CN104684630A - 氧同位素的浓缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种氧同位素的浓缩方法，该氧同位素的浓缩方法在大量蒸馏作为原料的一氧化氮的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来浓缩氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。通过使将氢加入到由第一蒸馏装置(11)生成的氧同位素被粗浓缩的氧中而获得的水和从第二蒸馏装置(12)排出的一氧化氮进行化学交换，获得氧同位素的浓度提高的一氧化氮和氧同位素的浓度下降的水，向第二蒸馏装置(12)供给氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使通过电解氧同位素的浓度下降的水而得到的氧回流到第一蒸馏装置(11)中。

Description

氧同位素的浓缩方法
技术领域
本发明涉及一种氧同位素的浓缩方法，该氧同位素的浓缩方法在通过对一氧化氮进行蒸馏来大量浓缩特定氧同位素的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来浓缩氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。
本申请基于2012年10月18日在日本申请的特愿2012-230766号主张优先权，在此援用其内容。
背景技术
以往，作为氧同位素(17O或18O)的浓缩方法，使用非专利文献1中所记载的将一氧化氮(NO)作为原料的蒸馏法(以下，称作“NO蒸馏法”)、将水(H2O)作为原料的蒸馏法(以下，称作“水蒸馏法”)，将氧(O2)作为原料的蒸馏法(以下，称作“氧蒸馏法”)和将一氧化碳(CO)作为原料的蒸馏法(以下，称作“CO蒸馏法”)等方法。
表1中表示NO蒸馏法、水蒸馏法、氧蒸馏法和CO蒸馏法的比较表。
相对挥发度相当于分离系数。氧同位素的分离浓缩中所需的理论塔板数在相对挥发度较小的情况下约与(分离系数-1)的倒数成正比。
因此，如表1所示，与其他蒸馏法(具体来讲，水蒸馏法、氧蒸馏法和CO蒸馏法)相比较，NO蒸馏法能够使氧同位素的分离中所需的理论塔板数为约1/10。
因此，能够使NO蒸馏装置小型化，并且能够减少氧同位素的分离中所需的能量。
专利文献1：日本特开2000-218134
专利文献2：日本特开平11-188240
非专利文献1：B.B.McInteer and Robert M.Potter“Nitric oxide distillation plant forisotope separation”Industrial&Engineering.Chemistry Process Design and Development vol.4,No.1,pp 35-42(1965).
但是，NO蒸馏法中所使用的NO蒸馏装置在一氧化氮的蒸馏规模较大的情况下，存在液体NO塔藏量变大的问题。由于一氧化氮的反应性较高，因此当塔藏量较大时，存在万一泄漏则造成大灾害的可能性。
另外，在一氧化氮的蒸馏规模较大的情况下，需要大量准备作为原料的一氧化氮，并且需要安全运送大量的一氧化氮。即，存在作为原料的一氧化氮的处理变得复杂的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种氧同位素的浓缩方法，该氧同位素的浓缩方法在大量蒸馏作为原料的一氧化氮的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来获得大量的氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。
为了解决上述问题，(1)提供一种氧同位素的浓缩方法，其特征在于，具有：通过使用第一蒸馏装置对作为原料的氧进行蒸馏，获得氧同位素被粗浓缩的氧的工序；通过对所述氧同位素被粗浓缩的氧进行氢化而获得水的工序；使用第二蒸馏装置，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出的一氧化氮的工序；以及通过使所述水和所述被排出的一氧化氮进行化学交换，获得所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮和所述氧同位素的浓度下降的水的一氧化氮和水获得工序，向所述第二蒸馏装置供给所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使通过电解所述氧同位素的浓度下降的水而得到的氧回流到所述第一蒸馏装置中。
另外，(2)根据(1)所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，在获得所述水的工序中，使用氢燃料电池将氢加入到被粗浓缩的氧中并进行反应而获得水，通过使用所述氢燃料电池将氢加入到所述被粗浓缩的氧中并进行反应而获得水时所产生的电，电解所述氧同位素的浓度下降的水。
另外，(3)提供一种(1)或(2)所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，在获得所述氧同位素被粗浓缩的氧的工序中，作为所述第一蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第一蒸馏塔群。
另外，(4)提供一种(1)至(3)中的任一项所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，在获得所述一氧化氮的工序中，作为所述第二蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第二蒸馏塔群。
