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MET Version 4.8 für Windows hat als eine der Neuerungen ein Gemischmodul enthalten. In diesem Artikel möchten wir Ihnen dieses neue Hilfsmittel anhand von Brandgasen vorstellen.

Die Bedeutung von Brandgasen

Mehr als 60 % aller Toten bei Bränden sind durch Vergiftung mit akut toxischen Gasen gestorben. "Bei jedem Feuer entstehen große Rauchgasmengen, die in erster Linie das unsichtbare, geruchlose und äußerst giftige Kohlenmonoxid (CO) enthalten. Bei Vorhandensein von Kunststoffen wird zusätzlich ein Giftgascocktail mit Blausäure (HCN), Salzsäure (HCl), Ammoniak (NH3), Stickoxiden (NOx) und vielen weiteren Gasen gebildet. Deshalb ist der Schutz von Einsatzpersonal und Bevölkerung vor den akut-toxischen und weiteren, latent gefährlichen Giftstoffen äußerst wichtig." [Basmer, Zwick].

Brandgase als Gemisch

Gasgemische treten bei Störfällen häufig auf. Die Situation bei einem Brand ist besonders komplex, da eine Vielzahl von Gasen entstehen können. Die Reaktionsgeschwindigkeiten der chemischen Teilreaktionen sind meist konzentrations-, druck- und temperaturabhängig. Weil viele Brandprozesse exotherm verlaufen, d.h. Wärme wird an die Umgebung abgegeben, entsteht eine Rückkopplung: Die entstehende Wärme beeinflusst direkt wiederum die Reaktionsgeschwindigkeiten. Diese Kopplung macht es schwierig bei einem konkreten Störfall die Zusammensetzung der Brandgase abzuschätzen. 

Die Behandlung von Brandgasen in der aktuellen Version von MET

In der MET-Version 3.0 oder 4.0 wird bei der Wahl eines Brandes die Toxizität der Brandgase grundsätzlich als ungefährlicher eingestuft als die brennbare in Brand geratene Substanz. Konkret wird angenommen, dass ein Teil der Ausgangssubstanz nicht abbrennt und so die Komponente in den Brandgasen darstellt, die die Gesamttoxizität bestimmt.

Der Massenanteil der Ausgangssubstanz, der nicht abbrennt wird bestimmt in dem die Ausgangssubstanz mit einem Divisor geteilt wird (dieser ist für sehr gut brennbare Substanzen = 5):  

Masse der Ausgangssubstanz in der Brandgaswolke = Masse der Ausgangssubstanz / x

Diesem Verfahren liegt die Annahme zu Grunde, dass die Brandgase weniger toxisch sind als die Ausgangssubstanz. Diese Näherung trifft vorallem für Brände zu bei denen der Ausgangstoff sehr toxisch ist, wie z.B. Blausäure.

Die Grenzen des heutigen Ansatzes

Der heutige Ansatz in MET ist zweckmässig, weil die Thermik die Brandgase in die Höhe treibt und diese in vielen Fällen genügend verdünnt werden, so dass akut toxische Auswirkungen auf Menschen nicht beobachtet werden.

Es gibt aber Fälle wo die Thermik z.B. durch Löschmassnahmen gemindert wird oder das Ausbreiten der Brandgase nach oben eingeschränkt ist. In diesen Fällen oder auch dann wenn die Brandgase toxischer sind als der Ausgangsstoff führt die bisherige Lösung in MET zu einer Unterschätzung der Gefahr.

Beispielsweise führt der Brand von Schwefelkohlenstoff mit einer Toxizität (AEGL-2 (30 min)) von 200 ppm zu Schwefeldioxid als Brandgaskomponente mit einer Toxizität (AEGL-2 (30 min)) von 0.75 ppm.

Diese Einschränkung besteht dann nicht, wenn der Benutzer das Brandgasgemisch formuliert und als neue Substanz "Brandgasgemisch von xy" in MET eingibt. Diese Arbeit ist jedoch zeitaufwenig und wird deshalb kaum durchgeführt.

Brandgase im neuen MET Gemischmodul

Brandgase im neuen MET Gemischmodul können mit 2 unterschiedlichen Methoden erfasst werden. Beiden Methoden ist dabei gemeinsam, dass nur die Gaskomponenten erfasst werden die entweder für das Gasvolumen und/oder die Gesamttoxizität einen wesentlichen Beitrag leisten. Physikalische und toxische Eigenschaft des Gemisches werden dort wo möglich aus den einzelnen Eigenschaften der Gaskomponenten ermittelt. Diese Gemischeigenschaften werden dann für die eigentliche Ausbreitungsrechung verwendet.

