ANÁLISE QUANTITATIVA DE RISCO: APLICAÇÃO EM UMA UNIDADE DE HIDROCRAQUEAMENTO CATALÍTICO DE UMA REFINARIA DE PETRÓLEO

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1 XXX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Maturidade e desafios da Engenharia de Produção: competitividade das empresas, condições de trabalho, meio ambiente. São Carlos, SP, Brasil, 12 a15 de outubro de ANÁLISE QUANTITATIVA DE RISCO: APLICAÇÃO EM UMA UNIDADE DE HIDROCRAQUEAMENTO CATALÍTICO DE UMA REFINARIA DE PETRÓLEO Marilia Abílio Ramos (UFPE) marilia.aramos@gmail.com Enrique López Droguett (UFPE) ealopez@ufpe.br Paulo Estevão L. de Oliveira (UFPE) paestevao@hotmail.com Com a crescente demanda por combustíveis de qualidade e desenvolvimento tecnológico, o refino de petróleo vem se aprimorando nas últimas décadas. O Hidrocraqueamento Catalítico é um processo de refino relativamente recente, e busca atender às demandas tecnológicas e ambientais. Entretanto, a unidade opera na presença de altas vazões de Hidrogênio e a altas pressões nos equipamentos, constituindo um risco para as comunidades circunvizinhas à refinaria. Nesse contexto, se faz muito importante a Análise Quantitativa de Risco da unidade.a Análise Quantitativa de Risco - AQR - permite identificar as possíveis fontes de perigo e quantificar suas consequências. Nesse sentido, o presente trabalho aplicou a metodologia de AQR em uma unidade de Hidrocraqueamento Catalítico, buscando obter os alcances de vulnerabilidade no caso de liberações de grandes quantidades de substâncias inflamáveis, quantificando o risco ao qual estariam expostas as comunidades circunvizinhas ao empreendimento em caso de acidente na unidade.foram identificados qualitativamente os possíveis cenários acidentais da unidade através da Análise Preliminar de Risco, e quantificados os efeitos daqueles de maior criticidade.calculou-se os alcances de vulnerabilidade para os efeitos de Incêndio em Poça, Incêndio em Nuvem e Explosão em Nuvem através do software EFFECTS, e os resultados obtidos mostraram que os alcances de vulnerabilidade não ultrapassariam os limites do empreendimento, de forma que as comunidades circunvizinhas à refinaria não sofreriam fatalidade no caso de um acidente na unidade de Hidrocraqueamento Catalítico. Palavras-chaves: análise de risco, refinaria de petróleo, quantificação de risco

2 1. Introdução O petróleo é uma das principais fontes de energia utilizadas pela humanidade, e seus derivados, além de fornecer energia, são matérias-primas para manufatura de inúmeros bens de consumo. De forma a atender à crescente demanda quali e quantitativa de derivados de petróleo, o processo de refino vem sofrendo modificações e melhoramentos constantes, e dentre os processos de tecnologia mais recente está o Hidrocraqueamento Catalítico processo de conversão do petróleo que visa à quebra de suas moléculas fazendo uso de um catalisador e de altas vazões de hidrogênio, em condições críticas de temperatura e pressão (SPEIGHT, 2006). A vantagem do Hidrocraqueamento Catalítico é a formação de produtos de alta qualidade e com baixa fração de poluentes, satisfazendo ambas as demandas tecnológica e ambiental (SCHERZER & GRUIA, 1996). Entretanto, devido às elevadas temperaturas e pressões envolvidas no processo, a operação da unidade implica na exposição a riscos tanto para o pessoal interno como para as comunidades circunvizinhas ao empreendimento, sendo a consideração do risco essencial a este tipo de atividade. De acordo com Glickman et al. (1992) apud Souza & Freitas (2002), as refinarias tiveram os maiores índices de acidentes graves em indústrias de processos químicos no mundo, entre 1945 e 1989, com cinco ou mais óbitos. Os acidentes de refinaria correspondem a 27% do total de eventos e 15% do total de vítimas. Através de uma Análise Quantitativa de Risco - AQR pode-se identificar e quantificar os possíveis riscos