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Seguridad del hidrógeno

El desastre de Hindenburg es un ejemplo de una gran explosión de hidrógeno.

La seguridad del hidrógeno cubre la producción, manipulación y uso seguro del hidrógeno , en particular el combustible gaseoso y el hidrógeno líquido . El hidrógeno posee la calificación más alta de cuatro en la escala de inflamabilidad de la NFPA 704 porque es inflamable cuando se mezcla incluso en pequeñas cantidades con aire común. La ignición puede ocurrir con una proporción volumétrica de hidrógeno a aire tan baja como 4% debido al oxígeno en el aire y la simplicidad y propiedades químicas de la reacción. Sin embargo, el hidrógeno no tiene clasificación de riesgo innato de reactividad o toxicidad . El almacenamiento y uso de hidrógeno plantea desafíos únicos debido a su facilidad de fuga como combustible gaseoso , ignición de baja energía , amplia gama de mezclas combustibles de combustible y aire, flotabilidad y su capacidad para fragilizar metales que deben tenerse en cuenta para garantizar la seguridad. operación. [1]

El hidrógeno líquido plantea desafíos adicionales debido a su mayor densidad y las temperaturas extremadamente bajas necesarias para mantenerlo en forma líquida. Además, su demanda y uso en la industria (como combustible para cohetes, fuente alternativa de almacenamiento de energía , refrigerante para generadores eléctricos en centrales eléctricas , materia prima en procesos industriales y químicos, incluida la producción de amoníaco y metanol , etc.) ha seguido aumentando, lo que ha seguido aumentando. condujo a una mayor importancia de las consideraciones sobre los protocolos de seguridad en la producción, almacenamiento, transferencia y uso de hidrógeno. [1]

El hidrógeno tiene uno de los rangos de mezcla explosiva/ignición más amplios con aire de todos los gases, con pocas excepciones como acetileno , silano y óxido de etileno , y en términos de energía de ignición mínima necesaria y proporciones de mezcla tiene requisitos extremadamente bajos para que ocurra una explosión. . Esto significa que cualquiera que sea la proporción de mezcla entre aire e hidrógeno, cuando se enciende en un espacio cerrado una fuga de hidrógeno probablemente provocará una explosión, no una simple llama. [2]

Existen muchos códigos y normas sobre la seguridad del hidrógeno en el almacenamiento, transporte y uso. Estos van desde regulaciones federales, [3] ANSI/AIAA, [4] NFPA, [5] e ISO [6] . El Programa Canadiense de Seguridad del Hidrógeno concluyó que el abastecimiento de hidrógeno es tan seguro o más seguro que el abastecimiento de gas natural comprimido (GNC), [7]

Prevención

Hay una serie de elementos a considerar para ayudar a diseñar sistemas y procedimientos para evitar accidentes al tratar con hidrógeno, ya que uno de los principales peligros del hidrógeno es que es extremadamente inflamable . [10]

Inertización y purga

Las cámaras de inertización y las líneas de purga de gas son procedimientos de seguridad estándar importantes que se deben seguir al transferir hidrógeno. Para inertizar o purgar adecuadamente hay que tener en cuenta los límites de inflamabilidad , y los del hidrógeno son muy diferentes a otros tipos de gases. A presión atmosférica normal es del 4% al 75%, basado en el porcentaje en volumen de hidrógeno en oxígeno es del 4% al 94%, mientras que los límites del potencial de detonación del hidrógeno en el aire son del 18,3% al 59% en volumen. [1] [11] [12] [13] [14] De hecho, estos límites de inflamabilidad a menudo pueden ser más estrictos que esto, ya que la turbulencia durante un incendio puede provocar una deflagración que puede generar detonación . A modo de comparación, el límite de deflagración de la gasolina en el aire es del 1,4 al 7,6%, y del acetileno en el aire, [15] del 2,5 al 82%.

Por lo tanto, cuando el equipo está abierto al aire antes o después de una transferencia de hidrógeno, hay que tener en cuenta condiciones únicas que, de otro modo, podrían haber sido seguras al transferir otros tipos de gases. Se han producido incidentes porque la inertización o la purga no fueron suficientes, o porque se subestimó la introducción de aire en el equipo (p. ej. al añadir polvos), lo que provocó una explosión. [16] Por esta razón, los procedimientos y equipos de inertización o purga son a menudo exclusivos del hidrógeno y, a menudo, los accesorios o marcas en una línea de hidrógeno deben ser completamente diferentes para garantizar que este y otros procesos se sigan correctamente, ya que muchas explosiones han ocurrido simplemente porque una línea de hidrógeno se conectó accidentalmente a una línea principal o porque la línea de hidrógeno se confundió con otra. [17] [18] [19]

