Kapittel 12. Brannkjemi. 12.1 Brannfirkanten



Like dokumenter
Viktige begreper fra fysikk og kjemi

3. Balansering av redoksreaksjoner (halvreaksjons metoden)

Auditorieoppgave nr. 1 Svar 45 minutter

Innhold. I Brann og samfunn 1. II Brannutvikling 15

- Kinetisk og potensiell energi Kinetisk energi: Bevegelses energi. Kinetiske energi er avhengig av masse og fart. E kin = ½ mv 2

Sesjon 4 Tekniske utfordringer

Hydrogen er det minste grunnstoffet. Ved vanlig trykk og temperatur er det en gass. Den finnes ikke naturlig på jorden, men må syntetiseres.

3. Massevirkningsloven eller likevektsuttrykk for en likevekt

Kap 4. Typer av kjemiske reaksjoner og løsningsstøkiometri

2. Kjemisk likevekt Vi har kjemisk likevekt når reaksjonen mot høgre og venstre går like fort i en reversibel reaksjon.

x 1 x 3 = 0 4x 1 2x 4 = 0 2x 2 2x 3 x 4 = 0

Kort prosessbeskrivelse av metanolfabrikken

Kapittel 4 Ulike kjemiske reaksjoner og støkiometri i løsninger

O R G A N I S K K J E M I. Laget av Maryam

Rust er et produkt av en kjemisk reaksjon mellom jern og oksygen i lufta. Dette kalles korrosjon, og skjer når metallet blir vått.

Fremstille og påvise hydrogengass

Kjemisk likevekt. La oss bruke denne reaksjonen som et eksempel når vi belyser likevekt.

1561 Newton basedokument - Newton Engia Side 53

Hydrogen & Brenselcelle biler Viktig for en miljøvennlig fremtid!

Til Vedlegg 1. Farlig stoff. Kriterier for klassifisering

Studentenes navn: Olav Myrvoll, Ida Henriette Tostrup og Line Antonsen Hagevik 06. september NA153 Naturfag 1 Del 1 Nr.

1. UTTAKSPRØVE. til den 44. Internasjonale Kjemiolympiaden i Washington DC, USA. Oppgaveheftet skal leveres inn sammen med svararket

Brannforebygging på FA-anlegg. Avfall Norge

Eksamen. Emnekode: KJEMI1/FAD110. Emnenavn: Kjemi 1. Dato: Tid (fra-til): Tillatte hjelpemidler: Kalkulator, KjemiData.

Den 35. internasjonale Kjemiolympiade i Aten, juli uttaksprøve. Fasit.

F F. Intramolekylære bindinger Kovalent binding. Kjemiske bindinger. Hver H opplever nå å ha to valenselektroner og med det er

Jodklokke. Utstyr: Kjemikalier: Utførelse:

Hvorfor studere kjemi?

Kapittel 21 Kjernekjemi

PARTIKKELMODELLEN. Nøkler til naturfag. Ellen Andersson og Nina Aalberg, NTNU. 27.Mars 2014

SKRIFTLIGE INSTRUKSJONER I HENHOLD TIL ADR. Tiltak ved ulykker eller nødssituasjoner

Velkommen til en dag med realfag i praksis!

Kjemiske bindinger. La oss demonstrere ved hjelp av eksempler

Atommodeller i et historisk perspektiv

KJ1042 Øving 3: Varme, arbeid og termodynamikkens første lov

Sammendrag, forelesning onsdag 17/ Likevektsbetingelser og massevirkningsloven

1) Redoksreaksjoner, reaksjoner hvor en forbindelse. 2) Syre basereaksjoner, reaksjoner hvor en. elektronrik forbindelse reagerer med en

Teoretisk kjemi. Trygve Helgaker. Centre for Theoretical and Computational Chemistry. Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. Onsdag 13.

FLERVALGSOPPGAVER STØKIOMETRI

KORTFATTET INNFØRING OM GASSEKSPLOSJONER

Dette gir ingen informasjon om hvor en nukleofil vil angripe.

Sikkerhetsrisiko:lav. fare for øyeskade. HMS ruoner

Timon og Pumbaas tips til brannsikkerhet

Fasit oppdatert 10/9-03. Se opp for skrivefeil. Denne fasiten er ny!

