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MASTER PROFESIONAL EN INGENIERIA Y GESTIÓN MEDIOAMBIENTAL 2007-08

MÓDULO: GESTIÓN MEDIOAMBIENTAL Y TÉCNICAS

AFINES

MODELOS DE CÁLCULO DE EFECTOS Y ANÁLISIS DE CONSECUENCIAS

PASTORA Mª FERNÁNDEZ ZAMORA

©: Quedan reservados todos los derechos. (Ley de Propiedad Intelectual del 17 de noviembre de 1987 y Reales Decretos). Documentación elaborada por la EOI.

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SUMARIO

1. INTRODUCCIÓN .........................................................................................5

2. CÁLCULO DE EFECTOS.............................................................................7

3. CÁLCULO DE CONSECUENCIAS ............................................................55

4. ANEXO: CASOS PRÁCTICOS...................................................................69

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MODELO DE CÁLCULO DE EFECTOS Y ANÁLISIS DE CONSECUENCIAS

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INTRODUCCIÓN

Para los diferentes accidentes o situaciones episódicas contaminantes identi-ficadas en una instalación, es necesario determinar la exposición de los ele-mentos vulnerables con las sustancias contaminantes o efectos físicos, así como, la previsible extensión de las consecuencias y de la contaminación. En el análisis se utilizan los modelos de efectos para determinar el compor-tamiento en el medio receptor de una sustancia contaminante emitida, fuga-da, derramada o vertida, y así cuantificar su magnitud. Los posibles efectos sobre los receptores vulnerables dependen de la evolu-ción de los efectos físicos y de las características contaminantes de las sus-tancias, su tiempo de permanencia en el ambiente, así como de la naturaleza del medio receptor afectado (aire, agua o suelo). Para evaluar las consecuencias derivadas de los accidentes e incidentes identificados se aplican criterios de vulnerabilidad y de afección ambiental, definidos para las diversas situaciones permitiendo determinar la gravedad de los efectos adversos sobre los receptores. Asimismo, se delimitan las Zonas de Vulnerabilidad y las Zonas de Afección en las que se justifica la aplicación de medidas de intervención y control tendentes a minimizar dichos efectos.

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MODELOS DE CÁLCULO DE EFECTOS

2.1. INTRODUCCIÓN

Para los diferentes accidentes o situaciones episódicas contaminantes identificadas en una instalación, es necesario determinar la exposición de los elementos vulnerables con las sustancias contaminantes o efectos físicos, así como, la previsible extensión de las consecuencias y de la contaminación. En el análisis se utilizan los modelos de efectos para determinar el comportamiento en el medio receptor de una sustancia contaminante emitida, fugada, derramada o vertida, y así cuantificar su magnitud. Los posibles efectos sobre los receptores vulnerables dependen de la evolución de los efectos físicos y de las características contaminantes de las sustancias, su tiempo de permanencia en el ambiente, así como de la natura-leza del medio receptor afectado (aire, agua o suelo). Para evaluar las consecuencias derivadas de los accidentes e inciden-tes identificados se aplican criterios de vulnerabilidad y de afección ambiental, definidos para las diversas situaciones permitiendo determinar la gravedad de los efectos adversos sobre los receptores. Asimismo, se delimitan las Zonas de Vulnerabilidad y las Zonas de Afección en las que se justifica la aplicación de medidas de intervención y control tendentes a minimizar dichos efectos.

2.2 CÁLCULO DE EFECTOS

2.2.1 Introducción

La determinación del riesgo asociado a cualquier actividad industrial o de transporte, se efectúa en tres etapas: - Identificación de los posibles accidentes o episodios contaminantes a

estudiar.

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- Evaluación de las consecuencias de los accidentes y episodios con-taminantes sobre personas, instalaciones o medio ambiente.

- Determinación de la probabilidad de que ocurran los accidentes o

episodios contaminantes. Los sucesos iniciadores caracterizados en la mayoría de las hipótesis accidentales se corresponden con la rotura parcial o total de tuberías que trans-portan sustancias peligrosas. Para realizar el estudio de las consecuencias aso-ciadas a este tipo de hipótesis accidentales, se utilizan una serie de modelos matemáticos que permiten determinar (generalmente en la secuencia indicada a continuación), los siguientes conceptos: a) Tipo de descarga producida, régimen de la misma y cantidad de pro-

ducto liberado. b) Comportamiento del producto una vez liberado: evaporación, forma-

ción de charcos, dispersión, incendio, explosión, etc. c) Efectos provocados por el accidente: - Radiación térmica, en el caso de fuegos. - Sobrepresión, ante la ocurrencia de una explosión. - Dosis inhalada, aplicable a fuga de productos tóxicos. d) Consecuencias de los efectos anteriores sobre las personas y el en-

torno. Por su parte, las situaciones episódicas contaminantes representativas de instalaciones industriales, así como para las sustancias capaces de provocar impactos ambientales importantes como son: - Altos niveles de inmisión de contaminantes en la atmósfera, co-

mo consecuencia de accidentes y emisiones fugitivas, así como de elevadas emisiones de gases de combustión debido a fallos opera-cionales en los hornos y calderas de proceso o al empleo de com-bustibles inadecuados.

- Contaminación de aguas, por vertido desde la instalación fuera

de especificaciones como consecuencia de fugas o derrames de combustibles, materias primas y productos químicos, o bien, de fa-llos operacionales o mala operación de la planta de tratamiento de efluentes. Asimismo, se pueden producir contaminación de las aguas por rebose de pluviales.

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- Contaminación del suelo, ocasionada por vertidos o fugas de combustibles y productos químicos o por una incorrecta gestión de los diferentes residuos generados en la instalación.

Los modelos matemáticos utilizados para evaluar una situación acci-dental o la evolución de un episodio de contaminación suelen denominarse "modelos de efectos", los cuales serán objeto del presente tema, mientras que los modelos utilizados para determinar el daño o afección sobre los ele-mentos vulnerables se denominan "modelos de consecuencias", objeto del tema siguiente. Mediante la utilización de los resultados obtenidos con la aplicación de los modelos de efectos y consecuencias se pueden determinar los efectos sobre las personas y medio ambiente derivados de los accidentes y episodios contaminantes. La Figura 2.1 presenta un esquema general de los modelos de efectos, que constituyen el nexo de unión entre la identificación de escenarios y los modelos de consecuencias.

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FIGURA 2.1 ESQUEMA GENERAL DE LOS MODELOS DE EFECTOS

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La información suministrada por los modelos de descarga forma parte de los datos de entrada de los modelos de dispersión, y junto con los datos atmos-féricos y del terreno, permiten calcular los niveles de concentración en el aire de la sustancia peligrosa (tóxica o inflamable) en cualquier punto geográfico y para cualquier tiempo de interés. Los resultados obtenidos con los modelos de dis-persión son utilizados directamente por los modelos de consecuencias en el caso de inhalación de sustancias tóxicas. Por su parte, los modelos de fuego y explosión utilizan los datos suminis-trados por los modelos de descarga y de dispersión para estimar la magnitud de efectos potencialmente peligrosos para las personas y las instalaciones, como son la radiación emitida por un fuego o la sobrepresión causada por una explo-sión. En los siguientes apartados se desarrollará brevemente cada uno de los grupos de modelos de efectos que puede ser necesario utilizar en el estudio del riesgo asociado a cualquier actividad industrial.

2.2.2 Evolución y tipología de accidentes. Árboles de sucesos

Dada la gran diversidad de parámetros que afectan al posible desarrollo de un accidente, se hace necesario antes de proceder a utilizar los modelos de cálculos de efectos y consecuencias, definir completamente los escenarios que se van a estudiar para cada accidente identificado, utilizando como herramienta metodológica los árboles de sucesos. Ello, por otra parte, se ve apoyado por lo indicado en la Directriz Básica, según la cual "se incluirá la relación de acciden-tes de Categoría 2 y 3 (Accidentes Graves), y los esquemas de los árboles de sucesos que pueden conducir a cada uno de ellos". La teoría general sobre árboles de sucesos ha sido expuesta en la se-sión anterior, indicándose un caso práctico de árbol de sucesos preincidental. A continuación, se realiza un árbol de suceso postaccidental. En efecto, volvamos a la rotura indicada al hablar de los árboles de su-cesos preincidentales, suponiendo que se produce la fuga en una línea que transporta una sustancia con características tóxicas e inflamables. Ante la rotura de la línea cabría preguntarse varias cuestiones: 1. ¿Se produciría la ignición instantánea de la fuga?.

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2. En caso de que se produjera la ignición instantánea de la fuga ¿Inci-

de el jet fire formado sobre otro depósito de gas licuado? ¿Dispone de sistema de alivio diseñado ante fuego exterior?.

3. En caso de que no se produzca la ignición instantánea ¿se produce

la ignición de la nube inflamable formada o por el contrario se forma una nube tóxica?.

4. ¿Existe un grado de confinamiento en el entorno tal que resulta pre-

visible que se produzca la explosión de la nube?. En el caso de que se tratara de una fuga líquida, cabría preguntarse otras cuestiones tales como: - ¿Se produce la evaporación total de la fuga líquida o quedaría

una fracción sin evaporar, generando un charco inflamable?. - ¿Se produciría la ignición del charco inflamable o por contra se

iría evaporando del charco de manera progresiva?. En función de la respuesta a cada una de estas cuestiones, podrán dar-se diferentes fenómenos: - Jet fire. - BLEVE. - Flash fire. - UVCE. - Nube tóxica. - Pool fire. A continuación, se recogen dos casos prácticos de árbol de sucesos postaccidentales correspondientes al caso analizado (fuga de gas inflamable), así como el correspondiente a la fuga de un líquido inflamable. En definitiva, previo a la aplicación del cálculo de efectos y consecuen-cias, es necesario determinar para qué evoluciones accidentales hay que apli-car el análisis. Los desarrollos accidentales finales a evaluar dependerán tanto de las características de peligrosidad de las sustancias involucradas (toxicidad, infla-mabilidad, susceptibilidad de provocar explosiones), como de las características propias del escenario evaluado (temperatura ambiente, fuga confirmada o a la

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intemperie, presencia de objetos en el entorno, proximidad con otros equipos, etc). Seguidamente se describen las condiciones características de cada uno de los fenómenos accidentales normalmente evaluados en los Análisis de Ries-gos y Análisis Cuantitativos de Riesgos, alguno de los cuales se representan en las figuras adjuntas.

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Es necesario conocer el tipo de fenómeno que puede provocar un ac-cidente, ya que de él dependen los efectos. A continuación se detallan los fenómenos accidentales que se estudian normalmente. Principales fenómenos accidentales BLEVE Con el término BLEVE (acrónimo de la denominación inglesa del suce-so: Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) se conoce al suceso que tie-ne lugar cuando un tanque, conteniendo un líquido almacenado a una tempe-ratura superior a su punto de ebullición o bien conteniendo un gas licuado, se rompe brusca y catastróficamente dejando escapar su contenido instantá-neamente, en forma de evaporación súbita tipo flash, originándose una onda de sobrepresión de alto poder destructivo, acompañada de la formación de proyectiles provenientes del propio recipiente, que a menudo son de gran ta-maño. En el caso frecuente de que el gas sea inflamable, casi siempre el pro-ceso se ve acompañado por la ignición de la nube formada, que es lo que se conoce como fire ball o bola de fuego. Una de las causas más frecuentes de la rotura del recipiente es la de-bilitación de las paredes del mismo por haber estado expuestas accidental-mente a un fuego exterior. Este fuego a menudo es originado por pequeñas fugas del material almacenado. A medida que se recibe calor del fuego exte-rior, fracciones de líquido cada vez mayores pasan a fase vapor con el consi-guiente aumento de presión. Al mismo tiempo, la radiación procedente del incendio, o incluso la incidencia directa de las llamas, calienta la pared del recipiente. En la zona de pared por encima del nivel del líquido la transferen-cia de calor hacia el gas del interior es más lenta, lo que hace que la tempera-tura de la pared aumente rápidamente, con la consiguiente disminución de su resistencia mecánica. Es condición necesaria para que se pueda originar una BLEVE, que el líquido alcance las condiciones de presión y temperatura de nucleación, es decir, aquellas condiciones que hacen posible una nucleación espontánea que origine la evaporación flash que da lugar al fenómeno. Para determinar estas condiciones se estudiarán las líneas de saturación y la línea límite de sobrecalentamiento para la sustancia objeto de estudio. El proceso puede dar origen al colapso del recipiente, la despresuriza-ción del gas y el líquido remanente, y la BLEVE del conjunto. Además las lla-mas del incendio garantizan la ignición de la mezcla en expansión si ésta es inflamable.