Methode 1: Brandgaszusammensetzungen aus Messungen

In MET kann die Brandgas­zusammensetzung eingegeben oder aus der Datenbank abgerufen werden. Diese Methode ist bei Brandgaszusammensetzungen, die auf Grund von Messungen/Literaturdaten hinreichend bekannt sind anwendbar. Beispiele sind die Brandgaszusammensetzung von Polyvinylchlorid PVC oder z.B. eines Reifenlagerbrandes.

Methode 2: Ableitung der Brandgas­komponenten aus der chemischen Struktur

Heute sind über 40 Millionen chemische Sustanzen kommerziell erhältlich [CAS, 2010]. Von der überwiegenden Mehrzahl von Stoffen sind keine Brandgaszusammensetzungen, durch experimentelle Messungen bekannt. Methode 1 hat seine engen Grenzen.

Deshalb ermittelt das Modell durch Mustererkennung mit Hilfe der chemischen Struktur automatisch eine Bruttoreaktionsgleichung und setzt die Brandgutsubstanz in die chemische Reaktionsgleichung ein und leitet die Brandgaszusammensetzung ab. Das Modell ermittelt dabei die Stöchiometrie der chemischen Bruttoreaktionsgleichung automatisch. Der Vorteil dieser Methode ist, dass eine schnelle erste Abschätzung der Gefahren durch die entstehenden Brandgase gemacht werden kann, auch wenn für die Substanz keine gemessenen Brandgaszusammensetzungen bekannt sind. 

Als Beispiel betrachten wir Schwefelkohlenstoff mit einem Toxizitätswert AEGL-2 (60 min) 160 ppm. Mit einem Flammpunkt von -30 °C ist diese Flüssigkeit gut entzündbar. Bei einem Brand entsteht das erheblich toxischere Schwefeldioxid mit einem AEGL-2 (60 min) von 0.76 ppm. Nicht nur, dass der enstehende Stoff toxischer ist, es werden pro Mol Schwefelkohlenstoff zudem 2 Mol Schwefeldioxid erzeugt.

Gibt der Benutzer in MET 800 kg Schwefelkohlenstoff ein und wählt er einen Brand rechnet MET automatisch mit einem Gemisch aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Schwefeldioxid. Im Eingabefeld Substanzwahl erscheint der Hinweis "(gerechnet mit Gemisch von Brandgasen)":

Der Benutzer kann sich im Reaktionsexplorer die verwendete Gemischzusammensetzung ansehen. Aus 800 kg Schwefelkohlenstoff entstehen gemäss dieser Abschätzung rund 1300 kg Schwefeldioxid, 420 kg Kohlendioxid und 27 Kohlenmonoxid:

Eine weitere interessante Zahl ist die Gesamtmasse an Brandgasen von rund 1.7 Tonnen. Diese Masse ist höher als die eingesetzten 800 kg Schwefelkohlenstoff, weil der Schwefelkohlenstoff beim Brand mit Sauerstoff chemisch reagiert.

MET schätzt die Toxizität der Brandgase als 1.1 ppm AEGL-2 (60 min) ab.  Die Brandgase sind also erheblich giftiger als Schwefelkohlenstoff (160 ppm) selber.  

Ausblick

Der Einbezug von Brandgasgemischen ermöglicht Gefahrenabschätzungen, die bisher nicht oder nur unter grösserem Zeitaufwand möglich waren. Die Methode mit der Wahl der Bruttoreaktionsgleichung auf Grund der chemischen Struktur erlaubt eine schnelle erste Abschätzung der Gefahren durch die entstehenden Brandgase, auch wenn für die Substanz keine gemessenen Brandgaszusammensetzungen bekannt sind.

Literatur
  • Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, Academic Press, 2008
  • Peter Basmer, Gerhard Zwick, Messung des Giftgascocktails bei Bränden, Forschungsstelle für Brandschutztechnik an der Universität Karlsruhe (TH), 2004
Highlights

29.12.2016 16:20

Auswertung Umfrage "Aktivierungs- energie"

finden Sie [hier]




21.12.2016 18:22

MET für Windows Version 6.5

Die wichtigsten Neuerungen [mehr]




11.10.2016 15:46

Die App zu MET: Eine Vorschau

[mehr]




13.05.2016 08:31

Mai Service-Update für MET für Windows 6.0 verfügbar.

[mehr]




31.12.2015 15:49

Auswertung Umfrage "Kaltes Feuer"

finden Sie [hier]




12.11.2015 19:40

Openstreetmap

Version 6 von MET für Windows unterstützt die Verwendung von Openstreetmap-Karten [hier]



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