BRAND SOM KEMISK REAKTION

Transkript

1 IPS INTRESSENTFÖRENINGEN FÖR PROCESSÄKERHET BRAND SOM KEMISK REAKTION Kunskap för det förebyggande arbetet Stefan Lamnevik

2 copyright IPS Innehållet får endast kopieras eller mångfaldigas efter tillstånd från IPS. Vid citat skall källan anges.

3 IPS INTRESSENTFÖRENINGEN FÖR PROCESSÄKERHET BRAND SOM KEMISK REAKTION Kunskap för det förebyggande arbetet S Lamnevik

4 INNEHÅLL Förord 3 Brand är en kemisk reaktion 4 Luftens sammansättning 4 Bränslens sammansättning 5 Förbränningsprodukter vid fullständig förbränning 7 Kol 7 Hydrogen 7 Oxygen 7 Klor 7 Svavel 7 Mängdförhållanden 8 Volymförhållanden 10 Från vikt till antal (räknat som mol) 11 Förbränningsvärmen 12 Vatten till gas eller vätska? 13 Antändning 15 Gaser 15 Vätskor 17 Fasta ämnen 19 Detta sker vid brand i en lokal 20 Brandbelastning 21 Gör Din egen brandbesiktning av lokaler 22 Brandmiljön 23 Oxygenhalt 23 Koloxidhalt 24 Andningsirriterande gaser 24 Sikt 25 Temperatur 26 Byggmaterial i kontrollrum och andra känsliga utrymmen 27 Litteratur 28 sid 2

5 FÖRORD Detta kompendium i brand har kommit till genom förslag av IPS (Intressentföreningen för processäkerhet) på medel från Räddningsverket (Räddningsverkets beställning KD , ). Själva idén till kompendiet kom fram efter ett föredrag som hölls för IVAs avdelning IV, Kemiteknik, den 30 januari 1997 av Stefan Lamnevik om Brand som kemitekniskt fenomen, efter ett önskemål från Gunnar Erlandsson, Nordic Synthesis AB. Målsättningen med kompendiet är att vara en hjälpreda i det riskförebyggande arbetet för (kemi)ingenjören på en arbetsplats där man hanterar brännbara ämnen. Dessa må sedan vara fasta, flytande eller gasformiga. IPS främsta uppgift är att förmedla kunskap och därmed förebygga vådaförlopp. Brand är ett vanligt vådaförlopp. Konsekvenserna av en brand är också ofta stora mätt i mänskligt lidande och i ekonomiska förluster. Brand kan förebyggas på många sätt. I det här kompendiet går vi igenom brand som fenomen för att skapa förståelse av en brands olika faser och dess konsekvenser och hoppas att detta leder till eftertanke då man går igenom sin egen arbetsplats och ser på den med nya brandögon. Vad är det som kan brinna? Utvecklad energi och effekt? Hur lång tid tar det innan giftiga brandgaser bildas? Vad består brandgaserna av? Hur stor är brandbelastningen i Din lokal? Notera särskilt kapitlet Brandmiljön. Här beskrivs riskerna med att vistas i en lokal där det brinner. Redan efter mycket kort tid blir miljön livshotande. Kontrollera att tänkt utrymning verkligen är möjlig att genomföra på avsett sätt! I litteraturförteckningen, sist, finns de vanligaste handböckerna att läsa mer i och hitta fler faktauppgifter i. 3

6 BRAND ÄR EN KEMISK REAKTION Brand är en kemisk reaktion mellan brännbara ämnen och luft varvid förbränningsprodukter och energi i form av värme utvecklas. Följder av denna enkla utsaga är: Reaktionsformel kan skrivas Förbränningsprodukternas sammansättning kan beskrivas Förbränningsenergin kan beräknas Mängdförhållandena bränsle/luft kan beskrivas De varma förbränningsprodukternas volym kan beräknas Man måste dock först skaffa sig kunskap om vissa basfakta: Vad är det som kan brinna? Vilken kemisk sammansättning har det? Vilken kemisk sammansättning har luft? Inomhus eller utomhus? Om inomhus vilken volym har lokalen? Vilka förbränningsprodukter bildas normalt? Luftens sammansättning Luft är en blandning av gaser med beståndsdelarna (exkl. vattenånga): Uppgifterna är hämtade från Weast, Nitrogen (kvävgas) 78,084 vol-% Oxygen (syrgas) 20,946 Argon 0,934 Koldioxid 0,033 Övriga ädelgaser ingår med 25 ppm, metan (naturgas) med 2 ppm och hydrogen (vätgas) och dikväveoxid (lustgas) vardera 0,5 ppm. Vattenånga finns normalt i luft. Dess halt beror av temperaturen och den relativa fuktigheten på platsen. För överslagsberäkningar brukar man använda att luften består av 21 vol-% oxygen (kemisk beteckning för en atom: O) och resten nitrogen (kemisk beteckning för en atom: N). Oxygen i luft består av två atomer O, nitrogen av två atomer N. 4