Gestión de fuentes de ignición

La energía mínima de ignición del hidrógeno en el aire es una de las más bajas entre las sustancias conocidas: 0,02 mJ, y las mezclas de hidrógeno y aire pueden encenderse con 1/10 del esfuerzo de encender mezclas de gasolina y aire. [1] [11] Debido a esto, cualquier posible fuente de ignición debe ser examinada minuciosamente. Cualquier dispositivo eléctrico, conexión o conexión a tierra debe cumplir con los requisitos de clasificación de áreas peligrosas aplicables . [20] [21] Cualquier fuente potencial (como algunos diseños de sistemas de ventilación [22] ) de acumulación de electricidad estática también debe minimizarse, por ejemplo, mediante dispositivos antiestáticos . [23]

Los procedimientos de trabajo en caliente deben ser sólidos, integrales y bien aplicados; y deberán purgar y ventilar las zonas altas y tomar muestras de la atmósfera antes de trabajar. Los equipos montados en el techo también deben cumplir con los requisitos para áreas peligrosas (NFPA 497). [16] Finalmente, los discos de ruptura no deben usarse ya que han sido una fuente de ignición común para múltiples explosiones e incendios. En su lugar , se deben utilizar otros sistemas de alivio de presión, como una válvula de alivio . [24] [25]

Integridad mecánica y química reactiva.

Hay cuatro propiedades químicas principales a tener en cuenta cuando se trata de hidrógeno que puede entrar en contacto con otros materiales incluso en presiones y temperaturas atmosféricas normales:

Estos cuatro factores se consideran durante el diseño inicial de un sistema que utiliza hidrógeno y, por lo general, se logra limitando el contacto entre los metales susceptibles y el hidrógeno, ya sea mediante espaciamiento, galvanoplastia, limpieza de superficies, elección de materiales y control de calidad durante la fabricación, soldadura. , e instalación. De lo contrario, los daños por hidrógeno pueden gestionarse y detectarse mediante equipos de seguimiento especializados. [34] [16]

Sistemas de detección de fugas y llamas.

La ubicación de las fuentes y tuberías de hidrógeno debe elegirse con cuidado. Dado que el hidrógeno es un gas más ligero que el aire, se acumula debajo de los techos y voladizos (normalmente denominados sitios de captura ), donde genera peligro de explosión. [14] Muchas personas están familiarizadas con la protección de las plantas de vapores más pesados ​​que el aire, pero no están familiarizadas con "mirar hacia arriba" y, por lo tanto, es de particular interés. [33] También puede ingresar a las tuberías y seguirlas hasta sus destinos. Debido a esto, las tuberías de hidrógeno deben estar bien etiquetadas y ubicadas encima de otras tuberías para evitar que esto ocurra. [10] [16]

Incluso con un diseño adecuado, las fugas de hidrógeno pueden favorecer la combustión a caudales muy bajos, tan solo 4 microgramos/s. [1] [35] [12] Para ello, la detección es importante. Los sensores de hidrógeno o un catarómetro permiten una detección rápida de fugas de hidrógeno para garantizar que se pueda ventilar el hidrógeno y localizar la fuente de la fuga. Alrededor de ciertas tuberías o lugares se pueden agregar cintas especiales para detectar hidrógeno. Un método tradicional es agregar un odorante de hidrógeno al gas, como es común con el gas natural. En las aplicaciones de pilas de combustible, estos olores pueden contaminar las pilas de combustible, pero los investigadores están investigando otros métodos que podrían usarse para la detección de hidrógeno: trazadores, nueva tecnología de olores, sensores avanzados y otros. [1]

Si bien las llamas de hidrógeno pueden ser difíciles de ver a simple vista (pueden tener la llamada "llama invisible"), aparecen fácilmente en los detectores de llamas UV/IR . Más recientemente se han desarrollado detectores Multi IR, que tienen una detección aún más rápida en llamas de hidrógeno. [36] [37] Esto es muy importante en la lucha contra incendios de hidrógeno, ya que el método preferido para combatir un incendio es detener la fuente de la fuga, ya que en ciertos casos (es decir, hidrógeno criogénico) rociar la fuente directamente con agua puede causar formación de hielo. , lo que a su vez puede provocar una ruptura secundaria. [38] [33]

