Los términos de fuente de emisión accidental son las ecuaciones matemáticas que cuantifican la velocidad de flujo a la que pueden ocurrir emisiones accidentales de contaminantes líquidos o gaseosos al medio ambiente en instalaciones industriales como refinerías de petróleo , plantas petroquímicas , plantas de procesamiento de gas natural , oleoductos y gasoductos . plantas químicas y muchas otras actividades industriales. Las regulaciones gubernamentales en muchos países requieren que se analice la probabilidad de tales liberaciones accidentales y se determine su impacto cuantitativo sobre el medio ambiente y la salud humana, de modo que se puedan planificar e implementar las medidas de mitigación.
Hay varios métodos de cálculo matemático para determinar el caudal al que se pueden liberar contaminantes gaseosos y líquidos de varios tipos de accidentes. Dichos métodos de cálculo se denominan términos fuente , y este artículo sobre términos fuente de emisión accidental explica algunos de los métodos de cálculo utilizados para determinar la tasa de flujo másico a la que los contaminantes gaseosos pueden liberarse accidentalmente.
Liberación accidental de gas presurizado
Cuando el gas almacenado a presión en un recipiente cerrado se descarga a la atmósfera a través de un orificio u otra abertura, la velocidad del gas a través de esa abertura puede estar obstruida (es decir, ha alcanzado un máximo) o puede no estar obstruida.
La velocidad estrangulada, también conocida como velocidad sónica, ocurre cuando la relación entre la presión absoluta de la fuente y la presión absoluta aguas abajo es igual o mayor que [( k + 1) / 2] k / ( k - 1) , donde k es la relación de calor específico del gas descargado (a veces llamado factor de expansión isentrópico y a veces denotado como).
Para muchos gases, k varía de aproximadamente 1,09 a aproximadamente 1,41 y, por lo tanto, [( k + 1) / 2] k / ( k - 1) varía de 1,7 a aproximadamente 1,9, lo que significa que la velocidad de estrangulamiento generalmente ocurre cuando el recipiente de la fuente absoluta la presión es al menos 1,7 a 1,9 veces mayor que la presión atmosférica ambiental absoluta aguas abajo.
Cuando la velocidad del gas se ahoga, la ecuación para el caudal másico en unidades métricas del SI es: [1] [2] [3] [4]
o esta forma equivalente:
Para las ecuaciones anteriores, es importante tener en cuenta que aunque la velocidad del gas alcanza un máximo y se ahoga, el caudal másico no se ahoga . El caudal másico aún se puede aumentar si se aumenta la presión de la fuente.
Siempre que la relación entre la presión de la fuente absoluta y la presión ambiental absoluta aguas abajo sea menor que [( k + 1) / 2] k / ( k - 1) , entonces la velocidad del gas no está estrangulada (es decir, subsónica) y la ecuación para el caudal másico es:
o esta forma equivalente:
dónde: | |
Q | = caudal másico , kg / s |
---|---|
C | = coeficiente de descarga, adimensional (generalmente alrededor de 0,72) |
A | = área del orificio de descarga, m 2 |
k | = c p / c v del gas |
c p | = calor específico del gas a presión constante |
c v | = calor específico del gas a volumen constante |
= densidad real del gas en P y T , kg / m 3 | |
PAG | = presión absoluta aguas arriba, Pa |
P A | = presión ambiente absoluta o aguas abajo, Pa |
METRO | = la masa molecular del gas , kg / kmol (también conocido como peso molecular) |
R | = la constante de la ley universal de los gases = 8314.5 Pa · m 3 / (kmol · K) |
T | = temperatura absoluta del gas aguas arriba, K |
Z | = el factor de compresibilidad del gas en P y T , adimensional |
Las ecuaciones anteriores calculan el caudal másico instantáneo inicial para la presión y la temperatura existentes en el recipiente fuente cuando se produce una liberación por primera vez. El caudal instantáneo inicial de una fuga en un sistema o recipiente de gas presurizado es mucho más alto que el caudal promedio durante el período de liberación general porque la presión y el caudal disminuyen con el tiempo a medida que el sistema o recipiente se vacía. Calcular el caudal en función del tiempo desde el inicio de la fuga es mucho más complicado, pero más preciso. En www.air-dispersion.com/feature2.html se presentan y comparan dos métodos equivalentes para realizar dichos cálculos .
La literatura técnica puede ser muy confusa porque muchos autores no explican si están usando la constante de la ley universal de los gases R que se aplica a cualquier gas ideal o si están usando la constante de la ley de los gases R s que solo se aplica a un gas individual específico. La relación entre las dos constantes es R s = R / M .
Notas:
- Las ecuaciones anteriores son para un gas real.
- Para un gas ideal, Z = 1 y ρ es la densidad del gas ideal.