另外，(5)提供一种氧同位素的浓缩方法，其特征在于，具有：通过使用第一蒸馏装置对作为原料的水进行蒸馏，获得含有氧同位素的水被粗浓缩的水的工序；使用第二蒸馏装置，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出的一氧化氮的工序；以及通过使所述被粗浓缩的水和所述被排出的一氧化氮进行化学交换，获得所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮和所述氧同位素的浓度下降的水的工序，向所述第二蒸馏装置供给所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使所述氧同位素的浓度下降的水回流到所述第一蒸馏装置中。
另外，(6)提供一种(5)所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，在获得含有所述氧同位素的水被粗浓缩的水的工序中，作为所述第一蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第一蒸馏塔群。
另外，(7)提供一种(5)或(6)所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，在获得所述一氧化氮的工序中，作为所述第二蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第二蒸馏塔群。
根据本发明的氧同位素的浓缩方法，对通过氧蒸馏来粗浓缩目的氧同位素的氧进行氢化而成为水，并且使通过一氧化氮蒸馏来所述氧同位素的浓度下降的一氧化氮和所述水进行化学交换，将所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮返回到一氧化氮蒸馏装置中，由此无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，并且与通过一氧化氮蒸馏来浓缩全部的情况相比，使液体一氧化氮的塔藏量为少量，并且大量获得目的氧同位素被浓缩的一氧化氮，而不会使分离效率下降。
附图说明
图1是示意性地表示进行本发明的第一实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置的概要结构的图。
图2是示意性地表示进行本发明的第二实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置的概要结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对适用本发明的实施方式进行详细说明。此外，在以下的说明中所使用的附图为用于说明本发明的实施方式的结构的图，有时所图示的各部分的大小、厚度和尺寸等不同于实际的氧同位素浓缩装置的尺寸关系不同。
在此，对本发明的原理及效果进行说明。
在本发明中，通过使含有被浓缩的氧同位素、即18O和/或17O的水和与该水相比较18O和/或17O的浓度低的NO气体(一氧化氮)进行气液接触，由此进行氧原子的化学交换反应。
本发明中的所谓“化学交换”是指使不同的化学种类之间，例如使H2O和NO进行气液接触来对氧原子(O)进行同位素交换。
在水中，迅速进行氧同位素的交换反应。
使进行NO蒸馏(将一氧化氮作为原料的蒸馏)时被排出的18O的浓度下降的一氧化碳和在水蒸馏(将水作为原料的蒸馏)或氧蒸馏(将氧作为原料的蒸馏)中被粗浓缩的H2 18O(流体)进行气液接触。在与被粗浓缩的H2 18O的接触下将18O增加的一氧化氮返回到NO蒸馏中。在17O的情况下也能够进行相同的交换反应。
此外，本发明中的所谓“粗浓缩”是指将氧同位素从天然丰度比浓缩至数％。
在本发明中，通过进行上述的氧同位素分离过程，即，“水蒸馏(或氧蒸馏)化学交换反应NO蒸馏”，从而能够以少量的液体NO塔藏量来获得大量的氧同位素，而不会使氧同位素的分离效果下降。
另外，在氧同位素分离过程的中间插入同位素化学交换反应工序，由此只补充(补充小流量的一氧化氮)作为进行NO蒸馏时的产品而抽出的一氧化氮即可。
因此，为了大量获得氧同位素，需要大量蒸馏作为原料的一氧化氮，但是无需定期地大量准备一氧化氮(原料)。由此，能够确保安全性。
(第一实施方式)
图1是示意性地表示进行本发明的第一实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置的概要结构的图。
首先，参照图1，对进行第一实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置10进行说明。
第一实施方式的氧同位素浓缩装置10具有第一蒸馏装置11、第二蒸馏装置12、氢化部14、水分解部15、化学交换塔16、脱水部17、氧回流路径18、水回流路径19和水供给路径20。
第一蒸馏装置11为将氧(O2)作为原料来进行蒸馏的装置，具有第一蒸馏塔群21、第一冷凝器23、第一蒸发器24、第二冷凝器26、第二蒸发器27、第三冷凝器29、第三蒸发器31、塔顶气体路径34、42、49、回流液体路径35、45、52、供给气体路径39、46、54和液体路径43、51。
第一蒸馏塔群21为第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C串联连接而成的结构。所谓串联连接是指将第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C串联连接。
