Objetivos del sistema de control

1. Seguridad. Es imprescindible que las plantas industriales operen de

forma segura, de manera que la seguridad es siempre el principal

objetivo de los sistemas de control.

2. Regulaciones medioambientales. Las plantas industriales deben

cumplir las regulaciones medioambientales relativas a la descarga de

gases, líquidos, y sólidos fuera de los límites de la planta.

3. Especificaciones de producto y velocidad de producción. Para que

una planta sea rentable debe cumplir las especificaciones tanto en

cuanto a calidad como a cantidad de producto

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

4. Operación económica de la planta. Es una realidad

económica que la operación de la planta en periodos

largos debe ser rentable. Por tanto, los objetivos de

control deben ser consistentes con los objetivos

económicos.

5. Operación estable de la planta. El sistema de control

debe asegurar la operación estable del proceso, sin

oscilaciones excesivas en las principales variables del

proceso.

Objetivos del sistema de control

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Capas múltiples de protección

• En las plantas modernas, la

seguridad del proceso recae en

el principio de las capas múltiples

de protección.

• Cada capa de protección consiste

en un agrupamiento de equipos

y/o acciones humanas,

mostradas en el orden de

activación.

(CCPS 1993)

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

• Sistema básico de control de procesos (Basic Process Control System,

BPCS) se complementa con dos niveles de alarmas y la supervisión o

intervención del operador.

• Una alarma indica que una medida ha excedido su límite

especificado y que por tanto puede requerir la intervención del

operador.

• Sistema de enclavamiento (bloqueo) de seguridad (Safety Interlock

System, SIS) también denominado safety instrumented system o

emergency shutdown (ESD) system.

• El SIS toma automáticamente la acción correctora adecuada

cuando las capas de proceso y sistema básico de control son

incapaces de manejar la emergencia, por ejemplo el SIS puede

desconectar automáticamente las bombas de reactivos después de

que se produzca una alarma de temperatura alta en un reactor

químico.

• Los discos de ruptura y las válvulas de alivio proporcionan una

protección física mediante el venteo de gas o vapor si ocurre una

sobrepresión.

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

• Alarma Tipo 1: alarma de estado del equipo. La bomba está

conectada o desconectada, o el motor está en marcha o

parado.

• Alarma Tipo 2: alarma de medida anormal. La medida está

fuera de los límites especificados.

• Alarma Tipo 3: Un interruptor de alarma sin su propio

sensor. Cuando no es necesario conocer el valor actual de la

variable de proceso, sino sólo si se encuentra por arriba o

por abajo de su límite especificado.

• Alarma Tipo 4: Un interruptor de alarma con su propio

sensor. Sirve como sensor de respaldo en el caso de fallo del

sensor principal.

• Alarma Tipo 5: Sistema automático de parada o arranque.

Tipos de alarmasS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

Sistema de enclavamiento de seguridad

(Safety Interlock System,SIS)

• El SIS sirve como un sistema de respaldo del sistema básico de

control de procesos (BPCS) en caso de emergencia.

• El SIS se inicia automáticamente cuando una variable crítica de

proceso excede los límites de alarma especificados, que

definen la región de operación permitida (arrancando o

parando una bomba, o parando una unidad de proceso).

• Sólo se usa como último recurso para prevenir daños al

personal o a los equipos

• El SIS debe funcionar de manera independiente del BPCS (por

ejemplo debido a un malfuncionamiento o fallos en el BPCS).

De manera que el SIS debe estar físicamente separado del BPCS

y tener sus propios sensores y actuadores.

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Dos

configuraciones de

enclavamiento.

(antorcha)

Un día en la vida de un operador de planta

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

• La bomba A de bombeo de petróleo se ha parado – Causa

desconocida

• El operador cambia a la bomba B. No arranca - Causa desconocida

• De repente saltan cientos de alarmas – Causa desconocida

• En unos minutos se produce una explosión y un fuego

• Son las 10:00 de la noche.

• El jefe de planta se encuentra en Aberdeen, Escocia, y no está

disponible.

