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Nubes de gas txico en la
industria
Fuga, dispersin y control
Francisco Javier Andrs Bombero de empresa Nivel Tcnico HAZMAT NFPA Capacitacin en Proteccin Civil Tcnico de Emergencias Sanitarias
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Introduccin
De sobra son conocidos los
beneficios que aporta la industria a la
sociedad, no conoceramos nuestra actual
forma de vida sin esta actividad. Sin
embargo, la del refino del petrleo, la
qumica, la farmacutica, etc. almacenan,
utilizan y procesan productos que
accidentalmente pueden ocasionar daos
graves a personas y medio ambiente.
En una emisin de sustancia txica en una industria la peligrosidad viene determinada por el nivel de toxicidad de las sustancias involucradas y por la persistencia y alcance de la nube. Gran parte de las sustancias habituales en la industria presentan elevada toxicidad, provocando efectos agudos, incluso letales, en cortos periodos de tiempo; en muchos casos estos efectos se manifiestan a concentraciones muy pequeas como consecuencia de su elevada reactividad con componentes biolgicos esenciales, que pondran en serio riesgo nuestra vida.
Ms adelante analizar factores
como cantidad de la emisin, dinmica atmosfrica y condiciones del entorno que determinarn la direccin, alcance y persistencia de las nubes. El conocimiento y anlisis de estos elementos son imprescindibles para equipos de bomberos y personal de intervencin que tienen como responsabilidad el control de dicha nube.
1. Riesgos de los
gases
El trmino GAS, describe el estado
fsico de una materia que no tiene forma ni
volumen propios, sino que se adapta a la
forma y volumen del continente.
Puesto que todas las sustancias
pueden adoptar el estado gaseoso, segn
la temperatura y presin que se les
aplique, el trmino GAS se emplea a las
substancias que existen en estado gaseoso
en condiciones llamadas normales, es
decir, a temperaturas y presiones normales
(TPN), que son aproximadamente 21C y 1
Atm., de presin.
Los gases constituyen una amplia
gama de productos cuya peligrosidad
puede ser muy variable. En general todo
gas en grandes proporciones supone algn
tipo de riesgo, ya que modifica las
condiciones atmosfricas que permiten
mantener la vida.
En funcin de sus propiedades qumicas, los gases pueden ser: inflamables, comburentes, txicos, corrosivos, o reactivos violentos. En definitiva, las propiedades fsicas y qumicas del gas involucrado determinarn la gravedad del incidente. En el presente artculo solo hablaremos de los txicos. Entre las caractersticas fsicas estn, por ejemplo, su densidad; una baja densidad respecto al aire significara una rpida dispersin, sin embargo una densidad ms alta har que el gas se deposite junto al suelo, zonas bajas, stanos, arquetas, etc.
Bien es cierto, que al cabo de un
tiempo, en un espacio abierto, el gas se
diluir en el aire y quedar sujeto
totalmente al movimiento que ste tenga.
En otro orden de cosas, hay que
destacar la diferente consideracin que
tiene un escape si ste tiene lugar en fase
gaseosa o en fase lquida. Esta ltima,
obviamente, representa una mayor
gravedad por el mayor volumen de gas que
libera. En tal sentido, resulta de capital
importancia intentar que un escape en fase
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lquida se convierta, de resultar posible, en
escape gaseoso.
La mayora de los gases no son
visibles a simple vista, lo que agrava el
riesgo de un escape. Si se produce una
nube de gas a consecuencia de una fuga,
ser difcil prever exactamente la zona que
ocupar sta, incluso aunque el estudio
est basado en datos fiables de
caractersticas del gas, velocidad del
viento, temperatura, etc.
Lo ms fiable ser la comprobacin
con equipos de medidas y analizadores de
gases, aunque los datos proporcionados
por un nico equipo no son extrapolables a
una amplia zona, ya que las
concentraciones pueden variar
sensiblemente.
Los gases tienen que contenerse en
recipientes completamente cerrados y es
ms rentable su almacenamiento cuanto
mayor cantidad de gas contenga el
recipiente y menos volumen ocupe. Por
ello, se pueden encontrar en diversas
presentaciones para una utilizacin
comercial ms rentable:
1 Gases comprimidos
Se le llama gas comprimido, a
aquel gas que a temperatura normal y bajo
presin dentro de un recipiente conserva
su estado gaseoso. Seran aquellos gases o
mezclas de gases, cuya temperatura crtica
es menor o igual a -10C.
2 Gases licuados
Es el que a temperaturas normales
y bajo presin, se presenta en fase lquida y
parcialmente en fase gas. La presin
depende fundamentalmente de la
temperatura del lquido. Son aquellos cuya
temperatura crtica sea mayor o igual a -
10C.
3 Gases criognicos
Llamamos gases criognicos a
aquellos gases que para mantenerlos
licuados en el interior de su envase
debemos proporcionarle unas
temperaturas muy por debajo de las
temperaturas normales, generalmente por
encima de su punto de ebullicin a
temperatura y presin normales, y a
presiones proporcionalmente bajas o
moderadas. La principal razn de esta
diferencia respecto al gas licuado, es que el
gas criognico no puede mantenerse
indefinidamente en el recipiente que lo
contiene debido a que ste no puede
impedir la penetracin del calor de la
atmsfera, que tiende continuamente a
elevar su presin hasta un nivel que puede
llegar a exceder la resistencia de cualquier
tipo de recipiente.
Son aquellos gases cuya temperatura de
ebullicin a presin atmosfrica es inferior
a -40C.
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El primer riesgo de un gas en estado
criognico es el propio al gas, es decir
siendo el hidrgeno un gas altamente
inflamable, el hidrgeno lquido presenta
tambin un alto ndice de inflamabilidad. El
peligro de un gas determinado aumenta
significativamente en su forma criognica.
A parte del peligro inherente al gas, todos
los criognicos poseen tres caractersticas
peligrosas resultantes de sus extremadas
bajas temperaturas:
Alta relacin de expansin de vapor
Capacidad para licuar otros gases
Efecto de sobreoxigenacin
Peligro para la salud. Quemaduras y suboxigenacin.