关于第一蒸馏塔群21，为了连续浓缩原料中的某一特定成分，在第二蒸馏塔21B中浓缩通过第一蒸馏塔21A进行浓缩的特定成分，并且，在第三蒸馏塔21C中浓缩通过第二蒸馏塔21B进行浓缩的特定成分。将该一个连续的蒸馏过程称作串联过程。
供给作为原料的氧(O2)第一蒸馏塔21A因同位素浓度较低而需要处理大量的氧。由于通过蒸馏操作而同位素浓度上升，因此塔内的氧处理量按第二蒸馏塔21B、第三蒸馏塔21C的顺序减少。
因此，第一蒸馏塔21A的塔径最大，第三蒸馏塔21C的塔径最小。
此外，在图1中，作为第一蒸馏塔群21的一例，举例说明了由三个蒸馏塔(此时，为第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C)构成第一蒸馏塔群21的情况，但是构成第一蒸馏塔群21的蒸馏塔的数量并不限定于此。
第一冷凝器23与第一蒸馏塔21A的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径34。第一冷凝器23与回流液体路径35连接。
第一冷凝器23具有使热介质流体通过的路径。第一冷凝器23通过使从第一蒸馏塔21A的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由回流液体路径35，返回到第一蒸馏塔21A的上部。
第一蒸发器24被设置于与第一蒸馏塔21A的底部和第二蒸馏塔21B的上部连接的供给气体路径39中。第一蒸发器24具有使热介质流体通过的路径。
第一蒸发器24通过使从第一蒸馏塔21A的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而实现蒸馏操作，其结果，在第一蒸馏塔21A底部浓缩18O和17O。
如图1所示，在氧同位素浓缩装置10包括多个蒸馏塔(具体来讲，第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C)的情况下，在该步骤(第一次浓缩)中，18O和17O尚未充分浓缩。
18O和17O被浓缩的氧经由供给气体路径39，被供给到第二蒸馏塔21B的上部。
第二冷凝器26与第二蒸馏塔21B的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径42。第二冷凝器26与液体路径43连接。
回流液体路径45从液体路径43分支，并且与第二蒸馏塔21B的上部连接。
第二冷凝器26具有使热介质流体通过的路径。第二冷凝器26通过使从第二蒸馏塔21B的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由液体路径43和回流液体路径45，返回到第二蒸馏塔21B的上部。
第二蒸发器27被设置于与第二蒸馏塔21B的底部和第三蒸馏塔21C的上部连接的供给气体路径46B。第二蒸发器27具有使热介质流体通过的路径。
第二蒸发器27通过使从第二蒸馏塔21B的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而产生上升气体。由此，浓缩18O和17O。
在该步骤(第二次浓缩)中，与第一次浓缩后相比进一步浓缩18O和17O。18O和17O被浓缩的氧经由供给气体路径46，被供给到第三蒸馏塔21C的上部。
第三冷凝器29与第三蒸馏塔21C的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径49。第三冷凝器29与液体路径51连接。
回流液体路径52从液体路径51分支，并且与第三蒸馏塔21C的上部连接。
第三冷凝器29具有使热介质流体通过的路径。第三冷凝器29通过使从第三蒸馏塔21C的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由液体路径51和回流液体路径52，返回到第三蒸馏塔21C的上部。
第三蒸发器31被设置于与第三蒸馏塔21C的底部和氢化部14连接的供给气体路径54。第三蒸发器31具有使热介质流体通过的路径。
第三蒸发器31通过使从第三蒸馏塔21C的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该气体并使其气化，从而产生18O和17O被浓缩的上升气体。
在该步骤(第三次浓缩)中，与第二次浓缩后相比进一步浓缩18O和17O。18O和17O被浓缩的氧经由供给气体路径54，被供给到氢化部14。
当使用上述结构的第一蒸馏装置11进行氧的蒸馏时，从第一蒸馏塔21A的塔顶部排出废弃成分W1。
第二蒸馏装置12为将一氧化氮(NO)作为原料来进行蒸馏的装置，具有第二蒸馏塔群61、热交换器63、回流气体路径64、原料供给路径66、第四冷凝器68、第四蒸发器69、第五冷凝器72、第五蒸发器73、塔顶气体路径75、83、回流液体路径77、86、向第四蒸发器69的液体供给路径81、液体路径84和向第五蒸发器73的液体供给路径88。
第二蒸馏塔群61为第四蒸馏塔61A和第五蒸馏塔61B串联连接而成的结构。即，关于第二蒸馏塔群61，为了连续浓缩原料中的某一特定成分，在第五蒸馏塔61B中浓缩通过第四蒸馏塔61A进行浓缩的特定成分。
供给作为原料的一氧化氮(NO)的第四蒸馏塔61A的蒸馏负载大于第五蒸馏塔61B。因此，第四蒸馏塔61A的塔径大于第五蒸馏塔61B的塔径。
此外，在图1中，作为第二蒸馏塔群61的一例，举例说明了由两个蒸馏塔(此时，为第四蒸馏塔61A和第五蒸馏塔61B)构成第二蒸馏塔群61的情况，但是构成第二蒸馏塔群61的蒸馏塔的数量并不限定于此。
热交换器63通过与废气的热交换而在将化学交换塔16的常温气体导入到蒸馏塔61A之前接近第四蒸馏塔61A的温度(例如，低温约120k)。