de operação de uma refinaria aos indivíduos, aos equipamentos e ao meio-ambiente O presente trabalho tem como objetivo realizar uma Análise Quantitativa de Riscos em uma unidade de Hidrocraqueamento Catalítico de forma a avaliar o nível de risco ao qual estão expostas as comunidades circunvizinhas à refinaria. O estudo tomou como base a unidade de Hidrocraqueamento Catalítico da Refinaria PREMIUM-I, a ser construída no estado do Maranhão. Os dados necessários para realização do estudo como informações sobre a região em que será instalada a Refinaria Premium-I e as características do empreendimento e do processo foram obtidos no Estudo de Impacto Ambiental/Relatório de Impacto Ambiental da Refinaria Premium-I, disponível na Secretaria do Meio Ambiente do Estado do Maranhão (SEMA). 2. Metodologia da Análise Quantitativa de Risco De acordo com a AIChE (2000), risco é uma combinação de evento, probabilidade e conseqüências: uma medida de conseqüências a humanos e ao meio ambiente e de perdas econômicas em termos da probabilidade do acidente e a magnitude das conseqüências. A Análise Quantitativa de Risco fornece uma ferramenta para quantificação do risco e análise das estratégias para sua redução. O Estudo de Análise de Risco é constituído por cinco etapas (CETESB, 2003): a) Caracterização do sistema a analisar; b) Identificação dos riscos e consolidação dos cenários acidentais; c) Estimativa das freqüências de ocorrência dos acidentes; d) Estimativa das conseqüências dos acidentes cálculo de vulnerabilidade; e) Estimativa e avaliação de riscos. Estas etapas estão brevemente descritas a seguir. 2

3 2.1 Caracterização do sistema a analisar Nesta etapa são estabelecidos os limites do estudo, com definição das fronteiras, objetivos e escopo, além da caracterização do empreendimento quando à localização, processos realizados, substâncias químicas presentes, características climáticas e meteorológicas da região, entre outros. 2.2 Identificação dos perigos e consolidação dos cenários acidentais A identificação de perigos é uma etapa qualitativa da análise de risco, e objetiva identificar todos os eventos iniciadores de incidentes, com consolidação dos cenários acidentais e uma hierarquização dos riscos associados. A Análise Preliminar de Risco (APR) é uma das técnicas mais comuns de identificação de perigos. Uma APR deve conter o perigo, a causa associada, os efeitos físicos, a categoria de severidade e observações e recomendações, de acordo com a CETESB (2003), podendo ainda conter outras informações relevantes como categoria de freqüência e categoria de risco. O perigo é o possível evento iniciador com potencial para causar danos às instalações, operadores, público ou meio ambiente, ou seja, o acidente a partir do qual ocorre uma seqüência de eventos e conseqüências. A categoria de freqüência é a classificação do evento quanto à sua freqüência de ocorrência na instalação, a categoria de severidade é a classificação do evento quanto à severidade das conseqüências geradas. As categorias de freqüência e de severidade seguem o descrito nas Tabelas 1 e 2, respectivamente. Categoria A Extremamente Remota B Remota C Pouco Provável D Provável E Freqüente Fonte: Norma Técnica Petrobrás N-2782 Descrição Conceitualmente possível, mas extremamente improvável na vida útil da instalação. Sem referências históricas. Não esperado ocorrer durante a vida útil da instalação, apesar de haver referências históricas. Possível de ocorrer até uma vez durante a vida útil da instalação. Esperado ocorrer mais de uma vez durante a vida útil da instalação. Esperado ocorrer muitas vezes durante a vida útil da instalação. Tabela 1 - Categorias de freqüência de um acidente Categoria I Desprezível II Marginal III Crítica IV Catastrófica Fonte: Norma Técnica Petrobrás N-2782 Descrição Sem lesões, ou no máximo casos de primeiros socorros, sem afastamento. Lesões leves em empregados e terceiros. Ausência de lesões extramuros. Lesões de gravidade moderada em pessoas intramuros. Lesões leves em pessoas extramuros. Provoca morte ou lesões graves em 1 ou mais pessoas intra ou extramuros. Tabela 2 - Categorias de severidade de um acidente 3

