Estudio de la evaporación de vertidos de disoluciones acuosas de amoníaco

Abstract

Evaporation from liquid spills is a phenomenon of great importance. This phenomenon has been studied by a number of researchers. However, most of them have focused on the evaporation of pure liquid spills or hydrocarbon mixtures, very few have analyzed the evaporation of ammonia from aqueous solutions. The work described in this thesis aims to be a contribution to the knowledge and prediction of the main FEATURES of ammonia evaporation from discharges of aqueous solutions. The first chapter briefly describes the main products derived from ammonia, as well as an overview of the evolution of production figures for this substance. The main characteristics in terms of transport and storage are also mentioned. Finally, the risks associated with the production and transport of ammonia are exposed. The second chapter presents a review of the most significant publications and of the different models proposed by various authors for the prediction of the evaporation rate, both from a generic point of view and in the specific, much smaller, case of the ammonia solutions. The third chapter is dedicated to the historical analysis of accidents that occurred in industrial facilities or in transport in which ammonia has been implicated. The results obtained from the statistical treatment of the information extracted from the different databases consulted are presented, dedicating a special section to transport by pipeline, given its importance. Finally, a major accident that occurred in Kingman (Kansas) in 2004 is described and analyzed. The fourth chapter describes the experimental set-up designed and built to obtain experimental data on the evaporation of ammonia from aqueous solutions under the influence of an air current. The fifth chapter presents the experimental data related to the evolution of temperature, concentration and mass, during the evaporation process of ammonia solutions at different air speeds. Finally, in the sixth chapter the modeling of the phenomenon is presented. In the first place, the three consecutive phases that have been observed throughout the process are described when analyzing the evolution of the mass and the temperature of the solution. Their existence may be important from the point of view of analyzing the risk associated with the possible generation of a toxic cloud in the case of an accidental spill, given the high evaporation rate in the first phase, and from the point of view of view of emergency management. To illustrate this aspect, it has been calculated with the ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) software, the leeward area in which there could be an impact on people for a given spill. These values highlight the hazard that an accidental spill could imply for people in the affected area. The experimental data have also been correlated with the most suitable dimensionless groups through dimensional analysis. This has made it possible to obtain a new expression to estimate the mass transfer coefficient (k) and to modify the equation frequently used to determine the evaporation rate. Likewise, the term relative to the equivalent diameter of the discharge has been deleted, since its inclusion in the model does not make sense for full-scale discharge. It has been studied how an increase in air speed produces an increase in evaporation speed, and how this influence is reduced as air speed increases. Finally, a comparison between the experimental data and those calculated with the new model is presented.

La evaporación desde vertidos líquidos es un fenómeno de gran importancia. Este fenómeno ha sido estudiado por un cierto número de investigadores. Sin embargo, la mayoría de ellos se han centrado en la evaporación de vertidos de líquidos puros o de mezclas de hidrocarburos, muy pocos han analizado la evaporación de amoníaco desde disoluciones acuosas. El trabajo descrito en esta tesis pretende ser una contribución al conocimiento y predicción de las principales características de la evaporación de amoníaco desde VERTIDOS DE disoluciones acuosas. En el primer capítulo se describen brevemente los principales productos derivados del amoníaco, así como una perspectiva general sobre la evolución de las cifras de producción de esta sustancia. Se mencionan también las principales características en cuanto al transporte y almacenamiento. Finalmente, se exponen los riesgos asociados a la producción y transporte del amoníaco. En el segundo capítulo se presenta una revisión de las publicaciones más significativas y de los distintos modelos propuestos por diversos autores para la predicción de la velocidad de evaporación, tanto desde un punto de vista genérico como en el caso específico, mucho más reducido, de las disoluciones de amoníaco. El capítulo tercero está dedicado al análisis histórico de los accidentes ocurridos en instalaciones industriales o en el transporte en los que se ha visto implicado el amoníaco. Se presentan los resultados obtenidos a partir del tratamiento estadístico de la información extraída de las diferentes bases de datos consultadas, dedicándose un apartado especial al transporte por tubería o pipeline, dada su importancia. Finalmente se describe y analiza un importante accidente ocurrido en Kingman (Kansas) en 2004. En el cuarto capítulo se describe la instalación experimental diseñada y construida para obtener datos experimentales sobre la evaporación de amoníaco desde disoluciones acuosas BAJO LA INFLUENCIA DE UNA CORRENTE DE AIRE. En el capítulo quinto se presentan los datos experimentales relativos a la evolución de la temperatura, la concentración y la masa, durante el proceso de evaporación de disoluciones de amoníaco a diferentes velocidades del aire. Por último, en el capítulo sexto se presenta la modelización del fenómeno. En primer lugar, se describen las tres fases consecutivas que se han observado a lo largo del proceso al analizar la evolución de la masa y la temperatura de la disolución. La existencia de las mismas puede ser importante desde el punto de vista del análisis del riesgo asociado a la posible generación de una nube tóxica en el caso de un vertido accidental, dada la elevada velocidad de evaporación en la primera fase, Y DESDE EL PUNTO DE VISTA DE la gestión de la emergencia. Para ilustrar este aspecto, se ha calculado con el software ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) el área a sotavento en la que podría haber una afectación a las personas para un determinado vertido. Estos valores ponen de manifiesto el peligro que un vertido accidental de este tipo puede representar para la población presente en el área afectada. En este capítulo también se han correlacionado los datos experimentales con los grupos adimensionales más adecuados obtenidos por análisis dimensional. Esto ha permitido obtener una nueva expresión para estimar el coeficiente de transferencia de materia (k) y modificar la ecuación utilizada frecuentemente para determinar la velocidad de evaporación. Asimismo, se ha eliminado el término relativo al diámetro equivalente del vertido, dado que su inclusión en el modelo no tiene sentido para vertidos a escala real. Se ha estudiado cómo un incremento en la velocidad del aire produce un incremento en la velocidad de evaporación, y cómo esta influencia se reduce a medida que aumenta dicha velocidad. Finalmente se presentan una comparación entre los datos experimentales y los calculado