回流气体路径64为供给作为原料的一氧化氮(NO)的路径，并且为向化学交换塔16的底部供给作为蒸馏一氧化氮时所产生的废气的一氧化氮的路径。
关于原料供给路径66，其一端与化学交换塔16的塔顶部连接，另一端与第四蒸馏塔61A的上部连接。原料供给路径66向构成第二蒸馏装置12的第四蒸馏塔61A供给氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮。
第四冷凝器68与第四蒸馏塔61A的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径75。第四冷凝器68与回流液体路径77连接。
第四冷凝器68具有使热介质流体通过的路径。第四冷凝器68通过使从第四蒸馏塔61A的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由回流液体路径77，返回到第四蒸馏塔61A的上部。
第四蒸发器69被设置于与第四蒸馏塔61A的底部和第五蒸馏塔61B的上部连接的供给气体路径81。第四蒸发器69具有使热介质流体通过的路径。
第四蒸发器69通过使从第四蒸馏塔61A的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而产生上升气体。由此，在第四蒸馏塔61A的底部，提高氧同位素(18O和17O)的浓度。
氧同位素(18O和17O)被浓缩的一氧化氮(NO)经由供给气体路径81，被供给到第五蒸馏塔61B的上部。
第五冷凝器72与第五蒸馏塔61B的塔顶部连结，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径83。第五冷凝器72与液体路径84连接。
回流液体路径86从液体路径84分支，并且与第五蒸馏塔61B的上部连接。
第五冷凝器72具有使热介质流体通过的路径。第五冷凝器72通过使从第五蒸馏塔61B塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由液体路径84和回流液体路径86，返回到第五蒸馏塔61B的上部。
第五蒸发器73被设置于与第五蒸馏塔61B的底部连接的供给气体路径88。第五蒸发器73具有使热介质流体通过的路径。
第五蒸发器73通过使从第五蒸馏塔61B的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而产生上升气体。其结果，浓缩作为产品的一氧化氮(N18O和/或N17O)。
氢化部14经由水供给路径20，与化学交换塔16的上部连接。
水生成部14经由供给气体路径54，将氢加入到氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的氧中，并使其反应而成为水。
在氢化部14中，例如，也可以使用氢燃料电池使氧同位素被粗浓缩的氧和氢进行反应而获得水。该水经由水供给路径20，被供给到化学交换塔16的上部。
水分解部15与氧回流路径18和水回流路径19连接。经由水回流路径19，从化学交换塔16的底部向水分解部15供给氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
在水分解部15中，将氧同位素的浓度下降的水电解。此时，利用在氢化部14中使用氢燃料电池时所产生的电，电解氧同位素的浓度下降的水。
水分解部15经由氧回流路径18，向构成第一蒸馏装置11的第三蒸馏塔21C供给将氧同位素的浓度下降的水进行电解时所得到的氧。
化学交换塔16被配置在第一蒸馏装置11与第二蒸馏装置12之间。化学交换塔16的塔顶部与原料用气体供给路径66连接。化学交换塔16的上部与水供给路径20连接。化学交换塔16的底部与回流气体路径64连接。
经由水供给路径20，向化学交换塔16供给水，并且经由回流气体路径64，供给从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮。
在化学交换塔16中，使经由水供给路径20供给的水和从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮进行化学交换，从而获得氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮和氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
脱水部17被设置于位于化学交换塔16与热交换器63之间的原料供给路径66。脱水部17具有去除化学交换后的一氧化氮中所含有的水分的功能。
关于氧回流路径18，其一端与水分解部15连接，另一端与构成第一蒸馏装置11的第三蒸馏塔21C的下部连接。
氧回流路径18使通过水分解部15从水分离出的氧(具体来讲，通过电解氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水而得到的氧)回流到第一蒸馏装置11的结构中。
关于水回流路径19，其一端与化学交换塔16的下端连接，另一端与分解部15的底部连接。水回流路径19从化学交换塔16的底部抽出氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水，并且向水分解部15的底部供给该水。
关于水供给路径20，其一端与氢化部14连接，另一端与化学交换塔16的上部连接。水供给路径20为用于向化学交换塔16的上部供给氢化部14中生成的水的路径。
在上述结构的氧同位素浓缩装置10中，从第五蒸馏塔61B的中间取出作为产品的N17O，也可以从第五蒸馏塔61B的底部取出作为产品的N18O。
此外，在图1中，作为一例，图示了N18O的取出线路。