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Cabe señalar que la existencia de una válvula de alivio de presión no es suficiente para impedir que una BLEVE tenga lugar, aunque puede retra-sarla y por tanto disminuir sus consecuencias, si está correctamente tarada. Otros causas posibles son el fallo mecánico por corrosión o impacto, sobrellenado o desbocamiento de reacciones en equipos, sin concurso de fuego externo en el caso de recipientes a presión. En este caso la ignición puede producirse de todas formas durante la ruptura del recipiente, o puede retrasarse hasta que la nube en expansión encuentre una fuente apropiada. En ambos casos los efectos de presión serían similares. En este sentido, los estudios realizados sobre el tristemente célebre incidente en San Carlos de la Rápita, el 11 de julio de 1978, muestran que la causa fue el sobrellenado de la cisterna de propileno, generando una BLEVE a su paso por el camping de Los Alfaques, registrándose un total de 211 muertos. En conclusión, los efectos derivados de una BLEVE son como ya se han indicado: a) Radiación térmica: Se debe al fenómeno conocido como fire ball, que se corres-

ponde con la formación de un volumen esférico de gas cuya super-ficie externa arde mientras que la masa entera se eleva por efecto de la reducción de densidad, debido al calentamiento de la masa en combustión. La duración del fire ball suele ser corta, si bien con unos altos niveles de radiación térmica sobre las inmediaciones.

b) Explosión: Como consecuencia de la rotura total del tanque, el líquido se ex-

pande brusca y violentamente dando lugar a una explosión con su correspondiente onda de presión asociada. Estas sobrepresiones son difíciles de predecir, ya que la evolución concreta de la vaporiza-ción y presurización previas al colapso del recipiente, y la duración del proceso de ruptura-despresurización tiene una influencia impor-tante en la evolución posterior. En todo caso, los efectos de presión son a menudo limitados, por lo que el principal peligro en cuanto a la onda de choque es el llamado efecto dominó, o propagación a uni-dades cercanas, siendo poco probable el daño por sobrepresión más allá de los confines de la planta.

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c) Lanzamiento de proyectiles: Como consecuencia de la rotura total del tanque y la expansión

violenta del líquido, se puede producir la emisión a gran velocidad de los fragmentos del tanque, con el potencial riesgo asociado de muer-tes y de extensión del accidente a otras instalaciones.

En este sentido, es preciso diferenciar entre BLEVE y fire ball, o bola de fuego. Sólo cuando en la BLEVE se ven involucradas sustancias in-flamables, se generará una bola de fuego. El hecho de que los efectos de las ondas de presión sean menos relevantes que los de la bola de fuego y que normalmente las BLEVE afecten a equipos que contienen sustancias inflama-bles, hace que se unifiquen en muchas ocasiones ambos términos. POOL FIRE (Incendios de charco o charco inflamable) Cuando un líquido inflamable fuga accidentalmente, parte de él puede acumularse en el suelo formando un charco o bien ser recogido en un cubeto si el tanque o tubería en la que se produce la fuga dispone de él. Si en charco en-tra en contacto con un punto a temperatura superior a la de inflamación del lí-quido, éste se incendiará. El fuego producido por la ignición del líquido acumu-lado en el charco o en el cubeto se conoce como pool fire. En caso de incendios no confinados puede producirse una variación im-portante de las dimensiones del incendio a medida que el líquido derramado se extiende. En cualquier caso es necesario establecer las dimensiones del incen-dio, en función del tiempo si son variables. Sus efectos suelen afectar a zonas reducidas, aunque con un alto tiempo de exposición. No obstante, pueden originar accidentes de mayor gravedad, tales como BLEVE, en caso de que éste se produzca en las inmediaciones de tanques con gases licuados, siempre que éstos no estén diseñados ante fuego exterior. Por último, y como se indicará seguidamente, si se producen en las inmediaciones de tanques con sustancias como fuel oil, y bajo condiciones muy específicas, se podrá generar un Boil-over. JET FIRE (Dardo de fuego) Un jet fire es un tipo de fuego producido por la ignición inmediata de un chorro de gas o vapor inflamable que fuga de un tanque o tubería por un estre-chamiento u orificio a una velocidad considerable. La radiación emitida por el jet fire afecta generalmente a zonas muy limi-tadas, tanto por las usualmente reducidas dimensiones del chorro, como por su relativamente corto tiempo de exposición.

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Su peligro principal es la incidencia directa del dardo sobre otras superfi-cies, sobre todo sobre equipos que contengan gases licuados, ya que también pueden generar BLEVE al igual que los pool fire. FLASH FIRE (Llamarada o nube de gas inflamable) Se denomina flash fire a la combustión muy rápida de una mezcla de aire más vapor inflamable que se dispersa en la atmósfera, con características tales que los efectos de presión sean despreciables, quedando como efectos a considerar los correspondientes a la radiación térmica. En el caso de un flash fire, la ignición da lugar a un fuego que consume rápidamente la materia inflamable contenida en la nube, sin efectos graves en el exterior de las llamas. De ahí que se considere su alcance como la región del espacio correspondiente al límite inferior de inflamabilidad. La duración típica de la combustión de la nube de gas resulta desprecia-ble. EXPLOSIONES CONFINADAS (CVE) Y NO CONFINADAS (UVCE) La explosión es una liberación repentina y violenta de energía. La violen-cia de la explosión depende de la velocidad a la cual se libera la energía. Según sea dicha velocidad, la explosión puede ser de dos clases: a) Deflagración, con velocidad de llama de 1 a 300 m/s. b) Detonación con velocidad de llama superior a 300 m/s, pudiendo

alcanzar 2000-3000 m/s. Las explosiones pueden clasificarse, según su grado de confinamiento, en: a) Explosiones confinadas (CVE, Confined Vapour Explosion): es la

producida en el interior de un recipiente o recinto. b) Explosiones no-confinadas (UVCE, Unconfined Vapour Cloud Explo-

sion): aquélla que tiene lugar en la atmósfera abierta. CVE (Explosiones confinadas) La energía liberada en una explosión confinada en un recipiente se dis-tribuye entre energía de ondas de choque y energía de proyección de fragmen-tos. Las explosiones confinadas en recipientes (CVE) pueden ser de dos tipos:

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- Explosiones físicas. Aquellas cuya energía liberada es de tipo físico. La energía física puede ser de presión, de tensión en metales, térmi-ca y eléctrica. Las explosiones físicas más típicas son las debidas a la elevada presión de un gas, de tal modo que la energía proviene de la expansión adiabática del gas confinado en el recipiente.

- Explosiones químicas: Aquellas originadas por la energía liberada en

una reacción química. El caso más frecuente es la explosión por ig-nición de una mezcla de vapores inflamables y aire. La energía libe-rada proviene de la suma de la energía de expansión adiabática del gas y la energía de reacción química (que para una ignición es la energía de combustión del gas).

UVCE (Explosiones no confinadas) Tienen lugar por la ignición de mezclas de gas inflamable y aire de la masa de gas entre los límites de inflamabilidad en espacios abiertos. La ignición retardada de una nube de gas inflamable puede originar una explosión y las sobrepresiones correspondientes, si la nube está considerablemente confinada, por ejemplo entre edificios o en plataformas bajo tierra. La gravedad de la explosión depende de la cantidad de gas en la nube que se encuentre dentro de la región explosiva (entre el LII y el LSI). Estas cantidades se calculan con modelos de dispersión, asumiéndose que el centro de la explosión se sitúa en el punto medio entre el LII y el LSI. Actualmente existen aún dudas sobre la cantidad mínima de gas infla-mable requerida para producir una UVCE, la distancia máxima a que se puede desplazar la nube y el tiempo que puede transcurrir antes de que deflagre. En este sentido, existen discrepancias en la delimitación del valor mínimo de la masa contenida en una nube inflamable que puede dar origen a una explosión en lugar de una deflagración, de manera que los autores establecen cantidades mínimas que oscilan entre 1 y 15 toneladas de vapor inflamable en la nube para que pueda producirse una explosión. Abundando en ello, para sustancias muy reactivas, como el hidrógeno, se han citado experiencias accidentales en las que intervenían algunas decenas de kilogramos. NUBE TÓXICA La dispersión de gases con características toxicológicas dará lugar a nu-bes tóxicas. En este sentido, de los diferentes desarrollos accidentales que pueden considerarse como consecuencia de la emisión de una sustancia, a menudo las mayores distancias de consecuencias suelen venir asociados a las

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nubes tóxicas. En el caso de las nubes tóxicas, en lugar que un determinado nivel de concentración o un tiempo de exposición, el concepto de interés es la dosis inhalada. BOIL OVER (Borbollón) En el caso de producirse un incendio de larga duración en un tanque de almacenamiento de fuel oil, se puede dar el fenómeno conocido como boilover o borbollón, cuya consecuencia básica es la expulsión del líquido hasta una gran altura, dando lugar a una bola de fuego. Para que el boilover se produzca, el líquido almacenado en el tanque incendiado debe tener componentes con un amplio rango de puntos de ebulli-ción, desde cortes ligeros hasta residuos viscosos. Por ello, el fenómeno del boilover puede producirse en incendios que involucren tanques de almacena-miento de crudo, fuel oil, etc., durante un largo espacio de tiempo, pero no en almacenamientos de naftas o gasolinas. Dada la diferencia de volatilidades de los componentes que forman el líquido, en el incendio se consumen en primer lugar los compuestos más lige-ros, por lo que en la parte superior del tanque se forma una capa cuya tempera-tura aumenta continuamente conteniendo las fracciones más pesadas. La den-sidad de la capa superficial aumenta paulatinamente hasta hacerse mayor que la del líquido situado inmediatamente debajo de ella, produciéndose el hundi-miento de la capa superficial. Cuando la capa de hidrocarburo alcanza el fondo, entra en contacto con el agua que suele encontrarse en el fondo del tanque o con la emulsión de hidrocarburo que pueda haber, de forma que el agua se so-brecalienta y una parte de ella se evapora súbitamente, lo que inmediatamente provoca la proyección del hidrocarburo ardiendo (bola de fuego) desde el depó-sito, emitiendo un intenso flujo térmico. Si bien el fuel oil no presenta, por lo general, un rango de componentes que abarque desde cortes ligeros hasta residuos viscosos, el análisis del históri-co de accidentes ocurridos en almacenamientos de productos petrolíferos muestra que este tipo de sucesos se ha producido en algún almacenamiento de fuel oil. En la Central Termoeléctrica de Tacoa, Caracas, el 19 de diciembre de 1982, se produjo el incendio de un tanque de fuel oil, y después de seis horas de intenso fuego, se produjo un derrame violento (boilover) en el que murieron más de 150 personas.