- 1 kilomol (kmol) = 1000 moles = 1000 gramos-moles = kilogramo-mol.
Ecuación de Ramskill para flujo másico no estrangulado
La ecuación de PK Ramskill [5] [6] para el flujo no estrangulado de un gas ideal se muestra a continuación como ecuación (1):
- (1)
La densidad del gas A , en la ecuación de Ramskill es la densidad del gas ideal en las condiciones aguas abajo de temperatura y presión y se define en la ecuación (2) utilizando laley de los gases ideales:
- (2)
Dado que no se conoce la temperatura aguas abajo T A , la ecuación de expansión isentrópica a continuación [7] se utiliza para determinar T A en términos de la temperatura aguas arriba conocida T :
- (3)
La combinación de las ecuaciones (2) y (3) da como resultado la ecuación (4) que define A en términos de la temperatura conocida aguas arriba T :
- (4)
El uso de la ecuación (4) con la ecuación de Ramskill (1) para determinar las tasas de flujo másico no estrangulado para gases ideales da resultados idénticos a los resultados obtenidos utilizando la ecuación de flujo no estrangulado presentada en la sección anterior anterior.
Evaporación de la piscina de líquido que no hierve
En esta sección se presentan tres métodos diferentes para calcular la tasa de evaporación de una piscina de líquido que no hierve. Los resultados obtenidos por los tres métodos son algo diferentes.
El método de la Fuerza Aérea de EE. UU.
Las siguientes ecuaciones sirven para predecir la velocidad a la que el líquido se evapora de la superficie de un charco de líquido que se encuentra a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las ecuaciones se derivaron de pruebas de campo realizadas por la Fuerza Aérea de EE. UU. Con piscinas de hidracina líquida. [2]
dónde: | |
mi | = flujo de evaporación, kg / m 2 · min de superficie de la piscina |
---|---|
tu | = velocidad del viento justo por encima de la superficie del líquido, m / s |
T A | = temperatura ambiente absoluta, K |
V F | = factor de corrección de la temperatura del líquido de la piscina, adimensional |
T P | = temperatura del líquido de la piscina, ° C |
METRO | = peso molecular del líquido de la piscina, adimensional |
P S | = presión de vapor del líquido de la piscina a temperatura ambiente, mmHg |
P H | = presión de vapor de hidracina a temperatura ambiente, mmHg (ver la ecuación a continuación) |
Si T P = 0 ° C o menos, entonces T F = 1.0
Si T P > 0 ° C, entonces T F = 1.0 + 0.0043 T P 2
dónde: | |
= 2.7183, la base del sistema de logaritmos naturales | |
= logaritmo natural |
El método de la EPA de EE. UU.
Las siguientes ecuaciones sirven para predecir la velocidad a la que el líquido se evapora de la superficie de un charco de líquido que se encuentra a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las ecuaciones fueron desarrolladas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos usando unidades que eran una mezcla de uso métrico y uso de los Estados Unidos. [3] Las unidades no métricas se han convertido a unidades métricas para esta presentación.
Nota, la constante usada aquí es 0.284 de la fórmula de unidad mixta / 2.205 lb / kg. El 82.05 se convierte en 1.0 = (pies / m) ² × mmHg / kPa.
dónde: | |
mi | = tasa de evaporación, kg / min |
---|---|
tu | = velocidad del viento justo por encima de la superficie del líquido de la piscina, m / s |
METRO | = peso molecular del líquido de la piscina, adimensional |
A | = superficie del líquido de la piscina, m 2 |
PAG | = presión de vapor del líquido de la piscina a la temperatura de la piscina, kPa |
T | = temperatura absoluta del líquido de la piscina, K |
La EPA de EE. UU. También definió la profundidad de la piscina como 0,01 m (es decir, 1 cm) para que el área de la superficie del líquido de la piscina se pueda calcular como:
- A = (volumen de la piscina, en m 3 ) / (0.01)
Notas:
El método de Stiver y Mackay
Las siguientes ecuaciones sirven para predecir la velocidad a la que el líquido se evapora de la superficie de un charco de líquido que se encuentra a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las ecuaciones fueron desarrolladas por Warren Stiver y Dennis Mackay del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Toronto. [8]
dónde: | |
mi | = flujo de evaporación, kg / m 2 · s de superficie de la piscina |
---|---|
k | = coeficiente de transferencia de masa, m / s = 0,002 u |
T A | = temperatura ambiente absoluta, K |
METRO | = peso molecular del líquido de la piscina, adimensional |
PAG | = presión de vapor del líquido de la piscina a temperatura ambiente, Pa |
R | = la constante de la ley universal de los gases = 8314.5 Pa · m 3 / (kmol · K) |
tu | = velocidad del viento justo por encima de la superficie del líquido, m / s |
Evaporación de la piscina de líquido frío hirviendo
La siguiente ecuación sirve para predecir la velocidad a la que el líquido se evapora de la superficie de un charco de líquido frío (es decir, a una temperatura del líquido de aproximadamente 0 ° C o menos). [2]
dónde: | |
mi | = flujo de evaporación, (kg / min) / m 2 de superficie de la piscina |
---|---|
B | = punto de ebullición atmosférico del líquido de la piscina , ° C |
METRO | = peso molecular del líquido de la piscina, adimensional |
mi | = la base del sistema de logaritmos naturales = 2.7183 |
Destello adiabático de liberación de gas licuado
Los gases licuados como el amoníaco o el cloro a menudo se almacenan en cilindros o recipientes a temperatura ambiente y presiones muy por encima de la presión atmosférica. Cuando dicho gas licuado se libera a la atmósfera ambiental, la reducción de presión resultante hace que parte del gas licuado se vaporice inmediatamente. Esto se conoce como "parpadeo adiabático" y la siguiente ecuación, derivada de un simple balance de calor, se utiliza para predecir la cantidad de gas licuado que se vaporiza.