A los riesgos inherentes al tipo de gas y a
su condicin de licuado, se unen en este
caso los resultantes de las
extremadamente bajas temperaturas que
se producen si se produce una fuga en fase
lquida. Una fuga de estas caractersticas
generar una nube de gas que en muchos
casos es 700 veces mayor que el volumen
del lquido fugado; el enfriamiento ser tan
brusco que puede generar severas
quemaduras en los tejidos vivos, e incluso
en fase gaseoso los gases tienen
temperaturas tan bajas que pueden daar
los pulmones, las mucosas o los ojos.
4 Gases disueltos a presin
ste sera el caso
de transporte cuyo
representante sera el
Acetileno. El acetileno, es
un gas que no podemos
presurizar si no est en
unas condiciones muy
especiales. Necesita de
un envase relleno de una masa porosa, en
la cual se le aade Acetona, y en el
momento de realizar la carga de acetileno,
ste se disuelve con la Acetona y se
distribuye en los poros de la masa porosa
interior.
Lo caracterstico de estos gases es
que no se conservan en estado libre, sino
que se disuelven en otro medio, en general
a causa de su reactividad.
2. Conceptos bsicos
Densidad: es el peso por unidad de
volumen de un producto. En general
disminuye con el aumento de la
temperatura. Le densidad del agua a
temperatura ambiente es aprox. 1g/cm3.
Conocer la densidad de un producto es
importante para determinar su flotabilidad
en agua. La densidad de los productos
orgnicos suele ser inferior a la del agua.
Densidad relativa de un gas: es el
cociente entre la densidad del gas y la del
aire (1,2 Kg/cm3). Es importante para
determinar en caso de escape:
a) Modo de dispersin
b) Velocidad de dispersin
Cuando el peso molecular del gas o del
lquido que est generando vapores es
superior a 29 (peso molecular del aire), el
gas o los vapores sern ms pesados que el
aire. Hay que tener en cuenta la
temperatura, pues afecta de forma
importante a la densidad. Un gas ms
ligero que el aire a temperatura ambiente
puede ser circunstancialmente ms denso
cuando se encuentra a bajas temperaturas.
Los gases presurizados, al expandirse se
enfran y esto aumentar su densidad
hasta que su temperatura se vaya
igualando con la del ambiente.
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Solubilidad: es la capacidad de una
sustancia de disolverse en otra. Depende
del tipo de fuerzas intermoleculares. Estas
pueden ser:
a) Polares (ej.: agua)
b) No polares (ej.: grasas)
En general las del mismo tipo tienden a
disolverse entre s.
Las fuerzas de cohesin del soluto son
superadas por las que se forman entre l y
el disolvente. La solubilidad vara con la
temperatura:
La solubilidad de un slido en un
lquido aumenta con el incremento
de temperatura
La solubilidad de una gas en un
lquido disminuye con el
incremento de la temperatura
El grado de solubilidad de una
sustancia en agua determinar la eficacia
de las tcnicas de dilucin y abatimiento de
una nube de gas en caso de fuga. Tambin
influye en la dispersin del producto en un
terreno hmedo y en los efectos sobre ojos
y mucosas.
Grados de solubilidad: 100% mezclable 10-99% muy soluble 1-10% medianamente soluble 0-1% poco soluble Ejemplos: NH3 68% a 20C, Cl2 1% a
20C, HF 70% a 20C. Presin de vapor: es la presin
caracterstica de un vapor en equilibrio con su fase lquida. Determina la capacidad o tendencia de las sustancias a vaporizarse.
El conjunto de molculas que tienden a desprenderse de una materia ejercen una presin sobre el aire circundante. Esta presin de denomina presin de vapor.
La de un lquido aumenta ostensiblemente con la temperatura y es siempre constante para una temperatura dada. Cuanto mayor es la presin de vapor, mayor ser su velocidad de evaporacin. Por otro lado, las sustancias con elevadas presiones de vapor tendrn puntos de ebullicin bajos.
La propiedad fsica de los lquidos que ms influencia tiene sobre su combustin es su presin de vapor. La evaporacin de un lquido est asociada directamente a este valor.
Se suelen utilizar varias unidades de presin, algunas de las ms comunes son:
Mbar, (milibar); bar (bar); mmHg (milmetros de mercurio), atm (atmsferas) kPa (kilopascal). Equivalencias aproximadas:
1 bar = 100 kPa 1 atm = 760 mm Hg
Es muy importante diferenciar los conceptos de vaporizacin, evaporacin y ebullicin:
-Vaporizacin: es el paso de lquido a gas
-Evaporacin: es el paso de lquido a vapor en contacto con el aire
-Ebullicin: es el paso de lquido a vapor cuando su presin de vapor iguala a la atmosfrica
Punto de ebullicin: en este punto,
cuando pasan al estado gaseoso, todas las materias tienen una presin de vapor de 100 kPa, esto es igual a la presin atmosfrica.
La temperatura ambiente y el conocimiento del punto de fusin y ebullicin permiten una rpida apreciacin del estado en que se encuentra el producto qumico en cuestin, slido, lquido o gaseoso. Esta es la base del comportamiento de un producto qumico en una fuga y por lo tanto, los primeros datos tcnicos que hay que tratar de conseguir.
Si la temperatura en ese momento (temperatura ambiente) es ms alta que el
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punto de ebullicin del producto en cuestin, entonces la presin vapor tambin ser mayor que 100 kPa. Como ejemplo de sustancia que a cualquier temperatura normal se encuentra por encima de su punto de ebullicin tenemos el cloro.
A 20 C el cloro tiene una presin vapor de 650 kPa. Otro ejemplo es el butano, cuyo punto de fusin est a -138C, el punto de ebullicin a -0,5C y la presin vapor es de 165 kPa a 20C.
Podemos entonces concluir que el conocimiento de la presin vapor a una temperatura determinada es de importancia capital para poder evaluar con cierta exactitud el comportamiento de un producto qumico en una fuga.
3. Fugas
La existencia de recipientes de
almacenamiento y de procesos presenta situaciones de riesgo por escape de una sustancia txica. En el caso de fuga se formar una nube de vapor txico con una determinada concentracin en funcin de la distancia a la fuente de emisin, que tambin afectar a la planta de proceso o almacenamiento y a su entorno, pudiendo generar efectos nocivos a una distancia considerable del punto de emisin.
