DISPERSIÓN DE NUBES DE GASES, VAPORES Y AEROSOLES: FORMACIÓN DE NUBES TÓXICAS E INFLAMABLES

Cuando se produce una emisión de un gas o vapor a la atmósfera, ya sea procedente de una fuga de gas propiamente dicha o como consecuencia de la evaporación de un charco de líquido, dicho gas en contacto con la atmósfera sufre una dispersión por dilución del gas en la atmósfera y se extiende en ella arrastrado por el viento y las condiciones meteorológicas.

Los tipos de emisiones, por tanto dependen de la naturaleza del gas (propiedades termodinámicas) y de la continuidad o discontinuidad de la emisión.

Una de las características principales que condiciona la evolución de un gas/vapor en la atmósfera es su densidad, distinguiéndose tres posibilidades:

• Gases ligeros: densidad inferior a la del aire.
• Gases pasivos o neutros: densidad similar a la del aire.
• Gases pesados: densidad mayor que la del aire.

A efectos prácticos no se puede hablar, en la mayoría de los casos, de un comportamiento puro de gas ligero neutro o pesado, ya que los factores que influyen en él son múltiples y variables en el tiempo y una mezcla gas/aire puede evolucionar como un gas pesado sin serlo debido a:

• Peso molecular del gas.
• Temperatura del gas.
• Temperatura y humedad del aire ambiente.
• Presencia de gotas líquidas arrastradas en la emisión.
• Reacciones químicas en la nube, etc.

Otra característica importante es la duración del escape, que puede da lugar a:

1. Escapes instantáneos formando una bocanada ("puf").
2. Escapes continuos sin depender del tiempo, formando un penacho ("plume").
3. Escapes continuos dependiendo del tiempo.

Los modelos tratan de calcular las concentraciones de gases que se encuentran a una determinada distancia del foco emisor, tanto para gases tóxicos como inflamables, así como las cantidades de gas inflamable que se encuentran entre los límites de inflamabilidad de sustancias inflamables. De este último apartado se trata en el modelo de explosiones de vapor no confinado, UVCE.

Como se ha comentado anteriormente, la dispersión de un gas puede proceder de una fuga de gas de un depósito o tubería a presión y como consecuencia de la fuga de líquido que se evapora. Esto implica analizar el proceso desde dos puntos de vista:

1. Dispersión de chorro turbulento, a partir de una fuga de gas a presión.
2. Dispersión de nube neutra, para gases sometidos únicamente a las turbulencias atmosféricas.

 

Dispersión de chorro turbulento

Modelo simplificado de chorro de gas o vapor, a partir de una fuga de gas procedente de un depósito o tubería a presión. Para gases inflamables, el modelo se podría aplicar para determinar la longitud de un dardo de fuego, si se produjese la ignición del chorro, además de para la determinación de la dispersión de gas que formaría una hipotética explosión de vapor. Para fugas de gases tóxicos, se requiere posteriormente un análisis de la dispersión atmosférica del gas proveniente del chorro.

Hipótesis y limitaciones

El proceso se analiza suponiendo que el impulso del chorro domina el proceso de mezcla de los gases atmosféricos con el gas fugado.

• El gas se comporta como perfecto.
• La temperatura del gas se iguala de manera instantánea a la del aire ambiente.
• La densidad del gas está entre 0,5 y 1,9 kg/m³.
• El efecto del viento es despreciable.
• El orificio de salida es circular.
• El flujo de salida es crítico.