接着，参照图1，对使用图1所示的氧同位素浓缩装置10的第一实施方式的氧同位素的浓缩方法进行说明。
首先，使用第一蒸馏装置11，对作为原料的氧进行蒸馏，获得氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的氧。
具体来讲，向第一蒸馏塔21A供给作为原料的氧，并且使用第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C串联连接而成的第一蒸馏塔群21，对作为原料的氧进行蒸馏。由此，生成氧同位素被粗浓缩的氧。氧同位素被粗浓缩的氧被供给到氢化部14。
其次，在氢化部14中，通过将氢加入到氧同位素被粗浓缩的氧中而获得水。
此时，在氢化部14中，例如，也可以使用氢燃料电池，使氧同位素被粗浓缩的氧和氢进行反应而获得水。由此，在水分解部15中，作为电解氧同位素的浓度下降的水时的电，可以利用通过使用上述氢燃料电池而使氧同位素被粗浓缩的氧和氢进行反应时所产生的电。
另外，通过氢化部14生成的水经由水供给装置20，被供给到化学交换塔16的上部。
其次，使用第二蒸馏装置12，对作为原料的一氧化氮进行蒸馏，生成作为产品的一氧化氮(具体来讲，生成N18O和N17O)。
具体来讲，向第四蒸馏塔61A供给作为原料的一氧化氮，并且使用第四蒸馏塔61A和第五蒸馏塔61B串联连接而成的第二蒸馏塔群61，对一氧化氮进行蒸馏。
从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮被供给到化学交换塔16的底部。
其次，通过在化学交换塔16中使经由水供给路径20供给的水和从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮进行化学交换，获得氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮和氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
此外，上述的所谓“化学交换”是指通过使不同的化学种类之间，例如，使H2O和NO进行气液接触，对氧原子(O)进行同位素交换。
之后，经由脱水部17、热交换器63和原料供给路径66，向第四蒸馏塔61A的上部供给由化学交换塔16生成且氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮。
另外，经由水回流路径19，向水分解部15的底部供给由化学交换塔16生成的、氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
其次，在水分解部15中，电解氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。此时，使用在氢化部14中使用氢燃料电池时所产生的电，电解氧同位素的浓度下降的水。
水分解部15经由氧回流路径18，向构成第一蒸馏装置11的第三蒸馏塔21C供给在电解氧同位素的浓度下降的水时所得到的氧。
根据第一实施方式的氧同位素的浓缩方法具有：通过使用第一蒸馏装置11对作为原料的氧进行蒸馏，获得氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的氧的工序；通过将氢加入到氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的氧中，获得水的工序；使用第二蒸馏装置12，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出且氧同位素(18O和17O)浓度下降的一氧化氮的工序；以及通过使水和被排出的一氧化氮进行化学交换，获得氧同位素的浓度提高的一氧化氮和氧同位素的浓度下降的水的一氧化氮和水获得工序，在向第二蒸馏装置12供给氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使通过电解氧同位素的浓度下降的水而得到的氧回流到第一蒸馏装置11中，从而大量蒸馏作为原料的一氧化氮的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来获得大量的氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。
(第二实施方式)
图2是示意性地表示进行本发明的第二实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置的概要结构的图。在图2中，对与图1所示的第一实施方式的氧同位素浓缩装置10相同的结构部分标上相同符号。
首先，参照图2，对进行第二实施方式的氧同位素的浓缩方法时所使用的氧同位素浓缩装置100进行说明。
关于第二实施方式的氧同位素浓缩装置100，设置第一蒸馏装置101来代替被设置在第一实施方式的氧同位素浓缩装置10中的第一蒸馏装置11，并且从结构要素中去除构成氧同位素浓缩装置10的氢化部14、水分解部15、氧回流路径18和水供给路径20，并进一步设置水回流路径103，除此以外，与氧同位素浓缩装置10相同。
第一蒸馏装置101为将水作为原料来进行蒸馏的装置，具有第一蒸馏塔群105、第一冷凝器108、第一蒸发器109、第二冷凝器112、第二蒸发器113、第三冷凝器115、第三蒸发器116、塔顶气体路径118、125、132、回流液体路径119、128、135、供给气体路径123、129、136和液体路径126、133。
