DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA INFORMÁTICA PARA LA EVALUACIÓN DEL RIESGO EN LA ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO DE PROCESOS

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1 DESARROLLO DE UNA HERRAMIENTA INFORMÁTICA PARA LA EVALUACIÓN DEL RIESGO EN LA ETAPA PRELIMINAR DEL DISEÑO DE PROCESOS Biscotti Paola*, Godoy Sandra, Ponzone Diego, Fabricio Todeschini, Santa Cruz Alejandro y Scenna Nicolás Centro de Aplicaciones Informáticas y Modelado en Ingeniería (Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Rosario) Zeballos (2000) Rosario - Argentina paola_biscotti@yahoo.com.ar Resumen. Existen hoy preocupaciones crecientes acerca de la problemática asociada al desarrollo sustentable, creándose un ambiente propicio para la generación de nuevos métodos de diseño y gerenciamiento operacional. En efecto, herramientas para el cálculo del riesgo medioambiental, riesgo social o individual, análisis de ciclo de vida y mejores tecnologías disponibles para una actividad dada son un ejemplo concreto de la necesidad de desarrollar nuevas formas de diseño de procesos. Dentro de este contexto, ha surgido la motivación del presente trabajo, que consiste en el desarrollo de nuevas metodologías para la evaluación del riesgo de cada una de las alternativas desde las primeras etapas de diseño de procesos, y el desarrollo de herramientas informáticas para tal fin. Esto permite que el análisis de peligros y de riesgos se realice en forma minuciosa y detallada, algorítmicamente, utilizando índices o indicadores mediante la implementación de un módulo informático que efectúe la evaluación en forma automática, durante las primeras etapas del diseño conceptual. Palabras clave: Herramienta, Riesgo, Diseño preliminar de procesos AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

2 1. Introducción En el diseño o síntesis de procesos tradicional, el valor de los productos, de las materias primas y materiales de proceso se utilizan como medida, en las primeras etapas del diseño, para seleccionar entre las diversas alternativas para obtener un determinado producto. Generalmente la seguridad juega un rol pasivo y se utiliza como un criterio de verificación y corrección si superan criterios o límites tolerables, o normas legales, en el diseño final. Por el contrario, en la filosofía de diseño inherentemente seguro se adoptan medidas de seguridad inherentes para eliminar o reducir los peligros en lugar de disminuir el riesgo a través del agregado de niveles de protección, basándose en conceptos de la ingeniería de la confiabilidad y el análisis de riesgos tanto poblacional como ambiental (Rusli y Shariff, 2010). Además, es claro que, si se necesita realizar un rediseño de algún sector del proceso luego de la etapa de diseño detallado, el costo puede ser muy elevado en comparación con realizar esos cambios en las primeras etapas del diseño del proceso. En la bibliografía, se han propuesto criterios cualitativos en el análisis sistemático de la seguridad, emplazamiento, operación y distribución de planta (Planas y col, 2005), que deben luego implementarse a nivel de cada diseño particular; lo que es muy dificultoso de realizar en forma sistemática o algorítmica. Por último, resulta evidente que la aplicación de una herramienta que permita implementar, o al menos facilitar, un procedimiento cercano al ideal del diseño inherentemente seguro, no puede olvidar por ejemplo, y entre otros muchos factores, que todo acercamiento al riesgo nulo implica costos exponencialmente crecientes y que si bien un distanciamiento enorme entre equipos minimiza el efecto dominó, no existe posibilidad práctica de lograrlo, más aún cuando existe normativa que establece distancias mínimas (Tugnolli y col, 2008 a y b), pero no equivalentes a riesgo nulo en cuanto a posibilidades de efecto dominó. Dentro de este contexto, ha surgido la motivación del presente trabajo el cual propone el desarrollo de nuevas metodologías para la evaluación del riesgo de cada una de las alternativas desde las primeras etapas de diseño de procesos, permitiendo que las decisiones entre alternativas se realice en forma minuciosa y detallada,

3 algorítmicamente, utilizando índices o indicadores mediante la implementación de un módulo informático que efectúe la evaluación en forma automática. De esta manera, se podrá identificar los riesgos asociados a cada una de las alternativas posibles utilizando en forma acoplada las herramienta de simulación / optimización de procesos y las de evaluación de vulnerabilidad y riesgo. Las metodologías basadas en procedimientos simplificados no aseguran resultados confiables. Uno de los problemas más importantes es la evaluación de las consecuencias debidas a escenarios accidentales (incendio, explosión, difusión de sustancias tóxicas). Cuando se utilizan índices cualitativos o semi-cuantitativos se evitan los dificultosos cálculos asociados a los programas de simulación de difusión de contaminantes, o bien de estimación de los campos de radiación o de sobrepresión debidos a los eventos correspondientes; pero se incorpora una fuente de datos o información que generalmente es poco confiable. En general en las diversas publicaciones que se encuentran en las revistas científicas se hace referencia al cálculo de diferentes índices, pero desafortunadamente éstos no se aplican directamente como una herramienta de análisis en la etapa de diseño preliminar ya que la mayoría de los métodos requieren de mucha información detallada del proceso, y no todos son adecuados para su implementación computacional con herramientas de simulación y optimización. En este trabajo se presenta una herramienta capaz de dialogar particularmente con el simulador de procesos HYSYS, pero que es aplicable a cualquier otro simulador. En el esquema propuesto, se utiliza la capacidad de interacción que posee el simulador HYSYS con otros programas de computación, en este caso desarrollados por el grupo de investigación que soporta este trabajo, o bien software comercial que tenga capacidad de diálogo con otros sistemas informáticos. Por ejemplo, dado que HYSYS permite resolver los balances de materia y energía, como así también el dimensionamiento de los diversos equipos, posibilitando obtener una gran cantidad de datos del proceso, como ser: masa, temperatura, presión, composición, propiedades físicas, químicas y termodinámicas de las sustancias acumuladas, es posible tomar toda esta información y compartirla adecuadamente, junto a otra necesaria, para emprender simulaciones de consecuencias ante derrames y otros eventos peligrosos, al igual que la