Entre las muchas circunstancias
que pueden ser origen de emisiones peligrosas, aparece frecuentemente el fallo del propio equipo contenedor de la sustancia. Tambin es importante considerar otras situaciones de escapes por vlvulas que se quedan abiertas o por venteos forzados en emergencias. Un ejemplo de esta ltima situacin sera el fallo de la refrigeracin en un recipiente de almacenamiento de un gas licuado refrigerado a baja presin, que
dara como resultado un venteo forzado con una gran liberacin de vapor.
Las situaciones que dan origen a la
emisin de contaminantes se pueden
clasificar de la forma siguiente:
Segn el fluido (figura 1): o Gas/vapor o Lquido o Mezcla de vapor y lquido
Segn el equipo afectado: o Recipientes o Conducciones de tuberas o Otros equipos
Segn la abertura: o Rotura completa o Abertura limitada (vlvula
de alivio, disco de rotura, orificio, grieta, conexin, purga, toma de muestras, cierres de bombas, bridas, extremos o rotura de tuberas, etc.)
Segn el recinto: o Dentro de un edificio o Al aire libre
Segn la altura de emisin: o A nivel inferior del suelo o A nivel del suelo o A nivel superior del suelo
Segn el impulso del fluido: o Bajo impulso o Gran impulso
En funcin de la fase en la que sale del recipiente:
Fig. 1. Tres tipos de fugas en almacenamiento de gases licuados.
La figura 2 muestra la secuencia
seguida en la formacin y evolucin de
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nubes densas, que es la tipologa ms comn producida en los escapes accidentales de sustancias peligrosas, habindose dividido en las siguientes etapas:
1. Emisin, que est condicionada
por el contenedor, las caractersticas termodinmicas de la sustancia, las condiciones de almacenamiento (temperatura y presin) la posicin y dimensiones de la rotura. En funcin de estos parmetros el fluido irrumpe en el exterior de forma monofsica (totalmente gasificado o prcticamente lquido) o bifsica. La fase lquida se extiende sobre el terreno y se evapora en funcin de mecanismos trmicos (transmisin de calor desde el suelo y el aire) y msicos (por transferencia desde el charco al aire). Fig. 2. Esquema bsico de la evolucin de una nube de gas denso.
2. Abatimiento sobre el suelo. Las fluidodinmicas de la emisin gaseosa y de la atmsfera circundante condicionan la mezcla inicial de la sustancia y el aire; si la densidad de la nube es mayor que la del aire se produce el abatimiento de dicha mezcla.
3. Extensin y avance por gravedad. La nube pesada se comporta de forma parecida a como lo hara un lquido, esto es, se extiende y discurre sobre el terreno, adaptndose a la geometra del mismo y ocupando las zonas ms bajas. La fuerza gravitatoria
domina a las de flotacin y dispersin durante esta etapa.
4. Dispersin pasiva. La progresiva entrada de aire en el frente de avance y, en menor medida, a travs de la zona superior de la nube reptante, hace disminuir la densidad de la interfase, hasta que sus caractersticas fluidodinmicas se aproximan a las del aire prximo, inicindose entonces la denominada dispersin pasiva.
Si la sustancia emitida tiene una densidad similar o menor a la del aire (gas neutro o ligero), o si la mezcla en el momento de la emisin es muy intensa, de manera que se produce una rpida disminucin de la densidad, slo se verifican las etapas citadas en primer y ltimo lugar, esto es, la emisin y la dispersin pasiva.
3.1 Elementos y
parmetros
implicados en las
fugas
Cuando se produce una emisin de un gas o vapor, ya sea procedente de una fuga de gas propiamente dicha o como consecuencia de la evaporacin de un charco de lquido, dicho gas en contacto con la atmsfera sufre una dispersin por dilucin del gas y se extiende en ella arrastrado por el viento y las condiciones meteorolgicas.
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Los tipos de emisiones, por tanto dependen de la naturaleza del gas (propiedades termodinmicas) y de la continuidad o discontinuidad de la emisin.
Una de las caractersticas principales que condiciona la evolucin de un gas/vapor en la atmsfera es su densidad, distinguindose tres posibilidades:
Gases ligeros: densidad inferior a la del aire.
Gases pasivos o neutros: densidad similar a la del aire.
Gases pesados: densidad mayor que la del aire.
A efectos prcticos no se puede hablar, en la mayora de los casos, de un comportamiento puro de gas ligero neutro o pesado, ya que los factores que influyen en l son mltiples y variables en el tiempo y una mezcla gas/aire puede evolucionar como un gas pesado sin serlo debido a:
Peso molecular del gas. Temperatura del gas. Temperatura y humedad del aire
ambiente. Presencia de gotas lquidas
arrastradas en la emisin. Reacciones qumicas en la nube,
etc.
Otra caracterstica importante es la duracin del escape, que puede da lugar a:
1. Escapes instantneos formando una bocanada.
2. Escapes continuos sin depender del tiempo, formando un penacho.
3. Escapes continuos dependiendo del tiempo.
Como se ha comentado anteriormente, la dispersin de un gas puede proceder de una fuga de gas de un depsito o tubera a presin y como consecuencia de la fuga de lquido que se evapora. Esto implica analizar el proceso desde dos puntos de vista:
1. Dispersin de chorro turbulento, a partir de una fuga de gas a presin.
2. Dispersin de nube neutra, para gases sometidos nicamente a las turbulencias atmosfricas.
En primer lugar interesa conocer el estado fsico de la sustancia o producto que irrumpe al exterior y la masa o caudal emitido. Estos aspectos dependen de la combinacin de los elementos que se describen a continuacin:
1. Los contenedores, en los que cabe
distinguir tres tipologas: depsitos, tuberas conectadas a depsitos y tuberas aisladas.
La geometra de los depsitos tiene escasa relevancia en la dinmica de la emisin, siendo la altura del recipiente la caracterstica ms destacable por su influencia en la dilucin inicial, si la fuga se produce por la parte superior del equipo. En las tuberas conviene conocer si estn o no conectadas a depsitos. En el primer caso, si sufre una rotura, se producir la emisin o vertido condicionados por el volumen almacenado en el depsito, producindose, si no se bloquea, una fuga casi estacionaria de larga duracin. En la figura 3 se sealan las zonas o elementos que se ven ms frecuentemente afectados por roturas.
Fig.3 .Zonas o elementos tpicos a travs de los que se producen con ms frecuencia fugas accidentales. C: colapso de equipo o tubera. F: fisura por fallo de material o soldadura. Roturas de bridas (B), instrumentos (I), vlvulas (V), prensas de bomba (S). Apertura o rotura de vlvula de seguridad (VS), de purga (VP) o de disco de ruptura (DR).