4 Categorias da severidade O cruzamento das categorias de freqüência e de severidade gera a categoria de risco, uma indicação qualitativa do nível de risco de cada cenário, conforme ilustrado na Tabela 3. O risco é qualificado como Tolerável, Moderado ou Não Tolerável. Para riscos toleráveis, não há necessidade de medidas adicionais, sendo a monitoração necessária e suficiente para garantir que os controles sejam mantidos. Para riscos qualificados como moderados, devem ser avaliados controles adicionais, objetivando a redução dos riscos. A classificação como riscos não toleráveis é uma indicação de que os controles existentes são insuficientes, e devem ser considerados métodos alternativos para redução da probabilidade de ocorrência e de conseqüências. Categorias de Risco A B C D E IV M M NT NT NT III T M M NT NT II T T M M M I T T T T M Fonte: Norma Técnica Petrobrás N-2782 Tabela 3 Categorias de risco de um acidente, em que T é tolerável, M é moderado, e NT é não tolerável Depois de identificados todos os perigos do objeto de estudo e realizada a Análise Preliminar de Risco devem ser claramente elencados os cenários acidentais considerados, os quais serão estudados detalhadamente nas etapas posteriores do trabalho. Para tanto, deve-se estabelecer minuciosamente o critério considerado para a escolha das hipóteses acidentais consideradas relevantes, levando-se em conta a severidade do dano decorrente da falha identificada (CETESB, 2003). 2.3 Estimativa das frequências de ocorrência dos acidentes A freqüência de ocorrência de um cenário acidental é o numero de vezes que o cenário ocorre, e é, normalmente, expressa em uma base anual, tendo dimensão de ano -1. (CAMACHO, 2004) Apenas os eventos que contribuem para o risco individual ou para o coletivo devem ser incluídos na AQR, nas condições de que (1) a freqüência de ocorrência seja igual ou superior a 10-8 por ano e (2) ocorra letalidade maior que 1% fora dos limites do estabelecimento, de acordo com o TNO-Yellow Book (2005). 2.4 Estimativa das consequências dos acidentes análise de vulnerabilidade De acordo com a CETESB (2003), a análise de vulnerabilidade é um estudo realizado por intermédio de modelos matemáticos para a previsão dos impactos danosos às pessoas, para os efeitos de sobrepressão decorrentes de explosões, radiações térmicas decorrentes de incêndios e efeitos tóxicos de emissões agudas de substâncias químicas na atmosfera. Para a correta estimativa dos efeitos físicos, é necessária uma série de pressupostos que servem como informação essencial, como a rugosidade da superfície do solo, tempo de vazamento e área da poça formada decorrente do vazamento de um líquido. 2.5 Estimativa e avaliação dos riscos Os riscos social e individual devem ser calculados nos casos em que os cenários que causem no mínino 1% de vulnerabilidade extrapolem os limites do empreendimento. O risco social refere-se ao risco para um determinado número ou agrupamento de pessoas expostas aos danos decorrentes de um ou mais cenários acidentais, e o risco individual pode ser definido como o risco para uma pessoa presente na vizinhança de um perigo, considerando a natureza do dano que pode ocorrer e o período de tempo em que o mesmo pode acontecer (CETESB, 2003). 4

