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Neste documento apresentam-se os resultado do trabalho desenvolvido pela mestre Silvia Fontaine para a obtenção do seu título de mestre. Trata-se do estudo de um conjunto de cenários hipotéticos de vazamento de gás cloro e análise matemática da dispersão de gás denso. A partir dos resultados das simulações dos cenários de emissão e dispersão atmosférica das plumas de contaminação determinaram-se os valores dos riscos individual e social, empregando a densidade das moradias, as frequências dos cenários simulados e da literatura especializada. Os resultados do estudo indicaram que os riscos eram aceitáveis na época que foi realizado o estudo.
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ANÁLISE DE RISCO DE ESTAÇÕES
DE TRATAMENTO DE ÁGUA
Mestranda: Sílvia Fontaine
Orientador: Prof. Dr. Georges Kaskantzis Neto
INTRODUÇÃO
• A análise de risco é uma metodologia utilizada
como ferramenta para identificar perigos, avaliar
os riscos e prevenir acidentes que causam danos
às instalações, aos funcionários, meio ambiente e
a população.
Análise de Risco
• O que pode dar de errado?
• Com que frequência isto pode acontecer?
• Quais as consequências, se o evento acontecer?
• Os riscos são toleráveis?
Etapas da Análise de Risco
• Caracterização do empreendimento e da região
• Identificação dos perigos
• Estimativa das consequências e vulnerabilidade
• Estimativa de frequências
• Avaliação do risco
• Aceitabilidade de risco
• Gerenciamento de riscos
Gás cloro
• Coloração amarelo-esverdeado
• Odor forte, irritante e asfixiante
• Duas vezes e meia mais denso que o ar
• Liquefeito quando comprimido
Propriedades Físico-Químicas
• Formula molecular: Cl2
• Massa molecular: 70,91 g/gmol
• Temp. Ebulição: -34oC
• Temp. de Congelamento: -101,3oC
• Solubilidade: 0,7% (20oC)
• IDLH: 10 ppm
• Percepção de odor: 3 ppm
Concentração (ppm) Efeitos
0,2-3 Limite de odor
1-3 Moderada irritação de membranas
4 Máxima exposição de 1 hora
5-15 Moderada irritação das vias superiores
30 Tosse intensa com espamos
40-60 Concentração perigosa em 30 minutos
430 Fatal após 30 minutos
Fatal após algumas inalações
MODELOS DE VAZAMENTO
Líquido
m= Ah Cd√ [2gρL(P0-P1)+2gHL
onde:
• m= taxa de descarga; kg/s
• Ah= área do orifício; m2
• Cd= coeficiente de descarga
• ρL= densidade do líquido; kg/m3
• g = constante gravitacional; m/s2
• P0= pressão de armazenamento; N/m2
• P1 = pressão interna; N/m2
• HL= altura do líquido; m
MODELOS DE VAZAMENTO
Duas fases
Q =Ar. Cd.(2Dm(P1-Pc))1/2
Onde:
Q = vazão mássica; kg/s
Ah= área do orifício; m2
Cd= coeficiente de descarga;
Dm = densidade média; kg/m3
P1 = Pressão interna; N/m2
Pc = 0,5· P1 ; N/m2
RISCO
• Risco é o resultado da frequência de ocorrência do evento eas consequências.
• O risco pode ser expresso como uma função desses fatores
• R= f( C, F, S)
Sendo:
R = risco;
C= cenário acidental;
F = frequência de ocorrência
S = severidade das consequências (perdas/danos)
RISCO INDIVIDUAL
• Estima-se o risco do individuo na vizinhança do perigo.
• O dano é estimado em termos de fatalidade (ano-1)
n
1i
iY,X,yx, RIRIfiiiy,x, pfRI
Apresentação do Risco Individual
Fonte: CETESB, 2001
Figura: Curvas de Isso-risco
RISCO SOCIAL
• O risco social representa o risco para a comunidade
presente na zona de influência de um acidente.
• É normalmente expresso em mortes/ano.
• É representado pela curva F-N.
Estimativa do Risco Social
i
ni
1i
i xfR
Onde:
r= risco;
fi = frequência esperada para esse acidente ;
xi = número de vítimas esperadas, num acidente específico e;
n =número de acidentes potenciais da planta.
Tratamento de Água
Rios e
barragens Captação Água Bruta Coagulação
Floculação
Decantação
FiltraçãoDesinfecçãoCorreção de pH
CLORO
Água tratada
Figura 1: Organograma do processo de tratamento de água
Objetivos
• Estudo de análise de riscos para as instalações de gás cloro
ETA
• Fases da análise de risco:
• Identificar os potenciais cenários hipotéticos de vazamento do
cloro na planta;
• Modelagem e simulação dos eventos;
• Avaliar as consequências dos eventos sobre a comunidade;
• Determinar os riscos individual e social referente as instalações.
