Aplicación del método HAZOP para análisis de riesgos y

Universidad Autónoma Metropolitana, Ciudad de México

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Revista Tendencias en Docencia e

Investigación en Química

2019

Año 5

Número 5

Aplicación del método HAZOP para análisis de riesgos y simulación de una fuga de gas en el tanque de amoniaco del

laboratorio de operaciones unitarias ESIQIE IPN

Romo Toledano Jesús Humberto*, Chilpa Navarrete Arturo, Honorato Cervantes Hever Escuela Superiór de Ingenierí a Quí mica e Industrias Extractivas, Edif. Z-6 Segundó Pisó, Departamentó de Ingenierí a Ambiental. Unidad Prófesiónal Adólfó Ló pez Mateós, Gustavó A. Maderó, Ciudad de Me xicó. C.P. 07738. Me xicó. * Autór para córrespóndencia: jrómó@ipn.mx

Recibido: 16/julio/2019

Aceptado: 20/octubre/2019

Palabras clave: HAZOP, riesgó, fuga

Keywords: HAZOP, risk, leakage

RESUMEN

El análisis de riesgo ambiental es un procedimiento que se puede realizar a través de diferentes técnicas, una de ellas es el estudio HAZOP, que es una técnica de riesgo cualitativa y cuantitativa. En este estudio, utilizaremos la técnica HAZOP además de una simulación matemática con el programa de modelos ASCRI para determinar las consecuencias que podrían producirse si hubiera una fuga de gas amoniaco con dos velocidades diferentes; 50 g/s y 150 g/s, utilizando como referencia las concentraciones ubicadas en la sección de toxicidad en la hoja de datos de seguridad de amoníaco.

ABSTRACT

The environmental risk analysis is a procedure that can be performed through different techniques, one of them is the HAZOP study, which is a qualitative and quantitative risk technique. In this study we will use the HAZOP technique in addition to a mathematical simulation with the ASCRI models program to determine the consequences that could be caused if there was a leak of ammonia gas with two different rates; 50 g/s and 150 g/s, using as reference the concentrations located in the toxicity section in the safety data sheet of ammonia.


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Introducción

Los métodos de análisis de riesgo, son técnicas que se emplean para evaluar los riesgos de un proyecto o un proceso. Estos métodos ayudan a tomar decisiones que permiten implementar medidas de prevención contra peligros potenciales o reducir su impacto.

La forma ideal de realizar la gestión es seleccionar y combinar las mejores técnicas según el tipo de proceso o proyecto, por lo que ciertas herramientas son más idóneas para evaluar las causas de un problema, mientras que otras son más adecuadas para valorar las consecuencias. (Dirección general de relaciones laborales, 2016).

Existen diferentes métodos de análisis de riesgo de proceso, entre los cuales se encuentran:

¿Qué Pasa Sí? (¿WHAT IF?): Esta técnica se basa en una tormenta de ideas que un grupo familiarizado con el proceso pueda responder a preguntas concernientes a posibles eventos no deseados.

Lista de Verificación (CHECKLIST): Utiliza una lista de términos o de pasos de procedimiento para verificar el estatus de un sistema.

Estudio de Riesgo y Operatividad (Hazard And Operability) HAZOP: Cuestiona de manera sistemática cada desviación de un proceso y determina si las consecuencias de tales desviaciones son riesgosas.

Análisis del Árbol de Falla (Fault Tree Analysis) FTA:

Es un diagrama lógico (árbol de fallas) que se emplea para determinar las causas posibles de un evento indeseable preseleccionado. (Dirección general de relaciones laborales, 2016).

Análisis funcional de operatividad (AFO) y hazard and operability (HAZOP)

Es una técnica de identificación de riesgos cuya característica principal es que se realiza por un equipo pluridisciplinario de trabajo. La técnica consiste en analizar sistemáticamente las causas y consecuencias de las desviaciones de las variables de proceso, planteadas a través de unas “palabras guías” (Gónzales & Inche, 2014).

