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• Daniel Gaytan

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UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS EXACTAS E INGENIERIAS (CUCEI) DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA SEGURIDAD DE PROCESOS Y PREVENCIÓN DE PÉRDIDAS TAREA #5 con PROBLEMAS EJERCICIOS UNIDAD V

PARTE “A” 1.- En una empresa almacena Ácido Sulfúrico en tanque de 15m de altura x 10m diámetro, El nivel de ácido tiene 13m de altura, y se localiza una fuga a 1m de altura en un orificio de aprox 2.5cm de diámetro, considere la gravedad especifica de 1.540, y el tanque se encuentra a presión atmosférica. Determinar: a.- Cantidad máxima que se derrama. b.- Tiempo que se llevaría en derramarse la cantidad de (a). c.- El máximo flujo másico que se puede desarrollar. d.- Calcule la cantidad de ácido derramado después de 35 minutos e.- El mínimo flujo másico que se puede desarrollar.

P at 13 m

H2SO4

Orificio de 2.5 cm. diam.13 m

Pg=0 1m 10m

Ge = 1.540

a.- m = ℓ V = 1.540 ton/m3 [ 3.1416x(5m)2 (13-1)m] = 2,235.18 ton de ácido sulfúrico al 85%. b.- Área del orificio: A = π/4(0.025 cm)2 = 4.91 x 10 -4 m2 Asumir Co = 1 t = 1 / Co g ( At / Ao ) √ 2 g hL t = 1 / 1(9.81 m/s2) ( 10m/0.025m)2 √ 2(9.81m/s2)(12m) = 0.1019 x 160000 x 15.34 = 250,103s ó 69.47 hr. c.- Qm ➔ Qmax en t = 0 La ecuación 5.19 se substituye en la ecuación 5.13 para obtener la velocidad másica de descarga a cualquier tiempo t. El primer término del miembro derecho de la ecuación 5.20 es la velocidad de descarga másica inicial a ho L = hL.

Q max = ℓ Co A0 (√ 2gc Pg/ℓ + 2g hL ) - (ℓ g Co2 A2 t / A) t 1 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

Si Pg = 0 y en t= 0 Q max=ℓCoAo(√2ghL)=(1540kg/m3)(1)(0.000491 m2)(√ 2(9.81m/s2)(12m)= 0.756 kg/m (15.34m/s) = 11.63 kg/s Q max = 697.84 kg/min o 1535 lb/min. El flujo mínimo seria cuando hl = 1 m Q min = ℓ Co Ao (√2g hL) = (1540kg/m3)(1)(0.000491 m2)(√ 2(9.81m/s2)(1m)= 0.756 kg/m (4.42m/s) = 3.34 kg/s A cuánto asciende el volumen derramado a los 35 minutos. para obtener la velocidad másica de descarga a cualquier tiempo t. Qm = ℓ Ao Co √ 2 (gc Pg /ℓ + g hol) - ℓ gc Co2 ( Ao2/At ) t At = 3.1416x(5)2 = 78.54 m2 Qm = 1540kg/m3 x 0.00049m2x 1x √ 2 (9.81 m/s2)x(12m) - 1540kg/m3 x 9.81m/s2x(0.00049m2)2x1/ (78.54m2) x (35x60) Qm = 0.755 x 15.344 – 0.097 = 11.585 - .097 = 11.487 kg/s Para calcular el ácido derramado a los 35 minuto, consideramos un flujo promedio entre el maximo y el dtermindo a los 35 minutos. Qprom = (Qmax + Q a t=35 min)/2 = (11.63 + 11.48)/2 = 11.56 kg/s. La cantidad derramada Q = 11.56*35x60 = 24274 kg.

2.- Una tubería horizontal transporta un producto químico desde un tanque almacén a un reactor, la longitud total de 100 ft. La presión alta a inicio de la tubería de 70 psig, Se presenta una fuga en un orificio de diámetro 0.25”, que se localiza a 75ft del punto de presión mas alto. La presión inmediata posterior al orificio es de 40 psig. Calcule el flujo másico en el punto de fuga y el volumen de producto derramado si se tardan 25 minutos en controlar la fuga. La gravedad específica del producto es de 0.96. P = 150 psig = 164.7 psia ∆P /L= 70-40 / 75 = 0.4 psi/ft Po = 40lb/pulg2 x 144 (pul2/ft2) = 5760 lb/ft2 A = π (0.25/2x12)2 = 0.00034 ft2 ℓ = 0.96 x 62.4 = 59.9 lb/ft3 Co = 1 gc = 32.17 lb/ft2