4 generación automática de la distribución de equipos en planta, para poder evaluar el riesgo en las primeras etapas de diseño. Se generó una interfaz capaz de exportar toda esta información a los módulos de cálculo disponibles para evaluar las consecuencias de distintos escenarios de fuga ante potenciales accidentes (difusión, incendio, explosión) involucrando las distintas sustancias que se manipulan en el proceso; todas ellas identificadas en la base de datos de HYSYS, logrando así una integración conceptual, y de herramientas de cálculo novedosas y eficaces. 2. Descripción de la herramienta propuesta. En la figura 1 se muestra una secuencia de pasos que permite vislumbrar la manera en la cual, durante la etapa de diseño preliminar, se evalúan los riesgos subyacentes a los cuales está sometida una planta en particular y los alrededores en general, además de presentar un procedimiento iterativo que permite al usuario proponer diversas modificaciones en el diseño que permitan disminuir las consecuencias de un potencial evento accidental o bajar su probabilidad de ocurrencia. Fig. 1. Esquema simplificado de pasos para el diseño seguro de una planta.

5 Dichas modificaciones se pueden llevar a cabo sobre el layout propuesto (modificando la distribución de los equipos de la planta en un determinado terreno) o manipulando diferentes variables del proceso, de manera de operarlo en condiciones más favorables desde el punto de vista de la peligrosidad intrínseca que tienen asociadas las operaciones, de acuerdo a la sustancia involucrada, temperatura, presión, etc. Cada uno de los pasos del esquema anterior corresponde a diversas tareas que se deben llevar a cabo en el simulador de procesos o por la herramienta que se presenta En la figura 2 se presenta un esquema que muestra las principales tareas que debe realizar la herramienta informática entre las cuales de destacan las siguientes. Fig. 2. Esquema de tareas que realiza el sistema Ingreso de datos para la simulación. En primera instancia se presenta la opción de extraer la información sobre los equipos del proceso, las condiciones de operación y las sustancias involucradas desde un caso de HYSYS ya existente y convergido. Para esto existe un browser que permite

6 explorar las unidades de almacenamiento y sus carpetas para seleccionar el caso de estudio (ver fig. 3). Otra opción permite al usuario ingresar los datos en forma manual. Fig. 3. Captura de la pantalla para el ingreso de la ruta para el acceso al caso de HYSYS. Se deben definir las condiciones meteorológicas para los cuales se va a realizar la simulación de las consecuencias (ya que algunos de los modelos que permiten evaluar las consecuencias de un evento son fuertemente influenciados por variables como la velocidad y dirección del viento). Fig. 4. Captura de la pantalla para el ingreso de los datos meteorológicos. En esta etapa del desarrollo de la herramienta se puede utilizar un solo set de valores para los datos meteorológicos, aunque próximamente se planea la incorporación de

7 varios conjuntos de datos a cada uno de los cuales se le puede asignar una probabilidad de ocurrencia. Esto se debe a que si se adoptan para las simulaciones las peores condiciones meteorológicas, las consecuencias tendrán valores sobreestimados en la mayoría de los casos; por el contrario si se adoptan las condiciones más probables podrían darse consecuencias subestimas en algunos casos. Una solución resulta de ponderar todas las variantes pesadas por su probabilidad. Se destaca que el ingreso de los parámetros de puede realizar en cualquier unidad, solo basta con seleccionar la unidad adecuada del menú despegable para cada uno de los parámetros. La herramienta además, dispone de una base de datos interna que almacena información relacionada, entre otros, con los límites de toxicidad e inflamabilidad. Siempre se presenta la opción de definir nuevos criterios los cuales pueden ser incorporados o no a dicha base de datos. Por otra parte, una vez seleccionado el caso de estudio de HYSYS, se listan todos los equipos contenidos en el caso y los clasifica por tipo (tanques, intercambiadores, reactores, etc). Fig. 5. Captura de la pantalla para selección de los equipos de un caso de HYSYS.