7 För gaser gäller att antalet gaspartiklar är proportionellt mot volymen av respektive gas (ideala gaslagen). Ur kemisk synpunkt (alla formler avser antal partiklar) kan därför luft beskrivas som: (21 O N 2 ) alternativt (O /21 N 2 ) = (O 2 + 3,76 N 2 ). Det är praktiskt att skriva luft som (O 2 + 3,76 N 2 ) eftersom det är oxygenet som är den aktiva beståndsdelen vid reaktioner med olika bränslen, nitrogenet reagerar normalt ej med dessa (med ett fåtal undantag). Bränslens sammansättning De allra flesta brännbara ämnen består av grundämnena kol (C), hydrogen (H), oxygen (O), nitrogen (N) i olika kombinationer, ibland ingår också klor (Cl). Sammansättningen hos ett ämne ifråga anges av ur många grundämnen av respektive slag som ingår i den minsta kemiska enheten för ämnet, i dess molekyl. Exempel: Naturgas består nästan helt av ämnet metan, där molekylen består av en kol-atom omgiven av fyra hydrogen-atomer. Sammansättningen skrivs därför CH 4. Notera att antalet av varje atomslag skrivs till höger och nedsänkt om symbolen för atomen i fråga. Vid C står ingen siffra utsatt, det är därmed underförstått att siffran är ett. I nedanstående tabell finner Du sammansättningen på ett antal vanliga, brännbara ämnen. TABELL 1. SAMMANSÄTTNING AV VANLIGA BRÄNNBARA ÄMNEN Bränsle Sammansättning Anm Hydrogen H 2 Gas Ammoniak NH 3 Naturgas (metan) CH 4 Eten C 2 H 4 Acetylen C 2 H 2 Propen C 3 H 6 Gasol (propan) C 3 H 8 Gasol (butan) C 4 H 10 Bensin CH 2,2 * Vätska Metanol (metylalkohol) CH 4 O Etanol (etylalkohol, sprit) C 2 H 6 O Aceton C 3 H 6 O Eter (dietyleter) C 4 H 10 O Bensen C 6 H 6 Toluen C 7 H 8 5

8 * Genomsnittlig sammansättning TABELL 1. SAMMANSÄTTNING AV VANLIGA BRÄNNBARA ÄMNEN, FORTS. Bränsle Sammansättning Anm Trä (cellulosa) C 6 H 10 O 5 Fast ämne Polyeten CH 2 Polystyren (Frigolit) C 8 H 8 PVC (polyvinylklorid) C 2 H 3 Cl Naturgummi C 5 H 8 För att hitta sammansättning av andra bränslen rekommenderas att leta i R C Weast: Handbok of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Heat of combustion for organic compounds eller Physical constants of organic compounds eller Physical constants of inorganic compounds. 6

9 FÖRBRÄNNINGSPRODUKTER VID FULLSTÄNDIG FÖRBRÄNNING Oxygenet i luften kommer vid brand att reagera med i bränslet ingående atomslag och bilda nya ämnen. Vid överskott av luft, vilket man har i det fria eller i begynnelsestadiet av en brand inomhus, bildas följande förbränningsprodukter. Kol I bränslet ingående kol bildar koldioxid, CO 2, med luftens syre. Det är samma gas som bubblar i läskedrycker. Den är inte giftig, obrännbar, och påverkar (ökar) andningsfrekvensen vid måttliga halter. Gasen är färglös, löser sig i vatten och ger den svaga syran kolsyra. Vid höga halter och i ren form kvävs man av koldioxid p g a syrebrist. Gasen är tyngre än luft, volymvikt 2,0 kg/m 3 mot luftens 1,2 kg/m 3 vid 1 atm tryck och 0 o C. Av koldioxids sammansättning förstår man att det går åt två oxygenatomer per kolatom för att bilda föreningen. Hydrogen Av hydrogen i bränslet bildas vatten, H 2 O. Vattnet kommer att bildas som ånga, som sedan kondenserar till vatten när temperaturen sjunker under 100 o C. Det är vad den vita röken man normalt ser ovanför skorstenarna består av små vattendroppar. Oxygen I bränslet ingående oxygen bidrar med oxygen på samma sätt som luftens oxygen till att bilda koldioxid och vattenånga med kol och hydrogen. Klor Klor reagerar i första hand med hydrogen och bildar väteklorid (saltsyra), HCl. Väteklorid är en gas som löser sig i vatten och bildar den starka syran saltsyra. Saltsyra är korrosiv mot de flesta metaller och skadar lungor, slemhinnor och hud. Svavel Svavel finns som förorening i många flytande bränslen på råoljebasis och också i många metallföreningar. Vid förbränning bildas svaveldioxid, SO 2, en giftig gas, som angriper lungor och slemhinnor. Gasen löser sig i vatten till en sur lösning som korroderar många metaller. Vid närvaro av ozon och kväveoxider i atmosfären bildas i ett senare steg den starka syran svavelsyra. 7

10 MÄNGDFÖRHÅLLANDEN En kemisk reaktion beskriver vilka och hur många föreningar som reagerar. Exempel: Naturgas (metan) förbränns med överskott av luft. CH 4 skall reagera med luftens O 2 till slutprodukterna koldioxid (CO 2 ) och vattenånga (H 2 O). CH 4 + (O 2 + 3,76 N 2 ) = CO H 2 O (Allt kol skall bli CO 2, all hydrogen skall bli H 2 O) Lika många C på vänster och höger sida, lika många H på vänster och höger sida! Se sedan till att O stämmer också: CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) = CO H 2 O + 7,52 N 2 Detta är den korrekta reaktionsformeln med massbalans (lika många atomer av varje slag på vänster respektive höger sida). Exempel: PVC förbränns med överskott av luft. CH 3 Cl skall reagera med luftens O 2 och bilda CO 2 och HCl och H 2 O. CH 3 Cl + (O 2 + 3,76 N 2 ) = CO 2 + HCl + H 2 O Se sedan till att O stämmer också: CH 3 Cl + 1,5(O 2 + 3,76 N 2 ) = CO 2 + HCl + H 2 O + 5,64 N 2 En korrekt reaktionsformel kan översättas till mängder av deltagande ämnen om man har en lista på vad varje atomslag väger, en atomvikttabell. Här nedan följer en förkortad version (det finns totalt sett 106 olika atomer). TABELL 2. ATOMVIKTER Ämne Beteckning Atomvikt (relativ vikt) Hydrogen H 1,0 Kol C 12,0 Nitrogen N 14,0 Oxygen O 16,0 Svavel S 32,1 Klor Cl 35,5 Fler atomvikter kan man hitta t ex i R C Weast: Handbok of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Atomic weights, table. För vanliga beräkningar räcker det att man använder atomvikter med 1 decimal. Eftersom atomvikterna i tabellen är relativa kan vi välja viktenheten själva. Det är emellertid mest praktiskt att räkna i gram. 8