Ventilación y quema

Aparte de los problemas de inflamabilidad, en espacios cerrados, el hidrógeno también puede actuar como gas asfixiante . [1] Por lo tanto, uno debe asegurarse de tener una ventilación adecuada para abordar ambos problemas en caso de que surjan, ya que generalmente es seguro simplemente ventilar hidrógeno a la atmósfera. Sin embargo, al colocar y diseñar dichos sistemas de ventilación, hay que tener en cuenta que el hidrógeno tenderá a acumularse hacia los techos y las cimas de las estructuras, en lugar de hacia el suelo. Muchos peligros pueden mitigarse por el hecho de que el hidrógeno se eleva rápidamente y a menudo se dispersa antes de la ignición. [39] [16]

En determinadas situaciones de emergencia o mantenimiento, también se puede quemar hidrógeno . [40] [14] Por ejemplo, una característica de seguridad en algunos vehículos impulsados ​​por hidrógeno es que pueden quemar el combustible si el tanque se incendia, quemándose por completo con poco daño al vehículo, en contraste con el resultado esperado en un vehículo propulsado por gasolina. [41]

Gestión de inventario y espacio entre instalaciones.

Lo ideal sería que no se produjera ningún incendio o explosión, pero la instalación debería diseñarse de manera que, si se produce una ignición accidental, se minimicen los daños adicionales. Se deben considerar distancias mínimas de separación entre unidades de almacenamiento de hidrógeno, junto con la presión de dichas unidades de almacenamiento (cf. NFPA 2 y 55). La ventilación de explosiones debe disponerse de manera que otras partes de la instalación no resulten dañadas. En determinadas situaciones, esto se traduce en un techo que puede volar de forma segura del resto de la estructura en caso de explosión. [dieciséis]

criogénica

El hidrógeno líquido tiene una química ligeramente diferente en comparación con otros productos químicos criogénicos , ya que las trazas de aire acumuladas pueden contaminar fácilmente el hidrógeno líquido y formar una mezcla inestable con capacidades detonantes similares al TNT y otros materiales altamente explosivos. Por esta razón, el hidrógeno líquido requiere una tecnología de almacenamiento compleja, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere un manejo especial, común a todas las sustancias criogénicas . Esto es similar al oxígeno líquido , pero más grave . Incluso en contenedores con aislamiento térmico es difícil mantener una temperatura tan baja y el hidrógeno se irá perdiendo gradualmente. Normalmente se evaporará a una tasa del 1% por día. [1] [42]

El principal peligro del hidrógeno criogénico es lo que se conoce como BLEVE (explosión de vapor en expansión de líquido en ebullición). Debido a que el hidrógeno es gaseoso en condiciones atmosféricas, el rápido cambio de fase junto con la energía de detonación se combinan para crear una situación más peligrosa. [43] Un peligro secundario es el hecho de que muchos materiales pasan de ser dúctiles a quebradizos a temperaturas extremadamente frías, lo que permite que se formen nuevos lugares para las fugas. [14]

Factores humanos

Junto con la capacitación tradicional en seguridad laboral, a menudo se implementan listas de verificación para ayudar a prevenir pasos que comúnmente se saltan (por ejemplo, probar puntos altos en el área de trabajo), junto con instrucciones sobre los peligros situacionales inherentes al trabajo con hidrógeno. [16] [44]

Incidentes

Códigos y estándares de hidrógeno

Existen muchos códigos y estándares de hidrógeno para vehículos con celdas de combustible de hidrógeno , aplicaciones de celdas de combustible estacionarias y aplicaciones de celdas de combustible portátiles . Además de los códigos y normas para los productos de tecnología del hidrógeno , existen códigos y normas para la seguridad del hidrógeno, para su manipulación segura [101] y para su almacenamiento . Lo que sigue es una lista de algunos de los principales códigos y normas que regulan el hidrógeno:

Pautas

La norma ANSI / AIAA actual para pautas de seguridad del hidrógeno es AIAA G-095-2004, Guía para la seguridad del hidrógeno y los sistemas de hidrógeno. [105] Como la NASA ha sido uno de los mayores usuarios de hidrógeno del mundo, esto evolucionó a partir de las directrices anteriores de la NASA, NSS 1740.16 (8719.16). [14] Estos documentos cubren tanto los riesgos que plantea el hidrógeno en sus diferentes formas como cómo mejorarlos. La NASA también hace referencia a la Norma de seguridad para el hidrógeno y los sistemas de hidrógeno [106] y al Libro de consulta para aplicaciones del hidrógeno. [107] [102]

Otra organización responsable de las pautas de seguridad del hidrógeno es la Asociación de Gas Comprimido (CGA), que tiene una serie de referencias propias que cubren el almacenamiento general de hidrógeno, [108] tuberías, [109] y ventilación. [110] [102]

Ver también

Referencias

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