Este estudio está constituido por los siguientes puntos:

i. Definición del área de estudio: Delimita las

áreas a las cuales se aplica la técnica en una

instalación de proceso.

ii. Definición de los nodos: Se trata de la

identificación de puntos claramente localizados

en el proceso: tubería de alimentación de una

materia prima, impulsión de una bomba, etc.

iii. Definición de las desviaciones a estudiar: Es la

forma sistemática de las variables de proceso

aplicando a cada variable una palabra guía: no,

Inverso, más, menos, etc.

iv. Sesiones HAZOP: Analizan las desviaciones

planteadas de forma ordenada.

v. Informe final

Esta técnica, está basada en la premisa de que los riesgos, los accidentes o los problemas de operatividad, se producen como consecuencia de una desviación de las variables de proceso con respecto a los parámetros normales de operación (Dirección General de Relaciones Laborales, 2016).

Tabla 1. Selección del método para identificación de peligros según su aplicación (Dirección general de relaciones laborales, 2016).

Etapa de desarrollo del proceso

¿Qué pasa sí? (What if?)

Lista de verificación (Check list)

¿Qué pasa sí? /Lista de verificación

HAZOP FMEA Árbol de fallas

(FTA)

Investigación y desarrollo X

Diseño Conceptual X X X

Operación de la unidad piloto X X X X X X

Ingeniería de detalle X X X X X X

Construcción y arranque X X X

Operación rutinaria X X X X X X

Expansión o modificación X X X X X X

Investigación de accidentes X X X X

Desmantelamiento X X X


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Figura 1. Forma común de representar a los nodos de un proceso (Gonzales & Inche, 2014).

Absorción y desorción

La absorción, es una operación unitaria de transferencia de materia, que consiste en poner en contacto un gas con un líquido, para que éste disuelva determinados componentes del gas, dejándolo libre de los mismos. Por el contrario, la desorción es la operación unitaria en donde un gas disuelto en un líquido es arrastrado por un gas inerte, siendo eliminado del líquido (McCabe, 2007).

Figura 2. Absorción (izuierda) y desorción (derecha) (McCabe, 2017).

Amoníaco

Es un compuesto químico del nitrógeno con la fórmula química NH3. Es un gas incoloro con un característico olor repulsivo. El amoníaco contribuye significativamente a las necesidades nutricionales de los organismos terrestres, por ser un precursor de fertilizantes. Es también un elemento importante para la síntesis de fármacos y productos de limpieza. Pese a su gran uso, el amoníaco es cáustico y peligroso. La

producción industrial del amoníaco en 2012 fue de 198 000 000 toneladas en todo el mundo, lo que equivale a un 35 % de incremento con respecto al año 2006, con 146 500 000 toneladas (Gutiérrez et al, 2014).

Al ser una sustancia corrosiva, tal y como indican los efectos principales de la exposición, se presentan en el sitio de contacto directo: en la piel, en los ojos, la boca o los sistemas respiratorio y digestivo". Los primeros síntomas pueden reflejarse: en tos, irritación y lagrimeo y en última instancia, quemaduras irreversibles o la muerte. (Gutiérrez, et al, 2014).

Metodología

Riesgos en el proceso de absorción en la columna de

absorción

En el laboratorio de Operaciones Unitarias ESIQIE IPN, el equipo necesario para la operación, almacenamiento y distribución del amoniaco en la columna de absorción, está constituido por conexiones y líneas de conducción, que llevan, por un lado, el paso de amoniaco en forma gaseosa y por otro, la alimentación de aire y agua a la columna.

El almacenamiento del amoniaco se encuentra en un

tanque horizontal, provisto de diversas válvulas de paso

y seguridad, así como, indicadores de presión dentro del

tanque y sobre la línea de distribución que alimenta a la

torre de absorción. El amoníaco por sí mismo, posee


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características corrosivas que impiden su

almacenamiento en cualquier tipo de material. En la

figura número 3, se especifican los materiales que

pueden utilizarse para el almacenamiento de amoníaco,

siendo los más recomendables el acero inoxidable y el

monel.