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2.2.3 Evolución y tipología de episodios contaminantes

Las posibles evoluciones de los episodios contaminantes son: - Altos niveles de inmisión de contaminantes en la atmósfera, co-

mo consecuencia de accidentes y emisiones fugitivas, así como de elevadas emisiones de gases de combustión debido a incidentes en los sistemas de depuración de gases, así como a fallos opera-cionales en los hornos y calderas de procesos o al empleo de combustible inadecuados.

- Contaminación de aguas de vertido desde la instalación fuera de

especificaciones como consecuencia de fugas o derrames de combustibles, materias primas y productos químicos, o bien, de in-cidentes o mala operación en la PTEL, así como por rebose de pluviales.

- Contaminación del suelo, ocasionada por vertidos o fugas de

combustibles y productos químicos o por una incorrecta gestión de los diferentes residuos generados en la instalación.

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BURNING GAS CLOUD

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2.3 MODELOS DE EFECTOS

2.3.1 Modelos de descarga

Los modelos de descarga ofrecen información cuantitativa sobre el tipo de descarga producida, el régimen de la misma y la evolución de la cantidad fugada con el tiempo. En estos modelos se incluyen los modelos de evapora-ción, que determinan la fracción de líquido (si la sustancia que fuga es líquida) que se evapora y se dispersa en la atmósfera. Los accidentes suelen comenzar con una descarga de material inflama-ble o tóxico del recipiente que los contiene o de las tuberías por donde circulan. La descarga puede producirse por una rotura total del tanque o de la tubería, o desde pequeños orificios y grietas producidos en los mismos. Dada la gran di-versidad de situaciones que pueden encontrarse en la industria, es conveniente agrupar los distintos tipos de roturas posibles en categorías que representen al mayor número posible de puntos de fallo. A tal fin, suele utilizarse el siguiente criterio para definir las magnitudes de la roturas a estudiar: A Tuberías - Rotura total, considerada para diámetros menores o iguales a

6". - Fuga de gran magnitud, considerando un área de orificio de un

10% de la sección transversal de la tubería. Dichos orificios son ca-racterísticos de una grieta en una soldadura o de escapes impor-tantes en válvulas y sellos de bombas. Por otra parte, el porcentaje de rotura característico de fugas localizadas en juntas de bridas, se asimila al asociado a este tipo de fugas (10% de la sección trans-versal) cuando las líneas son de 1" de diámetro, aproximadamente.

- Fuga de pequeña magnitud, considerando un área de orificio de

un 1% de la sección transversal de la tubería. Dichos orificios son característicos de picaduras por corrosión o de escapes de peque-ña magnitud en válvulas y sellos de bombas. Por otra parte, el por-centaje de rotura característico de fugas localizadas en juntas de bridas, se asimila al asociado a este tipo de fugas (1% de la sec-

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ción transversal) cuando las líneas son de 4" de diámetro, aproxi-madamente.

B Tanques o recipientes - Rotura, caracterizada por la rotura de la conexión más grande

en la parte del líquido, con las mismas consideraciones indicadas anteriormente para tuberías.

- Fuga, caracterizada por la rotura de la conexión de un instru-

mento, con orificios típicos de 0,5-1" de diámetro. C Vehículos de Transporte - Rotura de la manguera de carga/descarga - Rotura del brazo de carga/descarga Como puede comprobarse, los escenarios de fallo en tanques y recipien-tes se asimilan al fallo en una tubería conectada a ellos. Esto es debido a que los efectos físicos y consecuencias de ambos tipos de escenarios son normal-mente idénticos. La duración de la fuga depende del tiempo requerido para la detección de la fuga y para la realización de acciones tales como parada del proceso, cierre de válvulas de emergencia, etc. En orden a tener en cuenta los sistemas de seguridad automáticos con los que cuente el proceso o la intervención humana, se suelen utilizar criterios generales, que por ejemplo para rotura total son:

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Situación Duración de la fuga para

Rotura total Válvula operada remotamente. Supervisión directa o detecto-res.

2 min.

Válvula manual. Supervisión directa o detecto-res.

5 min.

Válvula operada remotamente. No hay supervisión directa ni detector.

5 min.

Válvula manual. No hay supervisión directa ni detector.

10 min.

No hay posibilidad de anular el escape. 30 min.

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Dependiendo del lugar en el que se produzca la rotura y del estado de la fase en la que se encuentre la sustancia que fuga, pueden ocurrir descargas de gases, vapores, líquidos o bien flujo bifásico simultáneo de líquido y vapor. En la figura siguiente se representan escenarios típicos de fuga para cada uno de los tipos de fuga anteriores. En el siguiente cuadro se resumen las situaciones po-sibles: - Gas o vapor: · Orificio o rotura en un equipo (tubería o tanque) conteniendo gas a presión. · Orificio o rotura en la fracción del tanque ocupada por el vapor en equilibrio con el líquido almacenado. · Salida de gas motivado por el salto de una válvula de seguridad. - Líquido. · Orificio o rotura en un tanque atmosférico que con-tiene líquido. · Orificio o rotura en un equipo (tubería o tan-

que) conteniendo un líquido cuya temperatura es inferior a su temperatura normal de ebullición.

· Orificio o rotura en línea de salida de tanque conteniendo un líquido a temperatura mayor que la normal de ebullición, caracterizada por un pequeño diáme-tro de fuga y corta longitud de línea.

- Flujo bifásico. · Rotura total en la línea de salida de un tan-

que conteniendo un líquido cuya temperatura es superior a su temperatura normal de ebullición, situada a una distancia ma-yor que unos 10 diámetros aproximadamente del tanque.

· Orificio en la zona vapor de un gas licuado, especialmente si se trata de un líquido viscoso o con tenden-cia a formar espumas (efecto champagne).

El cálculo de flujo de un líquido o gas por un orificio está perfectamente desarrollado teóricamente y es ampliamente utilizado en muchos campos de la Ingeniería de Procesos y en la Mecánica de fluidos. A continuación, se resumen las ecuaciones de cálculo utilizadas para la estimación de la velocidad de emisión para los diversos tipos de fugas con-sideradas: gas/vapor, líquido y bifásico. Puede observarse que en todos los casos la velocidad de emisión es directamente proporcional al área del orificio de salida y a la presión a la que

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se encuentra el fluido en el tanque o tubería. Igualmente, se utiliza un coefi-ciente de descarga, Cd, que tiene en cuenta las posibles restricciones que el fluido ha de vencer en la fuga: válvulas, codos, etc. En la figura siguiente se muestran los modelos de descarga a utilizar ante la rotura de una línea de GLP.

Escenario Tipo de fallo Consecuencias

1. Rotura total Fuga

Explosión física (BLEVE) "Efecto champagne"


Explosión física (BLEVE) si se da en el depósito Fuga bifásica (L > 10D) Fuga líquida (L < 10D)


Fuga bifásica (Q ≤ máx. bomba) Fuga líquida (Q ≤ máx. bomba)

Para completar los modelos de descarga, es preciso conocer el tipo de descarga que se producirá, es decir: fuga adiabática o isoterma: - Se considera que la fuga es isoterma cuando existen condicio-

nes que permiten considerar que se mantienen las condiciones de la fuga. Tal es el caso de fugas de pequeña magnitud en depósito conectados a un sistema de control de presión o fugas aguas abajo de bombas o compresores.

- Se considera fuga adiabática cuando las condiciones en el de-

pósito se irán alterando como consecuencia de la propia fuga, dis-

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minuyendo la presión y temperatura en el mismo. Tal es el caso de fugas que afecten a tanques de almacenamiento de gases licua-dos, por ejemplo.

FIGURA 2.4 ESCENARIOS TÍPICOS DE FUGA

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TABLA 2.1 ECUACIONES DE CÁLCULO DEL CAUDAL DE FUGA

A) GAS/VAPOR

∅aAP

C=G0

d

siendo: G: Caudal de fuga (kg/s) Cd: Coeficiente de descarga (adimensional <=1) A: Área del orificio (m2) P: Presión de almacenamiento (N/m2) Pa: Presión atmosférica (N/m2) a0: Velocidad sónica del gas

(m/s))MRT(=a

2/1

0γ

M: Peso molecular del gas (Kg/mol) R: Constante universal de los gases T: Temperatura del gas (°K) φ: Factor de flujo (adimensional)

]))PP(-[1)

PP(

1-2(= a

1-

a/22

2/1

γγ

γ

γγΦ

)2

1+(PPsi 1-

a

γ≤γγ

)1+

2(=1)-2(/1)+(

γγΦ

γγ

)2

1+(PPsi 1-

a

γ≥γγ

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TABLA 2.1 (Cont. I) ECUACIONES DE CÁLCULO DEL CAUDAL DE FUGA

B) LIQUIDO

gh)2+)P2(P-(AC=G a2/1

d ρρ

siendo: G: Caudal de fuga (Kg/s) Cd: Coeficiente de descarga (adimensional ≤ 1) A: Área de orificio (m2) ρ: Densidad del líquido (Kg/m3) P: Presión de almacenamiento (N/m2) Pa: Presión atmosférica (N/m2) g: Aceleración de la gravedad (9.8 m/s2) h: Altura del líquido sobre el orificio (m) C) BIFASICO

)TC

g(V

HAC=Gp

2/1

fg

fd

siendo: G: Caudal de fuga (Kg/s) Cd: Coeficiente de descarga (adimensional ≤1) A: Área del orificio (m3) Hf: Calor latente de vaporización (KJ/Kg) Vfg: Cambio en el volumen específico de líquido a vapor (m3/Kg) Cp: Calor específico del líquido (KJ/Kg °K) T: Temperatura de almacenamiento (°K) g: Aceleración de la gravedad

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2.3.2 Modelos de cálculo de evaporación

Como se acaba de indicar, se pueden dar tres tipos de fuga: líquida, de gas o vapor y bifásica. Para el caso de fugas de gas o vapor, se produce una dispersión inmediata de éste en la atmósfera. Sin embargo, para el resto de las fugas, sólo una cierta fracción de ésta, a determinar, se vaporiza y dispersa. La metodología de cálculo en estos casos requiere determinar la emisión total de vapor a la atmósfera, es decir, la cantidad que se dispersa, y a su vez, la cantidad de sustancia que quedará en el charco, de importancia para el cál-culo de efectos. Los conceptos utilizados para la determinación de la evapora-ción son los siguientes: - Flash. Las sustancias que se encuentran en almacenamiento o proceso a

una temperatura superior a su temperatura de ebullición, sufren co-mo consecuencia de la fuga una evaporación inmediata, o "flash", al expandirse hasta las condiciones atmosféricas, como consecuencia de la fuga. La cantidad evaporada es la necesaria para alcanzar el equilibrio termodinámico a las condiciones atmosféricas, de forma que la energía necesaria para la vaporización proviene del calor sen-sible del líquido que se enfría hasta su temperatura de ebullición.

- Arrastre de aerosol. Como consecuencia del proceso de flash, se forman gotas muy pe-

queñas (aerosol) de la sustancia, que pueden ser arrastradas por el vapor formado. El arrastre de aerosol trae como consecuencia un aumento de la densidad de la nube de vapor formada, que hay que tener en cuenta a la hora de aplicar los modelos de dispersión.

Se suele tomar como criterio conservador que la cantidad de sustan-

cia evaporada como aerosol es del mismo orden que la evaporada como flash, si bien ello puede constituir una sobreestimación de las consecuencias. Por otra parte, en el caso de mezclas de sustancias, ha de considerarse la evaporación adiabática para cada una de las sustancias que formen parte de la corriente que se fuga, consideran-do los puntos de ebullición respectivos.