• Te encuentras en una plataforma petrolífera en el medio del Mar

del Norte.

Eres el Supervisor:

¿Qué hacer?

Seg

uri

dad

y c

on

tro

lPunto de Vista del Operador de Proceso

Seguridad del Proceso es la mayor preocupación:

Algunos casos graves

• Desastre Piper Alpha, Occidental Petroleum Scotland, 1988

• Explosión en plataforma petrolífera en alta mar

• 164 personas muertas

• $2 Billones de pérdidas

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Seguridad del Proceso es la mayor preocupación:

Algunos casos graves

• Desastre Piper Alpha, Occidental Petroleum Scotland, 1988

• Explosión en plataforma petrolífera en alta mar

• 164 personas muertas

• $2 Billones de pérdidas

• Union Carbide, Bhopal, India, 1984

• Liberación a la atmósfera de MIC (isocianato de metilo)

(6 semanas después estar parada la planta)

• 3 000-10 000 personas muertas

• 100 000 heridos

• $0.5-1.0 Billones de pérdidasSeg

uri

dad

y c

on

tro

l

Seguridad en reactores químicosS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

• Reacción fuera de control (runaway): es consecuencia de la pérdida del control de temperatura en un reactor químico

– También se denomina “explosión térmica” o “runaway térmico”

• Las consecuencias de esta pérdida de control de la temperatura son:

– Un aumento de la velocidad de las reacciones químicas

– La posible aparición de reacciones químicas no deseadas exotérmicas (reacciones laterales o de descomposición)

– Un aumento de la presión, provocado por dos fenómenos:

• Un aumento de la presión de vapor de la mezcla de reacción debido al aumento de la temperatura

• La producción de gases no condensables provenientes de las reacciones laterales o de descomposición

– El aumento de presión en el interior del reactor por encima de su valor de diseño, a menudo, provoca su explosión que conduce a:

• La liberación inmediata de su contenido a la atmósfera � explosiones de nubes de vapor, dispersión en el aire de sustancias tóxicas, etc.

• La formación de proyectiles a partir de la pared del mismo que pueden dañar otros equipos, causando fuegos secundarios

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Seguridad en reactores químicos

Trozo de reactor de 7.6 cm de espesor lanzado a 120 mTrozo de eje de agitador de 10

cm de diámetro lanzado a 106 m

T2 LABORATORIES, INC. RUNAWAY REACTION, FLORIDA (2007)

¿Causas de las reacciones fuera de control?– Complejas

– Requiere un conocimiento muy elevado de la química y del

proceso

– Afectan diferentes parámetros:

• Transmisión de calor

• Efectos de mezcla

• La cinética y la velocidad de generación de calor

• Balance global de energía

• La capacidad de eliminar calor del reactor

• Acumulación de reactivos y energía

• Propiedades físicas y la estabilidad de los reactivos y de la masa de

reacción

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Seguridad en reactores químicos

Los escenarios de reacciones fuera de control pueden estar relacionados con las condiciones en las que la generación de calor de la reacción en curso excede la capacidad de disipación de calor del equipo de proceso. Se pueden identificar varios casos :

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

1. En general, durante un proceso

químico el reactor se encuentra

en un estado de equilibrio

inestable, donde la reacción

deseada libera calor. En caso de

acumulación de reactivo y un

fallo simultáneo del sistema de

refrigeración, la velocidad de

producción de calor persiste y

cualquier energía potencial

presente en ese momento se

liberará adiabáticamente.

Riesgos térmicos en reactores químicosS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

Riesgos térmicos en reactores químicos

2. Sin embargo, el riesgo principal en el proceso es la pérdida de

control de la reacción deseada (runaway), por ejemplo, debido a

acumulación de reactivo, a una alta sensibilidad a las impurezas, a

problemas con la iniciación (tiempo de inducción largo), a

suposiciones cinéticas equivocadas, etc.

3. El balance energético está dominado por una capacidad de

disipación de calor baja y la posterior acumulación de energía. En

este caso, incluso las reacciones no deseadas muy débiles pueden

quedar fuera de control.

