Manual de seguridad para el llenado de aerosoles con propelente hidrocarburo
En esta edición de abril, nos complace presentar a nuestros lectores un recurso esencial para la industria del aerosol: las primeras dos partes del MANUAL DE SEGURIDAD para el llenado de aerosoles con propelente hidrocarburo, elaborado por el ing. Juan Nolasco en colaboración del Ing., Geno Nardini para el Instituto Mexicano del Aerosol (IMAAC). Este manual aborda las mejores prácticas y medidas de seguridad necesarias para garantizar un proceso de llenado seguro y eficiente, minimizando riesgos y optimizando la calidad del producto final.
INTRODUCCIÓN
Hace 10 años, por iniciativa de nuestro amigo Geno Nardini, con el respaldo del Comité Directivo de la Sección 66 (Fabricantes de Aerosoles) de la Cámara Nacional de la Industria de la Transformación (CANACINTRA), el Instituto Mexicano del Aerosol, A.C. publicó la GUÍA DE SEGURIDAD en el llenado de aerosoles con propelente hidrocarburo, con el objetivo de promover el sano desarrollo de la industria nacional del aerosol.
Este MANUAL DE SEGURIDAD para el Llenado de Aerosoles con Propelente Hidrocarburo integra nueva información, relacionada con las propiedades de los gases licuados, por lo que será de gran utilidad para el manejo de otros gases licuados como el dimetil éter (DME) y el 1,1 difluoroetano (152a). Así mismo, se anexa información ecológica de los propelentes, pues es lamentable que mucha gente aún piensa que los aerosoles dañan la capa de ozono y, por esta razón, limitan su consumo.
El propelente hidrocarburo (PHC) ya se usaba en el llenado de aerosoles, aún antes de que el Dr. Mario Molina y Sherwood Rowland alertaran a la humanidad del daño de los CFC´s a la capa de ozono, en 1974. Sin embargo, su inflamabilidad limitaba su uso. Actualmente, se cuenta con toda la experiencia, conocimiento, tecnología y normatividad necesaria para realizar el llenado seguro de aerosoles con propelentes inflamables que no dañan la capa de ozono.
El objetivo del IMAAC, es difundir esta información a toda la industria del aerosol, a través de un Manual de Seguridad, que facilite el conocimiento y la aplicación de los principios básicos para el llenado seguro de aerosoles con PHC.
De esta manera, nuestra industria evitará accidentes y podrá seguir contribuyendo al bienestar de la sociedad, produciendo aerosoles seguros y amigables con el ambiente.
CONTENIDO:
1.0 ANTECEDENTES Y ALCANCES DEL MANUAL DE SEGURIDAD.
2.0 PROPIEDADES DEL PROPELENTE HIDROCARBURO.
3.0 PELIGROS Y RIESGOS DEL PROPELENTE HIDROCARBURO.
4.0 ALMACENAMIENTO Y MANEJO DEL PROPELENTE HIDROCARBURO.
5.0 GASIFICADO DE AEROSOLES.
6.0 SEGURIDAD EN LA PLANTA DE AEROSOLES.
7.0 REPARACIÓN PARA EMERGENCIAS.
Anexo 1: El Aerosol y sus Componentes.
Anexo 2: Los Aerosoles y su Impacto Ambiental.
Anexo 3: FDS del Propelente hidrocarburo.
SECCIÓN 1
1.0 ANTECEDENTES Y ALCANCES DEL MANUAL DE SEGURIDAD
1.1 La Seguridad en la Industria Nacional del Aerosol.
1.2 Objetivo del Manual y Campo de Aplicación.
1.3 Normatividad Aplicable y Referencias.
1.4 Alcance y Limitaciones del Manual de Seguridad.
El Ingeniero Químico Pablo Oeyen, escribe en su Manual de Gas Licuado de Petróleo:
“Si usted piensa que la seguridad es cara, imagine lo que le costaría un accidente”.
1.1 LA SEGURIDAD EN LA INDUSTRIA NACIONAL DEL AEROSOL.
La fabricación de aerosoles se inició en México en los años 50´s. El propelente, utilizado en esa época, eran mezclas de compuestos Clorofluorocarbonados (CFC’s). Estos compuestos son gases licuados no tóxicos, muy estables y no inflamables. En aquel entonces, hubo muchas plantas pequeñas que llenaban aerosoles en sótanos, bodegas y garajes, ubicados en casas, vecindades y hasta en edificios habitacionales.