Qm = A Co √ 2 ℓ gc Pg = ( 0.00034ft2) (1) ( 2 x 59.9 lb/ft3x 32.17ft/s2 x 5760lb/ft2)1/2 Qm = 0.0034 x 4711.56 = 1.6 lb/s Si t = 25 minutos Volumen derramado = (25 min) 60s/min ( 1.6 lb/s ) /59.9 lb/ft3 = 40.06 ft3

2 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

3.- Un aparato de laboratorio utiliza nitrógeno a 150 psig. El nitrógeno es suministrado por un cilindro mediante un regulador a través de una tubería de cobre de 35 pies de largo y ¼ de pulgada de diámetro interior, que contiene además 2 codos, 2 uniones y 1 válvula de paso, Si el tubo se separa del aparato calcule el flujo de nitrógeno a partir del aparato. El nitrógeno en el tanque tiene una temperatura de 80ºF. El N2 se fuga del aparato no del cilindro. P0 = 150 psig = 164.7 psia. Qm = ? T 80ºF = 540 ºR d = 0.25” = 0.0208 ft γ = 1.4 gas diatónico M = 28 Co = 1 A = π (0.0208/2)2 = 0.00034 ft2 =0.049 pulg2 El flujo máximo es determinado por la substitución de la ecuación (5.40) en la ecuación (5.39) tenemos la ecn 5:41 Qm = Co A Po √ γgcM / Rg T0 ( 2/γ+1) (γ+1/ γ-1)

donde M es la masa molecular del gas o vapor escapando, To es la temperatura de la fuente y Rg es la constante de los gases ideales. Sustituyendo;

Qm = (1)(0.049pul2)(164 lb/pulg2) √ (1.4)(32..17 )(28) / (10.734)(540)(144) (2/1.4+1) ( 1.4+1/1.4-1) = 8.036 √ 0.001509( 0.334) = 0.18 lb/s = 10.8 lb/min. 4.- El amoniaco es utilizado como refrigerante, un condensador presento una sobrepresión que libero por la válvula de seguridad en forma instantánea 5 kg de amoniaco gaseoso. La fuga se localiza a una distancia de 0.9 km de una zona urbana, La velocidad del viento es de 1.8m/seg. Determine: a.- El tiempo que tardara en llegar el centro de la nube de amoniaco a la zona urbana. b.- La máxima concentración de amoniaco en la zona urbana. c.- La concentración en (b), rebasa el TLV-TWA del amoniaco. d.- La distancia que la nube debe viajar para dispersarse a una concentración menor al valor permisible. Amoniaco: TLV-TWA = 25 ppm U = 1.8 m/s X = 0.9 km M = 5000g. a.- t = 900/1.8 = 500 s = 8.33 minutos. b.- Atmosfera tipo estable para máxima concentración. Día soleado Tabla 5.8, (curva A) y fig 5.24

σy = 100 m = σx y σz = 100 m 3 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

a partir de la ecn 5.112 Emisión tipo puff. Punto de emisión instantáneo a nivel de piso, coordenadas fijas al punto de emisión. Viento constante en dirección x, solamente con velocidad constante u. El centro de la nube se encuentra en las coordenadas (u,t, 0,0). La concentración en el centro de la nube moviéndose está dada por : ecn 5.115 C (x,y,z,t) = Q*m / √2 π 3/2 σy σx σz g / m3 C (x,y,z,t) = 5000/((√2)(3.1416)3/2(100)(100)(100)) = 5000/(1.41)(5.56)(1000000) = = 6.35x 10 -4 = 6.35x 10 -4 g/m3 x 103 mg/g = 0.635mg/m3 Convertir a ppm Cppm = [0.08205( 298)/(1x17)](0.635) = 0.913 < 25 ppm