4. Además, condiciones operativas no deseadas pueden conducir a

una mezcla insuficiente, velocidades de alimentación equivocadas o

muy altas, temperaturas equivocadas, etc.

5. La pérdida de control de la reacción deseada

también puede ser la razón de eventos

secundarios no deseados. En primer lugar, se

alcanza un nivel de temperatura intermedia

debido al “runaway” de la reacción deseada.

Se llama MTSR (temperatura máxima de la

reacción de síntesis = temperatura máxima

alcanzable en base a la cantidad de reactivo

acumulado) o MAT (Temperatura máxima

alcanzable en el peor de los casos suponiendo

un 100 % de acumulación de reactivos). A

partir de MTSR, se pueden activar otros

eventos, en particular las reacciones de

descomposición, lo que en última instancia

puede conducir a una explosión.

6. Por último, las reacciones no deseadas

pueden ocurrir rápidamente si los

compuestos reactivos se mezclan

accidentalmente, por ejemplo, si el agua de

refrigeración penetra en la masa de reacción.

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

MTSR (Maximum Temperature of the Synthesis Reaction

TMR: Time to Maximum Rate

∆tR: Time in which MTSR is reached

∆Tad,R: Adiabatic temperature increase of desired reaction

∆Tad,Dec: Adiabatic temperature increase caused by secondary

reaction

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Aumento adiabático de la temperatura

El aumento adiabático de la temperatura se calcula

dividiendo la energía de la reacción por el calor

específico.

∆Tad = Qr / Cp

donde:

∆Tad = aumento adiabático de la temperatura, K

Qr = energía de reacción, J/kg

Cp = capacidad calorífica, J/kg K

Tiempo para máxima velocidad (TMR)

TMRad (el tiempo para velocidad máxima adiabática ) es

un indicador semicuantitativo de la probabilidad de que

se produzca una reacción fuera de control. La siguiente

ecuación, define TMRad en horas, para una cinética de

reacción de orden cero:

TMRad = Cp R To2/3600 qo Ea

donde:

R = constante de los gases, 8.314 J/mol K

To = temperatura absoluta inicial, K

qo = calor liberado específico a To, W/kg

Ea = energía de activación, J/mol

La suposición de orden cero conduce a valores

conservadores, es decir, el TMRad calculado es menor que

el real.

Figure: Time factors involved in preventing a runaway

Inhibición o dilución

(quenching)

Seg

uri

dad

y c

on

tro

lRiesgos térmicos en reactores químicos:

el factor tiempo

Enfriamiento de

emergencia

Dumping

Acciones

¿Qué es el riesgo?

Tradicionalmente, el riesgo se define como el producto de la gravedad de

un posible incidente por la probabilidad de que ocurra. Por lo tanto, la

evaluación del riesgo requiere la evaluación tanto de la gravedad como de

la probabilidad.

La gravedad de un posible incidente se puede medir mediante el aumento

adiabático de la temperatura.

La probabilidad se puede estimar usando una escala de tiempo. Si

después de la falta de refrigeración hay tiempo suficiente para tomar

medidas de emergencia antes de que el “runaway” se haga demasiado

rápido, entonces la probabilidad del “runaway” se mantendrá baja.

La criticidad del “runaway” se puede evaluar usando los niveles relativos

de las diferentes temperaturas alcanzadas si la reacción deseada y la

reacción de descomposición se producen bajo condiciones adiabáticas.

Evaluación de riesgo y criticidad del proceso

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Evaluación de riesgo y criticidad del procesoS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

Evaluación de Riesgos Térmicos

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Prevención de reacciones incontroladasS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

Un proceso se considera térmicamente seguro sólo si las

reacciones se pueden controlar fácilmente, y si la materia prima,

los productos, los productos intermedios y las masas de reacción

son térmicamente estables bajo las condiciones consideradas de

proceso.

La prevención del potencial peligro térmico requiere el

conocimiento de:

1. Modo de operación: es un factor importante. Por ejemplo,

una reacción por lotes, en donde todos los reactivos se

cargan inicialmente, es más difícil de controlar que una

operación semi-continua en el que uno de los reactivos se

carga progresivamente a medida que avanza la reacción.

