Classificação de Eventos de Segurança de Processo (PSE – Process Safety Event) através do cálculo de taxa de descarga usando fluidodinâmica computacional (CFD – Computacional Fluid Dynamics)

Tendo em vista os acidentes recorrentes de vazamento de gás em processos industriais, nos quais ocorreram perda de vidas e sérias consequências ecológicas, surge a necessidade de prover informações mais precisas para análise de risco. Como alternativa, vem sendo utilizada a fluidodinâmica computacional (CFD), que tem capacidade de simular situações que seriam onerosas de serem realizadas experimentalmente. Dentre as ferramentas de CFD existentes, destaca-se o OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation), por ser um software de código aberto e livre, podendo ser utilizado tanto em aplicações acadêmicas quanto comerciais.

Nos últimos anos, as técnicas de CFD também têm sido amplamente utilizadas nos estudos de liberações de gás de alta pressão devido à disponibilidade de recursos de computação aprimorados.

Em todo processo industrial há um potencial de risco. Para gerenciar apropriadamente os riscos, é imprescindível estimá-los e analisá-los corretamente. Todo acidente envolvendo fluido pressurizado começa com um incidente, que geralmente consiste em perda de material devido a algum tipo de ruptura, quebra ou orifício nos tanques e tubulações do processo.

Os acidentes podem ser classificados em escala que, por sua vez, representa o nível de consequência. Na figura abaixo pode-se observar a pirâmide com as quatro métricas de indicadores de acordo com a API 754: Tier 1, 2, 3 e 4. O Tier 1 é o indicador que está associado a consequências mais severas e possui caráter corretivo, enquanto o Tier 4 é um indicador com caráter mais preditivo e está associado a pequenas consequências no processo.

Figura 1 - Pirâmide de eventos de Segurança de Processo (API 754)

Essa classificação de tier (camada) pode se dar, basicamente, em função de três critérios: quantidade de pessoas prejudicas (mortas, lesionadas ou feridas), quantidade do fluido vazada e gastos econômicos. O mais crítico desses três critérios será o responsável por justificar a classificação do incidente.

Com o intuito de trabalhar de forma mais assertiva na classificação de eventos quanto à quantidade vazada (caráter preventivo), faz-se de extrema importância que as ferramentas disponíveis simulem a condição mais próxima da realidade.

Uma das grandes dificuldades para o cálculo de taxa de descarga é aproximar a geometria do vazamento real. Um artifício que se usa com muita frequência é o diâmetro equivalente, uma vez que as equações analíticas propostas e muitos softwares comerciais usam como base um diâmetro de orifício para o cálculo da área. Na tabela a seguir são exibidos 3 exemplos de geometrias de vazamentos.

Outro fator que deve ser fornecido para o cálculo de vazamento é o coeficiente de descarga. Algumas diretrizes são sugeridas para determinar ou estimar esse parâmetro:

• Para geometrias pontiagudas e Reynolds maiores que 30000, o coeficiente de descarga se aproxima de 0,61. Para essas condições, a velocidade de saída é independente do tamanho do orifício;
• Para geometrias arredondadas, o valor do coeficiente de descarga se aproxima da unidade;
• Para pequenos trechos de tubulação (ligados a vasos) com uma razão entre comprimento e raio menor que 3, o coeficiente de descarga é aproximadamente 0,81;
• Para casos em que o coeficiente de descarga é desconhecido, considera-se o valor de 1, pois nesse caso a taxa de descarga será maximizada e, porta tanto, o resultado será mais conservativo;

Aproximações também são feitas para o comportamento de gases quanto a idealidade. Como observa-se na figura abaixo, no intervalo entre 20 e 500 bar e algumas faixas de temperatura, o eteno comporta-se de forma não ideal (Z≠1) e, portanto, a consideração equação de gás ideal pode subestimar a taxa de descarga de um determinado vazamento.

Figura 2 - Variação do coeficiente de compressibilidade do gás eteno de acordo com a pressão e temperatura

Sendo assim, com o uso do OpenFOAM como ferramenta base para cálculo de taxa de descarga de vazamentos, deseja-se:

• Tornar mais robusto o cálculo de taxa de descarga de gases de forma a considerar a geometria real do vazamento e o comportamento do gás (ideal ou real) classificando de forma mais assertiva um vazamento;
• Comparar vazamentos de gases na condição real e ideal;
• Incentivar a fluidodinâmica computacional (CFD), através de uma ferramenta de código aberto (OpenFOAM), para cálculo o cálculo de taxa de descarga;
• Difundir o conceito de classificação de eventos de segurança de processo (API 754) como ferramenta de prevenção através do uso de CFD;