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2. El estado fsico de los fluidos en el momento de la fuga juega un papel muy importante. Cabe distinguir entre gases, gases licuados y lquidos, que dependen de la presin y temperatura de almacenamiento.
Las sustancias lquidas almacenadas a temperatura inferior a la de ebullicin a presin atmosfrica tienen sobre ellas un espacio ocupado por un gas (aire u otro componente inerte, como nitrgeno, dixido de carbono, etc.), que contiene la sustancia en fase gaseosa, cuya presin parcial en el equilibrio coincide con la presin de vapor a la temperatura de almacenamiento.
Una excepcin a este caso lo constituyen los almacenamientos en tanques de techo flotante, donde no hay prcticamente cmara de gas, al estar el lquido en contacto directo con la cubierta superior mvil.
3. El tamao del orificio de fuga
establece el modelo de fuga: la duracin de la emisin (gas) o vertido (lquido), verificndose:
Fuga instantnea Si el orificio es grande con relacin al
volumen del recipiente (siendo la rotura catastrfica el caso extremo) la irrupcin suele ser muy rpida y en un breve lapso de tiempo.
Debido a la alta presin y a la elevada velocidad de escape, el gas se dispersar inicialmente con una total independencia del viento. El escape puede compararse con el chorro de gas de un jet que absorbe y arrastra grandes cantidades del aire de su entorno.
Despus se forma una nube de gas pesada y fra, que es arrastrada por el viento. La nube de gas desaparece en el aire con relativa rapidez.
Fuga prolongada
Si el orificio es pequeo con relacin al volumen del recipiente se produce una fuga continua durante un periodo mayor de tiempo, aunque generalmente de caudal decreciente. Suele producirse por rotura de una vlvula, tubera o un orificio en la superficie de un lquido. Un chorro de lquido y aerosol se escapar de manera turbulenta mezclndose con gran volumen de aire. El tipo de fuga depende del estado fsico del fluido y de la situacin (altura del orificio en el contenedor), salvo que se trate de un gas almacenado a presin, en el que la posicin del orificio es irrelevante.
Dado lo prolongado del proceso de la desaparicin de la nube de gas, se forma una pluma que se extiende en el sentido del viento. La pluma puede recorrer grandes distancias, pero desaparece con lentitud. Las concentraciones no alcanzan los niveles caractersticos de una fuga instantnea, pero la exposicin prolongada a los efectos de la fuga implica mayores riesgos dentro de edificios.
4. Cuando se trata de vertidos, el
grado de contencin alrededor de los equipos condiciona la formacin de los charcos. Un cubeto, un depsito
semienterrado o una tubera canalizada en zanja facilitan la recogida y disminuyen el rea de evaporacin. Por el contrario, en terreno llano y sin obstculos el lquido se extiende, aumentando el rea de evaporacin y, por consiguiente, se incrementa el producto evaporado.
3.2 Parmetros
meteorolgicos que
influyen en la mezcla
y dispersin de la
fuga
La capa de aire ms prxima al suelo, denominada capa lmite atmosfrica, cuya altura puede oscilar entre 200 y 1000 m, es, desde el punto de vista fluidodinmico, la ms compleja por
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su interaccin con la litosfera e hidrosfera. En ella se producen todos los fenmenos relacionados con la mezcla y dispersin de las nubes que interesan destacar aqu, siendo los parmetros ms significativos los siguientes: La magnitud, direccin y persistencia del viento. La temperatura y la presin. La humedad y la pluviosidad. La radiacin solar. La turbulencia.
Todos estos parmetros estn interrelacionados. As, la radiacin solar condiciona la temperatura y sta la densidad que, a su vez, determina la presin... Pero interesa aqu independizarlos, citando brevemente la influencia de cada uno en los fenmenos estudiados.
La velocidad del viento tiene una
gran importancia en la dispersin, de manera que, como primera aproximacin, la concentracin del producto fugado en la direccin del viento y en cualquier punto resulta inversamente proporcional a esta magnitud. La velocidad vara con la altura, aspecto que se trata ms adelante al estar relacionado con la turbulencia. Por ello, es necesario referenciar la altura a la que se realiza la medida para obtener con ella valores representativos que servirn para evaluar el movimiento de las emisiones pesadas a ras del suelo o el transporte de las nubes neutras o ligeras.
La direccin del viento condiciona la direccin del transporte de las sustancias fugadas y, por consiguiente, su impacto. A nivel de microescala (para extensiones con distancia menores a 1 km) y de mesoescala (entre 1 y 10 km), la topografa, la presencia de obstculos o la proximidad del mar, influyen considerablemente en la direccin del viento, provocando los efectos valle o montaa-valle, las brisas marinas, las corrientes predominantes en calles y avenidas..., todo ello como consecuencia de variaciones locales de
presiones, que, a su vez, estn originadas por diferencias trmicas.
La persistencia del viento expresa el nmero de ocasiones que en periodos determinados (1, 7, 13,...horas) la direccin del viento permanece estable, en cada uno de los sectores definidos por las direcciones geogrficas. Este parmetro es de inters para prever los probables cambios de direccin del viento que influyen de la misma manera en la direccin de la nube y, por consiguiente, en las posibles localizaciones de los impactos.
La temperatura ambiente influye en la cintica de las reacciones de transformacin de las sustancias fugadas en aire, acelerando generalmente estos procesos. Algunos parmetros o mecanismos de inters dependen de la temperatura, como la densidad del aire y de la nube, la presin de vapor, que hace aumentar la evaporacin desde los charcos, los coeficientes de transferencia de calor y de materia
La humedad provoca la formacin de aerosoles lquidos cuando el producto fugado es higroscpico (amoniaco, cloruro amnico, cloruro de hidrgeno, fluoruro de hidrgeno,...) y puede transformar las nubes ligeras en pesadas al aumentar la masa molecular. Tambin influye en los procesos de transformacin atmosfricos, al actuar como intermedio o reactante.
La pluviosidad es el meteoro ms importante desde el punto de vista de la eliminacin de los contaminantes atmosfricos, incluso para los productos insolubles, dado que el concepto de insolubilidad es relativo. As, la presencia en aire de sustancias consideradas insolubles, tales como los hidrocarburos voltiles, disminuye muy significativamente tras un episodio lluvioso.