UNIVERSITETET I OSLO

Det forventede resultatet er at vannet skal bli blått etter at magnesiumbiten har reagert med det

Fra alkymi til kjemi. 2.1 Grunnstoffene blir oppdaget

ORGANISK KJEMI EMIL TJØSTHEIM

b) Beregn varmemengden som blir frigitt hvis metangassen fra a) forbrennes. Anta at reakjonen går isotermt og isobart ved 1 atm og 298K: (5p) Figur 1

Prøveeksamen i Fysikk/kjemi Løsningsforslag Prøve 8

Resultatet blir tilgjengelig på studentweb første virkedag etter sensurfrist, dvs (se

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Onsdag 22. mai 2013 Tid:

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 17. august 2013 Tid:

EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Laurdag 18. august 2012 Tid:

Årsplan - Naturfag. Kompetansemål Tidspunkt Tema/Innhold Lærestoff Arbeidsmåter Vurdering

Side 1 av 2/nyn. MIDTSEMESTEREKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 Fredag 20. februar 2013 Tid:

LAG DIN EGEN ISKREM NATURFAG trinn 90 min. SENTRALE BEGREPER: Faseovergang, kjemi, molekyl, atom, fast stoff, væske, gass

KJ1042 Grunnleggende termodynamikk med laboratorium. Eksamen vår 2012 Løsninger

1. Oppgaver til atomteori.

Brann og dens luner. Ragnar Wighus. SINTEF NBL as. SINTEF NBL as

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Naturfag barnetrinn 1-2

Periodesystemet.

Kjemiske bindinger. Som holder stoffene sammen

Natur og univers 3 Lærerens bok

planlegge og gjennomføre undersøkelser i minst ett naturområde, registrere observasjoner og systematisere resultatene

A-plan. Uker Tema Mål fra L06 Lokale mål 5 (vår) Undersøkelse av naturområde ferskvann

Til våre naboer INFORMASJON OM SIKKERHET OG BEREDSKAP VED NORDIC PAPER GREÅKER

Kompetansemålene i «Forskerspiren» vil ligge til grunn for arbeidet med de resterende målene.

Løsningsforslag eksamen kjemi2 V13

Hovedtema Kompetansemål Delmål Arbeidsmetode Vurdering

FAGPLAN I NATURFAG FOR 8.KL. justert

Energi. Vi klarer oss ikke uten

Studie av overføring av kjemisk energi til elektrisk energi og omvendt. Vi snakker om redoks reaksjoner

Til naboer LNG-terminal, Bingsa, Ålesund Juni 2017 INFORMASJON OM NY EIER, LNG-TERMINAL, BINGSA OG FLYTENDE NATURGASS - LNG

LØSNINGSFORSLAG TIL ØVING NR. 11, VÅR 2014

KJ1042 Øving 12: Elektrolyttløsninger

Jordas energikilder. Tidevann. Solenergi Fossile. Vind Gass Vann Olje Bølger År

MENA1001 Deleksamen 2017 Forside

FASIT til 2. UTTAKSPRØVE

LAG EN FIN TELYSLYKT AV EN TOM DRIKKEBOKS

FORBRENNINGSANLEGG I BRENSEL OG UTSLIPP

Luft og luftforurensning

Korrosjon. Øivind Husø

Kjemi og miljø. Elektrokjemi Dette kompendiet dekker følgende kapittel i Rystad & Lauritzen: 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 og 10.5

FLERVALGSOPPGAVER KJEMISK BINDING

Kjernen i kjerneelementet. Energi og materie. Maria Vetleseter Bøe, Kirsten Fiskum og Aud Ragnhild Skår

Utslipp av CO-gass i flis- og pelletslager faremomenter og mulige tiltak

BOKMÅL EKSAMENSOPPGAVE I KJE Eksamen i : KJE Eksamensdato : Mandag 22.februar. Tid : 09:00-15:00. Sted : Administrasjonsbygget, B.154.