11 Exempel: Fullständig förbränning av naturgas (metan): CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) = CO H 2 O + 7,52 N 2 Om vi sätter in atomvikterna och räknar i gram så säger reaktionsformeln: (12+4*1) g metan reagerar med 2(2*16+3,76*28) g luft och bildar (12+2*16) g koldioxid och 2(2*1+16) g vatten och 7,52*2*14 g nitrogen. 16 g metan reagerar med 275 g luft och bildar 44 g koldioxid, 36 g vatten och 211 g nitrogen. Notera att vikten av metan och luft är densamma som för vikten av reaktionsprodukterna ingenting försvinner eller läggs till. Många slutsatser kan dras av detta exempel, t ex att 1 kg metan kräver drygt 17 kg luft för fullständig förbränning (vilket är drygt 14 kubikmeter luft). Bränslet metan producerar 2,75 kg koldioxid per kg bränsle (inlägg i koldioxid-debatten!). Exempel: Fullständig förbränning av gasol (propan), hur mycket koldioxid bildas här per kg bränsle? C 3 H 8 + 5(O 2 + 3,76 N 2 ) = 3 CO H 2 O + 18,8 N 2 (3*12 + 8*1) =44 g propan ger 3(12 + 2*16) = 132 g koldioxid. Varje kg propan ger 3 kg koldioxid, d v s 0,25 kg mer än 1 kg metan. 9

12 VOLYMFÖRHÅLLANDEN Varje gasmolekyl, den må vara sammansatt hur som helst, upptar samma volym. En molekyl CH 4 tar alltså upp samma volym som en molekyl CO 2 eller en molekyl H 2 O. Eftersom en molekyl har en mycket liten volym, är det praktiskt att betrakta ett större antal molekyler för att få vanliga sorter på volymen. I kemin används antalet 1 mol vilket är 6,023*10 23 molekyler (Avogadros tal). 1 mol gasmolekyler har volymen 22,41 liter (vid 0 o C och 1 atm tryck). 1 mol atomer eller molekyler väger dessutom precis så många gram som atomvikt och molekylvikt anger det är därför det är praktiskt att ange vikterna i gram i reaktionsformlerna på sid 8 och 9. Exempel: CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) = CO H 2 O + 7,52 N 2 Alla ämnen i reaktionsformeln är gaser. Multiplicera vänstra och högra ledet i reaktionsformeln med talet 1 mol. Reaktionsformeln säger då: 1 mol CH 4 reagerar med 2 mol (O 2 + 3,76 N 2 ) och bildar 1 mol CO 2 och 2 mol H 2 O + 7,52 mol N 2. Eftersom alla gaser tar upp lika stor volym kan vi slå ihop luftens (O 2 + 3,76 N 2 ) till 4,76 gasmolekyler. Totalt består luften i formeln ovan av 2*4,76 mol gasmolekyler = 9,52 mol gasmolekyler. Nu är det lätt att översätta detta till volymer: 22,4 l metan reagerar med 9,52*22,4 = 213 l luft och bildar 22,4 l koldioxid, 44,8 l vattenånga och 168 l nitrogen. Man kan också räkna ut att den totala avgasvolymen blir 22,4 + 44, = 235 l. Sammansättningen på avgaserna blir: CO 2 : volymandel = 22,4/235 = 0,095 = 9,5 vol-% H 2 O : = 44,8/235 = 0,191 = 19 vol-% N 2 : = 168/235 = 0,715 = 71,5 vol-% Volymen av 1 mol gas vid annat tryck och temperatur V = 8,3145 * T / P (m 3 ) T = temperatur (K), P = tryck (Pa) 10

13 FRÅN VIKT TILL ANTAL (RÄKNAT SOM MOL) Kom ihåg att alla kemiska reaktionsformler beskriver antalet molekyler (motsvarande) som reagerar! Normalt har man mängderna av olika bränslen angivna i kg eller ton. Hur många mol är ett visst antal kg av ett ämne? Antalet mol erhålls om man delar vikten av ämnet i gram med dess molekylvikt. Exempel: Hur många mol är 1 kg metanol? Metanol har sammansättningen CH 4 O (sid 5). Dess molekylvikt är * = 32 g/mol (atomviktstabell sid 8). Antal mol metanol i 1 kg metanol = 1000/32 = 31,25. 11

14 FÖRBRÄNNINGSVÄRMEN Vid förbränning frigörs energi. Hur mycket energi som utvecklas bestäms av de reagerande ämnena och deras mängder. Vilka de reagerande ämnena är och deras inbördes mängdförhållanden framgår av uppställd reaktionsformel för förloppet (se avsnitten mängdförhållanden och volymförhållanden). För att beräkna den frigjorda energin beräknas skillnaden mellan reaktionsprodukternas och reaktanternas (dvs bränslet + luften) energinivåer. Vid reaktioner som sker vid konstant tryck (som vid brand) är energinivåerna lika med entalpivärdena. Entalpin (värmeinnehållet) betecknas normalt med bokstaven H, skillnader i entalpi med ΔH (delta-h). Varje ämne har ett bildningsvärme (bildningsentalpi), mätt relativt de grundämnen det är sammansatt av. Då grundämnen kan ha flera olika former utgår man alltid här från den form som är mest stabil vid normal temperatur och tryck. Av detta framgår att bildningsvärmet för varje sådant grundämne i sin mest stabila form vid normal temperatur och tryck är lika med noll. Nedan följer en lista på några användbara bildningsvärmen (ΔH f, f står för eng. formation, dvs bildning). TABELL 3. BILDNINGSVÄRMEN Ämne Sammansättning ΔH f, kj/mol Hydrogen H 2 0 Metan CH 4-75 Etan C 2 H 6-85 Eten C 2 H Acetylen C 2 H Propan C 3 H Butan C 4 H Bensen C 6 H Ammoniak NH 3 (g) -46 Etanol C 2 H 6 O -275 Koldioxid CO Koloxid CO -110 Vattenånga H 2 O (g) -242 Vatten H 2 O (l) -286 Väteklorid HCl (g) -92 Svaveldioxid SO Notera tecknet för respektive ämnes bildningsvärme. Ett negativt värde innebär att värme försvunnit från systemet, dvs att värme har utvecklats. 12