3.3 Nubes densas:
comportamiento y
modelos
Anteriormente hemos hablado de causas y factores de las emisiones, ahora
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veremos de forma breve el comportamiento posterior. Los modelos tratan de calcular las concentraciones de gases que se encuentran a una determinada distancia del foco emisor, tanto para gases txicos como inflamables, as como las cantidades de gas inflamable que se encuentran entre los lmites de inflamabilidad de sustancias inflamables.
Las nubes densas de gas se producen cuando:
Cuando la masa molecular de la sustancia fugada es superior a la del aire. La mayora de los productos de inters industrial tienen esta caracterstica.
Si la temperatura de la emisin es inferior a la del aire circundante se incrementa la densidad. Incluso las sustancias con masas moleculares menores a las del aire pueden superar la densidad atmosfrica si la disminucin trmica es suficientemente importante. Esta situacin puede producirse en la expansin de los gases almacenados a presiones superiores a la atmosfrica o en la evaporacin de gases licuados desde charcos.
La capacidad reactiva de algunas sustancias puede dar lugar a otras de mayor masa molecular: este es el caso de las sustancias hidroflicas (que se pueden mezclar con agua) que pueden reaccionar con el vapor de agua ambiental.
La mayora de las nubes producidas en
las fugas de sustancias de inters industrial tienen un comportamiento denso. No obstante, puede ocurrir el fenmeno opuesto, esto es, nubes de sustancias consideradas a priori pesadas por su masa molecular, pueden comportarse como neutras, debido a emisiones a altas temperaturas, tales que la flotabilidad supere los efectos gravitatorios, o si la mezcla con aire es rpida y suficientemente efectiva para que la densidad se aproxime a la del aire.
Desde el punto de vista de los anlisis de consecuencias, las nubes densas son ms peligrosas que las neutras debido a los comportamientos y circunstancias siguientes:
o La masa de vapor txico tiende a
permanecer a poca altura (a ras de suelo), que es la posicin en la que ms comnmente se encuentran los elementos vulnerables (personas y la mayor parte de los seres vivos), aumentando por tanto el riesgo.
o Si la sustancia es inflamable, la posibilidad de encontrar un punto de ignicin es mayor en zonas cercanas al suelo, donde tambin se producir la deflagracin posterior. Por ambas razones se incrementa el riesgo de impacto trmico (llamarada) y mecnico (explosin).
o La dilucin de las nubes densas es ms lenta que los gases neutros, por lo que la primera es capaz de recorrer mayores distancias y permanecer durante ms tiempo a concentraciones elevadas.
El movimiento de una nube en sus
momentos iniciales est ntimamente influenciado por el modo en el que la emisin se incorpora en la atmsfera. El modelo de dispersin densa est conectado con el modelo de fuga. La rotura catastrfica de un contenedor se modela generalmente considerando que se forma instantneamente una nube densa e instantnea, con geometra cilndrica, Fig. 4. Una aproximacin similar puede usarse para una fuga procedente de un orificio de tamao intermedio. Existen muchos modelos y clculos que permiten hacer una estimacin de la dispersin de una emisin, pero queda fuera del objetivo de este artculo.
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Fuga de amonaco
Fig 4. Modelo de cajas (Box models). A: fuga instantnea, B: fuga prolongada.
Fig 5. Abajo: Otro modelo: Los tres trminos de la ecuacin gaussiana del penacho: concentracin en el eje central y trminos vertical y lateral.
Toda industria donde exista este riesgo debe establecer las zonas de planificacin en el caso de nubes txicas. El RD 1196/2003, de 19 de septiembre, por el que se aprueba la Directriz bsica de proteccin civil para el control y planificacin ante el riesgo de accidentes graves en los que intervienen sustancias peligrosas define dos zonas de planificacin: de Intervencin y de Alerta. En la primera el nivel de dao ocasionado por el accidente justifica la aplicacin inmediata de medidas de proteccin; en la segunda no es necesario llevar a cabo dichas medidas, excepto sobre los grupos crticos, constituidos por aquellos sectores de poblacin que sean especialmente vulnerables a los niveles de los parmetros que determinan la peligrosidad del accidente. Para establecer las zonas de planificacin en el caso de nubes txicas, es necesario en primer lugar definir los niveles de dao en cada una de las zonas y a continuacin determinar la extensin y geometra de las mismas. Dada la complejidad de clculo de estos parmetros, se recomienda utilizar programas informticos especialmente diseados para esta finalidad, por ello no es objeto de este trabajo. Para ms informacin consultar:
Zonas de planificacin para accidentes graves de tipo txico, (en el mbito del Real Decreto 1254/99 (Seveso II)
EPA (1999). ALOHA Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency. National Oceanic and Atmospheric Administration, Washington.
En una emergencia se conoce la direccin del viento, lo que permite delimitar las zonas afectadas (elipsoides). En planificacin no es conocida la direccin del viento, por lo que las zonas afectadas se consideran circulares, con centro en el origen del accidente.
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4. Control de nubes
CONCEPTOS:
Confinamiento (NFPA): procedimientos que se toman para mantener un material en un rea definida o limitada, cuando el producto se ha salido de su contenedor y los respondedores necesitan confinarlo o controlarlo. Es una accin defensiva, que se toma para dar respuesta a un producto ya derramado y con la finalidad de mantenerlo dentro de un rea especfica.
Contencin (NFPA): accin ofensiva que se toma para mantener el producto que no ha escapado, dentro de su contenedor. Solo lo realizar personal entrenado.
La clave en la resolucin de
muchos incidentes estar la idea de contener un derrame o fuga de un producto qumico en un rea lo ms pequea posible o en el interior de un recipiente. Sin embargo, las tareas de contencin incluyen ciertos aspectos de prevencin:
1. Limitar la proximidad de
personas en el rea de contencin
2. Valorar si el producto es ms peligroso en grandes cantidades, o disipado en una gran superficie
3. Cuestionarnos la seguridad del rea contaminada; si cumple su funcin
La principal funcin del equipo o
brigada de emergencia ser la de minimizar los daos que puedan ocasionar las fugas tanto a las personas como al medio ambiente o equipos industriales.