Figura 3. Resistencia de materiales (Ansell Occupational Healthcare, 2011).

Condiciones físicas de la columna de absorción

El tanque de almacenamiento de amoniaco del

Laboratorio de Operaciones Unitarias, está construido de

acero al carbón, éste material puede variar su vida útil,

dependiendo del grado de corrosividad del material que

se encuentre almacenado. En este caso, el amoniaco es

altamente corrosivo, por lo que el tanque, tuberías y

accesorios, requieren mantenimiento continuo y, de ser

necesario, cambiar algunos de sus accesorios.

Debido a la operación continua de equipos y accesorios

por varios años, y al poco mantenimiento que se les

aplica, ha ocasionado daños por la corrosión, lo cual

podría presentar múltiples fallas, de entre las cuales

pueden ser fugas de amoniaco en accesorios o tuberías.

Análisis de riesgos en la columna de absorción empacada por método HAZOP

En este proceso se aplicará el análisis de riesgo por

metodología HAZOP, para identificación de nodos y

posibles fallas en el mismo, aplicando las palabras guía

en un formato previamente establecido, y presentado en

una tabla.

Se analizará el nodo más importante por su nivel de

riesgo, con respecto a las demás líneas de proceso, la cual

es la línea de alimentación de amoniaco a la torre de

absorción.

En la figura 4, de categorías de consecuencias, se

consideran cinco tipos de consecuencias: daños al

personal, efectos en la población, impacto ambiental,

pérdida de producción y daños a la instalación.

Figura 4. Matriz de jerarquización de riesgos. (Gonzales & Inche, 2014).

Tabla 3. Clasificación por categoría de frecuencia. (Gonzales & Inche, 2014).

Categoría de

frecuencia Tipo

Descripción de la frecuencia de ocurrencia

F1 Frecuente Puede ocurrir una o más veces en un periodo de

hasta 5 años

F2 Poco frecuente Puede ocurrir una o más

veces en un periodo entre 5 a 10 años

F3 Raro Puede ocurrir una o más

veces en un periodo mayor a 10 años

F4 Muy raro Puede ocurrir solamente una vez en la vida de la

instalación

F5 Extremadamente

raro

Es posible que ocurra, pero a la fecha no existe ningún

registro


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A continuación, se presenta el método HAZOP y el

diagrama de proceso de la torre de absorción para el

análisis de riesgo en el nodo número uno o en la línea de

alimentación de amoniaco, únicamente se presenta este

nodo por disponibilidad de espacio.

Figura 5. Presentación de los nodos en la torre de absorción del laboratorio de operaciones unitarias (Romo et al., 2019).

Tabla 4. Análisis HAZOP del nodo 1 primera parte. (Romo et al, 2019).

Instalación: Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Nodo 1: Línea de alimentación de amoniaco desde tanque de almacenamiento hasta mezcla con la línea de aire

Intención de Diseño:

Práctica de absorción laboratorios de operaciones unitarias

Diagrama: Torre de absorción empacada

Fecha: 15/Mayo/2019

No. Palabra

Guía Parámetro Causas Consecuencias Salvaguardas F C Riesgo Recomendación

1.1 No Flujo

-Tanque de alimentación de amoniaco vacío

-Válvula reductora de presión averiada

-Rotámetro obstruido -Perforación en accesorios

del tanque y en el tanque de almacenamiento de

amoniaco

Fuga de amoniaco Válvulas

manuales cerradas

2 2 B

-Mantenimiento continuo a las líneas

de alimentación. -Revisión de

válvulas cerradas en el momento que el

proceso así lo requiera

-Revisión continua del rotámetro y

accesorios -Revisión de las condiciones del

tanque de almacenamiento y

presión -Señalización

correcta en las válvulas del tanque de almacenamiento

-Doble válvula check

1.2 Menor Flujo/Presión

-Tanque de alimentación de amoniaco casi vacío

-Válvula reductora de presión averiada

-Rotámetro obstruido -Perforación en accesorios

del tanque y en el tanque de almacenamiento de

amoniaco.