BRANNTEPPER. Andreas Sæter Bøe November RISE Safety and Transport RISE Fire Research Trondheim. Research Institutes of Sweden

EKSAMENSOPPGAVE I KJE-1001

2. Hva er formelen for den ioniske forbindelsen som dannes av kalsiumioner og nitrationer?

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK 2 8. august 2009 Tid:

Karbon Metan Aminosyrer Isotoper NaCl. Elektronskall Redusert Sur Salter Karbohydrater. Alkoholer Oksygen Blanding Elektronparbindinger

Side 1 av 3/nyn. Kontakt under eksamen: Ivar S. Ertesvåg, tel. (735) EKSAMEN I FAG TEP4125 TERMODYNAMIKK august 2017 Tid:

A+%-,0$%/,/,/(%(.)0B#"+B(

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN MAI 2006

Newton Camp modul 1190 "Luftige reiser, Newton-camp Vest-Agder 2015"

Transkript:

Kapittel 12 Brannkjemi I forbrenningssonen til en brann må det være tilstede en riktig blanding av brensel, oksygen og energi. Videre har forskning vist at dersom det skal kunne skje en forbrenning, må det også være frie radikaler tilstede i forbrenningssonen [7]. De frie radikalene inngår i kjedereaksjonene som foregår inne i selve forbrenningssonen. Nedenfor vil begrepene brannfirkant, brensel og kjedereaksjon bli presentert nærmere. 12.1 Brannfirkanten Innen brannteknisk litteratur blir det ofte fremstilt som om det er tilstrekkelig med brensel, oksygen og varme for å starte og opprettholde forbrenningen i en brann. Dette forholdet blir ofte illustrert med en branntrekant, se figur 12.1 [48]. Branntrekanten er en tilstrekkelig illustrasjon for dem som kun ønsker en kort introduksjon til branntekniske emner. De som studerer brann, må også ha kjennskap til de interne kjemiske reaksjonene som foregår inne i en forbrenningssone. Frie radikaler og kjedereaksjoner spiller en avgjørende rolle i de kjemiske reaksjonene som foregår inne i forbrenningssonen til en brann. Det er ikke tilstrekkelig kun å kjenne til reaktantene og sluttproduktene som inngår i forbrenningen. De mellomliggende prosessene som beskrives av kjedereaksjonene må også forstås [24]. For å illustrere viktigheten av kjedereaksjonene, er branntrekanten utvidet til en brannfirkant, se figur 12.1. I engelsk og amerikansk litteratur blir branntrekanten utvidet til en tetraeder 1 og ikke en firkant [7]. Dette er illustrert i figur 12.2. 1 En tetraeder er en trekantet pyramide. 175

176 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI Figur 12.1: Branntrekant og -firkant Figur 12.2: Branntetraeder

12.1. BRANNFIRKANTEN 177 12.1.1 Brensel De som arbeider med brannbekjempelse eller forebyggende arbeid, vil i stor grad komme i kontakt med brenselstyper som er karbonbasert, ett unntak er hydrogengass (H 2 ). Brensel kommer i tre aggregattilstander: fast stoff, væske og gass. Dersom en forbrenning med flamme skal kunne oppstå og opprettholdes, må brenselet være i gassform. Faste stoff og væsker må omdannes til gass før de kan delta i forbrenningen [20, 63], se figur 12.3. Væsker fordamper og danner en luft/gass-blanding som kan antenne, dersom blandingsforholdet er riktig. Faste stoffer må i mange tilfeller først smelte og så fordampe før en forbrenningsreaksjon kan oppstå. Det er også en del faste stoffer som sublimerer eller gjennomgår en kjemisk spaltning 2, og avgir gasser direkte. Trevirke er et godt eksempel på et slikt materiale [17]. Figur 12.3: Bensel Brenselets opprinnelige aggregattilstand vil i mange tilfeller kunne påvirke sammensetningen av forbrenningsproduktene. Grunnen er at ufullstendige forbrenninger vil resultere i mange forskjellige kjemiske sluttprodukter [20]. Sluttproduktene vil være tilstede i røyken som blir avgitt av brannen. Røyken kan inneholde store mengder giftige gasser som i verste fall kan drepe både mennesker og dyr. I tillegg er det ofte svært mye partikler i røyken og disse vil redusere sikten i rømningsveiene. 2 Den kjemiske spaltingen omtales som pyrolyse og står for en kjemisk nedbrytning.