15 Fler bildningsvärmen kan man hitta i t ex R C Weast: Handbook of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Thermodynamic properties. Utvecklad värme vid en reaktion, ΔH, beräknas ur reaktionsformel och bildningsvärmen på följande sätt: ΔH = (Summa n i (ΔH f ) i ) reaktionsprodukter - (Summa n j (ΔH f ) j ) reaktanter Exempel: Fullständig förbränning av naturgas (metan): CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) = CO H 2 O + 7,52 N 2 ΔH = ( (-242) + 7,52. 0) - ( ) = -803 kj Notera att bildningsvärmena för oxygen och nitrogen är noll (grundämnen i sina mest normala tillstånd, två-atomiga gaser, vid vanlig temperatur och tryck). Värmemängden 803 kj utvecklas vid de mängder som anges av reaktionsformeln, dvs när 16 g metan förbränns med luft. Förbränningsvärmet per kg metan blir /16 = kj = 50,2 MJ. Vatten till gas eller vätska? Notera att vatten kan föreligga både som gas och som vätska. I exemplet ovan har vi använt bildningsvärmet för vattenånga (vatten som gas). Kondenserar man denna mängd vattenånga till vatten i vätskeform utvecklas ytterligare värme, ångbildningsvärmet för motsvarande mängd vatten. Vid brand- och explosionsförlopp är det vanligast att man anger förbränningsvärmet med vatten i gasform som slutprodukt. Under alla omständigheter måste man ange hur förbränningsvärmet beräknats: med vatten som gas eller vätska. Detta gör man normalt redan när reaktionsformel skrivs: man skriver H 2 O (g) för vatten som gas och H 2 O (l) för vatten som vätska. Beteckningen (l) kommer från latinets liquidus. Exempel: Etanol förbränns med överskott av luft. Vad blir förbränningsvärmet per kg etanol? C 2 H 6 O (l)+ 3 (O 2 + 3,76 N 2 ) = 2 CO H 2 O (g) + 13,16 N 2 ΔH = (2(-394) + 3(-242) +0) - ( ) = kj Värdet på ΔH ovan avser = 46 g etanol. Per kg etanol: 26,9 MJ. 13

16 TABELL 4. FÖRBRÄNNINGSVÄRMEN Ämne MJ/kg Tillstånd Hydrogen 120 (g) Metan 50 (g) Propan 46 (g) Butan 46 (g) Bensin 44 (l ) Etanol 27 (l ) Brännolja 43 (l ) Aceton 32 (l ) Bensen 42 (l ) Socker 17 (s) Kol 33 (s) Trä 18 (s) PVC 18 (s) Polyeten 47 (s) Fler förbränningsvärmen finns t ex i R C Weast: Handbook of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Heat of combustion. 14

17 ANTÄNDNING Brand är med mycket få undantag reaktioner i gasfas. Detta betyder att brännbara gaser kan reagera direkt, medan brännbara vätskor och fasta ämnen först måste överföras till brännbara gaser innan reaktion kan ske med luftsyret. Skillnaderna blir tydligast när det gäller antändningsenergier, här räcker det med obetydliga startenergier för att starta brandförlopp i gaser medan relativt sett betydande startenergier krävs för att starta brandförlopp i fasta ämnen. Gaser Brännbara gaser kan antändas när de blandats med luft i lämpliga proportioner. Lättast att antändas är de när blandningen är sådan att oxygenet i luften kan reagera fullständigt med ingående ämnen till stabila slutprodukter (som koldioxid och vatten), dvs som vi skriver reaktionsformeln. Detta blandningsförhållande brukar kallas stökiometrisk koncentration. Stökiometrisk koncentration beräknas ur reaktionsformeln på sätt som visas i avsnittet Volymförhållanden. Vid denna koncentration är blandningen som mest energirik. Tändenergier bestäms genom experiment med elektriska gnistor från uppladdade kondensatorer eller strömgenomflutna induktanser, vanligen i sfäriska kärl med 10 l volym. Energin i gnistan från en uppladdad kondensator ges av E = ½CV 2, där C är kapacitansen i Farad och V spänningen i volt. Energin i en strömgenomfluten spole ges av E = ½LI 2, där L är induktansen i Henry och I strömmen i ampere. Figur l kärl för bestämning av tändenergier i gasblandningar Tändenergier för kolväten och hydrogen är mycket låga för stökiometrisk koncentration, under 1 mj. Detta är långt mindre än en person som är uppladdad med statisk elektricitet kan åstadkomma vid urladdning (ca mj). I värmemängd motsvarar 1 mj den värmemängd som måste tillföras för att höja temperaturen på 1 mg vatten ungefär ¼ grad. Vid koncentration lägre än den stökiometriska, dvs vid överskott på luft, kan bränsle/luft-blandningen också tändas, men bara ned till en viss lägsta koncentration, den nedre explosionsgränsen (kallas också nedre brännbarhetsgränsen). Från stökiometrisk koncentration och ned mot den nedre explosionsgränsen ökar tändenergin. Ökningen kan vara upp mot 1000 gånger (tre tiopotenser). Gräns för tändning/icke tändning är experimentellt lagd: Den koncentration där man inte får tändning med 10 J tändenergi = explosionsgränsen. 15