dónde: | |
X | = porcentaje en peso vaporizado |
---|---|
H s L | = entalpía líquida de la fuente a la temperatura y presión de la fuente, J / kg |
H a V | = entalpía de vapor instantáneo al punto de ebullición y presión atmosféricos, J / kg |
H a L | = entalpía de líquido residual al punto de ebullición y presión atmosféricos, J / kg |
Si los datos de entalpía requeridos para la ecuación anterior no están disponibles, entonces se puede usar la siguiente ecuación.
dónde: | |
X | = porcentaje en peso vaporizado |
---|---|
c p | = calor específico del líquido de la fuente , J / (kg ° C) |
T s | = temperatura absoluta del líquido de la fuente, K |
T b | = punto de ebullición atmosférico absoluto del líquido de origen, K |
H | = fuente de calor líquido de vaporización en el punto de ebullición atmosférico, J / kg |
Ver también
- Flujo ahogado
- Placa de orificio
- Evaporación instantánea
Referencias
- ^ Manual de ingenieros químicos de Perry , sexta edición, McGraw-Hill Co., 1984.
- ^ Un b c Manual de procedimientos de análisis de riesgos químicos , Apéndice B, la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias, Departamento de Transporte, y la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, 1989. También proporciona las referencias a continuación:
- Clewell, HJ, un simple método para estimar la Fuerza de la fuente de derrames de líquidos tóxicos , Laboratorio de sistemas de energía, ESL-TR-83-03, 1983.
- Ille, G. y Springer, C., Evaporación y dispersión de propulsores de hidracina de derrames terrestres , Oficina de desarrollo de ingeniería ambiental, CEEDO 712-78-30, 1978.
- Kahler, JP, Curry, RC y Kandler, RA, Calculating Toxic Corridors Air Force Weather Service, AWS TR-80/003, 1980.
Handbook of Chemical Hazard Analysis, Apéndice B Desplácese hasta la página 391 de 520 páginas PDF. - ^ a b "Guía del programa de gestión de riesgos para el análisis de consecuencias fuera del sitio" Publicación de la EPA de EE. UU. EPA-550-B-99-009, abril de 1999. (Consulte las derivaciones de las ecuaciones D-1 y D-7 en el Apéndice D).
- ^ "Métodos para el cálculo de efectos físicos debidos a liberaciones de sustancias peligrosas (líquidos y gases)", PGS2 CPR 14E, Capítulo 2, Organización de Investigación Científica Aplicada de los Países Bajos, La Haya, 2005. PGS2 CPR 14E Archivado 2007-08- 09 en la Wayback Machine
- ^ CACHE Newsletter No.48, Spring 1999 Gierer, C. y Hyatt, N., Uso de software de análisis de término fuente para calcular las tasas de liberación de flujo de fluido Dyadem International Ltd.
- ^ Ramskill, PK (1986), Métodos de cálculo de la tasa de descarga para su uso en evaluaciones de seguridad de la planta , directorio de seguridad y confiabilidad, Autoridad de energía atómica del Reino Unido
- ^ Compresión o expansión isentrópica
- ^ Stiver, W. y Mackay, D., Un sistema de clasificación de riesgos de derrames para productos químicos , Primer seminario técnico sobre derrames de Environment Canada, Toronto, Canadá, 1993.
enlaces externos
- Las ecuaciones de Ramskill se presentan y se citan en este archivo pdf (utilice la función de búsqueda para encontrar "Ramskill").
- Flujo obstruido de gases
- Desarrollo de modelos de emisión de fuentes