178 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI 12.1.2 Oksygen og energi Oksygen og energi er sentrale faktorer i en forbrenning. Oksygen vil være tilgjengelig gjennom luft som blir trukket inn i forbrenningssonen p.g.a. trykkog tetthetsforskjeller. Luft inneholder vanligvis 20,95 % oksygen, og tilfører dermed forbrenningen oksygen så lenge lufttilførselen er tilfredstillende [20]. Det vil først oppstå oksygenmangel når lufttilgangen hindres. Lufttilgangen hindres vanligvis ved å lukke dører og vinduer eller ved å bruke slukkesystem som fortrenger oksygen, f.eks. vanntåke eller skum. Energi for å opprettholde forbrenningen må produseres i selve forbrenningssonen. Energiproduksjonen må være tilstrekkelig til både å opprettholde temperaturen i forbrenningssonen og bidra til at en tilstrekkelig del av brenselet blir omgjort til brennbar gass. Temperaturen i forbrenningssonen må holdes rundt 1500-1600 K for å opprettholde forbrenningen 3 [17]. Videre er det en god antagelse at 30-40 % av energien som produseres i brannen stråles vekk fra flammen og til omgivelsene [24, 44, 45]. I tabell 12.3 blir det gitt noen eksempler på hvor mye energi som stråles vekk. Energien som stråles vekk fra flammen, bidrar ikke til oppvarmingen av forbrenningsproduktene. 12.1.3 Kjedereaksjon Når to eller flere stoffer reagerer med hverandre, blir kjemiske reaksjonsligninger benyttet for å beskrive mengdene av reaktanter og sluttprodukter. De mellomliggende prosessene som ofte blir kalt kjedereaksjoner eller katalytiske-reaksjoner, blir ikke beskrevet i de kjemiske reaksjonsligningene. I de katalytiske prosessene inngår det frie radikaler (ioner, atomer og molekyler) som er nødvendige for å holde en prosess i gang, men som selv ikke brukes opp eller forsvinner fra reaksjonssonen. Frie radikaler kjennetegnes ved at det ytterste elektronskallet til atomet, ionet eller molekylet ikke er fylt opp, dvs. uparede elektroner [76]. Antallet ledige plasser i det ytre elektronskallet blir markert med,f.eks. H. Et eksempel på en slik kjedereaksjon, er ved forbrenningen av en hydrogenoksygenblanding. En tennkilde vil forme enslige hydrogenatomer. Et hydrogenatom ( H) vil lett reagere med et oksygenmolekyl (O 2 ), og danner et hydroksidion ( OH ) og et enslig oksygenion ( O 2 ) [24]. H + O 2 OH + O 2 Både hydroksidionet og oksygenionet vil reagere med omliggende hydrogenmolekyler fra blandingen, som illustrert i figur 12.4. For å øke forståelsen 3 Minimums-temperaturen i forbrenningssonen er relatert til konsentrasjonen av brenselet ved nedre brennbarhetsgrense.

12.2. FORBRENNING AV GASSER 179 av emnet, er ladningene til ionene ikke inkludert i den videre diskusjonen av kjedereaksjoner. Figur 12.4: Illustrasjon av en kjedereaksjon Introduksjonen av et enkelt hydrogenatom som et fritt radikal i en hydrogenoksygen-blanding, vil resultere i produksjonen av to H 2 O molekyler og tre nye hydrogenatomer [24]. De nye hydrogenatomene vil fortsette reaksjonen til alt hydrogenet er brukt opp, for så til slutt å forme vann. Kjedereaksjoner vil ikke bli diskutert nærmere. Grunnen er at ved mer komplekse brensel blir antallet reaksjoner med frie radikaler fort så stort at en mister oversikten. I eksemplet med hydrogen/oksygen-blandingen var det tre reaksjoner som beskriver kjedereaksjonene. Ved reaksjoner mellom metan og oksygen, vil antallet kjedereaksjoner overstige ett hundre. Metan er også et ukomplisert brensel [20, 24]. Ettersom kjedereaksjonene inngår i forbrenningsprosessen, medfører dette at branntrekanten er utvidet til en brannfirkant eller en branntetraeder. Dette er gjort for å vise hvor viktig kjedereaksjonene er i en forbrenning, samt for å illustrere det teoretiske aspektet innen brannkjemi. 12.2 Forbrenning av gasser Når en gass brenner, blir det forbrukt oksygen. I de tilfeller alt brenselet og oksygenet blir brukt opp, kalles reaksjonen en fullstendig forbrenning. En