Cppm=25➔enmg/m3= 5000/√2π3/2σy2σz➔

[0.08205x298/25x1x17]-1 = 17.38 g/m3= 0.01738=

17.38=5000/(1.41)(5.56)(0.019X2.59 = ➔ X = 18.56 m σy2σz= 5000/(1.41)(5.56)(0.017380) = 36696 Comprobando Para X=18.56m Σx = σy = 2.64 σz = 5.36 C(x,y,z) = 5000/(1.41)(5.56)(2.64)(2.64)(5.36) =17.07 Considerando tabla 5.10 para A Estará a una distancia de los 265 m aplicando la ecn 115 De donde: C (x,y,z,t) = Qm/ √2 π 3/2 σy σx σz C (x,y,z,t) = 5000/( 1.4x 5.5x36720 ) =0.0177g/m3 Cppm = 0.08205( 298)/(1x17)(17.7) = .0816 5.- La concentración de un compuesto a 1 milla en dirección del viento es a partir de una fuente de emisión continua de 25 ft de altura, es de 1.8 lbs/ft3. Un día soleado se tiene una velocidad de viento de 2.5 km/h. Determine: a.- La concentración en un punto situado a una distancia de 1.5 millas a favor del viento y con una anchura de 15 ft. b.- Si el TLV-TWA = 15 ppm determine la distancia a favor del viento que debería de ser considerada para una eventual evacuación. 1 km = 0.6213 millas

6.- Una tubería de 200 pies de longitud transporta benceno y desarrolla una fuga a 75 pies. El diámetro de la fuga se ha estimado en 0.15 pulgadas.

4 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

La presión en la tubería corriente abajo es de 50 psig y la presión corriente arriba de 40 psig. Calcular el flujo másico de benceno a través de la fuga. -Δ P /L = (50 – 40) / 200 = 0.05 psi/ft 0,05 psig/ft gc = 32,174 ft/s2 ΔPo = 75 ft x 0.05 psi/ft = 3.75 psi 3,75 psig ℓ = 54,82 lb/ft3 2 Po = 50 - 3.75 = (46.25 psi +14.7)x 144 = 2163.05 lb/ft A= 0,000122 gc = 32,174 ft/s2 ℓ= 54,82 lb/ft3 A= 0,000122ft2 Co = 1 Qm = A Co √ 2gc ℓ Po Qm = A Co √ 2gc ℓ Po = (,000122)(1) √ 2(32,174)(54,82)(2163.05) Qm = (ft2) √ (ft/s2)(lb/ft3)(lb/ft2) = (ft2)√ (lb2)/(s2. ft4) = lb/s Qm = 0,337 lb/s

ft2

Ejemplo ALOHA ITE DATA: Location: GUADALAJARA JALISCO MEXICO, MEXICO Building Air Exchanges Per Hour: 0.48 (unsheltered single storied) Time: October 31, 2015 1710 hours ST (using computer's clock) CHEMICAL DATA: Chemical Name: AMMONIA Molecular Weight: 17.03 g/mol ERPG-1: 25 ppm ERPG-2: 150 ppm ERPG-3: 750 ppm IDLH: 300 ppm LEL: 160000 ppm UEL: 250000 ppm Ambient Boiling Point: -37.1° C Vapor Pressure at Ambient Temperature: greater than 1 atm Ambient Saturation Concentration: 1,000,000 ppm or 100.0% ERPG - 1: Máxima concentración a la cual se cree los individuos pueden estar expuestos durante una hora, sin experimentar efectos adversos a la salud. ERPG - 2: Máxima concentración a la cual se cree los individuos pueden estar expuestos durante una hora, sin experimentar efectos irreversibles a la salud o afectación de sus habilidades para tomar acciones protectoras. ERPG - 3: Máxima concentración a la cual se cree los individuos pueden estar expuestos durante una hora, sin experimentar efectos severos a la salud o amenaza de la vida.

ATMOSPHERIC DATA: (MANUAL INPUT OF DATA) Wind: 1.8 meters/second from ese at 3 meters Ground Roughness: open country Cloud Cover: 0 tenths Air Temperature: 28° C Stability Class: B No Inversion Height Relative Humidity: 50% SOURCE STRENGTH: Direct Source: 2000 grams

Source Height: .02 meters

5 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

Release Duration: 1 minute Release Rate: 33.3 grams/sec Total Amount Released: 2.00 kilograms Note: This chemical may flash boil and/or result in two phase flow. Use both dispersion modules to investigate its potential behavior. THREAT ZONE: Model Run: Gaussian Red : 24 meters --- (750 ppm = ERPG-3) Note: Threat zone was not drawn because effects of near-field patchiness make dispersion predictions less reliable for short distances. Orange: 55 meters --- (150 ppm = ERPG-2) Yellow: 134 meters --- (25 ppm = ERPG-1)

m e t e r s 1 5 0

5 0 0 5 0

1 5 0 1 0 0 01 0 0 2 0 0 3 0 0 m e t e r s

> = 7 5 0 p p m = E R P G 3 ( n o t d r a w > = 1 5 0 p p m = E R P G 2 > = 2 5 p p m = E R P G 1 C o n f i d e n c e L i n e s

p p m 2 0

1 5

Outdoor

1 0

I ndoor A t

P oi nt:

Conce ntra ti on

Conce ntra ti on

D ownwi nd:

150

m e te rs

Off

Ce nte rl i ne :

0

m e te rs

5

0 0

2 0

4 0

6 0

m i n u t e s

6 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

PARTE “B”. Tarea de examen II referente a capítulo V, de forma individual. Fecha de entrega; miércoles 22 de noviembre 2019. 1.- Una tubería de 100 pies de longitud transporta benceno y desarrolla una fuga a 43 pies. El diámetro de la fuga se ha estimado en 0.1 pulgadas. La presión en la tubería en 0 pies es de 50 psig y en 100 pies es de 40 psig. Calcular el flujo másico de benceno a través de la fuga. 2.- El TLV-TWA del sulfuro de hidrógeno es 10 ppm. Sulfuro de hidrógeno es almacenado en un tanque de almacenamiento a 100 psig y 80°F en un laboratorio. Estimar el diámetro del orificio en el tanque para llevar la concentración en el recinto al valor del TLV-TWA. LA velocidad de ventilación del local es de 2000 ft3/min y se considera dentro del rango promedio. La presión en el recinto es de 1 atm. 3.- Un tanque contiene gas presurizado. Desarrolle una ecuación para describir la presión del gas como una función del tiempo si el tanque desarrolla una fuga. Suponga flujo sónico y una temperatura del gas en el tanque To constante. 4.- El espacio de vapor por encima de óxido de etileno líquido en tanques de almacenamiento puede ser purgado de oxígeno y substituido por nitrógeno a 81 psig para prevenir explosiones. El nitrógeno de una instalación particular se encuentra a 200 psig y mediante un regulador es suministrado a 81 psig a través de una tubería de 33 ft de acero comercial con un diámetro interior de 1.049 pulgadas. En un evento de falla del regulador de nitrógeno, el recipiente puede exponerse a la presión total de 200 psig a partir de la fuente de nitrógeno. Dicha presión excedería las especificaciones de diseño del recipiente. Determine el flujo másico mínimo requerido a través del dispositivo de alivio para prevenir problemas en la integridad del tanque en el caso de falla del regulador de suministro. Determine el flujo másico suponiendo a) un orificio con un diámetro de descarga igual al diámetro de la tubería, b) una tubería adiabática y c) una tubería isotérmica. Defina cual resultado se acerca más a la situación real exponiendo sus razones. Usted cuál flujo másico utilizaría? 5.- Un asador de jardín maneja un tanque de 20 libras de propano. El propano se conduce del tanque a través de una válvula y un regulador a una manguera plástica de 1/2 pulgada. Después de las válvulas, el propano fluye a través a un conjunto de eyectores donde se mezcla con aire. La mezcla propano-aire es conducida a los quemadores y se procede a su combustión. Describa los posibles escenarios de emisión de propano para este equipo. Identifique la mayor liberación práctica y la mayor liberación potencial. 6.- Un incinerador de basura tiene una chimenea con una altura efectiva de 100 m. En un día soleado con una velocidad del viento de 2 m/seg, la concentración de dióxido de azufre a 200 m a favor del viento es 5.0  10-5 g/m3. Estimar el flujo másico en g/seg de dióxido de azufre a partir de la chimenea. Estimar la máxima concentración de dióxido de azufre a nivel de piso y su localización. 7 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