Es difcil separar en este apartado, lo que se consideran gases, y lo que son vapores que desprenden ciertos lquidos. En la mayor parte de productos peligrosos en forma lquida, cuando se derraman desprenden vapores que pueden ser altamente txicos o corrosivos. As pues, nuestra primera misin ser la de minimizar el rea donde pueden afectar estos vapores o gases.
Mientras se produce una fuga, muchos productos son capaces de asociarse qumicamente con otros simplemente por el aumento de la temperatura, por accin del sol, o en contacto con el agua, dando lugar a reacciones exotrmicas y que produzcan gran cantidad de vapores. Una ignicin sbita e inesperada puede ser fatal, sea por la propia ignicin, como por los vapores resultantes de la misma que pueden ser ms txicos si cabe.
Los escapes de gas nicamente los podemos controlar y mitigar en cierta medida. stos se pueden controlar dirigindolos, diluyndolos y dispersndolos para impedir su contacto con personas entrando en edificios, o evitando que se acerquen a puntos calientes que actuaran de ignicin, mientras que simultneamente se est intentando detener el flujo de la fuga.
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MTODOS EMISIONES DE VAPOR
El agua, en sus diferentes fases,
junto con las nieblas de agua ("water spray"), resultan, en principio, efectivas en la dispersin y/o dilucin de los vapores con aire que requiere la reduccin del rigor y la severidad de los efectos de una emisin peligrosa.
No obstante, en algunos casos, estos vapores solo sern parcialmente neutralizados o absorbidos. Dilucin y dispersin de vapores
Para la dilucin y/o dispersin de un gas se precisa del empleo de algn fluido que pueda ser portador. El ms comn es el agua, que en forma finamente pulverizada o niebla (water spray) y a flujo o caudal intenso hacia la fuente de emisin y desde una posicin segura respecto a la direccin del viento, puede disolver gran parte de gas, puede abatir gran parte de la nube (solo ser efectiva contra una fraccin del vapor), y adems, por el sistema de aplicacin, siempre se da un aporte extra de aire que favorece su dispersin en la atmsfera. En el caso de gases licuados y criognicos el agua se debe aplicar siguiendo la direccin del viento para evitar que entre en contacto con el charco, lo cual provocara un aumento de la vaporizacin del producto debido al aporte de calor que proporcionaramos.
Los gases licuados no criognicos frecuentemente se evaporan tan rpidamente al contacto con el aire o tierra que no permanecen en fase lquida una vez se escapan sin formar charcos. Aunque existen excepciones; los de menor presin de vapor (Butano y Cloro) y aquellos que poseen alto calor latente de vaporizacin (amoniaco), incluso los gases de alta presin de vapor, tales como el propano pueden llegar a formar charcos si las temperaturas ambientales son muy bajas, pero son excepciones.
Los gases criognicos, por otra parte, deben obtener todo el calor
necesario para su evaporacin del contacto con el aire o el terreno, y por lo tanto, forman unos charcos caractersticos si la fuga es de duracin continuada. En tales casos, la aplicacin de un fluido en el charco aumentar el ndice de vaporizacin, provocando el efecto contrario al deseado.
Tanto los gases licuados no criognicos, como los criognicos, poseen un indicador de posicin perfectamente visible e inherente a su naturaleza. El efecto refrigerante de su vaporizacin condensa el vapor de agua del aire formando una niebla que coincide aproximadamente en toda la superficie del charco, aunque la mezcla aire-gas frecuentemente se extiende algunos metros ms de los bordes definidos por la niebla (foto inferior).
Otro aspecto a tener en cuenta es que los vapores de un gas licuado siempre son ms densos que el aire debido a las bajas temperaturas en que se encuentran y a la condensacin de la humedad ambiental, por lo tanto se extendern a baja altura durante bastante distancia en direccin del viento, hasta que su temperatura llegue a la ambiental, momento en el cual depender de la densidad propia del gas. Si es ms ligero que el aire ascender, si no se mantendr a nivel del suelo. Inconvenientes El agua no es siempre la solucin para todo, a nosotros como bomberos quizs nos cueste entenderlo pero a veces es ms perjudicial que beneficiosa. Por eso
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debemos tener muy claro qu producto fuga y otras circunstancias de la emergencia. En incidentes que involucran una grave amenaza para la vida como por ejemplo accidentados con riesgo de afectacin por la emisin txica, viviendas cercanas, centro de ancianos sin posibilidad de evacuacin, etc., rociar agua para dispersar los vapores siempre ser la mejor opcin. Si, por otro lado, el escape tiene lugar en un rea remota lejos de la poblacin, rociar agua para la dispersin no siempre ser la mejor opcin. Para ser eficaz, el producto debe ser hidrosoluble o la nube de vapor debe ser capaz de ser movida por los chorros de agua. Otras veces, el uso de agua puede generar que una emisin que por su naturaleza ascendera y se disipara en el ambiente hara lo contrario, con lo que lo tendramos a ras del suelo.
Los principales inconvenientes de la dilucin con un fluido portador, es que el fluido contiene una parte del producto, y que al caer en el suelo estamos contaminando todo lo que entre en contacto con l. Aunque este hecho en la industria est en gran parte controlado por la red de canalizaciones de agua, arquetas y balsas, con lo que se podra contener y/o neutralizar luego. Otro aspecto importante a tener en cuenta es que algunos gases reaccionan qumicamente con el agua. Un ejemplo es el cloro, que en contacto con el agua, por reaccin qumica se forma cido clorhdrico, que lo tendremos en el suelo, incluso luego podra reaccionar con algunos metales liberando hidrgeno. El amonaco reacciona formando hidrxido de amonio, un lquido extremadamente corrosivo que requerir contencin u limpieza. El gas natural, el propano, el cloro y el dixido de azufre no son solubles en agua y el uso de vapor de agua simplemente traslada los vapores a otra zona. Cortinas de agua (confinamiento)
Las cortinas de agua se utilizan, fundamentalmente, con el fin de separar
los gases y vapores emitidos, de las personas y fuentes de ignicin, as como para confinar la nube. No obstante, las cortinas de agua tambin generan el efecto "water spray".
La cortina de agua, que diluye los vapores merced al aire en ella ocluido, resulta solo parcialmente efectiva cuando se trata de vapores no solubles en agua. La nube puede ser diluida por la accin de la cortina pero los efectos de sta, a medida que el vapor se va alejando de su fuente de emisin, van mermando.