5 3. Cálculo das consequência e vulnerabilidade A identificação dos perigos da unidade de Hidrocraqueamento Catalítico foi feita através da Análise Preliminar de Risco, identificando os trechos de tubulações, equipamentos e acessórios em que pudesse ocorrer uma fissura ou ruptura, levando à liberação de produto inflamável ou tóxico. A APR apresentou 201 cenários acidentais, dos quais 31% apresentou Risco Tolerável e 69% Risco Moderado. Nenhum cenário foi classificado como de risco Não Tolerável, indicando que não há nenhum cenário para o qual os controles existentes sejam insuficientes. Para quantificação dos efeitos físicos foram identificados nas APRs os cenários de severidade III e IV, relacionados à liberação de grandes inventários de produtos tóxicos e/ou inflamáveis em pressões e temperaturas elevadas. Estes cenários foram agrupados de acordo com o Perigo, e foram selecionados aqueles que apresentavam condições de operação mais críticas para cada evento iniciador, de forma que fossem representativos das conseqüências mais severas. A Tabela 4 mostra os cenários considerados mais críticos, suas condições de pressão (P) e temperatura (T) de operação, o diâmetro da tubulação em que está considerada a ruptura (D tubulação ) e a proporção de contaminantes presentes na corrente em questão. EI Perigo P (kgf/cm2) T ( o C) D tubulação (pol) Contaminantes (% peso) EI-01 Liberação de gasóleo leve e pesado contendo hidrogênio e H2S 183, H2S: 0,9 H2: 10 EI-02 Liberação de hidrocarboneto (vapor) 176, H2S: 0,5 H2: 16 EI-03 Liberação de diesel 14, EI-04 Liberação de querosene EI-05 Liberação de nafta 17, H2S: 0,5 H2: 0,3 EI-06 Liberação de GLP 23, Tabela 4: Caracterização dos cenários acidentais A quantificação dos efeitos físicos foi realizada segundo as condições e premissas explanadas na seção 3.1. Os efeitos físicos decorrentes dos cenários acidentais identificados estão apresentados na seção 3.2, e os resultados das simulações dos cenários na seção Condições ambientais A velocidade dos ventos (V ventos ), temperatura (T), classe de estabilidade atmosférica Pasquill (C estabilidade ), umidade relativa (UR) e pressão média (P), para os períodos diurno e noturno, característicos da região do empreendimento, estão ilustrado na Tabela 5. Estes dados, assim como a direção predominante do vento, são necessários para a modelagem dos vazamentos e dispersão de gases. A classe de estabilidade atmosférica é uma medida do grau de turbulência da atmosfera, normalmente definida em termos de gradiente vertical de temperatura. Segundo Pasquill, a atmosfera pode ser classificada em seis categorias de estabilidade, de A a F, sendo A a mais instável, F a mais estável e D a neutra. Período V ventos (m/s) T ( o C) C estabilidade UR (%) P (mb) Dia 3,8 28,3 C 72,5 1009,3 Noite 3,6 26,2 E 85,0 1009,2 Fonte: Estudo de Impacto Ambiental da Refinaria PREMIUM I,

6 Tabela 5: Informações meteorológicas médias da região a ser implantada a Refinaria Premium I A temperatura do solo, de acordo com norma CETESB P4.261 (2003), foi considerada com sendo 5 o C acima da temperatura ambiente. 3.2 Referências e premissas adotadas Os valores de referência adotados para vulnerabilidade foram os estabelecidos pela Norma Técnica CETESB P4.261 (2003) e pelo TNO-Purple Book (2005): - Radiação térmica: 12,5 kw/m 2 : 1% de vulnerabilidade; 37,5 kw/m 2 : 50% de vulnerabilidade. - Sobrepressão (utilizando o modelo de Multi-Energia da TNO): 0,1 bar: Danos reparáveis às estruturas 1% de vulnerabilidade; 0,3 bar: Danos graves às estruturas 50% de vulnerabilidade. - Incêndio em Nuvem: LII (Limite Inferior de Inflamabilidade) 100% de vulnerabilidade. O limite de 1%, 50% e 100% de vulnerabilidade indica o limite no qual 1%, 50% e 100% da população exposta ao efeito, respectivamente, morrerá. O Limite Inferior de Inflamabilidade é a mínima concentração de um gás que, misturado ao ar atmosférico, é capaz de provocar a combustão do produto, a partir do contato com uma fonte de ignição. Para determinação do tempo de vazamento, composto do tempo para que seja detectada uma falha no sistema e do tempo para acionamento de fechamento das válvulas, considerou-se um sistema de bloqueio automático, em que nenhum operador humano é necessário. Assim, foi adotado um tempo de 2 