第一蒸馏塔群105为第一至第三蒸馏塔105A、105B、105C串联连接而成的结构。关于第一蒸馏塔群105，为了连续浓缩原料中的某一特定成分，在第二蒸馏塔105B中连续浓缩通过第一蒸馏塔105A进行浓缩的特定成分，并且，在第三蒸馏塔105C中浓缩通过第二蒸馏塔105B进行浓缩的特定成分。
供给作为原料的水(H2O)的第一蒸馏塔105A因同位素浓度较低而需要处理大量的水。由于通过蒸馏操作而同位素浓度上升，因此塔内的水处理量按第二蒸馏塔105B、第三蒸馏塔105C的顺序减少。因此，第一蒸馏塔105A的塔径最大，第三蒸馏塔105C的塔径最小。
此外，在图2中，作为第一蒸馏塔群105的一例，举例说明了由三个蒸馏塔(此时，为第一至第三蒸馏塔105A、105B、105C)构成第一蒸馏塔群105的情况，但是构成第一蒸馏塔群105的蒸馏塔的数量并不限定于此。
第一冷凝器108与第一蒸馏塔105A的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径118。第一冷凝器108与回流液体路径119连接。
第一冷凝器108具有使热介质流体通过的路径。第一冷凝器108通过使从第一蒸馏塔105A的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的浓缩液经由回流液体路径119返回到第一蒸馏塔105A的上部。
第一蒸发器109被设置于与第一蒸馏塔105A的底部和第二蒸馏塔105B的上部连接的供给气体供给路径123。第一蒸发器109具有使热介质流体通过的路径。
第一蒸发器109通过使从第一蒸馏塔105A的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而获得18O和17O被浓缩的水。在该步骤(第一次浓缩)中，尚未充分浓缩18O和17O。18O和17O被浓缩的水经由供给气体路径123，被供给到第二蒸馏塔105B的上部。
第二冷凝器112与第二蒸馏塔105B的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径125。第二冷凝器112与液体路径126连接。回流液体路径128从液体路径126分支，并且与第二蒸馏塔105B的上部连接。
第二冷凝器112具有使热介质流体通过的路径。第二冷凝器112通过使从第二蒸馏塔105B的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的浓缩液经由液体路径126和回流液体路径128，返回到第二蒸馏塔105B的上部。
第二蒸发器113被设置于与第二蒸馏塔105B的底部和第三蒸馏塔105C的上部连接的供给气体路径129。第二蒸发器113具有使热介质流体通过的路径。
第二蒸发器113通过使从第二蒸馏塔105B的底部导出的液体与热介质流体进行热交换，加热该液体并使其气化，从而获得18O和17O被浓缩的水。在该步骤(第二次浓缩)中，与第一次浓缩后相比进一步浓缩18O和17O。18O和17O被浓缩的氧经由供给气体路径129，被供给到第三蒸馏塔105C的上部。
第三冷凝器115与第三蒸馏塔105C的塔顶部连接，并且被设置于输送气体的塔顶气体路径132。第三冷凝器115与液体路径133连接。回流液体路径135从液体路径133分支，并且与第三蒸馏塔105C的上部连接。
第三冷凝器115具有使热介质流体通过的路径。第三冷凝器115通过使从第三蒸馏塔105C的塔顶部导出的气体与热介质流体进行热交换，冷却该气体并使其液化。经液化的冷凝液经由液体路径133和回流液体路径135，返回到第三蒸馏塔105C。
第三蒸发器116被设置于与第三蒸馏塔105C的底部和化学交换塔16连接的供给气体路径136。第三蒸发器116具有使热介质流体通过的路径。
第三蒸发器116通过使从第三蒸馏塔105C的底部导出的液体与热交换器进行热交换，加热该液体并使其气化，从而获得18O和17O被粗浓缩的水。在该步骤(第三次浓缩)中，与第二次浓缩后相比进一步浓缩18O和17O。18O和17O被粗浓缩的水经由供给气体路径136，被供给到化学交换塔16。
使用上述结构的第一蒸馏装置101来进行水的蒸馏，由此从第一蒸馏塔105A的塔顶部排出废弃成分W2。
关于水回流路径103，其一端与化学交换塔16的下端连接，另一端与第三蒸馏塔105C的下部连接。水回流路径103从化学交换塔16的下端抽出氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水，并且向第三蒸馏塔105C的下部供给氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
上述结构的第二实施方式的氧同位素浓缩装置100可以直接化学交换水，因此无需在第一实施方式的氧同位素浓缩装置10中所必要的氢化部14和水分解部15。
因此，与第一实施方式的氧同位素浓缩装置10相比，能够使第二实施方式的氧同位素浓缩装置100为简便的结构。
此外，能够将供给到第二蒸馏装置12的一氧化氮的氧同位素(17O、18O)浓度设为与第一实施方式的情况大致相同的浓度。
这是因为，由于水同位素的相对挥发度和氧同位素的相对挥发度(例如，H2 18O/H2 16O和16O18O/16O16O)几乎不变，因此能够将供给到化学交换塔16的水的氧同位素浓度设为与第一实施方式中的通过将氢加入到从第二蒸馏装置12导出的氧中而得到的水的氧同位素浓度大致相同的浓度。
接着，参照图2，对使用图2所示的氧同位素浓缩装置100的第二实施方式的氧同位素的浓缩方法进行说明。
首先，使用第一蒸馏装置101，对作为原料的水进行蒸馏，获得氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的水。