18 Den nedre explosionsgränsen ligger ungefär på halva den stökiometriska koncentrationen. Vid koncentrationer över den stökiometriska, dvs vid överskott på brännbar gas, kan bränsle/luft-blandningen också tändas men tändenergin ökar ju närmre den övre explosionsgränsen (brännbarhetsgränsen) man kommer. Ökningen är även här upp mot 1000 gånger. Även här är gräns för tändning med 10 J tändenergi = explosionsgränsen. Den övre explosionsgränsen ligger på ungefär tre gånger stökiometrisk koncentration. Figur 2. Tändenergi för bränsle/luft-blandningar. N Nedre explosionsgräns S Stökiometrisk koncentration Ö Övre explosionsgräns Nedan ges exempel på explosionsgränser för brännbara gaser. TABELL 5. EXPLOSIONGRÄNSER FÖR BRÄNNBARA GASER, VOL-% Ämne Sammansättning Nedre expl.gr Övre expl.gr Hydrogen H 2 4,0 76,0 Metan CH 4 4,6 15,0 Etan C 2 H 6 3,0 12,5 Eten C 2 H 4 2,8 28,6 Acetylen C 2 H 2 2,5 80,0 Propan C 3 H 8 2,1 9,4 Butan C 4 H 10 1,9 8,4 Fler explosionsgränser kan man hitta i t ex R C Weast: Handbook of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Explosive limits of gases and vapors in air. Även uttrycket Flammability limits används synonymnt. 16

19 Vätskor För att en brännbar vätska skall kunna antändas, måste den först överföras till ånga. Koncentrationen i luften av ångan måste dessutom, precis som för brännbara gaser, ligga inom explosionsgränserna för att tändning skall vara möjlig. Över varje vätska i ett slutet kärl råder ett visst ångtryck vid en given temperatur. Ångtrycket motsvarar en koncentration i vol-%. Om denna koncentration ligger inom explosionsgränserna kan antändning ske om tändenergi tillförs. Den temperatur som ger ett ångtryck som motsvarar koncentrationen vid nedre explosionsgränsen kallas flampunkten för vätskan i fråga. Vid denna och högre temperatur kan antändning ske om tändenergi tillförs. Ångtryck av vätskor ges av samband av typen log P = A + B/T där P är partialtrycket, vanligen i mm Hg, A och B konstanter för aktuell vätska och T temperaturen i Kelvin. Konstanter för ångtryck för olika vätskor kan man hitta i t ex R C Weast: Handbook of Chemistry & Physics, The Chemical Rubber Co., under t ex Vapor pressure of... Att komma från partialtryck i mm Hg till koncentration i vol-% är enkelt: dela partialtrycket (mm Hg) med 760 alternativt aktuellt barometertryck i mm Hg, multiplicera med 100. TABELL 6. EPLOSIONSGRÄNSER FÖR BRÄNNBAR VÄTSKAS ÅNGA, VOL-% Ämne Sammansättning Nedre expl.gr Övre expl.gr Bensen C 6 H 6 1,4 7,1 o-xylen C 8 H 10 1,0 6,0 Cyklohexan C 6 H 12 1,3 7,8 Metanol CH 4 O 6,7 36,5 Etanol C 2 H 6 O 3,3 19,0 Isopropanol C 3 H 8 O 2,0 11,8 Dietyleter C 4 H 10 O 1,9 36,5 Aceton C 3 H 6 O 2,6 12,8 Etylacetat C 4 H 8 O 2 2,2 11,4 Etenoxid C 2 H 4 O 3,0 80,0 Propenoxid C 3 H 6 O 2,0 22,0 Tändenergin för ångan vid stökiometrisk koncentration är låg, storleksordning 0,1-1 mj för många vanliga brännbara vätskor. Statisk elektricitet i form av uppladdade personer kan även här vara en tändkälla. 17

20 Tändenergin för en brännbar vätska, som har högre flampunkt än omgivningstemperatur blir däremot hög och dessutom beroende av mängden vätska. Energi måste tillföras för att förånga så mycket vätska att halten ånga går över nedre explosionsgränsen och sedan måste själva tändenergin för ång/luftblandningen tillföras. Ju mindre mängd vätska som skall tändas desto lättare går det. Med en brinnande tändsticka (ca 10 kj tills man bränner sig) kan man förånga ca 10 g vätska och få den att antändas. Att värma upp en större mängd och lokalt få en antändningsbar ångkoncentration är betydligt svårare. Har man emellertid fått antändning av ång/luftblandningen ger förbränningsvärmet sedan i fortsättningen erforderligt ångbildningsvärme för vätskan. Förbränningshastigheten av vätskan styrs av förbrännings- och ångbildningsvärmena: ju högre förbränningsvärme och ju lägre ångbildningsvärme desto snabbare förbränningshastighet. 18

21 Fasta ämnen Fasta brännbara ämnen måste överföras till gasformiga ämnen för att kunna brinna. Detta innebär i allmänhet att det fasta ämnets molekyler måste brytas ned till mindre med hjälp av tillförd värme. Processen kallas oftast pyrolys, och är ett slags torrdestillation. Vanliga brännbara pyrolysprodukter är metan, etan, eten, vinylklorid, formaldehyd och hydrogen (gaser), metanol, styren, metylamin (vätskor). De brännbara produkterna är oftast uppblandade med icke brännbara nedbrytningsprodukter som koldioxid och vattenånga i varierande grad (beroende på det fasta ämnets sammansättning). Plaster (polymerer) sönderdelas ofta till monomerer, trä till metan, hydrogen och metanol och flytande estrar av varierande molekylstorlek ( tjära ). För att få igång pyrolys krävs temperaturer om ca 500 grader. De energier som behöver tillföras för att få igång en pyrolys är av storleksordningen % av förbränningsenergin, dvs ca 3-10 MJ/kg. Detta innebär att man med en brinnande tändsticka kan få igång pyrolys (och antändning) av fasta ämnen av ungefär samma storlek som tändstickan själv - ett väl känt faktum för alla erfarna scouter och ägare till vedspisar, det är därför man samlar fina kvistar och späntar veden när man skall göra upp eld. 19

