Apprendere dalla ricostruzione degli incidenti industriali per … · 2015. 9. 30. · Introduzione...

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


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


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


Fonte: U.S. Chemical Safety and Hazard Investigation Board (CSB)

Struttura dell’impianto


Sequenza incidentale

P O L I T E C N I C O D I M I L A N O

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


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”(www.csb.com)


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,

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


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

FC

FC

INPUT

INPUT

INPUT

VALVOLE

MANUALI

8’’ e 1.5’’

REGOLAZIONE DELLA

PORTATA MASSIVA

ENTRANTE ED USCENTE


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


Flooding colonna - Dinamiche


8.5 °C/h

7.5 °C/min

PSCATTO PSV

Ore 13:09:10


Flooding colonna - Dinamica livello


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%)


Progettazione schema di calcolo


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


Flooding colonna - Modello


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


Flooding colonna - Modello


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


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 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


Modello e schema risolutivo


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


Modello e schema risolutivo


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


Progettazione schema di calcolo


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)


Risultati


xV = 18.52% (w/w)

P = 1.01 atm

T = 88.1 °C

ρ = 16.8 kg/m3

inizio evaporazione


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.


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/

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