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P O L I T E C N I C O D I M I L A N O © Davide Manca –La sicurezza nell'industria di processo, Fieramilanocity, Milano 25 Settembre 2015
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
P O L I T E C N I C O D I M I L A N O © Davide Manca –La sicurezza nell'industria di processo, Fieramilanocity, Milano 25 Settembre 2015 P O L I T E C N I C O D I M I L A N O
Overview
Introduzione evento incidentale e obiettivi
Modellazione dell’evento incidentale
Analisi delle inconsistenze rispetto ai report disponibili in letteratura
Simulazione dinamica
Conclusioni e possibili sviluppi
P O L I T E C N I C O D I M I L A N O © Davide Manca –La sicurezza nell'industria di processo, Fieramilanocity, Milano 25 Settembre 2015 P O L I T E C N I C O D I M I L A N O
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)
Introduzione
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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.
Obiettivi
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Fonte: U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB)
Struttura dell’impianto
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Sequenza incidentale
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Immagini tratte dal filmato “Anatomy of a disaster”(www.csb.com)
1. Malfunzionamento della strumentazione di controllo
2. Flooding (i.e. allagamento) della colonna di distillazione
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Sequenza incidentale
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3. Emissione di liquidi e vapori idrocarburici dal sistema di blowdown
4. Ignizione
5. Esplosione
Immagini tratte dal filmato “Anatomy of a disaster”(www.csb.com)
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Letteratura e lacune riscontrate
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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,
387-395, (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
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Flooding colonna - Simulazione
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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
FC
FC
INPUT
INPUT
INPUT
VALVOLE
MANUALI
8’’ e 1.5’’
REGOLAZIONE DELLA
PORTATA MASSIVA
ENTRANTE ED USCENTE
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Flooding colonna - Sequenza eventi
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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
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Flooding colonna - Dinamiche
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8.5 °C/h
7.5 °C/min
PSCATTO PSV
Ore 13:09:10
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Flooding colonna - Dinamica livello
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FOUT > FIN
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.
DILATAZIONE DELLA FASE LIQUIDA
sopra il piatto di alimentazione
Ore 13:00: h = 47.39 m
Ore 13:00: h = 42.37 m + 5.02 m (10.6%)
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Progettazione schema di calcolo
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Elaborazione del modello
Simulazione dinamica di processo
UNISIM ® (HONEYWELL)
MATLAB
Portate
Livello
Temperatura
Pressione
Frazione L/V
Volume bolle
Altezza effettiva
Diametro bolle
Velocità risalita bolle
Tempo risalita bolle
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Flooding colonna - Modello
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1. Diametro delle bolle
2. Velocità di risalita delle bolle
• 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
30 2
0
6Bd d
g d
30 2
0
6Bd d
g d
30 2
0
6Bd d
g d
2
3B Bu g d
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Flooding colonna - Modello
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5. Altezza raggiunta dalla miscela 4. Volume occupato dalle bolle
Δt = tB
FLOODING
Ore 13:11:24
• dFORI = 8 mm:
flooding ma non tracimazione
Diametro massimo per il raggiungimento del flooding
• dFORI < 8 mm: flooding e tracimazione
Caso 1: diametro fori = 10.5 mm Caso 2: diametro fori = 8 mm
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Dalle valvole al blowdown
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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 112.4 °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)
1.
2. atmP P
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Modello e schema risolutivo
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1. Portata massiva
2. Velocità
Si assume che il fronte avanzi con velocità u per l’intervallo Δt fissato
La distanza percorsa nell’intervallo Δt è:
dove
3. Distanza
Modello HEM
(Homogeneous Equilibrium Model)
Fluido “pseudo - monofase”
1
1FV V
V L
x x
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Modello e schema risolutivo
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4. Pressione
5. Temperatura
CALCOLO DELLA TEMPERATURA DI
EQUILIBRIO (flash adiabatico)
xV
xL
ρF
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
Hp: trascurabili le perdite di carico concentrate ai gomiti
Perdite di carico ΔP nel tratto Δx:
30 2
0
6Bd d
g d
2
2L D
xP P f u
D
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Progettazione schema di calcolo
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Modello termodinamico dettagliato
Motore di calcolo
Flussi bifase
Scambio termico
Perdite di carico Temperatura di equilibrio
Frazione L/V
VISUAL BASIC (OLE Automation)
UNISIM ® (HONEYWELL)
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Risultati
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xV = 18.52% (w/w)
P = 1.01 atm
T = 88.1 °C
ρ = 16.8 kg/m3
inizio evaporazione
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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.
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Grazie per la cortese attenzione!
Davide Manca PSE-Lab – Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta” Politecnico di Milano [email protected] http://pselab.chem.polimi.it/