2. Ingeniería: el diseño y disposición de los equipos y la planta

afectan a todo el proceso.

• La capacidad del sistema de calefacción o de refrigeración es

importante en este contexto.

• La ingeniería de proceso se utiliza para comprender el control

de los procesos químicos en una escala real. Determina qué

equipos se deben utilizar y cómo se deben llevar a cabo los

procesos químicos.

• Además, hay que tener en cuenta fallos técnicos del equipo,

errores humanos (desviaciones de las instrucciones de

operación), instrucciones de funcionamiento no muy claras, la

interrupción del suministro de energía, y las influencias

externas, tales como las heladas o la lluvia.

Prevención de reacciones incontroladas

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

3. Química: la naturaleza del proceso y el comportamiento de los

productos deben ser conocidos, no sólo en las condiciones de

reacción, sino también en caso de desviaciones inesperadas (por

ejemplo, reacciones secundarias, la inestabilidad de los

intermedios). La química se utiliza para obtener información con

respecto a las rutas de reacción que siguen los materiales en

cuestión.

4. La físico-química del proceso y la cinética de reacción: las

propiedades termofísicas de las masas de reacción y la cinética

de la reacción química son de importancia vital. La físico-química

se utiliza para describir las vías de reacción cuantitativamente.

Prevención de reacciones incontroladasS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l

Los siguientes datos son especialmente relevantes para evitar

reacciones fuera de control (runaway):

• Propiedades físicas y químicas, propiedades de ignición y

comportamiento frente al fuego, propiedades electrostáticas, el

comportamiento y las propiedades de explosión y de secado,

molienda y propiedades toxicológicas

• Las interacciones entre las sustancias químicas

• Las interacciones entre los productos químicos y los materiales

de construcción

• Datos térmicos para las reacciones y las reacciones de

descomposición

• Escenarios con insuficiencia de refrigeración

Prevención de reacciones incontroladas

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l Recopilación de datos

Si la reacción tiene la posibilidad de quedar fuera de control (runaway),

se deben considerar los siguientes cambios en el diseño:

• Cambio de lote a continuo. Reactores por lotes requieren un mayor

inventario de reactivos que los reactores continuos, por lo que, en

comparación, la posibilidad de reacciones fuera de control de los

sistemas continuos es menor.

• Cambio de lote a semi-continuo. En una reacción semi-continua, se

añade uno o más de los reactivos durante un período de tiempo. Por lo

tanto, en el caso de una elevación de temperatura o presión, la

alimentación se puede cortar, minimizando de este modo la energía

química almacenada para una posterior liberación exotérmica.

• Cambio de reactores perfectamente mezclados a flujo de pistón.

Reactores de flujo de pistón requieren volúmenes relativamente

pequeños y por lo tanto, inventarios más pequeños (menos peligrosos)

para la misma conversión.

Prevención de reacciones incontroladasS

eg

uri

dad

y c

on

tro

l Opciones de diseño

• Reducción del inventario de reacción a través del aumento de la

temperatura o la presión, el cambio de catalizador o una mezcla

mejor. Un reactor muy pequeño que opera a una temperatura y presión

alta puede ser inherentemente más seguro que uno operando en

condiciones menos extremas, ya que contiene un inventario mucho más

bajo. Hay que tener en cuenta que mientras que las condiciones

extremas a menudo resultan en la mejora de las velocidades de

reacción, también presentan sus propios problemas de seguridad. Por

tanto, una solución de compromiso que emplea una presión y

temperatura moderada y un inventario medio puede combinar los

peores rasgos de los extremos.

• Disolventes menos peligrosos.

• Calentar o enfriar externamente frente a calentar o enfriar

internamente

Prevención de reacciones incontroladas

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l Opciones de diseño

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

Substitución del

p-cloro-nitrobenceno

Seg

uri

dad

y c

on

tro

l

500 kJ/kg

3.5 kJ/kg K