minutos, de acordo com o recomendado pelo TNO-Purple Book (2005). Com relação ao vazamento de líquidos inflamáveis, considerou-se que a sua contenção é alcançada através de canaletas de drenagem localizadas ao redor da unidade. Devido à inexistência de informações relativas às dimensões e localização dessas canaletas e diques, adotou-se uma área de dique para rupturas catastróficas igual a 707 m2. A rugosidade média do solo foi adotada como 0,005m, como recomendado pelo TNO-Yellow Book (2005) para locais industriais. O inventário de cada equipamento foi calculado utilizando-se a altura máxima que o líquido poderia alcançar no equipamento, o HLL Higher Liquid Level, estipulado nos fluxogramas de engenharia da unidade de Hidrocraqueamento Catalíticos da Refinaria Premium-I, de forma que a quantidade de substância no equipamento fosse a máxima possível. No caso de tubulações conectando dois equipamentos de contenção de substâncias foi considerado que em sua ruptura haveria vazamento do inventário dos dois equipamentos. 3.3 Efeitos físicos Os efeitos estudados foram os de nuvem tóxica, incêndio em nuvem, incêndio em poça e explosão em nuvem. A nuvem tóxica é uma massa de vapor ou gás causada por dispersão atmosférica de substância tóxica. O incêndio em nuvem, também conhecido como flash fire, é um incêndio repentino e intenso em que a chama se propaga através de uma mistura de ar e gás ou vapor inflamável que esteja dentro dos limites de inflamabilidade. Se a mistura de ar e gás ou vapor inflamável estiver confinada, pode ocorrer uma explosão química, chamada explosão em nuvem. O incêndio em poça ocorre com a combustão da poça de um líquido inflamável. Os efeitos possíveis estão relacionados aos Eventos Iniciadores na Tabela 6. Evento Efeitos Obtidos 6

7 Iniciador Nuvem Tóxica Incêndio em Nuvem Incêndio em Poça Explosão em Nuvem EI-01 X X X EI-02 X X X EI-03 X X X EI-04 X X X EI-05 X X X X EI-06 X X Tabela 6: Efeitos físicos possíveis para cada evento iniciador Os efeitos de nuvem tóxicas são decorrentes da presença do H 2 S nas correntes do Eventos Iniciadores 01,02 e 05. Entretanto, sua proporção em peso é abaixo de 1%, como pode ser visto na Tabela 4, sendo seu alcance muito pequeno. Portanto, a presença de H 2 S nas correntes foi desprezada, e o efeito de nuvem tóxica não foi simulado. Pelo mesmo motivo a presença do hidrogênio no Evento Iniciador 05 não foi considerada. 3.4 Resultados Para a quantificação dos efeitos físicos e avaliação da vulnerabilidade foi utilizado o software EFFECTS versão , 2009, desenvolvido pela TNO - The Netherlands Organization of Applied Scientific Research. O EFFECTS é uma ferramenta computacional que possibilita calcular efeitos e conseqüências da liberação acidental de substâncias perigosas, e utiliza os modelos desenvolvidos pela TNO, cujas descrições detalhadas podem ser encontradas no TNO-Yellow Book (2005). As conseqüências dos vazamentos foram simuladas para cada Evento Iniciador, nas condições ambientais e meteorologias do dia e da noite, apresentadas na Tabela 5. Para os eventos EI-01 e 02, que continham quantidade significativa de Hidrogênio, como mostrado na Tabela 4, foi simulado também o vazamento do Hidrogênio e quantificado o alcance dos efeitos físicos e vulnerabilidade decorrentes. Os maiores alcances da vulnerabilidade decorrentes dos cenários acidentais estão agrupados na Tabela 7. Estes alcances estão apresentados nas Figuras 1 a 3, plotados sobre a área da refinaria. O ponto de vazamento foi considerado como sendo no meio de cada uma das quatro áreas da unidade, e foram consideradas todas as direções do vento, de forma a obter um resultado mais conservativo e representativo das situações mais críticas. Efeito Evento Iniciador Distância (m) Incêndio em Nuvem LII EI-01 noite 1080,00 Explosão em Nuvem 100mbar EI-01 noite 535,25 300mbar - - Incêndio em Poça 12,5 kw/m2 EI-04 dia 48,31 37,5 kw/m2 EI-04 dia 24,00 Tabela 7: Máximos alcances dos efeitos físicos e vulnerabilidade 7