具体来讲，向第一蒸馏塔105A供给作为原料的水，并且使用第一至第三蒸馏塔105A、105B、105C串联连接而成的第一蒸馏塔群105，对作为原料的水进行蒸馏。由此，生成氧同位素被粗浓缩的水。氧同位素被粗浓缩的水经由供给气体路径136，被供给到化学交换塔16的上部。
其次，使用第二蒸馏装置12，对作为原料的一氧化氮进行蒸馏，生成作为产品的一氧化氮(具体来讲，N18O和/或N17O)。
具体来讲，向第四蒸馏塔61A供给作为原料的一氧化氮，并且使用第四蒸馏塔61A和第五蒸馏塔61B串联连接而成的第二蒸馏塔群61，对作为原料的一氧化氮进行蒸馏。
向化学交换塔16的底部供给从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮。
其次，在化学交换塔16中，使氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的水和从第二蒸馏装置12排出的一氧化氮进行化学交换，获得氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮和氧同位素(18O和17O)的浓缩下降的水。
此外，上述的所谓“化学交换”是指通过使不同的化学种类之间，例如，使H2O和NO进行气液接触，对氧原子(O)进行同位素交换。
之后，经由脱水部17、热交换器63和原料供给路径66，向第四蒸馏塔61A的上部供给由化学交换塔16生成且氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮。
另外，经由水回流路径103，向第三蒸馏塔105C的下部供给由化学交换塔16生成且氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
根据第二实施方式的氧同位素的浓缩方法，具有：通过使用第一蒸馏装置101对作为原料的水进行蒸馏，获得含有氧同位素(18O和17O)的水分子被粗浓缩的水的工序；使用第二蒸馏装置12，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出的一氧化氮的工序；以及通过使被粗浓缩的水和被排出的一氧化氮进行化学交换，获得氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮和氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水的工序，在向第二蒸馏装置12供给氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使氧同位素的浓度下降的水回流到第一蒸馏装置101中，从而大量蒸馏作为原料的一氧化氮的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来获得大量的氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但是本发明并不限定于这样的特定实施方式，在专利权利要求书中所记载的本发明的主旨范围内，能够进行各种变形和变更。
实施例
(实施例)
在实施例中，使用图1所示的第一实施方式的氧同位素浓缩装置10，浓缩氧同位素(18O和17O)。
在实施例中，将作为产品的一氧化氮(N17O)中所含有的17O含率设为10atom％以上，并且将作为产品的一氧化氮(N18O)中所含有的18O含率设为98atom％以上。
为了获得作为产品的一氧化氮(N17O)，假设在一年内生产出五吨浓缩氢化后的17O的水，构筑氧同位素的浓缩方法的过程。
下面，对实施例的氧同位素的浓缩方法进行说明。
首先，向第一蒸馏塔21A供给作为原料的氧(供给量：5500Nm3/h)，并且使用第一至第三蒸馏塔21A、21B、21C串联连接而成的第一蒸馏塔群21，对作为原料的氧进行蒸馏，浓缩氧同位素(18O和17O)，由此生成氧同位素(18O和17O)被粗浓缩的氧。
此时，求出第三蒸馏塔21C的底部17O和18O的浓度，则17O的浓度为2.23atom％，18O的浓度为26.1atom％。
此时所得到的作为产品的氧同位素被浓缩的一氧化氮的生产速度为0.58Nm3/h。
之后，向氢化部14供给氧同位素被粗浓缩的氧。
其次，在氢化部14中，将氢加入到氧同位素被粗浓缩的氧中而获得水，并且将生成的水经由水供给路径20，向化学交换塔16的上部供给。
其次，使用第二蒸馏装置12，对作为原料的一氧化氮进行蒸馏，生成作为产品的一氧化氮(具体来讲，生成N17O和/或N18O)。
其次，在化学交换塔16中，使经由水供给路径20供给的水和一氧化氮(具体来讲，混合作为废气的一氧化氮(0.082Nm3/h)和不是废气的一氧化氮(0.035Nm3/h)而成的一氧化氮)进行化学交换，获得氧同位素(18O和17O)的浓度提高的一氧化氮和氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水。
在该化学交换之后，求出N17O中所含有的17O的浓度，则为2atom％。另外，求出N18O中所含有的18O的浓度，则为23.6atom％。
向塔板数为300的第二蒸馏装置12供给这些一氧化氮。而且，在蒸馏塔的中间位置，取出作为产品的N17O，在蒸馏塔的底部，取出作为产品的N18O。
此外，在一年内用于获得作为最终产品的N17O的水-17O(H2 17O)的生产量为五吨的情况下，一年内的用于获得18O的水-18O的生产量为十吨。
其次，电解在化学交换反应之后所得到的氧同位素(18O和17O)的浓度下降的水，并且向第一蒸馏装置11供给通过该电解而得到的氧。此时，关于氧中所含有的氧同位素的浓度，17O为0.8atom％，18O为2.6atom％。
