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Introducción

En ésta unidad se desarrollará el proceso de BLEVE, forma de calcular sus

características y efectos. También se explicarán los incendios en charcos e incendios en

tanques (boilover y frothover).

Se recomienda en este capítulo la lectura de las notas técnicas NTP 326, NTP 293 y

NTP 294 incluidas en el anexo.

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BLEVECuando se calienta un recipiente abierto que contiene un líquido, comienza un fenómeno

de superficie llamado evaporación.

Poco a poco las moléculas del líquido que están en la superficie van pasando a la fase

vapor hasta que se llega a un temperatura tal que la presión de vapor del líquido iguala a

la presión atmosférica, en ese momento comienza la ebullición del líquido que es un

fenómeno de volumen (másico).

Si el proceso descripto anteriormente ocurre en un sistema cerrado, la presión de la fase

gaseosa va aumentando, se interrumpe entonces la evaporación ya que la presión de

vapor del líquido caliente está igualada con la presión que ejercen sus vapores.

Si en un momento determinado se produce un escape de vapores a alta presión y

temperatura, el líquido pasa rápidamente a la fase vapor, aumenta su volumen y produce

la ruptura del recipiente que lo contiene.

Este hecho es lo que se denomina BLEVE, siglas en inglés de Boiling Liquid Expanding

Vapor Explosion (expansión explosiva del vapor de un líquido en ebullición).

La BLEVE es una explosión física, no es una explosión química y puede ó no estar

acompañada de incendio del producto dependiendo si este es inflamable ó no. Puede

darse con agua, como por ejemplo en una caldera.

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Campana de Andrews

p

v

T = constante

Zona

delíq

uido

Zona de equilibriolíquido-vapor

Zona de vapor

DIAGRAMA DE ANDREWS

Isoterma crítica(Tc)

Punto críticoPcpc

vc

La campana de Andrews es una grafica presión-volumen en la que se pueden distinguir

tres zonas:

La zona de la izquierda, delimitada por la rama ascendente de la campana y el eje de

ordenadas, es la zona donde existe solamente el estado líquido.

La zona central de la campana es una zona de coexistencia (en equilibrio) del líquido con

su vapor.

La zona a la derecha de la rama descendente de la campana corresponde a la fase

vapor.

En la parte superior de la campana se encuentra el punto crítico, punto de coexistencia

de los tres estados, sus proyecciones al eje de ordenadas y al eje de abscisas, nos da

los valores de la presión crítica y el volumen crítico respectivamente.

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La intersección del punto crítico con la isoterma que pasa por el nos determina la

temperatura crítica, que es la temperatura a la cual por mas que comprimimos no

logramos obtener líquido.

En las BLEVE nos interesa lo que ocurre en la zona de equilibrio líquido-vapor, es decir,

dentro de la campana.

Si realizamos compresiones ó expansiones en forma muy lenta (reversibles), se produce

una zona donde hay un equilibrio metaestable (zona entre la curva binodal y la curva

espinodal), si comprimimos siguiendo una isoterma, van a aparecer gotas de gas que se

van licuando.

En el diagrama de Andrews se vería lo siguiente:

La zona de

9inestabilidad es la demarcada entre la curva binodal y la curva espinodal. La BLEVE se

produce en los mínimos que se encuentran entre las curvas binodal ó espinodal y la

isoterma correspondiente ya que son los puntos donde el líquido sobrecalentado se

vaporiza en forma súbita formando gran cantidad de burbujas.

Para que se produzca una BLEVE tiene que cumplirse en forma simultánea lo siguiente:

a) Debe haber un líquido sobrecalentado ó gas licuado de petróleo (GLP)

b) Debe producirse una bajada súbita de presión.

c) Debe haber una nucleación espontánea (formación de burbujas)

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El punto b, puede producirse por: ruptura de recipientes, mala calibración de válvulas,

excesivo caudal de salida de gases, etc.

Otro gráfico de utilidad es la curva de saturación de las sustancias, este grafico relaciona

la presión con la temperatura en combinación con la ecuación de Antoine para sistemas

bifásicos, esta ecuación nos permite determinar la recta tangente al punto crítico.