22 DETTA SKER VID BRAND I EN LOKAL Vi förutsätter att det finns brännbara ämnen i lokalen och att tändkällor av tillräcklig energinivå har startat branden. Bildade gasformiga förbränningsprodukter (t ex koldioxid och vattenånga) är varma av utvecklat förbränningsvärme och stiger uppåt. Temperaturen i förbränningszonen är beroende på bränsle grader. Värme strålar ut från förbränningszon och förbränningsprodukter. Detta möjliggör fortsatt och ökad pyrolys samt förångning av brännbara vätskor nära brandhärden. Luft strömmar in radiellt från sidan. Figur 3. Brand i lokal. Temperaturen ökar på rummets alla ytor av den utstrålade värmen och av direktkontakt med varma reaktionsprodukter. När alla ytor uppnått pyrolys-temperatur, ca 500 grader, antänds allt som kan brinna, man säger att rummet är övertänt. Den tid det tar från en brands start till dess övertändning sker beror på lokalens volym och vilka och hur mycket brännbara ämnen som finns i lokalen, tiden kan variera från några minuter till en timme. Tillgången på luft spelar också in, maximal förbränningshastighet och -energi kräver fri tillgång till luft så att alla förbränningsreaktioner sker fullständigt (enligt den reaktionsformel vi lärt oss skriva). 20

23 BRANDBELASTNING Innan övertändning skett i en lokal kan man eventuellt hinna göra räddningsåtgärder, försöka släcka, rädda utrustning mm. Den tid man har på sig bestäms av hur snabbt lokalen värms upp: å ena sidan möjlig värmeavgivning (summa förbränningsvärmen av alla brännbara ämnen), å andra sidan kylningen av lokalen via väggar tak och golv. Det nyckeltal som beskriver detta kallar man brandbelastningen: Brandbelastningen = Totalt möjlig förbränningsenergi / lokalens totala yta Med total yta avses golvyta + takyta + väggytor. Hög brandbelastning innebär att en brand troligen får ett snabbt förlopp och att litet kan räddas. Hög brandbelastning har man över 400 MJ/m 2. Ligger man i detta intervall bör man överväga att införa snabbverkande skyddsåtgärder, t ex sprinkling. Hög brandbelastning har man t ex i trävarulager. Medelhög brandbelastning innebär ett något lugnare brandförlopp med möjlighet att företaga vissa räddningsinsatser. Medelhög brandbelastning har man i intervallet MJ/m 2. Även här bör man överväga om särskilda skyddsåtgärder krävs. Medelhög brandbelastning har man ofta i industrilokaler. Låg brandbelastning innebär lugnt brandförlopp med goda möjligheter till räddningsinsatser. Låg brandbelastning har man under 50 MJ/m 2. Låg brandbelastning har man t ex i mekaniska verkstäder. För samtliga fall av brandbelastning är det nödvändigt att veta tiden 0, dvs när branden startade. Branddetektorer är här till god nytta. Exempel: I en lokal med måtten 6 x 10 x 3 m och utförd i betong förvaras 100 liter etanol och 16 st 50 x 100 x 5000 mm träreglar. Brandbelastning? Förbränningsvärmen för etanol är 27 MJ/kg. 100 liter väger 80 kg. Energi: 27 x 80 = 2160 MJ. Träreglarna har volym 16 x 0,5 x 1 x 50 = 400 liter. 400 liter väger ca 300 kg. Förbränningsvärmen för cellulosa är 18 MJ/kg. Energi = 18 x 300 = 5400 MJ. Lokalens totala yta är 2 x 6 x x 6 x x 10 x 3 = 216 m 2. Brandbelastningen blir ( )/216 = 35 MJ/ m 2. 21

24 Gör Din egen brandbesiktning av lokaler 1. Klarlägg lokalens totala yta (tak + väggar + golv) 2. Förteckna alla brännbara ämnen i lokalen med slag och vikt. Glöm inte möbler och paneler av brännbara ämnen. 3. Ta reda på förbränningsvärmena för respektive brännbart ämne*. 4. Beräkna brandbelastningen. 5. Kontrollera: svarar skyddsåtgärder vid brand mot den faktiska brandbelastningen? 6. Fanns det klorhaltiga bränslen i förteckningen? I så fall bildas väteklorid vid förbränningen. Detta medför korrosion, bl a av elektronikutrustning (datorer) samt andningsirriterande rök. Finns det skyddsåtgärder och -rutiner för detta? 7. Fanns det svavelhaltiga bränslen i förteckningen? Samma sak som för klorhaltiga bränslen gäller: korrosionsrisk och andningsirriterande rök. Finns det skyddsåtgärder och -rutiner för detta? 8. Fanns det tryckbehållare i lokalen (gastuber, komprimerad luft etc)? Är explosionsrisk vid brand beaktad? 9. Fanns det brännbara vätskor i lokalen? Om de läcker ut, hur stor blir pölens yta? Stor yta ger en stor värmeeffekt och snabbt brandförlopp (ca 1 MW/m 2 för kolväten, ca 0,3-0,5 MW/m 2 för övriga brännbara vätskor). Behöver åtgärder vidtagas för att begränsa pölytans storlek redan nu? 10. Fanns det dessutom oxiderande ämnen (peroxider, nitrater, kromater, etc) i lokalen? Är i så fall explosionsrisk och förhöjd brinnhastighet beaktade? 11. Kontrollera att tänkta skyddsåtgärder verkligen kan realiseras. Kontrollera särskilt att utrymningsvägarna går att använda på avsett sätt. *) Det går att göra en skattning av brandbelastningen med förenklade data för förbränningsvärmena: Hydrogen Kolväten Övriga 100 MJ/kg 50 MJ/kg 25 MJ/kg 22