• Modelo utilizado: SLAB (EPA)
• SLAB é uma modelo de gás denso computadorizado que éutilizado como ferramenta para a simulação de nuvens tóxicasna atmosfera.
• adequado para calcular a distribuição espacial e o tempo deconcentração da pluma para gases mais densos que o ar.
MODELAGEM DE DISPERSÃO
C(X,Y,Z) = 2· B · h · C(x) · C1(y, b,β) · C2 ( z, ZC,σ);
Onde:
•C(x, y, z) = concentração volumétrica na posição (x, y , z);
•C(x) = concentração de massa;
•C1(y, b ,β) = função do perfil horizontal;
•C2 (z, ZC, σ) = função do perfil vertical;
•B = metade da largura da nuvem;
•h = altura da nuvem
•X = distância longitudinal;
•Y = distância transversal;
•Z = distância vertical;
Modelo SLAB
Continuação
C (x)= Ma·m/ MS+(Ma –MS)·m
C1=(y, b,β) =1/4b[ erf (y+b/√2·β) – erf (y-b/√2·β)]
C2 (z,ZC,σ) =(1/2¶)1/2·1/σ·[exp(-(z-ZC)2/2σ2)+exp ((-(z+ZC)2/2σ2)]
Onde:
• Ma = peso molecular do ar;
• MS = peso molecular do produto liberado;
• m = massa;
• ZC = parâmetro da altura da nuvem e;
• b = parâmetro de forma (metade da largura da nuvem).
MATERIAIS E MÉTODOS
• Caracterização da região de estudo
• Avaliação da meteorologia local
• Caracterização das instalações do gás cloro
• Estabelecimento dos cenários acidentais
• Modelagem e simulação dos cenários
• Avaliação das conseqüências (sobre a comunidade)
• Determinação do risco social e individual
Caracterização da região de estudo
• Localizada: Município de
Curitiba, a leste da cidade.
• Densidade populacional (25-
75 hab./ha)
• 60.338 pessoas
• Possui área verde e praças
1
5
4
2
3
Caracterização do Clima da Região
• Dados climáticos: SIMEPAR e INMET
• Período :01/00 a 12/04
• Velocidade do vento: média do dia
• Temp., grau de cobertura, umidade: média mensal
DIURNO NOTURNO
Velocidade do vento
(m/s)
2,6 2,5 1,3 1,8 1,9 1,2
Classe de estabilidade C E B E E E
Temperatura (oC) 21,65 22,2 21,5,0 19,0 19,2 18,5
Umidade (%) 77,0 74,0 75,0 89,0 89,0 89,0
Grau de cobertura (%) 80,0 70,0 66,0 81,0 79,0 73,0
Dados meteorológicos referentes ao período do dia no verão
Categorias de estabilidade em função das condições atmosféricas
Velocidade
do vento a
10m (m/s)
Período diurno - Insolação Período noturno -
Nebulosidade
Forte Moderada Fraca Parcialmente
encoberta Encoberta
V≤ 2 A A e B B E F
2‹V≤ 3 A e B B C E F
3‹V≤ 5 B B e C C D E
5‹V≤ 6 C C e D D D D
6‹V C D D D D
Fonte: Lees,1989; AICHE, 2000.
Caracterização das Instalações de Cloro da ETA
Sala fechada com 6,90 m x15,85 m x 7,0 m
5 cilindros em série
Capacidade de 900kg.
Dimensão do cilindro:
Ø= 72 cm
L= 1,80 m
Pint.=6,6 kgf/cm2
T= -120C
Definição do Cenário
1.Vazamento de Cloro na Tubulação Flexível
• Vazamento ocorre na conexão flexível;
• Ø do furo = ¼”
• Massa inicial = 900 kg
• Tempo máximo de vazamento = 12 min
• Pint.=6,6 kgf/cm2
• T= -120C
• Os programas utilizados para a simulação do
vazamento e dispersão do gás foram:
•ALOHA 5.3 (EPA)
• EFFECT2 TNO
•Modelo de dispersão de gás denso: SLAB
Simulação dos Cenários
Faixa de valores dos parâmetros utilizados nos modelos de simulação.