Esta recta tangente es la que si se cruza ya sea por aumento de temperatura ó por

disminución de la presión nos indica la certeza de que se produzca una BLEVE.

El hecho que no se corte a dicha recta tangente, no quiere decir que no habrá una

posible destrucción del recipiente, lo que nos dirá es que no será una BLEVE y por lo

tanto no tendrá las características de la misma.

La expresión de Antoine es:

ln p = - (A / T) + B

El gráfico de la curva de saturación de un gas tiene la siguiente forma:

Si se produce una disminución violente de la presión y el sistema pasa del estado A al

estado B y en ese proceso corta la curva límite, se producirá una BLEVE.

Curva

desa

turac

ión

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p

pc

Tc T

Curva

desa

turac

ión

T0 (límite)

A

B

C

D

Si en cambio las disminuciones de presión se dan entre los puntos A-B y C-D sin cortar

la curva límite, no se considera una BLEVE.

Esto no quiere decir que no se produzca una ruptura del recipiente, lo que indica que no

tendrá las consecuencias de una BLEVE, no habrá proyección de fragmentos.

Si ocurriera un aumento de temperatura y se corta la curva límite NO se producirá una

BLEVE

En la expresión de Antoine, por convención si la presión se expresa en atmósferas, la

temperatura se expresa en grados Kelvin.

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Los valores de A y B son constantes y dependen de la sustancia que está

evolucionando.

Como ejemplo calculemos los valores de A y B para el isobutano:

pc = 36 atm

Tc = 408,1 ºK

Tebullición = 261,4 ºK a 1 atmósfera

Aplicando la expresión de Antoine para la presión de 1 atmosfera y para la presión crítica

obtenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas de manera que:

ln 1 = -(A/Te) + B 0 = -(A/Te) + B B = A/Te (1)

ln pc = -(A/Tc) + B (2)

Reemplazando (1) en (2) tenemos:

ln pc = - (A/Tc) + (A/Te) = -(ATe + ATc) / TcTe = A (Tc – Te) / TcTe

ln 36 = A (408,1 – 261,5) / (408,1 x 265,1) = 1,3737 10-3 A

A = (ln 36) / (1,3737 10-3) = 2.608,64

B = 2.608,64 / 261,5 = 9,9757

Efectos de una BLEVE

Los efectos característicos de una BLEVE son:

a. Emisión de perdigones (fragmentos del recipiente).

b. Radiación térmica (esto no es una característica propia de la BLEVE, ocurre si

el producto es inflamable).

c. Ondas de choque.

Expresión de Holden y ReevesPara calcular la cantidad de fragmentos (perdigones) que serán proyectados tras una

BLEVE, utilizaremos esta expresión, cabe aclarar que existen también otras expresiones

equivalentes y por simplicidad utilizaremos esta.

Nº de fragmentos = - 3,77 + 0,0093 V [m3]

Siendo (V) El volumen expresado en metros cúbicos.

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Esta expresión sirve para volúmenes comprendidos entre los 700 m3 y los 2.500 m3.

El alcance de los fragmentos se obtiene de curvas empíricas en las que se grafica el

alcance versus el porcentaje de fragmentos producidos.

Cálculos para una BLEVE

Supongamos que evoluciona un material inflamable por lo que se producirá

adicionalmente una bola de fuego.

Para calcular la energía liberada podríamos utilizar la expresión de radiación de Stefan

Boltzman, pero cometeríamos un error muy grande debido a lo difícil de estimar la

temperatura cometiendo un error muy grande por estar esta elevada a la cuarta potencia

(recordar la expresión de radiación vista en el módulo anterior).