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- Derrame de líquido en el suelo/agua. La cantidad de sustancia que no es evaporada ni arrastrada como

aerosol, llega al suelo y da lugar a la formación de charcos. Es importante determinar el tamaño final del charco, y el período que

tarda en alcanzarse, tanto para el cálculo de la evaporación desde él, como para el cálculos de los efectos derivados de la ignición y su posterior incendio, si la sustancia es inflamable. Para el cálculo del tamaño final del charco los modelos suelen trabajar con las siguien-tes hipótesis:

. La extensión del líquido derramado sobre el terreno tiene lugar

concéntricamente alrededor del punto de fuga. . Debido a la rugosidad del terreno, la extensión del líquido se

detiene cuando se alcanza un espesor mínimo dependiente del tipo de terreno y líquido, con el límite de la superficie del cubeto o elemento de contención, si éste existiera.

- Evaporación de la sustancia derramada. Al proceso de evaporación contribuyen simultáneamente varios me-

canismos de transferencia de materia y de energía. En la figura ad-junta, se presentan los distintos mecanismos, entre los que podemos destacar:

a) Transmisión de calor desde el suelo. Para aquellas sustancias que tienen un punto de ebullición infe-

rior a la temperatura del suelo sobre el que se vierte, se produ-ce una evaporación debida a la transmisión de calor que existe desde el suelo al seno del líquido. La velocidad de evaporación por este mecanismo presenta un máximo, dado que la tempe-ratura del suelo va disminuyendo progresivamente, y con ella, el calor que se suministra al charco. En el caso de fuga de lí-quidos criogénicos sobre terrenos húmedos puede producirse una capa de hielo en el suelo que limita la transmisión de calor y, en consecuencia, la evaporación.

b) Convección hacia el aire. El aire, al fluir sobre la sustancia líquida, arrastrará vapores de

ésta a consecuencia de procesos de transporte convectivo de materia. La energía necesaria para poder producir la evapora-ción se toma, en su mayor parte, del calor sensible del líquido,

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que por tanto se irá enfriando, con lo que disminuirá su presión de vapor, y con ésta, la tendencia a evaporarse.

La cantidad total que se dispersa es la suma de la obtenida en los proce-sos de "flash", arrastre de aerosol y evaporación.

2.3.3 Modelos de dispersión

El gas o vapor liberado en un accidente se dispersará en los alrededores del punto de emisión, bajo la influencia de la turbulencia atmosférica y del vien-to. Los modelos de dispersión estudian el proceso de dilución del gas o vapor fugado en el aire.

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Los cálculos de la dispersión son necesarios tanto para los fenómenos inflamables, cuyos efectos vienen determinados por las dimensiones de la nube de gas inflamable, como para los fenómenos tóxicos, para los que los efectos dependen de la exposición durante un cierto período de tiempo a una determi-nada concentración de gas tóxico. En este sentido, los modelos de dispersión, una vez conocido el caudal de fuga y la caracterización del medio (datos meteorológicos y rugosidad del terreno), dan una estimación del punto en el que se alcanza una cierta concen-tración de gas tóxico y/o inflamable. Básicamente, existen dos grandes grupos de modelos: - Modelos de dispersión de gases neutros. - Modelos de dispersión de gases densos. Los modelos de dispersión de gases neutros, también denominados mo-delos gaussianos, han sido ampliamente utilizados para el estudio de la disper-sión de las emisiones de gases con una densidad similar a la del aire, espe-cialmente la emisión de contaminantes desde chimeneas industriales. Por su parte, los modelos de gases densos son relativamente recientes y se han des-arrollado específicamente para estudiar la dispersión de los gases y vapores que son emitidos accidentalmente. En la Figura 4.2 puede observarse los resultados obtenidos por simula-ción en un túnel de viento de la dispersión de gases con diferentes densidades. Puede notarse el diferente comportamiento de un gas neutro (parte superior de la figura) con respecto al de un gas denso (parte inferior de la figura). La figura muestra que el gas denso tiende a dispersarse a nivel de suelo, por lo que a igualdad de condiciones de emisión y meteorológicas, un gas denso produce concentraciones más elevadas, a nivel de suelo, que la emisión de un gas neu-tro. Tanto los modelos de gases densos como los modelos gaussianos se utilizan en la realización de Análisis Cuantitativo de Riesgos y Estudios de Se-guridad. Un modelo gaussiano puede utilizarse si se cumple alguna de las si-guientes condiciones: - La sustancia que se dispersa tiene una densidad, en las condiciones

de emisión, similar a la del aire. - La cantidad fugada es muy pequeña y la etapa de dilución inicial tie-

ne una reducida duración en comparación con la de transporte.

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- La fuga se produce como consecuencia de una evaporación reduci-da desde el área de un charco, registrándose una alta dilución inicial.

Por su parte, es necesario aplicar un modelo de gas denso cuando: - La sustancia que se dispersa tiene un peso molecular mucho mayor

que el del aire. - La nube de vapor formada se encuentra inicialmente muy fría (fuga

de gases licuados por refrigeración) o arrastra una importante frac-ción de aerosol.

En la Figura 2.6 pueden observarse las diferentes etapas de las que consta la dispersión de los gases densos: - Zona de aceleración inicial y dilución por arrastre de aire al interior de

la nube. - Zona de dominio de la flotabilidad negativa, en la que la nube de gas

denso, debido a la diferencia de densidad con respecto al aire que la rodea, comienza a descender.

- Zona de transición entre la zona de flotabilidad negativa y la zona de

dominio de la turbulencia atmosférica. En ella, la nube fluye tanto en la dirección longitudinal como en la dirección lateral.

- Zona de dominio de la turbulencia atmosférica. En esta zona la nube

comienza a comportarse como una nube de gas neutro y la dilución se produce a consecuencia de la turbulencia atmosférica. Conse-cuentemente, la mayor parte de los modelos de dispersión de gases densos dispone de un módulo de dispersión gaussiano y de un crite-rio para cambiar desde el modelo de gas denso al modelo gaussia-no.

Los datos de entrada necesarios para ambos tipos de modelos son se-mejantes: - Cantidad o caudal de fuga, según la fuga pueda considerarse instan-

tánea o semicontinua. - Datos Meteorológicos.

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Los modelos de gases densos, a semejanza de los modelos gaus-sianos, utilizan las seis categorías de estabilidad de Pasquill (A...F) para representar la estabilidad atmosférica y el grado de turbulencia.

Para la realización de los Análisis de Riesgo y de los A.C.R., es sufi-

ciente, generalmente, con utilizar dos conjuntos de datos meteoroló-gicos (clase de estabilidad, velocidad de viento, humedad relativa del aire, etc) representativos de la meteorología de la zona.

- Topografía de la zona de estudio. Los modelos de dispersión tienen en cuenta el diferente comporta-

miento de la nube de gas en un ambiente urbano, industrial o rural. Mención aparte merece el tratamiento de los fugas de gases dotados de una alta turbulencia inicial, para los que se aplica el modelo de chorro libre tur-bulento. La dispersión como chorro libre turbulento (característico de fugas con un Reynolds > 25.000) se caracteriza por una alta velocidad del gas y una rápi-da y efectiva mezcla con el airea ambiente, habida cuenta de la alta turbulencia. El comportamiento como chorro libre turbulento predomina sólo a distancias relativamente próximas al punto de fuga hasta que se pierde la alta velocidad inicial. En el caso de fugas localizadas en zonas con alta densidad de equipos y líneas, puede asumirse la colisión con otros equipos, de manera que se pierda la alta velocidad inicial. En tal caso, el comportamiento en su dispersión pasaría a ser el de un gas sin momento cinético inicial, aunque se produce previamente una alta dilución como consecuencia del choque. Los resultados obtenidos con los modelos de dispersión permiten cono-cer la concentración en el aire de un gas tóxico o inflamable en cualquier coor-denada (x,y,z) que se desee. La concentración calculada puede ser la concen-tración instantánea para cualquier tiempo de interés o promediada para el inter-valo de tiempo que se desee. La primera opción es útil para el estudio de la dis-persión de un gas o vapor inflamable en cuyo caso es de interés conocer en cualquier momento la posición de la isopleta correspondiente al Límite Inferior de Inflamabilidad (LII). La segunda opción es útil para el estudio de las conse-cuencias de la fuga de una sustancia tóxica, en cuyo caso es interesante cono-cer la dosis que puede llegar a ser inhalada en un período de tiempo de varios minutos.

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FIGURA 2.5 COMPORTAMIENTO GAS NEUTRO Y GAS DENSO

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FIGURA 2.6 ETAPAS DISPERSIÓN GAS DENSO

2.3.4 Modelos de fuego y explosión

La ignición de una sustancia inflamable que accidentalmente haya sido liberada puede dar lugar a un fuego (pool fire, jet fire, flash fire o bola de fuego) o bien a una explosión. Los modelos de fuego calculan la radiación recibida por una persona ex-puesta en función de su distancia a las llamas. En el caso de los modelos de explosión se calcula la sobrepresión en función de la distancia al origen de la explosión. Modelos de fuego Para estudiar la radiación se utilizan modelos semiempíricos que tienen en cuenta la forma del incendio, las características físicas y químicas de la sus-tancia, etc.

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Se expone a continuación un modelo, denominado de "cuerpo sólido", relativamente sencillo conceptualmente y muy utilizado. En el modelo de "cuerpo sólido" se asimila el fuego a un cuerpo sólido radiante. Para cada tipo de fuego se modela el incendio asignando una forma geométrica lo más semejante posible a la envolvente de las llamas. Por ejem-plo, en el caso de un pool fire, el fuego se asimila a un cilindro o un paralelepí-pedo en función de la forma del charco: circular o rectangular. En el caso de una bola de fuego, éste se asimila a una esfera cuyo centro está situado a una determinada altura sobre el terreno. La radiación recibida por una persona o instalación, en función de su dis-tancia a la llamas, se calcula según la siguiente expresión:

q = τ E F siendo: q: radiación recibida (Kw/m2). τ: coeficiente de transmisión atmosférica. E: Poder emisivo medio de la llama (Kw/m2). F: Factor de forma. El valor de τ representa la fracción de radiación térmica emitida por la llama que es transmitida por la atmósfera. Su valor disminuye con la distancia a las llamas, oscilando entre 0,7 y 0,8. La transmisión de la atmósfera no es total puesto que el vapor de agua, y en menor medida el dióxido de carbono, absor-ben radiación térmica. El poder emisivo de la llama E depende fundamentalmente de la tempe-ratura y del ennegrecimiento de la llama. Se ha determinado experimentalmente para diversas sustancias y distintos tipos de fuego. En la Tabla 2.2 se indican algunos valores de Poder Emisivo de llama medidos para pool fire. Para bolas de fuego el valor de E oscila entre 200-300 Kw/m2. Por último, el factor de forma F, que puede determinarse a partir de con-sideraciones teóricas, depende de: - Dimensiones y forma del fuego. - Distancia entre la llama y el punto para el que se calcula q. - Inclinación de la superficie que recibe la radiación con respecto a la

llama: vertical, horizontal, inclinada, etc.