El empleo de sistemas de rociadores de agua en las reas de almacenamiento de gases licuados txicos puede tener funciones de seguridad diferentes. De un lado, la instalacin de cortinas de agua a lo largo del permetro de las reas de almacenamiento, especialmente en instalaciones al aire libre y en los supuestos de que el gas txico sea soluble en agua y no genere reacciones peligrosas, puede ser un sistema para controlar parcialmente las fugas, minimizando as la cantidad de gas liberado (figura 6).
Fig.6 Cortinas de agua perimetrales.
Es evidente que esta medida debe
ser acompaada con otras medidas de seguridad, entre las que procede citar el posible trasvase de lquido desde el depsito afectado a otro de reserva.
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De otra parte, dado que algunos
gases txicos pueden ser asimismo
inflamables o encontrarse a distancias
relativamente prximas a zonas con riesgo
de incendio, es conveniente proteger
frente a la radiacin trmica, aquellos
depsitos, compresores, bombas, hornos,
etc. que puedan verse afectados. En tales
circunstancias, estos elementos habran de
protegerse con sistemas de rociadores o
pantallas fijas o mviles de agua.
DERRAMES LQUIDOS
Introduccin
Habr que considerar los riesgos
adicionales como combustibilidad,
reactividad con el agua, posibilidad de
reaccin espontnea, etc.
Recordar que los riesgos
principales son:
La emisin de vapores txicos.
Depender de su presin de vapor,
y de la superficie del derrame. Hay
que tener en cuenta que la
reaccin del lquido con el terreno
o con otros productos podra
generar gases a pesar de que su
presin de vapor fuera reducida.
La penetracin en el terreno,
alcance de cursos de agua o
recorrido de arquetas y cunetas
desnudas. En la industria lo ms
probable ser esta ltima
posibilidad.
En general, y teniendo en cuenta la
direccin y velocidad del viento, 50 metros
de distancia de intervencin ser
suficiente, pero habra que aumentarla en
funcin de si sus vapores son muy txicos,
el derrame es muy grande y su presin de
vapor es muy alta.
Las acciones principales sern:
Rescate de posibles vctimas. Si no
vamos a entrar en contacto directo
con el producto o con altas
concentraciones de vapor, el Nivel
1 (ropa normal de intervencin de
bombero con ERA) de proteccin
ser suficiente. En caso contrario
se recomienda el Nivel 3 (traje
hermtico, encapsulado o antigs)
Nivel 3, traje hermtico.
Acciones defensivas: confinamiento
del derrame. Accin prioritaria
(despus del rescate de vctimas)
para limitar las consecuencias del
siniestro. Para ello se puede utilizar
material especfico (barreras
flotantes, canaletas y bandejas de
recogida, depsitos plegables, etc.,
o materiales habituales o del
entorno (palas, toldos, mangueras,
tierra, etc.)
Acciones ofensivas: contencin del
derrame. Accin para cesar el
vertido y que no siga fugando, se
realiza tapando y obturando si son
perforaciones de una tubera o
depsito o reapretando bridas en
el caso que fuguen. La realiza
personal entrenado y con equipos
improvisados o especficos.
Tambin existe la posibilidad
mediante vlvulas de
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seccionamiento, manuales o
mecanizadas, pero aun as a veces
tardan en hacer efecto y mientras
se vaca la lnea o tubera producen
una fuga considerable.
Fuga en lnea. Se aprecia tambin una vlvula y una
bomba. Elementos que servirn para cesar la fuga.
Dilucin
El agua es un agente de gran
efectividad cuando se trata de derrames de
materia miscible o soluble en ella. Sin
embargo, cuando el calor generado es alto,
el uso de agua puede incrementar la
vaporizacin, precisndose grandes
cantidades de este elemento que es
preciso aplicar rpidamente. Esta
circunstancia, unida a otros
inconvenientes, hace que sean ms
recomendables las cubriciones con
elementos no reactivos.
Neutralizacin
La neutralizacin exige valores
mucho mayores que los que demandan las
relaciones estequiomtricas, a fin de evitar
agravar los riesgos de las emisiones de
vapor. Para derrames cidos, se recurre a
materiales como la caliza o cenizas de sosa
(la sosa custica origina riesgo de
corrosividad).
Resulta frecuente el uso de equipos de
extincin de incendios para aplicar a
distancia y contra derrames cidos o
material custico, agentes neutralizantes y
solidificantes. Una proporcin aconsejable
es emplear dos partes de agente por cada
parte de cido o base derramada.
Supresin de vapores Un derrame de producto txico puede requerir supresin de vapores, sobre todo si tambin es inflamable. Se puede llevar a cabo mediante la utilizacin de una manta de plstico, o una capa de espuma compatible con el producto, sta debera ser de tipo AFFF, de baja expansin y en una proporcin del 6%, adems se debe aplicar de forma generosa siguiendo las tcnicas de aplicacin. Ambas, reducirn la produccin de vapores del producto, no obstante, la espuma requerir de una inspeccin frecuente para asegurar que no se ha deteriorado y que los vapores continan controlados segn lo planeado. Los productos derramados pueden ser retirados por un camin de vaco o por una bomba neumtica de trasiego. FUGA DE GAS EN FASE LQUIDA
El gas licuado que escapa y se
derrama normalmente est a una
temperatura superior a su temperatura de
ebullicin a presin atmosfrica, de ah su
nombre de lquido sobrecalentado.
Al producirse la prdida de contencin, el
gas licuado sufre un descenso sbito de su
presin de almacenamiento hasta la
presin atmosfrica. Esto da lugar a una
evaporacin sbita, tambin llamada
evaporacin flash, que al mismo tiempo
puede arrastrar una cantidad considerable
de lquido en forma de aerosol (pequeas
gotas). Una parte de esas gotas puede
volver a caer al suelo en forma de lluvia
(rain out) debido al enfriamiento y
condensacin y otra parte se evaporar a
causa de la absorcin de calor procedente
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del aire ambiente que se mezcla con la
emisin de fluido.
La parte de gas licuado restante
forma un charco de lquido en el suelo que
est a una temperatura igual a la de
ebullicin la cual es muy baja con respecto
a la temperatura del suelo. Si el derrame es
de poca magnitud, la evaporacin del
charco es muy rpida y todo el gas licuado
se incorpora a la atmsfera en muy poco
tiempo. En derrames importantes, tras la
rpida evaporacin inicial, el suelo
(substrato) sufre un enfriamiento
suficiente para que la subsiguiente
evaporacin del charco transcurra de
forma menos rpida.