Entonces consideraremos para los cálculos el modelo de la esfera:

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Dmax = diámetro máximo

Dinicial = diámetro inicial

rmáximo

X

Y

α

Hb

=al

tura

dela

BLE

VE

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Hb: Altura de la BLEVE en metros [m]

Dmax: Diámetro máximo en metros [m]

tb: Tiempo de la BLEVE en segundos [s]

M: Masa se sustancia en kilogramos [kg]

Dinicial Diámetro inicial en metros [m]

Fórmulas:

Dmax = 6,48 M 0,325

Tb = 0,852 M 0,26

Hb = 0,75 Dmax

Dinicial = 1,3 Dmax

Como se puede observar todas las expresiones dependen directa ó indirectamente de la masa

de sustancia contenida en el recipiente.

Si hubiera algo (edificios, personas, etc.) a una distancia “y” , hay que calcular la energía por

unidad de tiempo y de área (irradiación).

I = [energía] / [tiempo] [área] (irradiación generada por la bola de fuego producida)

Como datos para el cálculo tendremos:

Energía : masa x ΔH combustión (ó poder calorífico de la sustancia)

Area: π x (Dmaximo)2

Tiempo: es el tiempo calculado de la BLEVE

Entonces la irradiación será:

I = (-ΔH combustión) . M . Fr / tb . π . (Dmaximo)2

Fr, es un factor que varía entre 0,25 y 0,4. A los fines de la Higiene y Seguridad, tomaremos el

valor más conservativo que es 0,4

Una vez calculada la Irradiación, se debe estimar la radiación recibida en la cual intervienen

dos factores:

1 Factor de visión geométrica (Fv) que varía con la distancia y es debida por ejemplo a

la generación de humos.

2 Factor de transmisividad (Tr) que está relacionado con la humedad del medio.

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Por lo que la irradiación recibida se calcula:

Irecibida = Ir = I . Fv . Tr [Joule/seg .m2] = [watt/m2]

Fv depende de la distancia, se obtiene con la siguiente expresión:

Fv = R2maximo / X2 = D2maximo / 4 X2

Tr depende de la humedad y su expresión es:

Tr = 2,02 (p’v X) -0,09

Siendo: p’v la presión parcial del vapor de agua, que se obtiene mediante la expresión de la

humedad relativa:

% humedad = humedad relativa = p’v / pv

p’v = %humedad . pv / 100

El valor de “X”, se calcula teniendo en cuenta la altura y el diámetro máximo de la siguiente

manera:

(x + rmax)2 = H2b + y2

X = (H2b + y2)½ - rmax

Una vez calculada la irradiación recibida, se calcula la radiación proyectada:

α

Irradiación proyectada (Irp) = Irradiación recibida (Ir) . sen α

Máximas radiaciones tolerables

6,5 Kwatt/m2 durante 20 segundos sin sufrir quemaduras

4,7 Kwatt/m2 para personas y bomberos protegidos con equipos especiales

3,5 – 4 Kwatt/m2 para personas desprotegidas

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Cálculo de dañosPara los fines de la materia calcularemos los daños según las fórmulas que se darán a

continuación, se puede utilizar también el método Probit y llegaremos a resultados similares.

Fatalidad del 99 % : Im = 730 / tb0,71 [Kwatt/m2]

Fatalidad del 50 %: Ic = 330 / tb0,71 [Kwatt/m2]

Quemaduras severas: Iq = 50 / tb0,71 [Kwatt/m2]

Con los datos de irradiación recibida, se calculan y grafican sobre un plano de las instalaciones

y a partir del diámetro de la bola de fuego cada 100 metros las curvas de isoradiación.

Comprando los valores de estas curvas con los cálculos de daños se determinan las pérdidas

probables en función de la distancia.

Este dato es muy importante para proyectar las distancias de seguridad necesarias para la

instalación de otros edificios linderos a la planta ó para determinar la distancia de intervención

de equipos de bomberos.

IncendiosLos tipos de incendios se dividen en:

Tanques Diques de contención

Incendio Confinados

Derrames ó fugas Confinados por la topografía

No confinados

Derrames ó fugas no confinados-incendio en charcos sin viento

Asimilamos la superficie de un charco a una superficie igual a la de un círculo del mismo

diámetro.