8 El usuario puede seleccionar un equipo individual o varios, toda una clase de equipos o los equipos de la planta completa. Una vez definidos los equipos a estudiar se deben definir los escenarios de fuga a utilizar para cada tipo de equipos. Por defecto se encuentran cargados los valores que sugieren la norma API 581 y se permite también, el ingreso de datos por parte del usuario. Fig. 6. Captura de la pantalla para la selección y/o supervisión de los eventos a simular. Sanguino y Hissong (2012) presentan información para la selección de tamaños de agujeros para realizar análisis de consecuencias Creación de un layout preliminar. Este modulo se encarga de ubicar los diferentes equipos de la planta en el terreno. Es indispensable para poder representar las consecuencias asociadas a los eventos estudiados o los niveles de riesgo correspondientes contar con un layout preliminar que permita conocer la posición relativa de los equipos y demás instalaciones de una planta (como por ejemplo oficinas, sala de control, etc.). Además, esto adquiere mayor relevancia al incorporar el cálculo de eventos debido a efecto domino.

9 En primera instancia el usuario debe definir las dimensiones del terreno donde se ubica la planta, además puede importar una imagen para insertarla como fondo del layout a construir. Luego el sistema lista los equipos intervinientes en el proceso simulado. El usuario selecciona un equipo de la lista, el sistema trae los datos disponibles sobre el equipo seleccionado (ubicación, tamaño y orientación). En este momento el usuario tiene la posibilidad de completar y/o modificar los datos del mismo. Una vez completada la información del equipo, el sistema lo representa en el plano. Este proceso se repite para todos los equipos del sistema. La herramienta presenta la opción de ingresar otras instalaciones en el layout (como por ejemplo oficinas, salas de control, paredes, cargaderos, piletas de contención de derrames, etc) Una vez que se han ubicado todos los equipos en el terreno, el sistema crea las conexiones entre los equipos, basándose en las corrientes que vinculan los equipos en el flowsheet del caso de estudio. Fig. 7. Flujo de trabajo de la herramienta para generar el layout del proceso.

10 El software verifica en todo momento que no se superpongan dos equipos al ser agregados al layout, inclusive en las cañerías que incorpora. Como próxima tarea se planea la incorporación de la georeferenciación de imágenes. Fig. 8. Captura de la pantalla durante la generación del layout Toma de decisiones a partir de los valores obtenidos para las consecuencias o de la evaluación del riesgo del proceso. Para cada tipo de evento hace falta el modelo adecuado para estimar su evolución y calcular sus consecuencias. Internamente la herramienta calcula el riesgo considerando la probabilidad del evento evaluado. El valor del riesgo obtenido para cada uno de los eventos y en cada uno de los puntos del terreno se acumula para obtener el riesgo total. Internacionalmente existen valores de referencia para definir si el riesgo que genera determinada instalación es aceptable o no y permiten definir una escala de color para representar el mapa de riesgo De todas formas se pueden proponer modificaciones que permitan disminuir el riesgo de la instalación trabajando en modificaciones en diferentes niveles: En la distribución y espaciado de los equipos en el terreno (modificación del layout) En el valor de algunas de las variables operativas del proceso (temperatura, presión, incorporación de un inerte, etc.)

11 Incorporación de sistemas adicionales de seguridad y control de procesos Este procedimiento iterativo permite evaluar las modificaciones realizadas en la instalación considerando la disminución del riego que se genera y la influencia en los costos evaluados en el proceso. Según el tipo de iteración que se desea realizar el usuario debe volver a definir los datos y parámetros necesarios. 3. Conclusiones. Este proyecto busca brindar al Ingeniero Químico una herramienta que le permita adoptar una metodología de diseño iterativa e incremental que le permita ir realizar mejorando el diseño preliminar de la planta Además esta herramienta permite detectar tempranamente situaciones de riesgo que puedan ser minimizadas mediante una mejor distribución de los equipos o cambio de las condiciones operativas entre otras opciones. Esta herramienta es fundamental para optimizar el diseño de una planta contemplando el riesgo intrínseco de cada uno de los equipos y corrientes del proceso. Reconocimientos. A la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Rosario y al Centro de Aplicaciones Informáticas y Modelado en Ingeniería (CAIMI) Referencias. Planas, E.; Arnaldos, J.; Silvetti, B.; Vallée, A; y Casal, J. (2005). A risk severity index for industrial plants ant sites. Journal of Hazardous Materials, 130: Rusli, R. y Shariff A. M. (2010). Qualitative assessment for inherently safer design (QAISD) at preliminary design stage. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 23(1): Sanguino, O. y Hissong D. W. (2012). Methodology for selecting hole sizes for consequence studies. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 26(3): Tugnolli, A.; Khan, F.; Amyotte, P. y Cozzani, V. (2008a). Safety assessment in plant layout desigg using indexing approach: Implementing inherent safety perspective. Part 1 Guideword applicability and method description. Journal of Hazardous Materials, 160: Tugnolli, A.; Khan, F.; Amyotte, P. y Cozzani, V. (2008b). Safety assessment in plant layout desing using indexing approach: Inplementing inherent safety prespective. Part 2 Domino hazard index and case study. Journal of Hazardous Materials, 160: