Apprendere dalla ricostruzione degli incidenti industriali per migliorare la sicurezza di processo

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1 Apprendere dalla ricostruzione degli incidenti industriali per migliorare la sicurezza di processo Davide Manca PSE-Lab, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica Politecnico di Milano ITALY La sicurezza nell'industria di processo e la riduzione dei rischi al valore ALARP (As Low As Reasonably Possible) Fieramilanocity Milano, 25 Settembre 2015

2 Overview Introduzione evento incidentale e obiettivi Modellazione dell evento incidentale Simulazione dinamica Analisi delle inconsistenze rispetto ai report disponibili in letteratura Conclusioni e possibili sviluppi

3 Introduzione EVENTO INCIDENTALE: esplosione ed incendi durante l avviamento dell unità di isomerizzazione di paraffine C6/C7, mercoledì 23 marzo 2005 presso la raffineria BP di Texas City, USA DANNI ALLE PERSONE: 15 morti e 180 feriti DANNI ECONOMICI: U.S. $ 1.5 miliardi SENTENZA GIURIDICA: multa di U.S. $ 87 milioni a causa della violazione delle norme di sicurezza FERMATA INTERO IMPIANTO: 12 mesi (fino a marzo 2006)

4 Obiettivi RICOSTRUZIONE DELL EVENTO INCIDENTALE: 1. Analizzare le CAUSE dell evento; 2. Studiare l EVOLUZIONE DINAMICA del processo e degli eventi correlati; 3. Colmare le LACUNE degli studi pubblicati in letteratura.

5 Struttura dell impianto Fonte: U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB)

6 Sequenza incidentale 1. Malfunzionamento della strumentazione di controllo 2. Flooding (i.e. allagamento) della colonna di distillazione Immagini tratte dal filmato Anatomy of a disaster (

7 Sequenza incidentale 3. Emissione di liquidi e vapori idrocarburici dal sistema di blowdown 4. Ignizione 5. Esplosione Immagini tratte dal filmato Anatomy of a disaster (

8 Letteratura e lacune riscontrate Mogford J., Fatal Accident Investigation Report, Isomerization Unit Explosion Final Report, (2005) CSB, BP Texas City Refinery Explosion and Fire Investigation Report, (2007) Khan F. I., P. R. Amyotte, Modeling of BP Texas City Refinery Incident, J. Loss Prev. Process Ind., 20, , (2007) Causa scatenante l allagamento della colonna Assenza di un analisi dinamica del livello del liquido in colonna Mancata modellazione dell evoluzione del fluido lungo il collettore di scarico Insufficiente chiarezza sull origine dei dati Necessità di modellare sia il riempimento della colonna che il trasferimento della miscela dalle valvole al sistema di blowdown

9 Flooding colonna - Simulazione La colonna era in fase di avviamento: nessuna operazione di distillazione aveva avuto ancora luogo La colonna viene modellata come un SERBATOIO di uguale geometria, sottraendo al volume totale il volume occupato dai piatti INPUT FC VALVOLE MANUALI 8 e 1.5 INPUT FC REGOLAZIONE DELLA PORTATA MASSIVA ENTRANTE ED USCENTE INPUT

10 Flooding colonna - Sequenza eventi 02:18: inizia l alimentazione alla colonna 03:20: viene interrotto l avviamento 09:52: ricomincia l alimentazione alla colonna 10:00: viene accesa la fornace riscaldando la corrente di riciclo nel bottom 12:41: viene aperta la valvola manuale da 8, richiusa alle 12:55 12:55: inizia il prelievo di raffinato pesante dal fondo, che scambia calore con la corrente di alimentazione 13:00: la portata uscente dal fondo supera la portata entrante 13:09: viene aperta la valvola manuale da 1.5 La depressurizzazione ed il riscaldamento portano alla parziale vaporizzazione della corrente di alimentazione 13:13: flooding

11 Flooding colonna - Dinamiche 7.5 C/min 8.5 C/h P SCATTO PSV Ore 13:09:10

12 Flooding colonna - Dinamica livello F OUT > F IN La sola espansione termica del liquido non spiega il flooding della colonna e la tracimazione del suo contenuto. Occorre elaborare un MODELLO per tenere conto della risalita delle bolle attraverso il battente liquido. Ore 13:00: h = m Ore 13:00: h = m m (10.6%) DILATAZIONE DELLA FASE LIQUIDA sopra il piatto di alimentazione

13 Progettazione schema di calcolo Simulazione dinamica di processo UNISIM (HONEYWELL) Diametro bolle Velocità risalita bolle Tempo risalita bolle Volume bolle Altezza effettiva Portate Livello Temperatura Pressione Frazione L/V Elaborazione del modello MATLAB

14 Flooding colonna - Modello 1. Diametro delle bolle db d d gd0 6 B d0 3 2 gd0 2. Velocità di risalita delle bolle db d 0 3 gd2 u 0 B 6 g d B 3 il diametro delle bolle è vincolato al diametro dei fori dei piatti della colonna: (Treybal, 1981) 3. Tempo di risalita delle bolle Δh è l altezza del battente liquido sopra il piatto di alimentazione

15 Flooding colonna - Modello 4. Volume occupato dalle bolle 5. Altezza raggiunta dalla miscela Δt = t B Caso 1: diametro fori = 10.5 mm d FORI = 8 mm: flooding ma non tracimazione Diametro massimo per il raggiungimento del flooding d FORI < 8 mm: flooding e tracimazione Caso 2: diametro fori = 8 mm FLOODING Ore 13:11:24

16 Dalle valvole al blowdown Valutare P e T alle quali il fluido scaricato dalle valvole di sicurezza giunge in fondo al collettore. P e T del fluido a monte delle valvole di sicurezza: 3.72 atm e C. Trascurabili le perdite di carico concentrate a cavallo della valvola. Discretizzazione nel tempo: stabilito a priori un intervallo Δt, si valuta, ogni Δt, l evoluzione del fronte del fluido: 1. Portata massiva (G) 2. Velocità (u) 3. Distanza percorsa (Δx) 4. Pressione (P) 5. Temperatura (T) P Patm

17 Modello e schema risolutivo 1. Portata massiva dove Modello HEM (Homogeneous Equilibrium Model) Fluido pseudo - monofase F 1 xv 1 xv V L 2. Velocità 3. Distanza Si assume che il fronte avanzi con velocità u per l intervallo Δt fissato La distanza percorsa nell intervallo Δt è:

18 Modello e schema risolutivo 4. Pressione db d gd0 6 Hp: trascurabili le perdite di carico concentrate ai gomiti Perdite di carico ΔP nel tratto Δx: x 2 P PL fd u 2 D 5. Temperatura Hp: processo adiabatico La temperatura si mantiene costante fino a che il fluido rimane allo stato liquido, per poi diminuire dall istante in cui inizia l evaporazione del liquido CALCOLO DELLA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO (flash adiabatico) x V x L ρ F

19 Progettazione schema di calcolo Motore di calcolo VISUAL BASIC (OLE Automation) Perdite di carico Scambio termico Flussi bifase Temperatura di equilibrio Frazione L/V Modello termodinamico dettagliato UNISIM (HONEYWELL)

20 Risultati P = 1.01 atm T = 88.1 C inizio evaporazione x V = 18.52% (w/w) ρ = 16.8 kg/m 3

21 Conclusioni Elementi innovativi rispetto alle pubblicazioni attuali; Determinazione del livello raggiunto dal battente liquido in colonna a seguito dell espansione termica; Quantificazione dell espansione volumetrica della fase liquida ed identificazione della dinamica di allagamento della colonna; Dimostrazione dell inadeguatezza delle ipotesi adottate negli studi pubblicati in letteratura. Analisi fluidodinamica dettagliata del moto bifase all interno del collettore; Modellazione spargimento pozza, evaporazione, dispersione gas, ignizione, esplosione e incendio pozza.

22 Davide Manca PSE-Lab Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica G. Natta Politecnico di Milano davide.manca@polimi.it Grazie per la cortese attenzione!