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Altu

rade

lalla

ma

(H)

Diámetro del charco (D)

Se relaciona la altura (H) con el diámetro (D) con la expresión de Thomas:

H / D = 42 [Mb / ρa (g D) ½]

Donde:

Mb:es la velocidad de combustión (m3 de combustible consumido por unidad de superficie ypor unidad de tiempo.

Mb [m3 / m2 s] = [m /s]

D: diámetro.

ρa: densidad del aire a la temperatura ambiente.

g: aceleración de la gravedad.

Como dato, en general, la altura de la llama está dentro del siguiente rango:

2D < ó = H < ó = 3D

Cálculo de Mb

Dependiendo del líquido que está combustionando se pueden presentar dos casos:

a) El líquido derramado tiene una temperatura de ebullición menor que la temperaturaambiente, en este caso la velocidad de combustión se calcula:

Mb = 0,001 (-ΔH combustión) / ΔH vaporización [Kg/m2 s]

b) El líquido derramado tiene una temperatura de ebullición mayor que la temperaturaambiente, en este caso:

Mb = 0,001 (-ΔH combustión) / (ΔH vaporización + Cp ΔT) [Kg/m2 s]

Donde ΔT = temperatura de ebullición del liquido – temperatura ambiente)

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Cálculo de la intensidad de radiación

Energía = Mb . superficie . (-ΔH combustión) [Kcal/s]

Superficie del charco = π D2 / 4

Superficie del cilindro= π D H

Irradiación = [Mb . superficie . (-ΔH combustión)] / π D H

Irradiación = [Mb . π D2 / 4 . (-ΔH combustión)] / π D H

Simplificando:

Irradiación = I = Mb x D x (-ΔH combustión) / 4 H

A la irradiación, se la afecta por el factor de radiación (Fr) donde:

0,25 < ó = Fr < ó = 0,4

También se la afecta por los factores de visión geométrica (Fv) y de transmisividad (Tr) por lo

que:

IR = I . Fr . Fv . Tr

Donde :

Tr = 2,02 (pv . X)-0,09

pv: presión de vapor del agua en pascales [Pa]

X = c : distancia en metros desde el foco de la radiación.

Cálculo de Fv

El factor de visión geométrica se determina según tablas (ver anexo) calculando las siguientes

relaciones del cilindro formado por el incendio:

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Relacionando a/b y c/b se busca en las tablas (ver anexo), si es un tanque se busca en tabla

para superficies receptoras horizontales ó verticales ; y se obtiene el valor de factor de visión

que corresponde.

Incendio en tanquesVamos a definir algunas partes que son de interés para considerar los incendios en tanques:

a – zona de destilación de productos livianos

b – zona de intercambio

c – zona de fracciones pesadas

En los fondos de tanques con combustibles siempre se acumula agua, ya sea por la que trae el

propio combustible ó por la humedad ambiente. Esto se debe a que la densidad del agua es

mayor que la del combustible.

Si se produce un incendio en la parte superior del tanque, que es donde se acumulan las

fracciones mas livianas, se produce una onda de calor convectiva que avanza en forma

descendente, esta onda convectiva se puede apreciar en el exterior del tanque ya que se nota

una decoloración en la pintura del mismo. Al llegar esta onda convectiva al fondo, lugar donde

se acumula el agua, se produce la ebullición de la misma lo que derrama el combustible

incendiado. Se calcula que el área de derrame cuando se produce el boilover es 3 veces el

diámetro del tanque.

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Si el combustible es petróleo, el agua se encuentra estratificada ó emulsionada, se produce un

fenómeno parecido al boilover pero menos violento que se denomina slopover.

Hay otro fenómeno que se produce cuando ingresa producto a mayor temperatura que la de

ebullición del agua en el tanque produciéndose un derrame por espumación, en este caso no

hay incendio, este fenómeno se denomina frothover y se da generalmente en tanques que

contienen aceites.

Condiciones para que se produzca un boilover

a) El tanque no tiene techo (voladura por explosión)

b) El tanque siempre tiene agua acumulada en el fondo

c) Se genera una onda de calor convectiva