25 BRANDMILJÖN Med brandmiljön menar vi här miljön vid brand, sedd ur den vanliga människans synpunkt - inte den professionelle brandbekämparens. Den vanliga människan på ett företag är klädd i tunn overall eller laboratorierock, saknar huvudbonad eller har inom vissa områden plasthjälm, har normalt inga handskar och normalt inga andra skydd än skyddsglasögon. Oxygenhalt Människan fungerar normalt vid oxygenhalter omkring 21 vol-%. Redan vid 17 vol-% börjar man emellertid få koordinationsproblem och i området vol- % gör man ofta fel. Medvetslöshet och död (det senare vid långvarigt låg halt) inträffar kring 6-10 vol-%. Siffrorna borde mana till omedelbar eftertanke: Hur länge kan man fungera och göra det man borde enligt skyddsanvisningarna om man är inne i en lokal där det brinner? Hur fort konsumeras oxygenet i luften (om inte ny frisk luft kontinuerligt tillförs)? 1 kg trä som brinner förbrukar oxygenet i 4,25 m 3 luft och ger 13 m 3 rökgaser (här räknade som C). I en arbetslokal med bottenytan 6 x 10 m och takhöjd 3 m, dvs med volymen 180 m 3, är all luft förbrukad när 42 kg trä brunnit. Men redan när 8 kg förbrunnit börjar man få koordinationsproblem och när 14 kg förbrunnit gör man ofta fel. Risk för medvetslöshet föreligger när 20 kg förbrunnit. Notera de små mängderna brunnet material! Vid brand i utrunnen, brännbar vätska accentueras problemen. Ju större brinnande pöl, desto större förbränningshastighet och därmed desto snabbare oxygenförbrukning. 1 kg bensin förbrukar oxygenet i 12,5 m 3 luft. I en arbetslokal med bottenytan 6 x 10 m och takhöjd 3 m, dvs med volymen 180 m 3 förbrukas luften av 14,4 kg bensin. Bensin i en pöl brinner nedåt med jämn hastighet (efter en kort inledande fas). Härvid konsumeras 0,07 kg bensin per kvadratmeter och sekund. En pöl med1 m 2 yta förbrukar oxygenet i lokalen på 206 sekunder (3 min 43 s), en pöl på 5 m 2 på endast 41 sekunder (!). Mest oxygen-slukande och därmed farligaste bränslen är sådana som endast består av kol och hydrogen (kolväten), allra farligaste de av dessa som är gaseller vätskeformiga. 23

26 Koloxidhalt När oxygen inte längre finns i överskott bildas koloxid i stället för koldioxid. Detta innebär att förbränningsvärmet minskar. Det innebär också att rökgaserna blir giftiga. Koloxid binder till de röda blodkropparna i blodet ca 250 gånger kraftigare än oxygen och stör dessutom omsättningen i cellerna genom att blockera cytokromoxidas-sytemet. Kroppen får snabbt livshotande oxygenbrist (även vid oxygenhalt i luften). Förgiftningsrisk finns redan vid så låga halter som ppm. 50 % dödlighet har man vid exponering för 3,5 vol-% under 10 min. Exempel: Gasol (propan) förbränns ofullständigt till koloxid och vattenånga. Vad blir halten koloxid i rökgaserna? C3H8 + 3,5(O2 + 3,76 N2) = 3 CO + 4 H2O (g) + 13,16 N2 Vol-% CO = /( ,16) = 14,9 vol-% Av exemplet ovan framgår att koloxidhalter vid brand blir höga om oxygenbrist börjar föreligga. Som visades i avsnittet oxygenhalt inträffar detta tidigt efter en brands start. Koloxid bildas av alla kolhaltiga material. Koloxid är brännbar i blandning med luft mellan 12,5 och 74,2 vol-%. Rökgaser kan därför antändas om de kommer ut i luften alternativt om luft får tillträde till ett brandrum. I det senare fallet kan förloppet ibland ske snabbt, s k rökgasexplosion. Andningsirriterande och korroderande gaser Andningsirriterande och korroderande gaser uppkommer vid förbränning av klor- och svavelhaltiga ämnen. De irriterande och giftiga förbränningsprodukterna är här väteklorid (saltsyra) respektive svaveldioxid. Klorhaltiga ämnen är mest vanliga. De flesta elektriska ledningar är isolerade med PVC. PVC finns också i golvbeläggningar (s k plastmattor). Släktingar till klor är fluor och brom. Ämnen som innehåller dessa grundämnen ger vid förbränning vätefluorid respektive vätebromid, likaså irriterande och giftiga gaser. Gaserna väteklorid, svaveldioxid, vätefluorid och vätebromid, är irriterande (ger hosta och andnöd) och är dessutom frätande på slemhinnor och ögon. Ögon och näsa rinner. Farliga halter uppkommer omedelbart i brandgaserna efter brandstart. Datorer och elektronikmateriel i rökens väg förstörs. Vid brand i fasta ämnen uppkommer under pyrolysstadiet en rad irriterande föreningar som sticker i ögonen och som gör att det svider i halsen. Man kan märka detta varje gång när man står nära en brinnande brasa och röken råkar slå emot en. 24