Fuga de amoniaco Válvulas

manuales cerradas

2 3 C

*F: Frecuencia, C: consecuencia.


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Tabla 5. Análisis HAZOP del nodo 1 segunda parte. (Romo et al, 2019).

Instalación: Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Nodo 1: Línea de alimentación de amoníaco desde tanque de almacenamiento hasta mezcla con la línea de aire

Intención de Diseño:

Práctica de absorción laboratorios de operaciones unitarias

Diagrama: Torre de absorción empacada

Fecha: 15/Mayo/2019

No. Palabra

Guía Parámetro Causas Consecuencias Salvaguardas F C Riesgo Recomendación

1.3 Mayor Flujo/Presión

-Error de apertura manual totalmente

abierta

-Rotámetro averiado

-Mayor cantidad de gas amoniaco en la

atmósfera -Pérdidas de materia prima en el proceso

-Mayores costos -No se lleva a cabo de

manera correcta el proceso de absorción

-Diversas válvulas a lo largo de la

línea de alimentación y

rotámetro -Indicadores de

presión -Válvula de aguja

2 3 C

-Colocar la torre de absorción más alta

-Colocar un switch de cierre

-Colocar válvulas automáticas para control de flujo de

amoniaco -Mantenimiento a

rotámetro 1.4 A parte de Flujo de aire -Se alimenta aire a la corriente de la línea

de amoniaco

-No hay consecuencias

Representativas

-Válvulas manuales -Placa de orificio

2 4 D

*F: Frecuencia, C: consecuencia.

La tabla 6 muestra los resultados obtenidos a partir del estudio de riesgo realizado en el nodo número 1:

Tabla 6. Resultados sobre los índices globales de riesgo del HAZOP. (Romo et al, 2019).

Nodo Desviación F C Riesgo

1: Línea de alimentación de amoniaco desde

tanque de almacenamiento

hasta mezcla con la línea de

aire

1.1 No flujo 2 2 B 1.2 Menor

Flujo/Presión 2 3 C

1.3 Mayor Flujo/Presión

2 3 C

1.4 A parte de flujo de

aire 2 4 D

Figura 6. Matriz para la Estimación del índice de Riesgo. (Romo et al, 2019).

Simulación de fuga de amoniaco en el tanque de almacenamiento, Laboratorio de Operaciones Unitarias

Para llevar a cabo la simulación de la fuga de gas amoniaco en el tanque de almacenamiento, se ha utilizado un programa de simulación matemática de nombre SCRI MODELOS. Este software ha sido utilizado ampliamente para elaborar una evaluación de los impactos de la contaminación por fuentes puntuales tales como chimeneas o en la elaboración de escenarios de afectación por fugas o derrames de productos tóxicos y/o inflamables, ya sea como fugas continuas o instantáneas, así como en la evaluación de los datos provocados por nubes expandidas.

A través de su uso, se han difundido los conceptos involucrados en la materia y se ha concientizado a los diferentes profesionistas relacionados con los temas de impacto ambiental y evaluación de riesgos.

Resultados

Se realizaron dos simulaciones de fuga de amoniaco; en la primera simulación el gasto de amoniaco que es emitido a la atmósfera es de 150 g/s, mientras que en la segunda el gasto es de 50g/s.

Además, se tomaron en cuenta 3 concentraciones como referencia para identificación del radio de afectación en la zona del siniestro, las cuales se recopilaron de la hoja de datos de seguridad del amoniaco, en el apartado de toxicología del gas; estas concentraciones fueron de


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1.7404x104 μg/m3 (color amarillo), 2.088x105 μg/m3 (color rojo) y 6.9617x104 μg/m3 (color naranja). Por otra parte, en ambas simulaciones se propuso una exposición o tiempo de fuga de amoniaco de una hora.