180 KAPITTEL 12. BRANNKJEMI fullstendig reaksjon tilsier at det ikke vil være reaktanter blant sluttproduktene. Men i forbindelse med branner, vil svært ofte blandingsforholdene mellom luft og gass medføre ufullstendig forbrenning hvor en del av de opprinnelige reaktantene vil være tilstede blant produktene fra brannen. Det er to situasjoner som oppstår når luft-gassblandingen ikke er ideell eller fullstendig. I den ene situasjonen er det ikke tilstrekkelig brensel til å forbruke all oksygenet, og denne type blandingsforhold kalles brenselsfattig. I den andre situasjonen er det for mye brensel, slik at det er et underskudd på oksygen. Dette blandingsforholdet kalles brenselsrikt eller fet blanding. For å illustrere de tre blandingsforhold, kan en se på tre forskjellige blandinger av metan og oksygen. 12.2.1 Fullstendig forbrenning I den første blandingen reagerer metan (CH 4 ) fullstendig med oksygen og former vann og karbondioksid. Ved fullstendige forbrenninger av hydrokarboner er H 2 OogCO 2 de eneste produktene av reaksjonen [20]. Den støkiometriske reaksjonsligningen er vist i ligningene nedenfor. CH 4 + x O 2 y CO 2 + z H 2 O (12.1) En fullstendig forbrenning medfører at x, y og z kan bestemmes. Den balanserte ligningen blir da som følger: 12.2.2 Brenselsfattig y =1 2z =4 z =2 2x =2y + z x = 2 1+2 =2 2 CH 4 +2 O 2 CO 2 +2 H 2 O I den andre blandingen er det et underskudd på brensel, dvs. brenselsfattig 4. Dette blandingsforholdet tilsier at det vil være oksygen blant forbrenningens sluttprodukt. I reaksjonen mellom 1 mol metan (CH 4 ) og 3 mol oksygen (O 2 ) er ikke alt oksygenet forbrukt, se ligning 12.2 CH 4 +3O 2 CO 2 +2 H 2 O + O 2 (12.2) 4 Når mengden brensel er styrende eller dimensjonerende for reaksjonene, blir brannen kalt brenselskontrollert.

12.2. FORBRENNING AV GASSER 181 12.2.3 Brenselsrik I den tredje blandingen vil det være mer brensel enn det som kan reagere fullstendig med oksygen 5. Dersom 2 mol metan reagerer med 2 mol oksygen oppstår det en situasjon som ikke kan løses ut i fra en støkiometrisk beregning. Grunnen er at det ikke uten videre kan fastslås hvilke produkter som produseres. 2 CH 4 +2 O 2 α CO 2 + β H 2 O + γ CO + δ H 2 + ζ CH 4 Det er fullt mulig å bruke empiriske data 6 for å bestemme typene og mengdene av produktene. Vanskene ved bruk av slike data, er at det må foreligge informasjon om hvilke forhold brenselet er testet under og at dette er forenelig med det virkelige scenarioet. Forhold som stråling, turbulens og blandingsforholdet mellom luft og gass, vil påvirke produksjonen av forbrenningsproduktene. Eksempel 12.1 Hvor mange mol O 2 blir forbrukt ved en fullstendig forbrenning av propan (C 3 H 8 )? Løsning: En begynner med å sette opp den kjemiske reaksjonsligningen. C 3 H 8 + xo 2 yco 2 + zh 2 O y =3 2z =8 z =4 2x =2y + z x = 2 3+4 =5 2 C 3 H 8 +5O 2 3CO 2 +4H 2 O Det blir forbrukt 5 mol O 2 pr forbrent mol propan. 5 Når mengden oksygen er styrende eller dimensjonerende for reaksjonene, blir brannen kalt ventilasjonskontrollert. 6 Empiriske data er funnet via eksperimentelle forsøk.