27 Ett vanligt ämne är akrolein (propenal), som har sammansättningen CH 2 CHCHO, som förekommer normalt vid pyrolys av bränslen som trä och polyeten. Vid brand i nitrogenhaltiga ämnen, t ex polyamider (Nylon), polyuretaner (i möbelstoppning som skumplast), ull och silke, bildas dels låga halter av vätecyanid, HCN, dels låga halter av kväveoxider, NO 2 och NO. Även dessa gaser är giftiga och andningsirriterande. Sikt Vid brand i kolhaltiga ämnen uppkommer sot (kol i mycket liten partikelstorlek) dels under pyrolysstadiet vid brand i fasta bränslen, dels vid förbränning av gaser och vätskor i själva flamman. Sotbildning uppkommer normalt alltid vid förbränning av ämnen med fler än två kolatomer i molekylen. Man har också observerat vid storskaliga försök att även ämnen som normalt inte sotar vid bränning i liten skala, gör detta vid bränning i stor skala. Detta beror på att oxygenet från luften inte når in till den centrala delen av flamman utan konsumeras i periferin, med oxygenbrist i centrala delen som resultat. På grund av den ringa partikelstorleken följer sot med rökgaserna uppåt trots att kol (grafit) har en relativt hög volymvikt, 2200 kg/m 3. Sotpartiklarna håller sig svävande under lång tid. Brandröken blir på grund av sotförekomsten mörk och kraftigt siktnedsättande. Då röken fyller ett rum med början i taket (de varma brandgaserna, även med sot, är lättare än luft) går sikten ned uppifrån räknat. Efter förhållandevis kort tid ligger rökskiktet i ögonnivå om man står upp. För att över huvud taget kunna orientera sig måste man därför huka sig eller lägga sig ner på golvet. Figur 4. Röken fyller rummet ovanifrån 25

28 Skall man sätta upp skyltar med vägledning för hur man gör utrymning vid brand, så skall dessa därför ej sitta i ögonhöjd, utan i knähöjd eller ännu lägre. I flygplan har man förlagt en lysande ramp till golvet att tjäna som vägledning ut vid nödläge. Temperatur En människa är inrättad för att kunna hålla en temperatur av 37 grader. Tenderar temperaturen att stiga så svettas man. Ångbildningsvärmet för svettens vatten tas från hudytan. Detta är det normala temperaturregleringssystemet. Man kan inte svettas hur länge som helst, förrådet av vätska är begränsat. När vätskeförrådet har gått ned under en viss nivå, förlorar man medvetandet ( solsting ). Utsätts en lokal del av hudytan för övervärme försöker man dels flytta denna del, dels kyler man delen med det egna blodet för att inte skadas. Uppreglering av blodflödet tar viss tid och klarar inte snabba temperaturhöjningar. Som signal använder kroppen kombinationer av instrålad värmeeffekt och bestrålningstid. 20 kw/m 2 under 2 s är smärtgränsen, dvs ger signal att flytta sig eller fly. Koagulering (stelning) av vävnadsdelar sker när temperaturen där stigit över ca 65 grader (jämför tillagning av kött i ugnen!). Då upphör funktionen i den delen av kroppen. Här är lungorna särskilt känsliga. Andas man in mycket het luft förstörs lungblåsor och syreupptagningen äventyras. Vid värmeeffekter och tider över smärtgränsen får man brännskador. Oskyddade kroppsdelar skadas först dvs ansikte och händer för vanliga personer utan skyddsutrustning. 26

29 BYGGMATERIAL I KONTROLLRUM OCH ANDRA KÄNSLIGA RUM I rum, som är kritiska för säkerheten, t ex kontrollrum, är det extra viktigt att en brand där inte snabbt slår ut datorer eller annan elektronik. Det betyder att man bör vara uppmärksam på vilka byggnadsmaterial och vilken inredning man tillåter sig ha i lokalen. Bäst, men kanske orealistiskt, är att inte ha några brännbara material alls, dvs endast betong, stål etc. Om man har brännbara material (i stolsitsar, bord mm) måste man göra en ordentlig genom gång av alla material i lokalen. De frågor man skall ställa sig är: Vad händer då materialen brinner? Vad händer då materialen upphettas (av brand i närheten)? Torrdestillation (upphettning av oftast fasta ämnen) var alkemistens process att framställa en rad kemikalier, bl a svavelsyra. Svavelsyra framställdes av gips, som fanns i naturen. Gips är kalciumsulfat med kristallvatten, CaSO 4 *2H 2 O. Vid upphettning förlorar gips vattnet och vid kraftigare upphettning går det vattenfria kalciumsulfatet sönder till kalciumoxid och svaveltrioxid. Svaveltrioxid löser sig i vatten och bildar svavelsyra. Gipsskivor är ej brännbara och används som tändskyddande beläggning, men ger svavelsyra vid brand i andra närliggande brännbara material. En 13 mm gipsskiva med ca 30 kg gips ger ca 17 kg svavelsyra. TABELL 7. BYGGMATERIAL SOM KAN GE SURA BRANDGASER Material Sur gas Kg sur gas per kg material Gipsskivor H 2 SO 4 0,57 Golvmattor PVC HCl 0,35 (60 % PVC) Elkabelisolering, PVC HCl 0,44 (75 % PVC) Teflondetaljer, PTFE HF 0,80 Elkabelisolering, PTFE HF 0,80 27

30 LITTERATUR I nedanstående litteratur kan man hitta mer detaljer om brand och brandförlopp. A Cote: Fire Protection Handbook. National Fire Protection Association, Quincy MA 02269, F P Lees: Loss Prevention in the Process Industries. Butterworth-Heinemann, Oxford, S Fischer, R Forsén, O Hertzberg, A Jacobsson, B Koch, P Runn, L Thaning, S Winter: Vådautsläpp av brandfarliga och giftiga gaser och vätskor. FOA rapport FOA-R SE, september Committee for the Prevention of Disasters: Methods for the calculation of physical effects.cpr 14E, second edition, Directorate-General of Labour of the Ministry of Social Affairs abd Employment, Postbox 90804, 2509 LV The Hague, Holland. 28