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TABLA 2.2 PODER EMISIVO DE LLAMA PARA POOL FIRES

SUSTANCIA DIMENSIONES DEL

CHARCO (m) PODER EMISIVO

(Kw/m2)

GLP 20 50

Gasolina 1-10 60-130

Keroseno 30-80 10-25

JP 5 1-30 30-50

Para realizar el cálculo de los niveles de radiación, es necesario conocer, adicionalmente a las propiedades de la sustancia involucrada, las dimensiones del charco o de la nube de gas formada y los datos meteorológicos de la zona. Los parámetros meteorológicos representativos que resultan relevantes para la determinación de los niveles de radiación son: - Temperatura ambiente. - Humedad relativa. En el caso de líquidos inflamables en los que se produzca una evapora-ción relevante desde el charco, normalmente se considerará la ignición retarda-da, de forma que se tome el máximo área de charco. Modelos de explosión En esta sección nos centraremos en los modelos de explosión aplicados a una UVCE (Unconfined Vapor Cloud Explosion) por haber sido un fenómeno muy estudiado y porque su metodología es básicamente aplicable a otros tipos de explosión: explosiones física, BLEVE, explosión de una nube de polvo, etc. Tanto una UVCE como un flash fire son similares en sus orígenes: una cantidad de sustancia volátil e inflamable se dispersa en la atmósfera y se pro-duce la ignición lejos del punto de fuga y antes de que la nube se diluya por de-bajo del Límite Inferior de Inflamabilidad (LII) de la sustancia fugada. El proceso de combustión de una nube de vapor no está actualmente totalmente entendido, pero una revisión de los datos históricos indica que la fu-ga de la pequeña cantidad de vapor probablemente produce un flash fire. Por contra, para que tenga lugar una UVCE, dando lugar a la correspondiente onda de presión, se necesita una cantidad mínima de sustancia inflamable, que se-gún los diversos autores oscila entre 2 y 15 Tm. Sin embargo, especies muy

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reactivas como el hidrógeno o el acetileno han dado lugar a explosiones con cantidades tan pequeñas como 100 Kg. Igualmente, la presencia de un cierto grado de confinamiento y turbulencia son necesarias para que se produzca la transición desde flash fire a UVCE. Cuando se produce la explosión, se origina una onda de presión de for-ma que en si medimos el incremento de presión con respecto a la atmosférica (∆P) en un punto determinado, se obtendrá una evolución temporal de ∆P se-mejante a la presentada en la siguiente figura: siendo: ∆P: sobrepresión. t+: tiempo de fase positivo. Los modelos de explosión permiten calcular ∆P y t+ a cualquier distancia del origen de la explosión. Existen diversos modelos para el cálculo de los efectos de una explosión, entre los cuales uno de los utilizados es el modelo TNT. Este modelo se basa en la hipótesis de que los efectos de una UVCE son equivalentes a la explosión de una cierta cantidad de TNT, que se puede calcular según la siguiente expre-sión.

HHM=w

c

c

TNT

η

en la que: w: masa equivalente de TNT (Kg) M: masa de vapor inflamable (Kg) n: Eficiencia de la explosión. Hc: Entalpía de combustión del vapor. HcTNT: Entalpía de combustión del TNT.

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La eficiencia de la explosión depende de la reactividad de la sustancia y su valor oscila entre el 1 y el 10%. La masa de vapor inflamable que ha de utilizarse en la expresión anterior es la masa de la nube cuya concentración se encuentre comprendida entre el Límite Inferior de Inflamabilidad (LII) y el Límite Superior de Inflamabilidad (LSI). El valor de la masa que participa en la explosión es un dato que puede ser ob-tenido fácilmente de los resultados ofrecidos por los modelos de dispersión. Una vez conocida la masa de TNT equivalente, la sobrepresión en fun-ción de la distancia puede determinarse utilizando la Figura 2.7.

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FIGURA 2.7 CÁLCULO DE LA SOBREPRESIÓN

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Proyección de fragmentos En el caso de que las explosiones se generen en el interior de equipos, por ejemplo por la pérdida de control de una reacción exotérmica o la formación de mezclas explosivas en el interior de equipos, se producirá la proyección de fragmentos. Los modelos utilizados para la proyección de fragmentos dependen tanto de la presión máxima alcanzada como consecuencia de la explosión, como de la velocidad de aumento de presión. Por otra parte, para realizar el cálculo de rotura de recipientes, debe considerarse qué tipo de proceso conduce al fallo del mismo, proceso que determina la presión efectiva de rotura. Esta presión podrá variar desde la presión de trabajo, ante fragilización por congelación o tensiones mecánicas, a 1,2 veces dicho valor, ante fuego ex-terior, o a 5 veces, en caso de explosión interna, siendo este último el valor normalmente utilizado. La energía liberada se repartirá entre impulso de fragmento y onda de choque, asumiéndose normalmente en el caso de roturas parciales, que el 60% de la energía se emplea en el impulso de los fragmentos. Dada la cantidad de parámetros que influyen en el proceso, baste con-cluir que el cálculo de efectos conllevará: - La determinación de las ondas de sobrepresión generadas. - El máximo alcance de los proyectiles y el rango más probable de

distancias alcanzadas. En relación a este último aspecto, no existe un criterio claro para deter-minar el número de fragmentos en los que se parte un recipiente, al depender de muchos factores, tales como material, presión de rotura, condiciones en las que se rompe, producto, energía liberada, dimensiones del recipiente, etc. Lo usual es analizar un accesorio, tal como una tubuladura, brida o codo, así como válvulas tipo, determinado con éstas, las anteriores distancias de con-secuencias.

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2.3.5 Modelo de dispersión de las emisiones atmosféricas desde una chime-nea o un foco

El modelo de dispersión y la metodología de aplicación de éste para el cálculo de las inmisiones de contaminantes en el entorno de una instalación como consecuencia de las emisiones por chimenea usualmente siguen las re-comendaciones de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EE.UU. (EPA). La evaluación de los niveles máximos de inmisión se realiza con el mo-delo de dispersión ISCST, junto con la aplicación BREEZE WAKE, que conside-ran los efectos aerodinámicos incluyendo los provocados por el terreno y los edificios. Como pasos previos a la estimación de los niveles de inmisión se han de desarrollar las siguientes etapas: - Caracterización de las emisiones de las instalaciones. - Recopilación del conjunto de parámetros meteorológicos necesarios. - Definición geográfica de la malla de receptores de los modelos de

dispersión y definición orográfica del área de influencia de los focos emisores.

El movimiento del aire en la atmósfera y la difusión de los contaminantes en ella son unos fenómenos que presentan como rasgo principal la turbulencia. Esta característica provoca que sea actualmente imposible encontrar una solu-ción analítica a las ecuaciones que los gobiernan, y hace necesaria la aplicación de un modelo estadístico. Uno de los modelos utilizados para este análisis es el ISC (Industrial Source Complex), desarrollado por la EPA (Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU.) para estudios de impacto ambiental y regulación del me-dio ambiente atmosférico, y en concreto en su versión ISCST. Este modelo está desarrollado para calcular inmisiones medias a partir de parámetros meteoroló-gicos fijos característicos de un período de tiempo corto. 2.3.5.1 Datos de entrada al modelo Los datos necesarios para aplicar el modelo de dispersión se pueden agrupar en cuatro categorías:

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- Datos meteorológicos. - Datos de las fuentes de emisión. - Datos de los receptores. - Opciones seleccionadas en el modelo. A. Datos meteorológicos La obtención de datos meteorológicos suele resultar bastante comple-ja, fundamentalmente por el necesario origen estadístico de éstos, que obliga a recopilar un gran volumen de información y obtener de esta manera unos valores medios suficientemente representativos. Los datos meteorológicos necesarios son: - Clases de estabilidad. - Velocidades y direcciones de viento. - Perfil local de velocidad del viento para cada combinación de clases

de velocidad y categoría de estabilidad. - Temperatura ambiental para cada categoría de estabilidad. - Gradiente de temperatura potencial para cada combinación de clase

de velocidad y categoría de estabilidad. - Altura de capa de mezcla para cada combinación de clase de veloci-

dad y de categoría de estabilidad. B. Datos de las fuentes de emisión Los datos necesarios para aplicar el modelo de dispersión son: - Coordenadas de localización de las chimeneas. - Altura sobre el nivel del mar de la base de las chimeneas. - Altura de las chimeneas. - Temperatura de salida de gases. - Velocidad de salida de gases. - Emisión de cada contaminante. - Coeficiente de decaimiento de cada contaminante. - Dimensiones y coordenadas de los edificios y construcciones cerca-nas.

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C. Datos de los receptores Se definen como receptores, desde el punto de vista del modelo, aque-llos puntos donde se va a calcular la concentración de contaminantes a nivel del suelo. Estos puntos se obtienen como nodos de una malla creada en el entorno de los focos de emisión. Asimismo, para determinar la incidencia de las instalaciones en los diver-sos núcleos de población, se deben disponer receptores discretos en los nú-cleos de población y en la red de vigilancia ambiental. Para reproducir el efecto de la orografía del terreno sobre el comportamiento de los penachos, se utilizan las cotas sobre el nivel del mar en cada uno de los nodos receptores. D. Opciones seleccionadas del modelo Es posible seleccionar, de entre las posibilidades del modelo, aquéllas que consiguen una simulación del proceso de la dispersión atmosférica más cercana a la realidad. Las principales opciones son: - Elección entre dispersión rural y tres diferentes tipos de dispersión urbana. - Corrección por abatimiento aerodinámico del penacho. - Consideración de la dispersión inducida por la flotabilidad.

2.3.6 Modelado de la génesis de contaminantes atmosféricos por el incendio de un charco de una sustancia inflamable

Los procesos de combustión involucrados en el incendio de una sustan-cia inflamable constituyen una fuente potencial de aportación de contaminantes gaseosos a la atmósfera. La evaluación de las consecuencias ambientales deri-vadas de la emisión de productos de combustión contaminantes se lleva a cabo por medio de los modelos de dispersión, que permiten determinar los niveles de inmisión de contaminantes atmosféricos y la deposición de partículas en el en-torno para las distintas condiciones atmosféricas consideradas. Los parámetros de entrada al modelo de dispersión, que definen la emi-sión de contaminantes atmosféricos, son: - Composición de los gases de combustión. - Caudal de gases emitidos.

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- Temperatura de gases de combustión. Con objeto de determinar estos parámetros, a continuación se describe el modelo que caracteriza la génesis de contaminantes atmosféricos por el in-cendio de un charco de una sustancia inflamable. No obstante, y dada la naturaleza del proceso de combustión en el in-cendio de un charco, los resultados obtenidos de la aplicación del modelo de dispersión no deben considerarse como absolutos de las consecuencias sobre el medio ambiente, al presentar el modelo una incertidumbre asociada a la mo-delización de los distintos procesos físico-químicos. 2.3.6.1 Composición de los gases de combustión La naturaleza y composición de los gases emitidos por el incendio de un derrame de una sustancia inflamable viene determinada, tanto por la composi-ción elemental de la sustancia incendiada como por las condiciones en las que se producen las reacciones de oxidación. Así, considerando la composición elemental de los hidrocarburos que pueden verse involucrados en un incendio (C, H, O, S, N) y del azufre (S) pro-ducido en las plantas de azufre de la Refinería; como consecuencia del proceso de combustión, los principales productos de combustión generados con propie-dades tóxicas y/o contaminantes, son los siguientes: - Partículas. - SO2. - NOx. - CO. Partículas Los experimentos controlados llevados a cabo con diferentes combusti-bles y tamaños de superficie incendiada, permiten establecer que la producción media de inquemados se encuentra entre el 8 y 13,7% (p) del carbono presente en el hidrocarburo, asumiéndose para los cálculos realizados en el presente estudio la situación más desfavorable. Asimismo, mediciones de campo han determinado que la distribución de granulometría característica de las partículas generadas por el incendio de un charco de hidrocarburos se pueden caracterizar por los siguientes parámetros:

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Tamaño (µm) Porcentaje en peso (%)

< 1 50

1 - 10 40

> 10 10

SO2 Para evaluar la cantidad total de SO2 generada en el incendio de un charco de hidrocarburo se asume, como hipótesis conservadora, que todo el azufre contenido en el combustible pasa a SO2. Asimismo, se considera en el caso del incendio del charco de azufre que todo el azufre que se quema pasa a SO2. NOx El 20% del nitrógeno presente en el combustible pasa a NOx (en forma de NO2, como hipótesis conservadora, al ser este compuesto más tóxico que el NO). No obstante lo anterior, en el incendio de un charco de combustible de gran tamaño existen amplias zonas con defecto de oxígeno, por lo que la for-mación de óxidos de nitrógeno de origen térmico se reduce en gran medida. Esto unido al bajo contenido en N que presentan en general los combustibles líquidos permite concluir que la emisión de NOx por el incendio de un charco no resulta significativa. CO Se considera que el 10% como máximo del carbono presente en el com-bustible pasa a CO.