La teoría del agotamiento de la capa de ozono, por efecto de los CFC´s, fue publicada el 28 de junio de 1974, por Mario Molina y Sherwood Rowland. Al descubrirse el agujero en la capa de ozono en 1985, los gobiernos de las Naciones Unidas (UN) firmaron el Protocolo de Montreal el 16 de septiembre de 1987 (día mundial para la protección de la capa de ozono). Este Protocolo establece el compromiso para dejar de fabricar y usar los CFC´s en los aerosoles, refrigeradores, equipos de aire acondicionado y en otras aplicaciones. México fue el primer país en firmar el Protocolo de Montreal. Actualmente, sigue manteniendo el liderazgo mundial en la protección de la capa de ozono.
El propelente hidrocarburo (PHC) formulado a base de mezclas de propano y butano, fue utilizado para aerosoles en USA, desde 1954. Sin embargo, su inflamabilidad limitó su uso y prefirieron los CFC´s. En México, el PHC se empezó a producir y a comercializar en 1974.
Actualmente, el PHC sigue siendo, la alternativa más eficiente, económica y ecológica para sustituir a los CFC´s en los aerosoles. No daña la capa de ozono, pero tiene la gran desventaja de ser altamente inflamable. Por tal motivo, el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) ha promovido el uso y los aspectos técnicos de seguridad, para realizar el llenado de aerosoles con PHC.
SECCIÓN 2
2.0 PROPIEDADES DEL PROPELENTE HIDROCARBURO (PHC)
2.1 origen, estado físico, producción y características del phc.
2.1.1 Origen de los hidrocarburos.
2.1.2 Estado natural y manejo del propelente hidrocarburo.
2.1.3 Producción y purificación del propelente hidrocarburo.
2.1.4 Características organolépticas del PHC grado aerosol
2.2 Presión de vapor del propelente hidrocarburo.
2.2.1 La presión de vapor y su desempeño en un aerosol.
2.2.2 Efecto de la temperatura en la presión de vapor.
2.3 Dilatación térmica de la fase líquida de un gas licuado.
2.4 Presión hidrostática de un gas lp entrampado.
2.5 Expansión atmosférica de un gas licuado.
2.1 ORIGEN, ESTADO FÍSICO, PRODUCCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL PHC.
2.1.1 ORIGEN DE LOS HIDROCARBUROS.
Los hidrocarburos son compuestos naturales, que se obtienen del petróleo y están constituidos por átomos de hidrógeno y de carbono. Los hidrocarburos utilizados como propelente, para la industria del aerosol, son el Propano, Isobutano y n-Butano. En la figura se muestra la fórmula química del propano (condensada C3H8, desarrollada y geometría de la molécula). En la tabla 1, se muestran las fórmulas y propiedades físicas de los propelentes más usuales.
2.1.2 ESTADO NATURAL Y MANEJO DEL PROPELENTE HIDROCARBURO.
Los hidrocarburos se encuentran en estado gaseoso, pero se comprimen hasta su estado líquido para facilitar su almacenamiento y transporte. También se conocen como gases licuados del petróleo (gas LP). El almacenamiento, transporte y manejo del gas LP se realiza en recipientes sujetos a presión.
TABLA 1: PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS PROPELENTES MÁS USUALES EN LA INDUSTRIA DEL AEROSOL.
2.1.3 PRODUCCIÓN Y PURIFICACIÓN DEL PROPELENTE HIDROCARBURO.
En México, el gas LP es producido y comercializado por Petróleos Mexicanos. En forma comercial, no se puede, ni debe ser usado como propelente para aerosol. Esto debido al alto contenido de mercaptanos y de otras impurezas, que imparten el típico olor a “gas”. Antes de usarse como propelente, el gas LP debe ser fraccionado en sus componentes y purificado de toda impureza que pueda reaccionar o causar mal olor al producto; o que pueda ser perjudicial para la salud o para el ambiente.
