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Método matemático ayudaría a prevenir desastres químicos en plantas industriales

Dicho accidente se presentó porque una enorme cantidad de nitrato de amonio (sustancia usada en la manufactura de fertilizantes y explosivos) almacenada en un depósito del puerto entró en contacto con un iniciador de fuego, propiciando las condiciones suficientes para que se desencadenaran reacciones de descomposición del nitrato amonio (altamente exotérmicas), las cuales liberaron gases que después provocaron sucesivas detonaciones en serie y una gran explosión que arrasó con sus alrededores.
 

Mediante una metodología se pueden identificar y delimitar zonas seguras de operación en los reactores químicos de las industrias, en las cuales existen procesos que liberan espontáneamente grandes cantidades de energía difíciles de controlar, y que provocan aumentos tan drásticos de la temperatura, que incluso pueden poner en riesgo la vida del personal.
 

En gran parte de las industrias del mundo –como petroquímicas, farmacéuticas, de fertilizantes, alimentos, tratamiento de aguas, entre otras– existen reactores químicos, los cuales son la unidad de operación donde se transforman materias primas o reactivos en productos o subproductos. Como su rendimiento depende de la calidad de lo producido, se consideran como el corazón de una planta química.


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No obstante, estos reactores están fácilmente expuestos a distintos eventos violentos que pueden terminar en fatalidad, como en el caso de las reacciones exotérmicas, generadas por la liberación de energía por luz o calor al ambiente. La mayoría de estas reacciones son de oxidación, y cuando son muy violentas pueden generar fuego, como en la combustión.
 

Una explosión exotérmica ocurre cuando una reacción química de esta naturaleza está fuera de control y el sistema de enfriamiento del reactor no es capaz de controlarla, especialmente porque no se puede contener la cantidad de material reactivo usado en los procesos industriales.


Un ejemplo de ello fue el desastre de Bhopal (India), ocurrido en 1984 en la fábrica de pesticidas Union Carbide, cuando cerca de 80.000 libras de isocianato de metilo (ICM) contenidas en un tanque de almacenamiento entraron inadvertidamente en contacto con una considerable cantidad de agua. Como consecuencia, se produjo una reacción exotérmica fuera de control, la cual sobrecalentó el sistema, debido además a una falla en el sistema de enfriamiento.


Posteriormente se produjo un cambio de fase líquido-vapor de la mezcla reactiva que liberó una masiva cantidad de gas tóxico sobre la ciudad de Bhopal, causando la muerte inmediata por envenenamiento a más de 2.000 personas y lesiones a cerca de 200.000. Los efectos nocivos del gas perduraron en el tiempo, tomando la vida de decenas de miles de personas más.


Ante este riesgo constante, el doctor en Ingeniería Química Juan Carlos Ojeda Toro, de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, propone una metodología que determina algunos de los puntos críticos y los límites de operación en el reactor, mediante la discriminación de las regiones de operación seguras e inseguras, con la cual se puede generar una idea a priori de lo que se tendría que hacer frente a los requerimientos del sistema de enfriamiento y las condiciones que se deben evitar con el sistema de control.


“Con la metodología propuesta, estudiamos y caracterizamos el comportamiento de algunos sistemas reactivos exotérmicos que han sido los iniciadores de grandes accidentes a nivel industrial en diferentes condiciones de operación”, señala el investigador Ojeda.
 

Con ellas, y a partir de un modelo matemático, se pueden determinar diversos puntos críticos (en caso de que existan) a diferentes condiciones, que a su vez delimitan las regiones seguras e inseguras de operación y discriminan los diferentes comportamientos a sus alrededores.


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“Primero se debe tener claridad sobre las propiedades fisicoquímicas de las sustancias que se manipulan en una industria, porque muchas reacciones de este tipo se forman por accidente y no en el proceso de generación de un producto. Por ejemplo, se debe evitar almacenar grandes cantidades de una sustancia reactiva en un mismo depósito”, señala el investigador.
 

Casos reales con desenlaces fatales


A lo largo de la historia se han registrado accidentes que involucran este tipo de sistemas; en el de Bhopal (India, 1984), un exceso de la elevación de la temperatura provocó el derramamiento de un gas altamente tóxico sobre la ciudad, que terminó con la vida de unas 30.000 personas.


Por su parte, en el desastre de Kursk (Rusia, 2000) la energía liberada por una reacción espontánea provocó la detonación de uno de los torpedos de un submarino nuclear, su hundimiento y la muerte de los 118 marinos a bordo.


El estudio revisó la literatura de sistemas reactivos en el exterior con esta naturaleza que no han sido tratados correctamente tanto para observar su comportamiento a diferentes condiciones como para determinar los puntos críticos de operación, discriminar las regiones seguras e inseguras y realizar un análisis de riesgos, entre otros.
 

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Se buscó información experimental de sistemas reactivos altamente exotérmicos como los de Bhopal y Kursk, y que han sido protagonistas de incidentes a escala de laboratorio e industrial.


La propuesta crea una metodología matemática como herramienta predictiva de esta clase de comportamientos en algunos sistemas reactivos seleccionados, y define las regiones seguras de operación con el fin de evitar accidentes industriales. Dicha metodología se puede aplicar a sistemas de toda naturaleza (química, física, mecánica, eléctrica y meteorológica, entre otras) que presenten problemas de estabilidad o que sean muy variantes en el tiempo, y particularmente en la industria química se puede aplicar a cualquier proceso que involucre reacciones exotérmicas.

Para aplicarla, la industria debe contar con un modelo cinético verificado experimentalmente (usado para predecir el rendimiento de productos), las características del reactor y las condiciones normales de operación. Después se obtendrán diagramas que mostrarán las regiones que se pueden controlar térmicamente según las condiciones de los sistemas, y las regiones que se deben evitar por todos los medios posibles para que no se presenten comportamientos atípicos y no ocurran cambios de fases indeseados, como por ejemplo pasar de una mezcla líquida a una gaseosa.


El doctor Ojeda concluye que la investigación es una forma de llamado a la conciencia; que a través de esta evaluación de riesgos se puede garantizar una adecuada operación de los sistemas, mediante la cual se proteja no solo la integridad del producto, los equipos y la infraestructura, sino ante todo de las vidas de los operarios y de comunidades aledañas a la planta.

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