que
se produzca una reacción fuera de control. La siguiente
ecuación, define TMRad en horas, para una cinética de
reacción de orden cero:
TMRad = Cp R To2/3600 qo Ea
donde:
R = constante de los gases, 8.314 J/mol K
To = temperatura absoluta inicial, K
qo = calor liberado específico a To, W/kg
Ea = energía de activación, J/mol
La suposición de orden cero conduce a valores
conservadores, es decir, el TMRad calculado es menor que
el real.
Figure: Time factors involved in preventing a runaway
Inhibición o dilución
(quenching)
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lRiesgos térmicos en reactores químicos:
el factor tiempo
Enfriamiento de
emergencia
Dumping
Acciones
¿Qué es el riesgo?
Tradicionalmente, el riesgo se define como el producto de la gravedad de
un posible incidente por la probabilidad de que ocurra. Por lo tanto, la
evaluación del riesgo requiere la evaluación tanto de la gravedad como de
la probabilidad.
La gravedad de un posible incidente se puede medir mediante el aumento
adiabático de la temperatura.
La probabilidad se puede estimar usando una escala de tiempo. Si
después de la falta de refrigeración hay tiempo suficiente para tomar
medidas de emergencia antes de que el “runaway” se haga demasiado
rápido, entonces la probabilidad del “runaway” se mantendrá baja.
La criticidad del “runaway” se puede evaluar usando los niveles relativos
de las diferentes temperaturas alcanzadas si la reacción deseada y la
reacción de descomposición se producen bajo condiciones adiabáticas.
Evaluación de riesgo y criticidad del proceso
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Evaluación de riesgo y criticidad del procesoS
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Evaluación de Riesgos Térmicos
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Prevención de reacciones incontroladasS
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Un proceso se considera térmicamente seguro sólo si las
reacciones se pueden controlar fácilmente, y si la materia prima,
los productos, los productos intermedios y las masas de reacción
son térmicamente estables bajo las condiciones consideradas de
proceso.
La prevención del potencial peligro térmico requiere el
conocimiento de:
1. Modo de operación: es un factor importante. Por ejemplo,
una reacción por lotes, en donde todos los reactivos se
cargan inicialmente, es más difícil de controlar que una
operación semi-continua en el que uno de los reactivos se
carga progresivamente a medida que avanza la reacción.
2. Ingeniería: el diseño y disposición de los equipos y la planta
afectan a todo el proceso.
• La capacidad del sistema de calefacción o de refrigeración es
importante en este contexto.
• La ingeniería de proceso se utiliza para comprender el control
de los procesos químicos en una escala real. Determina qué
equipos se deben utilizar y cómo se deben llevar a cabo los
procesos químicos.
• Además, hay que tener en cuenta fallos técnicos del equipo,
errores humanos (desviaciones de las instrucciones de
operación), instrucciones de funcionamiento no muy claras, la
interrupción del suministro de energía, y las influencias
externas, tales como las heladas o la lluvia.
Prevención de reacciones incontroladas
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3. Química: la naturaleza del proceso y el comportamiento de los
productos deben ser conocidos, no sólo en las condiciones de
reacción, sino también en caso de desviaciones inesperadas (por
ejemplo, reacciones secundarias, la inestabilidad de los
intermedios). La química se utiliza para obtener información con
respecto a las rutas de reacción que siguen los materiales en
cuestión.
4. La físico-química del proceso y la cinética de reacción: las
propiedades termofísicas de las masas de reacción y la cinética
de la reacción química son de importancia vital. La físico-química
se utiliza para describir las vías de reacción cuantitativamente.
Prevención de reacciones incontroladasS
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Los siguientes datos son especialmente relevantes para evitar
reacciones fuera de control (runaway):
• Propiedades físicas y químicas, propiedades de ignición y
comportamiento frente al fuego, propiedades electrostáticas, el
comportamiento y las propiedades de explosión y de secado,
molienda y propiedades toxicológicas
• Las interacciones entre las sustancias químicas
• Las interacciones entre los productos químicos y los materiales
de construcción
• Datos térmicos para las reacciones y las reacciones de
descomposición
• Escenarios con insuficiencia de refrigeración
Prevención de reacciones incontroladas
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l Recopilación de datos
Si la reacción tiene la posibilidad de quedar fuera de control (runaway),
se deben considerar los siguientes cambios en el diseño:
• Cambio de lote a continuo. Reactores por lotes requieren un mayor
inventario de reactivos que los reactores continuos, por lo que, en
comparación, la posibilidad de reacciones fuera de control de los
sistemas continuos es menor.
• Cambio de lote a semi-continuo. En una reacción semi-continua, se
añade uno o más de los reactivos durante un período de tiempo. Por lo
tanto, en el caso de una elevación de temperatura o presión, la
alimentación se puede cortar, minimizando de este modo la energía
química almacenada para una posterior liberación exotérmica.
• Cambio de reactores perfectamente mezclados a flujo de pistón.
Reactores de flujo de pistón requieren volúmenes relativamente
pequeños y por lo tanto, inventarios más pequeños (menos peligrosos)
para la misma conversión.
Prevención de reacciones incontroladasS
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l Opciones de diseño
• Reducción del inventario de reacción a través del aumento de la
temperatura o la presión, el cambio de catalizador o una mezcla
mejor. Un reactor muy pequeño que opera a una temperatura y presión
alta puede ser inherentemente más seguro que uno operando en
condiciones menos extremas, ya que contiene un inventario mucho más
bajo. Hay que tener en cuenta que mientras que las condiciones
extremas a menudo resultan en la mejora de las velocidades de
reacción, también presentan sus propios problemas de seguridad. Por
tanto, una solución de compromiso que emplea una presión y
temperatura moderada y un inventario medio puede combinar los
peores rasgos de los extremos.
• Disolventes menos peligrosos.
• Calentar o enfriar externamente frente a calentar o enfriar
internamente
Prevención de reacciones incontroladas
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l Opciones de diseño
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Substitución del
p-cloro-nitrobenceno
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500 kJ/kg
3.5 kJ/kg K
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