如此，向第一蒸馏装置11供给通过电解水而产生的氧，从而能够进行氧同位素的回收，因此不会浪费用于浓缩原料的能量，能够生产氧同位素。
另外，在本发明中只补充进行NO蒸馏时的作为产品抽出的一氧化氮量即可，因此补充作为上述的生产速度的0.58Nm3/h。
此外，当设氧同位素的生产量为相同的条件，并且利用第二蒸馏装置12实施所有氧同位素的生产量时，需要用塔板数为1200个(换言之，被串联连接的1200个蒸馏塔)的蒸馏装置以1600Nm3/h的供给速度供给原料。如果考虑蒸馏塔内的液体塔藏量，则使用大量的一氧化氮。
因此，从实施例的结果来看，能够显著减少一氧化氮的供给量，因此能够显著减少作为原料而准备的一氧化氮的量。
另外，能够减小构成第二蒸馏装置12的蒸馏塔的塔径，因此与只蒸馏浓缩NO的装置相比，能够使第二蒸馏装置12的液体NO塔藏量为十分之一左右。
产业上的可利用性
本发明能够适用于氧同位素的浓缩方法，该氧同位素的浓缩方法在大量蒸馏作为原料的一氧化氮的情况下，无需定期地大量补充作为原料的一氧化氮，能够以少量的液体NO塔藏量来浓缩氧同位素，而不会使氧同位素的分离效率下降。
符号说明
10、100   氧同位素浓缩装置
11、101   第一蒸馏装置
12   第二蒸馏装置
14   氢化部
15   水分解部
16   化学交换塔
17   脱水部
18   氧回流路径
19   水回流路径
20   水供给路径
21、105   第一蒸馏塔群
21A、105A   第一蒸馏塔
21B、105B   第二蒸馏塔
21C、105C   第三蒸馏塔
23、108   第一冷凝器
24、109   第一蒸发器
26、112   第二冷凝器
27、113   第二蒸发器
29、115   第三冷凝器
31、116   第三蒸发器
34、42、49、75、83、118、125、132   塔顶气体路径
35、45、52、77、86、119、128、135   回流液体路径
39、46、54、123、129、136   供给气体路径
43、51、84、126、133   液体路径
61   第二蒸馏塔群
61A   第四蒸馏塔
61B   第五蒸馏塔
63   热交换器
64   回流气体路径
66   原料供给路径
68   第四冷凝器
69   第四蒸发器
72   第五冷凝器
73   第五蒸发器
81、88   液体供给路径
103   水回流路径
W1、W2   废弃成分

Claims (7)

1.一种氧同位素的浓缩方法，其特征在于，具有：
通过使用第一蒸馏装置对作为原料的氧进行蒸馏，获得氧同位素被粗浓缩的氧的工序；
通过将氢加入到所述氧同位素被粗浓缩的氧中而获得水的工序；
使用第二蒸馏装置，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出的一氧化氮的工序；以及
通过使所述水和所述被排出的一氧化氮进行化学交换，获得所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮和所述氧同位素的浓度下降的水的一氧化氮和水获得工序，
向所述第二蒸馏装置供给所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使通过电解所述氧同位素的浓度下降的水而得到的氧回流到所述第一蒸馏装置中。
2.根据权利要求1所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，
在获得所述水的工序中，使用氢燃料电池将氢加入到所述被粗浓缩的氧中并进行反应而获得水，
通过使用所述氢燃料电池将氢加入到所述被粗浓缩的氧中并进行反应而获得水时所产生的电，电解所述氧同位素的浓度下降的水。
3.根据权利要求1或2所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，
在获得所述氧同位素被粗浓缩的氧的工序中，作为所述第一蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第一蒸馏塔群。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，
在获得所述一氧化氮的工序中，作为所述第二蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第二蒸馏塔群。
5.一种氧同位素的浓缩方法，其特征在于，具有：
通过使用第一蒸馏装置对作为原料的水进行蒸馏，获得含有氧同位素的水分子被粗浓缩的水的工序；
使用第二蒸馏装置，获得对作为原料的一氧化氮进行蒸馏时被排出的一氧化氮的工序；以及
通过使所述被粗浓缩的水和所述被排出的一氧化氮进行化学交换，获得所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮和所述氧同位素的浓度下降的水的工序，
向所述第二蒸馏装置供给所述氧同位素的浓度提高的一氧化氮，并且使所述氧同位素的浓度下降的水回流到所述第一蒸馏装置中。
6.根据权利要求5所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，
在获得含有所述氧同位素的水分子被粗浓缩的水的工序中，作为所述第一蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第一蒸馏塔群。
7.根据权利要求5或6所述的氧同位素的浓缩方法，其特征在于，
在获得所述一氧化氮的工序中，作为所述第二蒸馏装置，使用多个蒸馏塔串联连接而成的第二蒸馏塔群。
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