Datos necesarios

Los datos que se necesitan para la realización del modelo son los siguientes:

1. Coeficiente de contracción de la vena fluida.
2. Presión y temperatura iniciales en la tubería o depósito.
3. Diámetro del orificio de salida
4. Propiedades del gas: peso molecular, viscosidad dinámica, límites de inflamabilidad, relación de calores específicos a presión y volumen constantes

Descripción

Se comienza calculando el caudal másico de la fuga de gas (Q en kg/s) y seguidamente se verifica la condición de aplicabilidad del modelo:

Re: número de Reynolds (adimensional)

Q: caudal másico de fuga (kg/s)

C_D: coeficiente de contracción de la vena fluida (adimensional)

D: diámetro del orificio de salida (m)

m: viscosidad dinámica del gas (N·s/m²)

Se definen distintas densidades relativas del gas con respecto a la del aire:

• r’_gr: densidad relativa del gas en el interior de la tubería:
• r’_o: densidad relativa del gas en el orificio
• r’_oeq: densidad relativa equivalente del gas en el orificio de salida, asumiendo expansión adiabática
• r’_ga: densidad relativa del gas en condiciones ambiente

Se determina el diámetro de orificio equivalente para que se conserve el balance de masa:

Suponiendo que la dispersión transversal del gas sigue una distribución exponencial, se calcula la concentración volumétrica de gas en un punto con la expresión:

Siendo C(x,0) la concentración de gas sobre el eje del chorro a una distancia x del orificio, que se calcula como:

y b₁ y b₂ parámetros de r’_ga que vienen dados por las siguientes expresiones:

Todas estas ecuaciones son válidas solamente para gases cuya densidad esté dentro del rango comentado en las hipótesis.

Se utiliza un modelo gaussiano de dispersión de contaminantes y se analiza la difusión atmosférica de éstos. Así podremos conocer la concentración de los contaminantes en función de la localización de un punto respecto a la fuente, de la variable tiempo, condiciones meteorológicas, topografía del terreno, etc.

El modelo gaussiano de fuente puntual continua que se va a tratar en este documento supone como hipótesis de partida que las concentraciones de contaminante en cualquier punto considerado viento abajo están estabilizadas y no dependen del tiempo. Este modelo describe el comportamiento de los gases/vapores de fuerza ascensional neutra, dispersados en la dirección del viento y arrastrados a la misma velocidad, es lo que se denomina modelo de Pasquill-Guifford para bocanadas de gases neutrales. Los modelos gaussianos son, en la mayoría de los casos, los más recomendables.

Hipótesis y limitaciones

El modelo requiere de una serie de simplificaciones:

1. La densidad del gas es superior a la del aire.
2. No se tienen en cuenta las posibles acumulaciones de sustancias que pueden producirse.
3. No es aplicable para velocidades del viento menores a 0,5 m/s, puesto que se enmascara el efecto de turbulencia.
4. Las clases de estabilidad atmosférica no se pueden aplicar a dispersiones de gases sobre el mar.
5. No se tienen en cuenta posibles reacciones del gas en el interior de la nube.
6. Condiciones meteorológicas adversas: nieblas, calmas prolongadas.
7. Topografía complicada: terrenos muy irregulares, grandes elevaciones cerca del foco emisor.

En definitiva han de emplearse siempre que ello sea posible, conjuntamente con medidas experimentales que sirvan para su validación y calibración.

Datos necesarios

Los datos necesarios para la ejecución del modelo son los siguientes:

1. Velocidad del viento y categoría de estabilidad atmosférica.
2. Posición en la que se requiere determinar la concentración.
3. Altura del punto de emisión.
4. Dimensiones aproximadas de la fuente: fuente puntual para sustancias tóxicas y bocanada instantánea para gases inflamables.
5. Tiempo de duración de la emisión.
6. Características de rugosidad del terreno.
7. Límites de inflamabilidad para sustancias inflamables

Aplicación y resultados

Se determina la distribución de concentraciones de nubes de gases:

• Para gases tóxicos o contaminantes: determinación de zonas en donde se superan los umbrales de peligrosidad definidos.
• Para gases inflamables: determinación de las zonas en las que el gas se encuentra en condiciones de deflagrar que es la concentración comprendida entre los límites de inflamabilidad.

Determinación de la cantidad de gas que deflagra.