Simulación número 1

Para la simulación matemática de la fuga de amoniaco, se tomaron en cuenta una serie de datos, los cuales se muestran en la figura 7.

Figura 7. Datos incluidos en la simulación número 1 de la fuga de amoniaco (SCRI Modelos , 2019).

Posteriormente, la simulación con el programa ASRCRI Modelos nos arroja una serie de resultados, tales como el radio de afectación (figura 8) y la distribución de la emisión del amoniaco a lo largo de los ejes (figura 7).

Figura 8. Área afectada por la nube de gas amoníaco en

Zacatenco-A. (SCRI Modelos, 2019).

Se pude observar que, si se tuviera una fuga de amoniaco en las instalaciones de los Laboratorios de Operaciones Unitarias, se tendrían los siguientes resultados:

i. A una concentración de 1.7404x104 μg/m3 (color amarillo) la nube de gas llegaría hasta los 144m.

ii. A una concentración 2.088x105 μg/m3 (color rojo) la nube de gas llegaría hasta los 42m.

iii. Finalmente, a una concentración de 6.9617x104 μg/m3 (color naranja) se llegarían a alcanzar los 73m.

En el caso de la concentración de 2.088x105 μg/m3 (color rojo) representa el área de afectación en donde los seres humanos comenzarían a presentar signos de toxicidad o envenenamiento por aspiración del amoniaco, por lo que es en este radio en donde la afectación puede llegar a ser mortal.

Simulación número 2

Los datos utilizados para esta simulación fueron los

siguientes:


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Figura 9. Datos incluidos en la simulación número 2 de la fuga de amoniaco. (SCRI Modelos, 2019)

La simulación con el programa ASCRI nos arroja los

resultados de radio de afectación y distribución de la

emisión siguientes:

Figura 10. Área afectada por la nube de gas amoníaco en Zacatenco-B. (SCRI Modelos, 2019)

Se pude observar que si se tuviera una fuga de amoníaco en las instalaciones de los Laboratorios de Operaciones Unitarias se tendrían los siguientes resultados:

i. A una concentración de 1.7404x104 μg/m3 (color amarillo) la nube de gas llegaría hasta los 73m.

ii. A una concentración 2.088x105 μg/m3 (color rojo) la nube de gas llegaría hasta los 21m.

iii. Finalmente, a una concentración de 6.9617x104 μg/m3 (color naranja) se llegarían a alcanzar los 37m.

En el caso de la concentración de 2.088x105 μg/m3 (color rojo) representa el área de afectación en donde los seres humanos comenzarían a presentar signos de toxicidad o envenenamiento por aspiración del amoniaco, por lo que es en este radio en donde la afectación puede llegar a ser mortal. Sin embargo, este radio de afectación es mucho menor que en la primera simulación.

Conclusiones

EL amoníaco es un gas tiene un olor irritante, detectable cuando la concentración en el ambiente es de 2.088x105 μg/m3, sin embargo, el IDHL (inmediatamente peligroso a la vida y salud por sus siglas en inglés) es de 300ppm.

En las prácticas de laboratorio de ESIQIE donde se emplea la columna de absorción, se utilizan hasta 10 L/min de amoniaco, siendo alimentado a una relación de 0.0348 Kg de amoniaco por cada kilogramo de aire usualmente. Por lo que las altas exposiciones al gas dentro del laboratorio pueden generar daños perceptibles al personal que opera el equipo.

Una fuga de amoniaco en las instalaciones de los Laboratorios de Operaciones Unitarias a una concentración de 2.088x105 μg/m3 y con un gasto de 150g/s, puede alcanzar un radio de 42m, lo suficiente para que personal y alumnos comiencen a tener síntomas de intoxicación.


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Referencias

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