Un estricto control de calidad, la selección del Centro Procesador de Gas y los procesos de purificación, son elementos clave para cumplir con las especificaciones establecidas para el Propelente Hidrocarburo Grado Aerosol.
2.1.4. CARACTERÍSTICAS ORGANOLÉPTICAS DEL PHC GRADO AEROSOL
a) La fase líquida es incolora como el agua, presenta un suave olor a solvente y es insoluble en el agua. El propano pesa la mitad del agua (densidad relativa = 0.5).
b) La fase vapor es incolora como el aire, su suave olor se diluye y desaparece en el aire. El butano es dos veces más pesado que el aire (densidad relativa = 2.0). Al ser más pesados que el aire, los gases licuados pueden desplazar el oxígeno y crear una atmósfera que resulta asfixiante, cuando se respira prolongadamente.
c) El propano líquido, tiene un punto de ebullición de -42.1 °C (ver tabla 1). Al contacto de la piel, los gases licuados pueden producir quemaduras frías.
2.2 PRESIÓN DE VAPOR DEL PROPELENTE HIDROCARBURO
La presión requerida para mantener en estado líquido a un gas, a una temperatura de referencia, se conoce como presión de vapor. En la industria mexicana del aerosol y en muchos países, la presión de vapor manométrica para el propelente se especifica a 21 °C y se mide en psi (libras por pulgada cuadrada). La presión se determina siguiendo el Método ASTM-D-1267 3 y se conoce como presión de vapor ASTM a 21°C. En la tabla 1, aparecen las presiones de vapor (a 21 y 54.4 °C) para los propelentes más usuales en la industria del aerosol.
Los gases licuados mantienen su presión de vapor constante. Esta propiedad garantiza su buen desempeño como propelente para aerosol, pues mantienen su presión de vapor mientras exista una gota de líquido en el envase.
El n-butano (conocido como A-17) tiene una presión de vapor de 16.9 psi, a 21°C y es insuficiente para el buen desempeño de los aerosoles. El isobutano (A-31) tiene una presión de 31.1 psi, aceptable para algunos aerosoles. La presión del propano es de 109.3 psi, que resulta excesiva y peligrosa, para los envases y aerosoles más usuales. Al usar PHC con altas presiones, asegúrese de usar el envase adecuado.
La experiencia adquirida, en la industria del aerosol, indica que los propelentes más satisfactorios tienen una presión de vapor entre 31 y 70 psi. Estos se forman mediante la mezcla apropiada de los hidrocarburos puros. Por ejemplo, si mezclamos 50% de n- butano (19.6 psig) con 50% de propano (109.3 psig), obtenemos una mezcla con una presión de 63 psig @ 21°C. Si deseamos un A-46, se aumenta la proporción de n- butano a 70% y se disminuye el contenido de propano a 30%.
En México, cuando se antepone la “A” a la presión de vapor del PHC, es suficiente para especificar que cumple con los requisitos de calidad establecidos para el propelente grado Aerosol. Ejemplo, propelente hidrocarburo A-31, A-46, etc.
2.2.1 LA PRESIÓN DE VAPOR Y SU DESEMPEÑO EN UN AEROSOL.
La presión de un gas propelente proporciona la fuerza sobre la superficie líquida de un aerosol, para realizar el trabajo de extracción de un determinado volumen de producto cuando se activa la válvula.
Un gas licuado conserva su presión de vapor mientras haya una gota de propelente en el envase. Esta es una gran ventaja sobre los gases comprimidos (nitrógeno o dióxido de carbono), los cuales pierden su presión en la medida que se descarga el producto.
Otra gran ventaja del gas licuado se presenta cuando se acciona la válvula del aerosol. El propelente líquido arrastrará el producto envasado, a través del tubo de la válvula y al ser disparado al ambiente (por la acción del pulsador de la válvula) pasará súbitamente a su estado natural gaseoso.
La vaporización súbita del gas licuado provocará la pulverización del producto en finas partículas (spray en inglés). El tamaño de las partículas resultantes del spray dependerá de la presión de vapor del propelente, del diámetro del orificio de la válvula y del pulsador.