Parâmetro do Modelo Faixa de Valores
Classe de Estabilidade Atmosférica B – F
Velocidade do vento (m/s) 1,04 – 3,2
Massa de cloro emitida (kg) 97,6; 113 e 484
Taxa de vazamento (kg/s) 0,1356 -0,1572
Área da poça (m2) 31
Tempo de vazamento (min) 12
Rugosidade do terreno 5 e 100
Temperatura ambiente (oC) 12,9 – 22,2
Pressão barométrica local (mmHg) 700
Concentração IDLH (ppmv) 10
Diâmetro do furo (mm) 6,35
Densidade populacional (hab/ha) 25-75
Avaliação de Vulnerabilidade
• Modelo de EISENBERG et al.
• É possível determinar a probabilidade de fatalidade do
indivíduo exposto à uma determinada concentração durante
um intervalo de tempo.
• Equação Probit)ln(Pr tCba e
n
Pr: valor da função Probit;
a, b, e, n :constantes que dependem da substância;
C: concentração de exposição (ppm) e;
te: tempo de exposição (min).
Determinação do Risco Social• Análise histórica:
• Frequência de ocorrência do evento inicial
• Probabilidade do sistema de segurança falhar
• Probabilidade da direção do vento
• Cálculo da frequência total acumulada:
• Obtido o resultado da frequência cenário para cada evento
• Calculou-se a frequência acumulada em função do número de
fatalidades
• Curva F-N
VspEI PPFF
Árvore de Eventos
Evento Inicial Sistema de controle de sucção
Direção do vento Efeito Freqüência de Cenário
SW
S
SE
E
NE
N
NW
W
0,95
Psp=0,05
inofensívelFEI =3e-5
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
Nuvem Tóxica
F1
F2
F3
F4
F5
F6
F7
F8
Distância
(m)
Conc.
(mg/m3)
Tempo de
viagem (s)
Dose
máxima
(mg/m3min)
Prob. de
fatalidade %
50 910 295 0,670e9 44,5
100 400 703 0,1422e9 18
160 225 711 02918e8 4,5
200 169 720 0,1337e8 2
350 81 763 0,1722e7 0
Resultado - Cenário A
ÁREA AFETADA PELA NUVEM DE CLORO . V = 2,55 M/S , CLASSE E
Distancia da fonte
(m)
Risco
dispersão
Individual
Flash
Evap. poça RI Total
(ano-1)
50 7,12x10-5 6,99x10-5 7,2x10-5 2,13x10-4
100 6,89x10-5 6,41x10-5 7,2x10-5 2,05x10-4
200 6,10x10-5 4,96x10-5 7,2x10-5 1,83x10-4
350 3,42x10-5 2,80x10-5 7,2x10-5 1,34x10-4
Resultado do risco individual total em relação a várias distâncias
Resultado Risco Individual
1,83x10-4
1,24x10-4
2,13x10-4
Numero estimado de
fatalidade
Frequência F (ano-1) Frequência acumulada (ano-
1)
N>1250 0 0
1000<N≥1250 1,56e-6 1,56e-6
800<N≥1000 2,78e-6 4,34e-6
600<N≥800 6,39e-6 1,07e-5
400<N≥600 1,36e-6 1,21e-5
300<N≥400 1,89e-6 1,40e-5
200<N≥300 4,87e-6 1,88e-5
100<N≥200 2,78e-6 2,16e-5
50<N≥100 1,39e-6 2,30e-5
30<N≥50 4,17e-6 2,72e-5
20<N≥30 5,45e-6 3,26e-5
10<N≥20 1,61e-5 4,88e-5
N≤10 2,51e-6 5,13e-5
Frequência acumulada do evento final para os acidentes de vazamento de cloro.
Curva F-N
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
1,00E-02
1 10 100 1000 10000
Numero de Fatalidades
Fre
qu
ên
cia
Acu
mu
lad
a (
oc./an
o)
Resultado Risco Social
Conclusão
• Concentrações maiores que o IDLH ocorrem fora dos
limites da empresa
• A medida que a nuvem de cloro se desloca aumenta-
se o seu tamanho e diminui a concentração do cloro.
• Classe de estabilidade interfere na distância atingida.
• Nuvens estáveis distâncias maiores
• Nuvens instáveis distâncias menores
• Pontos específicos (escola, rodovia, conjuntos residenciais) se encontram acima do IDLH
• Probabilidade de fatalidade é maior para a vizinhança que reside próxima a ETA (variando com as condições atmosféricas)
• Risco Individual: a probabilidade de morte por ano é menor a medida que se afasta do ponto de vazamento.
• Risco Social: os valores encontram-se dentro da zona de risco intolerável (inaceitável)
• Estudar cenários diferentes como ruptura no tanque,
vazamento em válvulas e tubulações
• Trabalhar com outros modelos matemáticos de
dispersão e de vulnerabilidade
• Fazer um estudo de plano de emergência para os
funcionários e para a população
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Agradecimentos
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