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2.3.6.2 Caudal de gases de combustión El caudal de gases de combustión generados por el incendio de un char-co de combustible viene determinado, fundamentalmente, por la velocidad de combustión y la superficie del charco. La velocidad a la que se quema un combustible líquido en el incendio de un charco se expresa en m/s (m3 de líquido consumido por m2 de superficie del charco y por segundo). Los incendios de gran tamaño queman a velocidad aproximadamente constante y depende de cada tipo de combustible. Puesto que la combustión tiene lugar en fase vapor, la velocidad de combustión vendrá determinada por la velocidad de evaporación del líquido, evaluándose según la ecuación empírica siguiente:

donde: m": Velocidad de combustión (Kg/m2⋅s). hc: Entalpía de combustión del combustible (J/Kg). hv: Entalpía de vaporización del combustible (J/Kg). Cv: Calor específico del combustible (J/Kg⋅K). ∆T: Diferencia entre la temperatura de ebullición del combustible y la

temperatura inicial del líquido (K). Condiciones de combustión Se asume como hipótesis del cálculo que la combustión de la fracción de hidrocarburos que se quema y no genera inquemados, se realiza de forma es-tequiométrica, aportándose sólo el aire de combustión necesario para que ten-gan lugar las reacciones de oxidación de esta fracción, no quedando oxígeno en exceso y pasando a formar parte de los gases de combustión el nitrógeno que acompaña al aire requerido. 2.3.6.3 Temperatura de los gases de combustión La temperatura de los gases de combustión determina la inercia térmica de la pluma y por tanto la fuerza ascensional (flotabilidad) y la altura de sobre-elevación del penacho.

T c + hh 0,001=m"

vv

c

∆

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Los parámetros que influyen en la temperatura de la llama en la combus-tión en un charco son fundamentalmente la velocidad de combustión, la produc-ción de inquemados y la altura de llama. Estos parámetros se pueden obtener a partir de las siguientes ecuacio-nes:

Temperatura: ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛εσE=T

41

Emisión: ( ) ψψ E + - 1 E=E sootMAX Emisividad: ( ) XK x - exp - 1= fε

Emisión Máxima:

dh 4 + 1

h m" 0,35=E

f

f

cMAX

Tamaño de la llama: ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ρ dg m" 42=

dh

fa

0,61

f

f

donde: T: Temperatura de llama (K). E: Emisión (W/m2). σ: Constante de Boltzman (5,67⋅10-8 W/m2 K4) ε: Emisividad. EMAX: Emisión (W/m2) de la llama exenta de partículas. Esoot: Emisión (W/m2) con partículas. Ψ: Fracción de la superficie cubierta por partículas. Xf: Camino medio de la radiación en la llama. K: Coeficiente de extinción. m": Velocidad de combustión (Kg/m2⋅s). hc: Entalpía de combustión (J/Kg). hf: Altura de la llama (m). df: Diámetro del charco (m). ρa: Densidad del aire (Kg/m3). Los valores de Esoot y Ψ, que según Hägglund son respectivamente 20 KW/m2 y 0,8, permiten tener en cuenta la radiación absorbida y el efecto sobre la temperatura de las partículas de inquemados generadas en el incendio del

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charco. Por otra parte el valor del coeficiente extinción K tiene un valor entre 1 y 3, adoptándose para los cálculos un valor de K=1 como caso más desfavorable.

2.3.7 Cálculo de la dilución y autodepuración del vertido de efluentes líquidos

Para el cálculo de la dilución de los efluentes vertidos desde una instala-ción a través de su conducción de vertido usualmente uno de los modelos que se aplica es el modelo CORMIX1 (Cornell Mixing Zone Expert System), desarro-llado por la Environmental Protection Agency (EPA) de los Estados Unidos para el análisis y la y la predicción de la dilución de un efluente emitido por un con-ducto de vertido sumergido. Mediante este modelo, se puede analizar la dilución del efluente en una gran variedad de situaciones características de vertidos en lagos, ríos, estuarios o costas: - Nivel de agua profunda o lago. - Perfil de densidad del agua uniforme o estratificado. - Diferencia de densidad positiva, negativa o neutra entre el vertido y

el medio receptor. - Existencia de corrientes superficiales. El modelo no sólo permite estudiar la zona próxima a la salida del efluen-te, en la que predominan los efectos de turbulencia, sino que también permite modelar la dilución una vez que se alcanza la superficie, situación en la que el proceso de mezcla y transporte dominante es la difusión natural debida a las corrientes. En las zonas próximas al punto de descarga, la alta velocidad del efluen-te arrastra rápidamente al fluido de los alrededores, causando un alto grado de dilución. El efecto adicional de la flotabilidad, causado por la diferencia de den-sidad entre el vertido y el medio receptor, puede incrementar la dilución obteni-da. Igualmente, tiene influencia en el proceso de mezcla la existencia e intensi-dad de las corrientes propias del medio receptor.

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CÁLCULO DE CONSECUENCIAS

Los modelos de consecuencias se usan para calcular el tipo y exten-sión del daño sobre la salud resultante de los efectos provocados por cada escenario de accidente. Los efectos dependen del carácter de la sustancia involucrada, manifestándose como concentraciones letales, en el caso de sustancias tóxicas, radiación térmica, como niveles de sobrepresión o alcance de proyectiles, etc. Se entiende por elementos vulnerables, las personas, el medio am-biente y los bienes que pueden sufrir daños como consecuencia de los acci-dentes esperados. La clasificación de zonas de vulnerabilidad se establece en base a una mayor o menor gravedad de los daños producidos. Según la "Directriz Básica" [1] se definen dos tipos de zonas: a) Zona de Intervención: es aquélla en la que las consecuencias

de los accidentes producen un nivel de daños que justifica la apli-cación inmediata de medidas de protección.

b) Zona de Alerta: es aquélla en la que las consecuencias de los

accidentes provocan efectos que, aunque perceptibles por la po-blación, no justifican la intervención, excepto para los grupos críti-cos de población.

Para los fenómenos de tipo térmico la Directriz Básica [1] propone como Va-lores Umbrales: - Zona de Intervención: Una dosis de radiación térmica de 250

(kW/m2)4/3·s, equivalente a las combinaciones de intensidad térmi-ca y tiempo de exposición que se indican a continuación:

I (kW/m2) 7 6 5 4 3

3

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texp (s) 20 25 30 40 60 - Zona de Alerta: Una dosis de radiación térmica de 115

(kW/m2)4/3·s, equivalente a las combinaciones de intensidad térmi-ca y tiempo de exposición que se indican a continuación:

I (kW/m2) 6 5 4 3 2

texp (s) 11 15 20 30 45 Para los fenómenos de tipo químico la variable representativa del da-ño inmediato originado por la liberación de productos tóxicos es la concentra-ción de tóxico o la dosis, D, definida mediante: D = Cn

max · texp

donde Cmax es la concentración máxima de la sustancia en el aire, texp el tiempo de exposición y n un exponente que depende de la sustancia química. La Directriz Básica [1] propone como Valores Umbrales: - Zona de Intervención: Concentraciones máximas de sustan-

cias tóxicas en el aire calculadas a partir de los índices AEGL 2, ERPG 2 y/o TEEL 2.

- Zona de Alerta: Concentraciones máximas de sustancias tóxi-

cas en el aire calculadas a partir de los índices AEGL 1, ERPG 1 y/o TEEL 1.

En ambos casos se utilizarán los índices AEGL (“Acute Exposure Gui-deline Levels”, propuestos por la EPA) como primera opción, y en el caso en que no estén definidos para la sustancia en cuestión se utilizarán los denomi-nados ERPG (“Emergency Response Planning Guidelines”, publicados por la Asociación de Higiene Industrial Americana) y/o los TEEL (“Temporary Emer-gency Exposure Limits”, desarrollados por el Departamento de Energía de los EEUU). Para los fenómenos de tipo mecánico se proponen como valores um-brales:

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- Zona de Intervención: · Un valor local integrado del impulso, debido

a la onda de presión, de 150 mbar · s. · Una sobrepresión local estática de la onda

de presión de 125 mbar. · El alcance máximo de proyectiles con un

impulso superior a 10 mbar · s en una cuantía del 95%. Pro-ducidos por explosión o estallido de continentes.

- Zona de Alerta: · Un valor local integrado del impulso, debido

a la onda de presión, de 100 mbarg · s. · Una sobrepresión local estática de la onda

de presión de 50 mbar. · El alcance máximo de proyectiles con un

impulso superior a 10 mbar · s en una cuantía del 99,9%. Producidos por explosión o estallido de continentes.

Como se ha indicado, la delimitación de las dos áreas anteriores de-pende del tipo de fenómeno, o fenómenos, que puedan producir los daños, así como de la intensidad con que se manifiesten, cuantificada mediante valo-res umbrales de la magnitud física responsable del fenómeno. Por otra parte, para la realización de estudios más detallados como los Análisis Cuantitativos de Riesgo (A.C.R.), resulta necesario determinar las zo-nas de letalidad, al objeto de conocer las probabilidades de resultar letalmente afectado a causa del accidente para cada localización del entorno. Los modelos de consecuencias son modelos matemáticos que permiten determinar el grado de daño ocasionado sobre las personas y/o las instalacio-nes como consecuencia de la exposición a la radiación térmica, la sobrepresión originada por una explosión o la inhalación de una sustancia tóxica durante un determinado tiempo de exposición. Los modelos de consecuencias están basados en experiencias realiza-das sobre animales y en el estudio de las lesiones producidas en accidentes ocurridos con anterioridad. Dada la gran dificultad de extrapolar a las personas

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los resultados obtenidos en las experiencias con animales, suelen utilizarse fac-tores de seguridad, de forma que las extrapolaciones obtenidas son general-mente conservadoras en la evaluación del daño producido. Otra dificultad añadida para la obtención de los modelos de consecuen-cias es la gran diversidad de la población que puede verse afectada, de forma que se han de considerar los distintos grupos de riesgo: ancianos, personas con afecciones respiratorias, niños, etc. Todo ello ha conducido a que los modelos de consecuencias más usa-dos en la actualidad sean métodos probabilísticos, entre los que destaca el mé-todo de la función Probit. La función Probit está relacionada con la dosis recibida según la siguien-te ecuación:

Probit = a + b ln D siendo: Probit: Medida del porcentaje de personas expuestas que sufren

una lesión determinada. a, b: Constantes a determinar experimentalmente que dependen

del tipo de lesión estudiada. D: Dosis, que es una expresión matemática que varía en fun-

ción del tipo de lesión estudiada. En la Tabla 3.1se encuentra resumida la relación existente entre la fun-ción Probit y el porcentaje de personas expuestas que se ven afectadas. Los valores de la Tabla son independientes del tipo de efecto estudiado (radiación, sobrepresión o inhalación de sustancia tóxica).

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TABLA 3.1 RELACIÓN ENTRE LA FUNCIÓN PROBIT

Y LOS PORCENTAJES DE DAÑOS

PORCENTAJE PROBIT 1 2,67 10 3,72 20 4,16 30 4,48 40 4,75 50 5,00 60 5,25 70 5,52 80 5,84 90 6,26 99 7,33

99,9 8,09 De lo anteriormente expuesto, se deduce que el cálculo del porcentaje de personas expuestas que resultan afectadas es un proceso que se realiza en dos etapas: 1. Conocida la dosis, se determina el valor de la función Probit, usando

la expresión de la ecuación del Probit. 2. Usando los valores de la Tabla 3.1 y el valor de la función Probit ob-

tenido en el paso anterior, se determina el porcentaje de personas afectadas.