2.2.2 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA PRESIÓN DE VAPOR
La presión de vapor de los gases licuados se incrementa de forma exponencial con la temperatura. Por ejemplo, la presión de vapor del propano a 21°C es de 109.3 psig, a 37.8°C es de 172.0 psig y a 54.4 °C es de 259.1 psig 9. En la gráfica 1, se puede observar el efecto de la temperatura, sobre la presión de vapor para mezclas de PHC y en la gráfica 2 para otros propelentes.
Los tanques o recipientes de almacenamiento de gas LP, tienen una presión de diseño de 250 psig y sus válvulas de seguridad están calibradas a 250 psig. Esto significa que a esta temperatura, la válvula de seguridad de un tanque con propano abrirá para aliviar la presión excedente. Es imprescindible que las válvulas de seguridad se encuentren en condiciones operativas para liberar cualquier sobrepresión, que pueda poner en riesgo la integridad mecánica del recipiente.
Las válvulas de seguridad constituyen el elemento básico para garantizar la integridad mecánica de un recipiente sujeto a presión. Se deben mantener bajo inspección, mantenimiento periódico y ser reemplazadas por lo menos cada 10 años. Se debe contar con un acceso fijo para su inspección.
GRÁFICA 1: PRESIÓN vs TEMPERATURA PARA MEZCLAS DE PROPELENTE HIDROCARBURO
GRÁFICA 2: PRESIÓN vs TEMPERATURA DE LOS PROPELENTES MÁS USUALES PARA AEROSOL
2.3. DILATACIÓN TÉRMICA DE LA FASE LÍQUIDA DE UN GAS LICUADO.
Un gas licuado tiene un coeficiente de dilatación térmica muy elevado. Por ejemplo, el propano expande su volumen un 25%, cuando se incrementa su temperatura de 15.5 a 71.1°C. Por otra parte, el agua solo aumenta un 2.2% su volumen, mientras que el acero se expande un 0.19%, en el mismo rango de temperatura. Aunque esta dilatación térmica, se conoce desde hace más de 150 años, aún mucha gente lo desconoce.
GRÁFICA 3: DILATACIÓN TÉRMICA DEL PROPANO (A 108), AGUA Y ACERO
El propano aumenta 0.41% su volumen por cada °C, en el rango de 15 a 50°C 11.
Si un recipiente se llena con propano al 85% de su nivel y esto ocurre en la mañana, a una temperatura de 15 °C y si por la tarde, el sol calentara el recipiente hasta 35 °C; su volumen se incrementaría al 93.2 %. Este incremento sería por efecto de su dilatación térmica (0.41% volumen/ °C por 20 °C = 8.2% volumen).
Si un envase de aerosol se llenara al 85% con propano, a 15°C y se dejara en el interior de un automóvil, su temperatura podría elevarse entre 55 y 77 °C 12. Al llegar a 50 °C, su volumen subiría a 99.3% y 5 grados más, podría reventar por dilatación térmica. En la gráfica 3 se muestra la dilatación térmica para mezclas de PHC, agua y acero.
Los envases de aerosol cuentan con una concavidad en el fondo del recipiente, que puede expandirse y permitir un volumen adicional para la expansión térmica de su contenido. Sin embargo, el volumen adicional resulta insuficiente para la temperatura que se puede alcanzar en el interior de un automóvil.
Explosión de un aerosol por dilatación térmica en el interior de un automóvil.
2.4 PRESIÓN HIDROSTÁTICA DE UN GAS LP ENTRAMPADO.
En un recipiente de acero, a volumen constante y a 15.5 °C, la presión del propano licuado se incrementa 668 psi por cada °C, aproximadamente 13. Por esta razón, debe evitarse que los recipientes y tuberías queden llenos y enfrenten una presión interior de origen hidrostático. Esta presión puede romper el recipiente o, en el mejor de los casos, puede ocasionar la apertura de la válvula de seguridad, derramando propano líquido al ambiente. En los recipientes, el efecto de la presión hidrostática se elimina cuando se respeta el llenado máximo del 85%. En cambio, una tubería que conduce gas licuado siempre va a estar llena de líquido, mientras éste fluya no hay problema. El riesgo se presenta cuando se cierran las válvulas, en ambos extremos de la tubería y el líquido queda entrampado
