Tiesitkö, että ympärillämme oleva ilma on pääosin typpeä? Tarvitsemme kaikki happea pysyäksemme hengissä, mutta hengittämästämme ilmasta vain 21 % on happea ja 78 % on typpeä, minkä lisäksi siinä on pieniä määriä muita kaasuja. Kehomme ei käytä tätä typpeä, mutta siitä on paljon hyötyä monissa teollisuuden käyttökohteissa.
Mitä typpi on?
Aloitetaan perusasioista. Typpi on hajuton ja väritön jalokaasu, joka ei ylläpidä elämää. Se on kuitenkin tärkeä kasvien kasvamiseen sekä lannoitteiden pääainesosa. Typpeä käytetään paljon muuallakin kuin puutarhassa. Se esiintyy usein joko nestemäisessä tai kaasumaisessa muodossa (mutta myös kiinteää typpeä on saatavilla). Nestemäistä typpeä käytetään kylmäaineena, jota voidaan käyttää nopeaan jäädytykseen elintarvikealalla tai lääkinnällisessä tutkimuksessa sekä hedelmöityksessä. Tässä artikkelissa keskitytään typpeen kaasuna.
Typpeä käytetään laajasti pääasiassa siksi, ettei se reagoi muihin kaasuihin joutuessaan kosketuksiin niiden kanssa, toisin kuin happi, joka on hyvin reaktiivinen. Typen kemiallisen rakenteen takia sen atomien erottaminen ja muiden aineiden kanssa reagoiminen edellyttävät enemmän energiaa. Sitä vastoin happimolekyylit hajoavat helpommin, mikä tekee kaasusta reaktiivisemman. Typpikaasu on sen vastakohta – se tarjoaa tarvittavan reagoimattoman ympäristön.
Typen tärkein etu on sen passiivisuus, ja niinpä sitä käytetään estämään hidas ja nopea hapettuminen. Hyvä esimerkki sen käytöstä on elektroniikkateollisuudessa, missä piirilevyjen ja muiden pienten osien tuotannossa voi esiintyä hidasta hapettumista korroosion muodossa.
Hidas hapettuminen on myös yleinen haitta elintarvike- ja juomateollisuudessa, missä typellä syrjäytetään ja korvataan ilmaa tuotteen säilyvyyden parantamiseen. Räjähdykset ja tulipalot ovat hyvä esimerkki nopeasta hapettumisesta, koska ne edellyttävät happea polttoaineekseen. Kun säiliön happi syrjäytetään typellä, räjähdysten ja tulipalojen vaara vähenee.
Tilapäiset typpiratkaisut
- Kalvotekniikalla toimivat typpigeneraattorit
- Pressure Swing Adsorption (PSA) -typpigeneraattorit
Kuinka kalvotekniikka toimii?
Miten Pressure Swing Adsorption (PSA) -tekniikka toimii?
Kun tuotat itse oman typpesi, sinun on tiedettävä ja ymmärrettävä, minkä puhtausasteen typpeä tarvitset. Joissakin käyttökohteissa riittää alhainen puhtausaste (90–99 %), kuten renkaiden täytössä ja palontorjunnassa, mutta toisissa kohteissa tarvitaan korkeaa puhtausastetta (97–99,999 %), kuten elintarvike- ja juomateollisuudessa sekä muovaustekniikassa. Näissä tapauksissa PSA-tekniikka on parhain ja helpoin valinta. Typpigeneraattori erottaa paineilman typpimolekyylit happimolekyyleistä. PSA-tekniikkaa käyttäessä tämä tapahtuu erottamalla happi paineilmavirrasta adsorptiolla.
Adsorptiossa molekyylit sitoutuvat adsorboivaan aineeseen, tässä tapauksessa happimolekyylit kiinnittyvät hiilimolekyyliseulaan (CMS). Prosessi tapahtuu kahdessa erillisessä painesäiliössä, joissa on molemmissa CMS-seula ja jotka vaihtelevat erotus- ja regenerointiprosessien välillä. Voimme kutsua näitä säiliötä torniksi A ja torniksi B. Aluksi puhdasta ja kuivaa paineilmaa syötetään torniin A, ja koska happimolekyylit ovat typpimolekyylejä pienempiä, happi kiinnittyy hiiliseulan huokosiin. Typpimolekyylit eivät mahdu huokosiin ja ohittavat hiilimolekyyliseulan. Näin saadaan tarvittavan puhtausasteen typpeä.
Tätä kutsutaan adsorptio- tai erotusvaiheeksi. Prosessi ei kuitenkaan pääty tähän. Suurin osa tornissa A tuotetusta typestä poistuu järjestelmästä (valmiina suoraan käytettäväksi tai varastoitavaksi), kun taas pieni osa tuotetusta typestä syötetään torniin B vastakkaiseen suuntaan (ylhäältä alaspäin). Tämä virtaus poistaa tornin B aiemmassa adsorptiovaiheessa talteen otetun hapen. Kun tornin B paine vapautetaan, hiilimolekyyliseulat eivät pysty enää sitomaan happimolekyylejä. Happi irtoaa seuloista, ja tornista A tuleva pieni typpivirta poistaa hapen poistoliitännän kautta.
Näin järjestelmä mahdollistaa sen, että seuloihin voi kiinnittyä uusia happimolekyylejä seuraavassa adsorptiovaiheessa. Tätä puhdistusprosessia kutsutaan hapella kyllästetyn tornin regeneroinniksi.