La dosis recibida es un valor obtenido como resultado de la aplicación de los modelos de efectos y varía en función de la distancia al origen del accidente. A continuación se particulariza el uso de la función Probit para el cálculo del porcentaje de letalidad para cada uno de los tres efectos físicos más usua-les: inhalación de sustancia tóxica, radiación térmica y sobrepresión.

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3.1 Sustancias tóxicas

Los efectos de un producto tóxico sobre las personas pueden ir desde una simple irritación hasta la muerte. A tal fin, se tendrán en cuenta los efectos producidos por la inhalación de sustancias tóxicas en estado gas o vapor. Dichos efectos dependen de la concentración de la sustancia en el aire y de la duración de la exposición. La mayor parte de los modelos que estudian las consecuencias de las sustancias tóxicas sobre las personas, se han derivado de experiencias sobre animales, relacionando la dosis con la proporción de muertes de individuos sujetos a exposición. Las consecuencias están expresadas como el porcentaje de personas expuestas que pueden sufrir cierto grado de daño. Tal como se lo ha indica-do, uno de los modelos más usados internacionalmente es la función Probit (Probability unit), que relaciona la carga tóxica con la proporción de personas afectadas. En el caso de sustancias tóxicas, la forma es la siguiente:

Pr = a + b Ln (Cn ⋅ t) siendo: Pr = Valor probit. C = Concentración (mg/m3) del gas tóxico en el aire. t = Tiempo (minutos) de exposición a la concentración C. a, b, n = Constantes específicas del producto.

Cn ⋅ t = Dosis tóxica Las constantes a, b y n de la función Probit se encuentran tabuladas para los compuestos tóxicos más importantes. A partir de estas funciones se determinan los niveles de concentración correspondientes a distintos porcentajes de letalidad de los individuos ex-puestos en base a la concentración y al tiempo de exposición.

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Al margen de la determinación de las zonas de letalidad 1%, 10%, 50% 90% y 99% se consideran los valores umbrales definidos por la Directriz Bá-sica para definir las Zonas de Vulnerabilidad, utilizando asimismo el concepto de dosis tóxica y teniendo en cuenta que los índices definidos representan concentraciones máximas que no deben sobrepasarse en ningún momento durante su respectivo tiempo de referencia, por lo que pueden considerarse como “valores techo”. Para las sustancias consideradas como tóxicas, la función Probit se suele estimar en función de la concentración letal del 50%, en mg/m3, para diferentes tiempos de exposición y diferentes especies. Si bien la conversión de valores de animales a humanos depende del tipo de acción del contaminante, puede considerarse el método de conversión de los valores de letalidad sobre animales al modelo de consecuencias sobre personas desarrollado en el "Green Book", tal como se indica a continuación:

CL50 (humanos) = (1/n) ⋅ Σ 2 fd CL50 (animal, 30 min) siendo "fd" un coeficiente de ponderación específico definido para dife-rentes animales (rata, ratón, hamster, conejillo de indias), determinando a raíz de dicho valor la función Probit.

3.2 Radiación térmica

Antes de entrar en los modelos de consecuencias en los que se ve invo-lucrada radiación térmica, hay que precisar que se asume que todas las perso-nas que se encuentran en el momento de la ignición dentro de las dimensiones de una BLEVE, pool fire o nube de gas inflamable morirán a consecuencia de las quemaduras o por asfixia. No obstante, cabe determinar una serie de efectos asociados a la radia-ción térmica para las personas presentes en las proximidades del fenómeno registrado. En base a datos empíricos, y considerando poblaciones promedio, se han definido funciones Probit para quemaduras de 1er y 2º grado, así como por letalidad tanto para cuerpo desprotegido como cubierto por ropas. En conclusión, las funciones Probit definidas para radiación térmica son las siguientes: . Quemaduras 1er grado: Pr=-39,83+3,0186 ln (q4/3.t) . Quemaduras 2º grado: Pr=-43,14+3,0188 ln (q4/3.t)

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. Letalidad (con ropas): Pr=-37,23+2,56 ln (q4/3.t) . Letalidad (desprotegido): Pr=-36,38+2,56 ln (q4/3.t) en la que: q: carga térmica (W/m2) t: tiempo de exposición (segundos) Generalmente, suelen definirse como tiempo de exposición, el de dura-ción del fenómeno para los de corta duración, o los indicados a continuación para los de larga duración: t = 10 segundos, aplicables a áreas en la que existan múltiples zonas

que ofrezcan protección contra la radiación térmica. t = 30 segundos, aplicables para aquellas situaciones en las que sea

difícil encontrar protección contra la radiación térmica. Dichos valores deben calcularse para todos aquellos accidentes que im-pliquen la existencia de radiación térmica durante un cierto tiempo de exposi-ción, es decir: pool fire, jet fire y BLEVE, si bien en este último caso habría que determinar se la duración de la misma resulta inferior a los 10 segundos indica-dos. A partir de esta función, es posible determinar diferentes valores de leta-lidad, siendo el valor umbral, es decir, el nivel de radiación correspondiente al 1% de letalidad de los individuos expuestos, de 20 kW/m2, asociada a un tiempo de exposición de unos 10 segundos. Además de las citadas Zonas de Letalidad, es necesario determinar las distancias correspondientes a las Zonas de Intervención y Alerta, definidas por valores de radiación de 5 y 3 kW/m2 respectivamente, según define la "Directriz Básica", para un tiempo máximo de exposición de 3 minutos. En la práctica, las distancias de consecuencias para la radiación térmica originados por jet fire disminuyen rápidamente con la distancia al foco, dada la influencia del factor de forma. Así pues, en multitud de ocasiones no se indican valores umbrales de letalidad ante jet fires, al poder asimilarse a la propia longi-tud de la llama (en caso de que se encuentren situados aproximadamente a

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nivel de suelo). En este sentido, las "Zonas de Intervención" y "Zonas de Alerta" se encuentran muy próximas. En el caso de nubes inflamables, al producirse la combustión de manera prácticamente instantánea, no resulta posible determinar valores Zonas de In-tervención ni de Alerta, no habiéndose definido valores alternativos por la Direc-triz Básica para este tipo de fenómenos.

3.3 Sobrepresión

Los efectos letales sobre las personas, en caso de explosión, no son de-bidos generalmente a los efectos directos de la sobrepresión, sino como resul-tados de los efectos indirectos asociados a las explosiones: destrucción de edi-ficios, desplazamiento de las personas como consecuencia de la onda de pre-sión, lanzamiento de fragmentos, etc. En la figura adjunta se recogen las diferentes configuraciones para los efectos directos de las sobrepresiones.

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POSIBLES CONFIGURACIONES PARA LOS EFECTOS DIRECTOS DE LAS ONDAS DE SOBREPRESIÓN

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No obstante, existen correlaciones empíricas que muestran el porcentaje de letalidad de los daños provocados por sobrepresiones en los pulmones. Asimismo, existe una función probit que relaciona el porcentaje de daños sobre los tímpanos con la sobrepresión registrada:

Pr = -12,6 + 1,524 ln Ps Siendo Ps la sobrepresión registrada en Pa. Asimismo, existen correlaciones que indican el daño causado por los fragmentos desprendidos como consecuencia de la sobrepresión:

Peso de los fragmentos

(kg) Criterio Probits

< 0,1 Penetración cutánea Pr = -29,15 + 2,10 ln S

0,1 ÷ 4,5 Energía cinética Pr = -17,565 + 5,30 ln S

> 4,5 Fractura de la base del cráneo

Pr = -13,19 + 10,54 ln v

Siendo S una función de la sobrepresión e impulso, y v la velocidad en m/s de los fragmentos desprendidos. Hay que considerar, por otra parte, los efectos provocados sobre las es-tructuras, que serán de gran interés en zonas con alta concentración de equipos o edificaciones, por los efectos indirectos que pueden causar sobre las perso-nas. La Tabla adjunta refleja los efectos causados por los niveles de sobre-presión en estructuras industriales y edificaciones.

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TABLA 3.2

VALORES EXPERIMENTALES DE SOBREPRESIÓN Y TIPO DE DAÑOS (INSTALACIONES INDUSTRIALES)

Descripción Sobrepresión (mbar)

Fallo del techo de tanque de almacenamiento 70

Daños a las estructuras de acero 80-100

Fallo de las paredes de hormigón 150-200

Rotura de los tanques de combustible vacíos 200-300

Fallo de los edificios de acero sin estructura 200-300

Pequeñas deformaciones en las liras de tuberías 200-300

Desplazamiento de liras y rotura de tuberías 350-400

Daños a las instalaciones de destilación 350-800

Fallo de liras 400-550

Fallo en paredes de ladrillo de 20-30 cm 500

Desplazamiento de tanques esféricos y fallo de las tuberías conectadas

500-1000

Fallo en los soportes de tanques esféricos 1000 Fuente: "Green Book". En conclusión, para la evaluación de las distancias de consecuencias correspondientes se considerarán los valores umbrales de sobrepresión local estática definidos en la legislación, que se corresponden con 125 mbar para Zona de Intervención y 50 mbar para Zona de Alerta. Asimismo, la Zona de Le-talidad 1% puede asimilarse a una sobrepresión de 100 mbar (basada en los daños producidos, principalmente, por la destrucción de las edificaciones). A las distancias de consecuencias obtenidas como resultado del cálculo de sobrepresiones, hay que sumarle la distancia, respecto del punto de fuga, a la que se encuentra el centro de la explosión. Se suele considerar que el centro de la explosión se sitúa en el punto medio de la nube inflamable. Por último, como consecuencia de las explosiones que se generan en el interior de equipos, se producirá la proyección de fragmentos. El cálculo de

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consecuencias para este fenómeno se basa en la determinación de diferentes fragmentos característicos, según lo indicado.

3.4 Otros fenómenos

Lo indicado en los apartados precedentes se centra en los cálculos que usualmente se desarrollan para accidentes que involucran sustancias tóxicas y/o inflamables. No obstante, debe realizarse un estudio pormenorizado de cada instala-ción, con objeto de determinar posibles escenarios accidentales para los que, a veces, no resultan aplicables los valores umbrales anteriores. A continuación, se presentan dos casos: 3.4.1 Fuga de Nitrógeno En este caso, se pueden definir efectos letales motivados por la deficien-cia de oxígeno en el caso de fugas de N2. En este sentido, los efectos provocados por la falta de oxígeno varían considerablemente de unos seres humanos a otros, y no es posible por tanto establecer reglas fijas para determinar cómo reaccionarán las personas. La si-guiente Tabla da una indicación general de los posibles efectos asociados a la deficiencia de oxígeno.

NIVELES UMBRALES DE CONCENTRACIÖN ASOCIADOS A LA DEFICIENCIA DE OXÍGENO

Contenido en

oxígeno (% vol.) Efectos y síntomas

11-14 Disminuye la capacidad física e intelectual de los indivi-duos, sin que éstos se den cuenta.

8-11 Puede producirse el desmayo tras un período más o me-nos corto de tiempo sin alerta anterior.

6-8 Desmayo en pocos minutos, reanimación posible si se lleva a cabo inmediatamente.

≤6 Desmayo casi inmediato.