En el caso de un gas licuado a
presin con fuga por un punto del depsito
o recipiente inferior a la superficie del
lquido (fase lquida) ser prioritario reducir
o contener la fuga. Hay que tener en
cuenta que el lquido al perder presin o
ganar temperatura y vaporizarse puede
aumentar su volumen entre 200 y 700
veces, as un pequeo derrame puede
convertirse en una gran fuga de gas. Si el
recipiente lo permite lo podemos voltear
para que el orificio de salida quede en la
fase gaseosa del producto contenido. En
general la presin y el caudal de fuga en
fase lquida ser constante y solo
depender de la presin de vapor y de la
temperatura del producto.
Relicuefaccin Un mtodo de control de fuga de un gas licuado en fase lquida es la maniobra de relicuefaccin. Esta consiste en recoger mediante una manguera, tubera o embudo de lona el flujo del lquido o aerosol y conseguir que por enfriamiento (generado por la propia vaporizacin de parte del lquido) y
condensacin en la superficie del conducto recupere o conserve su estado lquido, canalizndolo hasta una zona de almacenamiento, desde donde se proceder a su control y trasvase.
FUENTES BSICAS RECOMENDABLES DE
INFORMACIN SOBRE PRODUCTOS
Para la intervencin en incidentes
con presencia de materias peligrosas de
cualquier naturaleza, tanto en industria
como en transporte de mercancas
peligrosas en vas pblicas, es muy
recomendable, imprescindible dira yo, una
fuente de informacin de productos y
fichas tcnicas de intervencin. Aqu
podremos consultar a pie del siniestro las
caractersticas del compuesto o materia
involucrada en el mismo. Rpida
identificacin de peligros especficos,
propiedades fsico-qumicas, modo de
actuacin, distancias en las zonas de
aislamiento y proteccin, proteccin
personal requerida, etc.
A modo de ejemplos podra citar la
conocida Gua de Respuesta en
Emergencias (CANUTEC), fue desarrollada
en forma conjunta entre el Departamento
de Transporte de Canad (TC), el
Departamento de Transporte de Estados
Unidos (U.S. DOT), la Secretara de
Comunicaciones y Transportes de Mxico
(SCT), y el Centro de Informacin Qumica
para Emergencias (CIQUIME) de Argentina.
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Otra fuente es el libro de bolsillo
del NIOSH (Instituto Nacional para la Salud
y la Seguridad Ocupacional), es
normalmente consultado por higienistas
industriales, con el fin de proteger a los
empleados de sus plantas contra la
exposicin peligrosa a productos qumicos.
Este libro de bolsillo no abarca un gran
nmero de qumicos, pero incluye
informacin muy extensa sobre los
qumicos que describe.
Aparecen ordenados
alfabticamente por nombre del producto,
con informacin asociada a tiempos
mximos de exposicin, propiedades
qumicas, formulas, rutas de exposicin,
etc. La informacin es fcil de leer, no
obstante, el libro usa muchas abreviaturas
para caractersticas fsico-qumicas,
equipos de proteccin personal y peligros
para la salud.
Informacin que provee:
A. Limites de Exposicin Personal
B. Propiedades qumicas y fsicas de los
productos qumicos
C. Frmulas.
D. Equipos de Proteccin Personal
E. Rutas de exposicin
F. Reactividad, etc.
Software
Los programas informticos
tambin son una excelente ayuda para los
equipos de emergencias en este tipo de
intervenciones. As pues, el mando o
responsable de coordinar las actuaciones
podr obtener e interpretar abundante
informacin avanzada de forma rpida a
travs del uso de recursos informticos.
Para ello es imprescindible contar
con un ordenador porttil, tableta o mvil
4G. Estos recursos son extremadamente
prcticos ya que pueden ser llevados
directamente al lugar de la emergencia.
Estas fuentes de informacin no son
completamente fiables y pueden contener
errores, no obstante, son mucho ms
fiables y completas que muchas fuentes de
informacin escritas.
Existen muchos tipos de programas
y con diversas funciones: dispersin de
nubes de gas, zonificacin del lugar de la
emergencia, neutralizacin de cidos,
fuentes de datos de productos, etc.
Algunos de los ms conocidos son:
NEUTRACID
SPILL CALC
CAMEO
WISER
HAZMASTER G3
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A MODO DE CONCLUSIN...
Este tipo de intervenciones, con
presencia de materias o mercancas
peligrosas, son complejas. Es un mbito
especfico que requiere estudio,
conocimientos, formacin y
entrenamiento. No hay que olvidar que en
general y en cualquier tipo de intervencin,
el sentido comn es lo que debe primar. A
veces se nos olvida.
Francisco Javier Andrs
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Referencias consultadas
NTP 362: Fugas en recipientes y conducciones: emisin en fase lquida.
(Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales, Instituto Nacional de Seguridad e
Higiene en el Trabajo)
NTP 363: Prevencin de fugas en instalaciones (I): seguridad en proyecto (Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales, Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo)
NTP 338: Control de fugas en almacenamientos de gases licuados txicos (II)
(Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales, Instituto Nacional de Seguridad e
Higiene en el Trabajo)
NTP 329: Modelos de dispersin de gases y/o vapores en la atmsfera: fuentes puntuales continuas (Ministerio de Trabajo y Asuntos Sociales, Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo)
Curso Avanzado de Intervencin en Incidentes con Materias Peligrosas
(Gobierno Vasco, Departamento de Interior, Servicio Central de Publicaciones)
Curso Tcnico en Intervencin con Materias Peligrosas, niveles de
entrenamiento OSHA y NFPA (Escuela Andaluza de Tcnicos de Emergencias)
El Libro del Bombero Profesional, Editorial; Videotraining. Autor: Fernando
Bermejo Martn
Zonas de planificacin para accidentes graves de tipo txico, (en el mbito del Real Decreto 1254/99 (Seveso II). Departamento de ingeniera qumica universidad de Murcia Direccin General de Proteccin Civil Ministerio del Interior
Materiales Peligrosos Incidentes, 2 Edicin. Autor: Chris Hawley
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