8 Figura 1 Maior alcance para Incêndio em Nuvem 100% de vulnerabilidade Figura 2: Maior alcance para explosão em nuvem (100mbar) 1% de vulnerabilidade 8

9 Figura 3: Maiores alcances para incêndio em poça (12,5 kw/m2 Vulnerabilidade 1% e 37,5kW/m2 Vulnerabilidade 50%) Como pode ser visto nas Figuras 1 a 3, nenhum cenário acidental gerou vulnerabilidade e nem mesmo efeito físico cujo alcance ultrapassasse os limites da refinaria PREMIUM-I, cumprindo assim a norma CETESB P (2003) e não sendo necessário dar seqüência à estimativa de freqüências e de riscos individual e social. 4. Conclusões Neste trabalho foi feita uma Análise Quantitativa de Risco de uma Unidade de Hidrocraqueamento Catalítico, com foco na quantificação dos perigos aos quais estariam expostas as comunidades circunvizinhas à refinaria em caso de liberação acidental de substâncias inflamáveis ou tóxicas. A identificação dos perigos foi feita através de Análises Preliminares de Risco, resultando em 201 cenários acidentais. A maioria dos cenários foi considerada de risco tolerável, e nenhum deles foi classificado como de risco não-tolerável, indicando que os controles existentes na unidade são suficientes. Os cenários acidentais foram agrupados em 6 eventos iniciais, representados pelos cenários de maiores inventários e condições mais críticas de temperatura e pressão. Os efeitos físicos dos eventos iniciadores foram identificados e quantificados, com foco em incêndio em poça, incêndio em nuvem e explosão em nuvem, obtendo os alcances de vulnerabilidade e buscando saber se estes alcances ultrapassariam os limites do empreendimento. Com a plotagem dos alcances na planta da Refinaria Premium I, considerando-se vazamento nas quatro áreas da unidade de Hidrocraqueamento Catalítico e todas as direções do vento de forma a obter os resultados mais conservadores, observou-se que os alcances das vulnerabilidades não ultrapassariam os limites da refinaria, não sendo necessário, portanto, o cálculo das freqüências dos acidentes e dos riscos individual e social. 9

10 A partir do estudo realizado foi possível concluir que a operação da unidade de Hidrocraqueamento Catalítico na Refinaria Premium-I, considerando as premissas e referências adotadas, não gera riscos para as comunidades circunvizinhas ao empreendimento. Estes resultados são restritos à unidade presente na refinaria PREMIUM-I, a ser construída no estado do Maranhão. Em outros empreendimentos devem ser consideradas as diferentes condições meteorológicas e espaciais e de processo, sendo necessário um novo estudo. Referências AICHE - American Institute of Chemical Engineers. Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis. 2 ed. New York, CAMACHO, E.N. Uma Proposta de Metodologia para Análise Quantitativa de Riscos Ambientais. 140 folhas. Tese Universidade Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro, CETESB - Companhia Ambiental do Estado de São Paulo. Manual de Orientação para Elaboração de Estudos de Análise de Riscos, P FSADU/UFMA. Estudo de Impacto Ambiental da Refinaria Premium I, Agosto de PETROBRÁS. Norma N-2782 Técnicas Aplicáveis à Análise de Riscos Industriais SCHERZER, J & GRUIA, A. Hydrocracking Science and Technology. CRC Press SOUZA, C. A. V. & FREITAS, C.M. Perfil dos Acidentes de Trabalho em Refinaria de Petróleo. Revista de Saúde Pública 36(5):576-83, SPEIGHT, J. G. (ed.). The Chemistry and Technology of Petroleum. 4ed. CRC Press. Boca Raton, TNO - The Netherlands Organization of Applied Scientific Research. Guidelines for Quantitative Risk Assesment Methods for the Calculation of Physical Effects Yellow Book. 3ed. The Hague, TNO - The Netherlands Organization of Applied Scientific Research. Guidelines for Quantitative Risk Assesment Guideline for Quantitative Risk Assesment Purple Book. 3ed. The Hague,