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En general, la falta de oxígeno lleva a una pérdida de la alerta mental, distorsión del juicio y daños considerables al cerebro en un corto período de tiempo. 3.4.2 Fugas de Oxígeno El enriquecimiento en oxígeno de la atmósfera, incluso en un pequeño porcentaje, aumenta considerablemente el riesgo de incendio. Materiales que no arden en el aire, incluidos materiales a prueba de fuego, pueden arder enér-gicamente o incluso espontáneamente en el aire enriquecido. Los informes de algunos accidentes ocurridos en el pasado corroboran esta afirmación. Se pueden considerar los siguientes valores umbrales: - 40% O2 (vol.): aumento del riesgo de incendio. Valor umbral para la

definición de "nubes inflamables" a las que se asocian, por tanto, un 100% de letalidad.

- 25% O2 (vol.): valor umbral mínimo para el que puede esperarse

riesgo de incendio. Tanto los valores de enriquecimiento como de ausencia de oxígeno serí-an más aplicables al campo de la seguridad laboral que al de los accidentes mayores, dados los altos valores umbrales indicados.

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ANEXO: CASOS PRÁCTICOS

I. CASOS PRACTICOS DE CALCULO DE EFECTOS Y CONSECUENCIAS (ESTUDIOS DE SEGURIDAD) I.1 BLEVE DE UN CAMION CISTERNA Calcular los radios de Letalidad 1% y Letalidad 100% de la BLEVE producida por la ignición inmediata de la nube formada por la rotura catastrófica de un camión cisterna conteniendo 16.000 kg de gases licuados del petróleo (LPG). DATOS: Temperatura ambiente: 20 ºC. Humedad relativa: 75%. RESPUESTA: La rotura catastrófica del camión cisterna conteniendo gases licuados del pe-tróleo a presión produce los siguientes efectos:

a) Sobrepresión originada por la explosión producida por la expansión y evaporación súbita del LPG al pasar desde la presión de almacena-miento hasta la presión atmosférica. b) Lanzamiento de trozos de chapa. c) Emisión a la atmósfera en forma de vapor del producto almacenado. Si la nube de vapor se incendia inmediatamente se produce una bola de fuego.

Este último efecto es, en general, el de más graves consecuencias, por lo que se calcularán los radios de las zonas de vulnerabilidad originados por la ra-diación térmica emitida por la bola de fuego. A continuación se presentan los resultados obtenidos al utilizar un modelo de cálculo de radiación, relacionando la radiación recibida con la distancia al centro de la bola de fuego:

4

70


MODELO DE CALCULO: RADIACION TERMICA - BOLA DE FUEGO SUSTANCIA: LPG TEMPERATURA AMBIENTE: 20 �C HUMEDAD RELATIVA: 75% CANTIDAD DE GAS: 16.000 Kg DURACION DE LA BOLA DE FUEGO: 11 SEGUNDOS RADIO DE LA BOLA DE FUEGO: 78 METROS INTENSIDAD DE LA RADIACION: 171,6 KW/m2 (en superficie de la bola)

Los valores umbrales de letalidad son los siguientes: Letalidad 1% 15,5 Kw/m2 Función Probit Letalidad 100 % __ Radio de la bola de fuego El valor umbral de la radiación corresponde a la letalidad 1% se ha calculado a partir de la función Probit de letalidad por radiación:

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Conocidos:

Pr (1%): 2,67 t: 11 segundos.

se calcula el valor de la radiación (q) de letalidad 1%, cuyo valor es de 15,5 Kw/m2.

ZONA DE VULNERABILIDAD RADIOS MEDIDOS DESDE EL CENTRO DE LA BOLA DE FUEGO

Letalidad 1% 180 metros Letalidad 100% 78 metros

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I.2 NUBE INFLAMABLE DESDE CAMION CISTERNA Calcular los radios de la Zona de Intervención y Zona de Alerta producidos por la ignición retardada de la nube de vapor emitida a consecuencia de la rotura catastrófica de un camión cisterna conteniendo 16.000 Kg de gases licuados del petróleo (LPG). DATOS: Temperatura ambiente: 20 �C. Estabilidad atmosférica: A (Muy inestable) Velocidad del viento: 3 m/s RESPUESTA: La rotura catastrófica del camión cisterna conteniendo gases licuados del pe-tróleo a presión produce los siguientes efectos:

a) Sobrepresión originada por la explosión producida por la expansión y evaporación súbita del LPG al pasar desde la presión de almacena-miento hasta la presión atmosférica. b) Lanzamiento de trozos de chapa. c) Emisión a la atmósfera en forma de vapor del producto almacenado. Si la nube de vapor se incendia inmediatamente se produce una bola de fuego, caso analizado con anterioridad. Si por el contrario la nube no se incendia inmediatamente, se dispersará por los alrededores de forma que si encuentra un punto de ignición se incendiará dando lugar a un flash fire y la explosión subsiguiente, si las condiciones son apro-piadas.

A continuación se calculan los radios de las distintas zonas de vulnerabilidad asociadas al flash fire y a la explosión no confinada de la nube de vapor (UVCE). En primer lugar se estudia el proceso de dispersión de la nube de vapor for-mada, mediante un modelo de cálculo de dispersión, cuyos resultados se presentan a continuación.

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MODELO DE CALCULO: DISPERSION DE UNA FUENTE INSTANTANEA SUSTANCIA: LPG TEMPERATURA AMBIENTE: 20 ºC VELOCIDAD DEL VIENTO: 3 m/s ESTABILIDAD ATMOSFERICA: MUY INESTABLE CONCENTRACION INICIAL: 0,5 m3/m3 CANTIDAD GAS: 16.000 kg LIMITE SUPERIOR DE INFLAMABILIDAD: 0,09 m3/m3 LIMITE INFERIOR DE INFLAMABILIDAD: 0,03 m3/m3

La ignición de una nube de vapor inflamable puede producirse mientras su concentración se encuentre entre el Límite inferior de Inflamabilidad (LII) y el Límite Superior de Inflamabilidad (LSI). Por lo tanto, a partir de los resultados del modelo de dispersión, el flash fire puede producirse hasta una distancia de 100 metros a partir de la situación del camión cisterna. Si se tiene en cuenta que el radio de la nube a esa distancia es de 17 metros, se deduce que la zona afectada por el flash fire puede extenderse hasta 120 metros. Por lo tanto, el radio de la zona de letalidad del 100% será de 120 metros, pues se considera que toda persona que se encuentre dentro de un flash fire es afectada letalmente. Por otro lado, si las condiciones son las adecuadas, a consecuencia de la ignición de la nube también puede producirse una explosión, dando lugar a la correspondiente sobrepresión. Los resultados de aplicar el modelo de cálculo de sobrepresión originada en una explosión no confinada de vapor (UVCE) son las siguientes:

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MODELO DE CALCULO: SOBREPRESION (UVCE) SUSTANCIA: LPG REACTIVIDAD: MEDIA CANTIDAD DE GAS: 6.278

Los valores umbrales de la radiación térmica que definen las zonas de vulne-rabilidad son:

Zona de Alerta (ZA) 50 mbar Directriz Básica Zona de Intervención 125 mbar Directriz Básica

Definidos los valores umbrales, se determinan los radios de las zonas de vul-nerabilidad interpolando en los valores de la tabla anterior.

Zona de vulnerabilidad radios medidos desde el centro de la nube

ZA 430 metros ZI 175 metros

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I.3 FUGA TOXICA DE TOLUENO Una instalación industrial dispone de dos tanques de almacenamiento de to-lueno de 5.000 m3 de capacidad cada uno. Las dimensiones de los tanques son:

Radio: 9 metros Altura: 20 metros Nivel de líquido: 19 metros Diámetro de la línea de salida de tolueno: 0,2 metros.

El tolueno se almacena a presión atmosférica. Si se produce una rotura total del 10% en la línea de salida del tolueno, calcu-lar:

a) La velocidad de fuga del tolueno (Kg/s). b) La velocidad másica de evaporación del tolueno (Kg/s). c) Los radios de Letalidad 1%, para un tiempo de exposición de 30 mi-nutos, asociados a la dispersión de la nube tóxica de tolueno.

DATOS: Temperatura ambiente: 30 ºC Temperatura de almacenamiento: 40 ºC Estabilidad atmosférica: Muy estable (F) Velocidad de viento: 3 m/s Area de cubeto: 5.000 m2. Función probit: -6,794 + 0,408 Ln (C25 ·t) RESPUESTA

a) El caudal de fuga depende principalmente del diámetro de la fuga y de la presión en el interior del tanque.

Dado que el área de fuga es el 10% de la sección de la tubería, se ha de cumplir:

por lo que el diámetro de fuga será 6 cm. Los resultados del modelo de descarga son los siguientes: MODELO DE CALCULO: VELOCIDAD DE DESCARGA

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SUSTANCIA: TOLUENO NIVEL DE LIQUIDO: 19 METROS ALTURA DEL TANQUE: 20 METROS TEMPERATURA EN EL TANQUE: 40ºC PRESION: 1.00 BAR DIAMETRO DE LA FUGA: 0.06 METROS VOLUMEN DEL TANQUE: 5000 M3

Puede comprobarse que la velocidad de descarga se mantiene prácticamente constante en la primera hora de descarga.

B) El líquido descargado se derramará en el interior del cubeto, de donde se evaporará debido a procesos de trasferencia convectiva al ai-re. Los resultados del modelo de evaporación son los siguientes:

MODELO DE CALCULO: EVAPORACION SUSTANCIA: TOLUENO VELOCIDAD DEL VIENTO: 3 m/s TEMPERATURA AMBIENTE: 30 ºC PRESION DE VAPOR DEL TOLUENO: 0,078 BAR AREA DEL CUBETO: 5000 m2 VELOCIDAD DE EVAPORACION: 4,51 KG/S

C) Los vapores de tolueno formados por evaporación convectiva se dispersarán en los alrededores. Dado su carácter moderadamente tó-xico, su inhalación puede producir daños a las personas.

El valor umbral de concentración que define la zona de Letalidad es el si-guiente, calculado a partir de la Función Probit:

Letalidad 1% 2750 ppm

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Conocidos:

Pr (1%): 2.67 t: 30 minutos

se puede calcular la concentración (C) de letalidad 1% cuyo valor es de 2750 ppm. Una vez definidos los valores umbrales, se determinan los radios de las zo-nas de vulnerabilidad, aplicando un modelo de dispersión que permite cono-cer los contornos de concentración para los dos valores umbrales: MODELO DE CALCULO: DISPERSION SUSTANCIA: TOLUENO ESTABILIDAD ATMOSFERICA: MUY ESTABLE (F) VELOCIDAD DE VIENTO: 3 M/S TEMPERATURA: 30 ºC TIEMPO DE PROMEDIO: 1800 SEGUNDOS

A partir de los resultados anteriores el radio de letalidad 1% de 150 metros.

BIBLIOGRAFÍA

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- “R.D. 1196/2003, de 19 de septiembre, por el que se aprueba la Direc-triz Básica de protección civil para el control y planificación ante el riesgo de accidentes graves en los que intervienen sustancias peligrosas”. - “R.D. 1254/1999, de 16 de Julio, por el que se aprueban medidas de control de los riesgos inherentes a los accidentes graves en los que interven-gas sustancias peligrosas”. - “Methods for the calculation of physical effects of releases of hazardous substances (liquid and gases)” (Yellow Book) CPR14E, TNO, Dutch Ministry of Social Affairs, 1991. - “Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapour Cloud Explo-sions; Flash fires, and BLEVES”. American Institute of Chemical Engineers (AIChE), 1994. - Diagnostic features or explosion damage. V.J. Clancey. 6th Interna-tional Meeting of forensic sciences Edinburg 1972. London.

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MÓDULO: GESTIÓN MEDIOAMBIENTAL Y TÉCNICAS ... - api…api.eoi.es/api_v1_dev.php/fedora/asset/eoi:48128/componente48126.pdf · definidos para las diversas situaciones permitiendo