7.- Diborano es utilizado en la manufactura de chips de silicón. En la instalación se cuenta con una botella de 500 lb. En un escenario de riesgo se plantea la liberación de su contenido en un período de 20 minutos, determine la localización del perfil de 5 mg/m3 a nivel del piso. Las condiciones son un día soleado, cielo despejado y una velocidad del viento de 5 millas/hr. Suponga que la liberación es a nivel del piso. 8.- Prepare un resumen del artículo: ”Critical wind velocity for arresting upwind gas and smoke dispersion induced by near-wall fire in a road tunnel”; L.H. Hu, W. Peng; Journal of Hazardous Materials 150 (2008) 68-75.; material que se localiza en su CD, en el material de apoyo para el capítulo 5. 9.- Utilizando el paquete ALOHA proceda a resolver el problema 6 10.- Utilizando el paquete ALOHA proceda a resolver el problema 7 11.- El TLV-TWA del sulfuro de hidrógeno es de 10 ppm. Sulfuro de hidrógeno es almacenado en un tanque de almacenamiento a 100 psig y 80˚F en un laboratorio. Determine el diámetro del orificio en el tanque para llevar la concentración en el recinto al valor del TLV-TWA. La velocidad de ventilación del local es de 3000 ft3/min y se considera como promedio. La presión atmosférica es de 1 atm. 12.- En uno de los tanques que contiene hipoclorito de sodio del laboratorio “X”, se presentó una fuga en la tubería que lo conduce hacia la planta de tratamiento, a través de un orificio de 0.25 pulgadas. La presión en la tubería al punto de fuga es de 85 psig. Determine la velocidad a la que se está fugando la sustancia (flujo másico). 13.- Un incinerador de basura tiene una chimenea con una altura efectiva de 100 metros. En un día soleado con una velocidad del viento de 2 m/s, la concentración del dióxido de azufre a 200 metros a favor del viento es de 5.0 x 10-5 g/m3. Determine el flujo másico, en gr/s, de dióxido de azufre a partir de la chimenea. Determine también la máxima concentración de dióxido de azufre a nivel de piso y su localización a lo largo de la línea central. 14.- Se bombea agua a través de una tubería de 1” cédula 40 (diámetro interior =1.049 pulgadas) a razón de 400 galones por hora. La presión en un punto en la tubería es de 130 psig y un orificio pequeño se desarrolla 22 pies corriente abajo. Si se adiciona una válvula de globo a la sección de tubería, calcule la presión del fluido en la fuga suponiendo que la válvula está completamente abierta. Para agua a esas condiciones la viscosidad es de 1.0 cp y la densidad es de 62.4 lbm/ft3. 15. El cloro gas es utilizado en los centros vacacionales para clorar el agua, un contenedor de 68Kg presento una sobrepresión por calentamiento que libero por el sello de ruptura en forma instantánea, 5 kg de gas cloro, esto ocurrió en un día con radiación solar fuerte. El centro vacacional se localiza a una distancia de 700m de una zona habitacional. La velocidad del viento es de 3m/s y se dirige a la zona habitacional. Determine: a.- El tiempo que tardara en llegar el centro de la nube de cloro a la zona habitacional. b.-La máxima concentración en la zona habitacional. c.- La 8 Profesor: Alfredo Meza Gracia.

concentración en (b), rebasa el TLV-TWA del cloro, (3 mg/m3). d.- La distancia que la nube debe viajar para dispersarse a una concentración menor al valor permisible. 16.- Un tanque de almacenamiento contiene acroleína (TLV-STEL = 0.3 ppm) y se localiza a 1500 metros de un área residencial. Determine la cantidad de acroleína que debe liberarse instantáneamente a nivel de piso para producir una concentración en el área residencial equivalente al TLV-STEL. 17.- Un tanque de acero al carbón A-36, que almacena tolueno, se encuentra al 60% de lleno y las dimensiones del almacén son 2.3m de diámetro, 3.5 m altura cilíndrica, (descontando tapa), el nivel máximo de llenado debe mantenerse por seguridad al 90% de altura total. Una línea de 1” de diámetro nominal ced-40 (diámetro interior = 1.049”), que conecta el tanque con un vaporizador se localiza a 6” del nivel de piso a centro de línea. Existe otra línea de succión de una bomba de 2” y a la misma altura. En una operación de mantenimiento la línea que conecta al vaporizador se fractura totalmente derramando el tolueno líquido. La gravedad específica de tolueno 0,867 y el tanque se encuentra a una presión de 0.32 kg/cm2. Determinar: a.- Cantidad máxima que se derramaría. b.- Tiempo en que se derrama la cantidad de (a). c.- El máximo flujo másico que se puede desarrollar. d.- Que cantidad es derramada en 25 minutos.

9 Profesor: Alfredo Meza Gracia.