DE60030222T2

DE60030222T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Anreicherung von schweren Sauerstoffisotopen und Herstellung von schwerem Wasser

Info

Publication number: DE60030222T2
Application number: DE60030222T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Minato-ku Kihara; Hiroshi Minato-ku Tachibana; Shigeru Minato-ku Hayashida; Hiroshi Minato-ku Kawakami
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: JP2001104756A; JP4495279B2; US6835287B1; EP1092467B1; EP1092467A3; EP1092467A2; DE60030222D1; US7393447B2; US20050129592A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auftrennen/Anreichern von Isotopen einer einheitlichen Verbindung und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhalt von Wasser mit schwerem Sauerstoff, in dem die Sauerstoffisotope ¹⁷O und ¹⁸O (als schwere Sauerstoffisotope bezeichnet) in den Wassermolekülen angereichert sind. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von Wasser, das mit den Sauerstoffisotopen ¹⁷O und ¹⁸O angereichert ist, in dem Sauerstoff durch kryogene Destillation von Sauerstoff mit ¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁸O¹⁸O angereichert und dann in Wasser umgewandelt wird und ein Verfahren zum Herstellen von Wasser, das weiter mit den Sauerstoffisotopen ¹⁷O und ¹⁸O angereichert ist, in dem Sauerstoff durch kryogene Destillation von Sauerstoff mit ¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁸O¹⁸O angereichert und dann in Wasser umgewandelt wird, das dann einer Wasserdestillation unterzogen wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Im Destillationsbetrieb in einem System, in dem der relative Dampfdruck (Trennfaktor) sehr klein ist, wie dies durch das Destillationsverfahren zum Auftrennen/Anreichern von Isotopen dargestellt ist, ist eine sehr große Anzahl theoretischer Böden notwendig.
In diesem Fall werden im Allgemeinen gepackte Kolonnen verwendet, um Druckverlust in der Kolonne zu unterdrücken, es ist dabei jedoch nicht ungewöhnlich, dass die dafür benötigte Packungshöhe mehrere hundert Meter erreicht.
Daher sind reale Vorrichtungen aus einer Vielzahl von Destillationskolonnen aufgebaut, die durch Rohrleitungen miteinander verbunden sind, wobei die Gesamtheit davon eine einzelne Destillationskolonnengruppe bildet.
18 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung, die drei Destillationskolonnen aufweist, wobei jede der Kolonnen (erste bis dritte Kolonne 61, 62 und 63) verbunden ist.
In dieser Vorrichtung wird die Flüssigkeit, die sich am Boden der ersten Destillationskolonne 61 und der zweiten Destillationskolonne 62 ansammelt mittels Pumpen 61a und 62a als Rückflussflüssigkeit an die Köpfe der zweiten Destillationskolonne 62 bzw. der dritten Destillationskolonne 63 geleitet. Dampf, der am Kopf der zweiten Destillationskolonne 62 und der dritten Destillationskolonne 63 abgezogen wird, wird als aufsteigender Dampf an die Böden der ersten Destillationskolonne 61 bzw. der zweiten Destillationskolonne 62 zurückführt.
In diesem Verfahren erfolgt das Zuführen der Prozessflüssigkeit von der ersten Kolonne 61 zur zweiten Kolonne 62 und von der zweiten Kolonne 62 zur dritten Kolonne 63 durch Flüssigkeitspumpen 61a und 62a, aber das Rückführen der Prozessflüssigkeit von der zweiten Kolonne 62 zur ersten Kolonne 61 und von der dritten Kolonne 63 zur zweiten Kolonne 62 erfolgt aufgrund von Druckdifferenzen im Dampf. Daher muss der Druck innerhalb der Destillationskolonnen ausgehend von der ersten Kolonne 61 zur dritten Kolonne 63 aufeinanderfolgend ansteigen. Da der relative Dampfdruck (Trennfaktor) geringer ist, je höher der Betriebsdruck der Destillationskolonne ist, ist im Allgemeinen die Destillationseffizienz in der zweiten Kolonie 62 niedriger als in der ersten Kolonne 61 und in der dritten Kolonne 63 niedriger als in der zweiten Kolonne 62.
Zusätzlich dazu kann im Allgemeinen, wenn der relative Dampfdruck der zu trennenden Komponenten sehr klein ist und die Packungshöhe sehr hoch ist, wie in Isotopentrennverfahren, die Zeit (die hier nachstehend als Anfahrzeit bezeichnet wird) vom Anfahren der Vorrichtung bis zu dem Punkt, an dem es möglich wird, die vorgeschriebene Menge (die Produktmenge, die in Übereinstimmung mit den Spezifikationen extrahiert wird oder der geplante Wert) zu erhalten, mehrere Monate bis mehrere Jahre betragen. Daher war die Verkürzung der Anfahrzeit bis jetzt ein Thema.
Die Anfahrzeit hängt sehr stark vom Betriebsflüssigkeitsruheinhalt in der Vorrichtung ab und je größer dessen Menge ist, desto länger ist die Anfahrzeit.
19 zeigt ein Destillationsverfahren, das die gleichen Funktionen wie die in 18 dargestellte Vorrichtung aufweist und jede Kolonne 71, 72 und 73 ist mit Kühlern 5, 7 und 9 und Verdampfern 6, 8 und 10 ausgestattet. Hierbei handelt es sich um Vorrichtungen, die im Allgemeinen in Verfahren verwendet werden, die eine Vielzahl von Destillationskolonnen aufweisen. Der Durchmesser der Destillationskolonnen wird von Kolonne 71, in die das Ausgangsmaterial eingeführt wird, zur Kolonne 73, die sich stromabwärts von Kolonne 71 befindet, kleiner.
Es wird dadurch möglich, den Betriebsflüssigkeitsruheinhalt in der Vorrichtung zu reduzieren und die Anfahrzeit zu verkürzen.
Da jedoch, selbst wenn dieser Typ von Vorrichtung verwendet wird, der Druck in der Destillationskolonne von der ersten Kolonne 71 bis zur dritten Kolonne 73 auf gleiche Weise wie in der in 18 dargestellten Vorrichtung ansteigt, ist die Destillationseffizienz in der zweiten Kolonne 72 niedriger als in der ersten Kolonne 71 und in dritten Kolonne 73 niedriger als in der zweiten Kolonne 72.
Minderungen in der Destillationseffizienz führen zu einem Anstieg in der notwendigen Packungshöhe der Destillationskolonne und erhöhen den Betriebsflüs sigkeitsruheinhalt und diese sind daher im Hinblick auf eine Verkürzung der Anfahrzeit nicht wünschenswert.
Zusätzlich dazu wurden in konventionellen Isotopendestillationsverfahren Kolonnen verwendet, die unter Verwendung von nicht strukturierten Füllmaterialien gepackt waren. Im Allgemeinen haben nicht strukturierte Füllmaterialien im Vergleich mit strukturierten Füllmaterialien eine größere spezifische Oberfläche, der Flüssigkeitsruheinhalt in der Destillationskolonne beträgt jedoch 10 bis 20% des Volumens der Kolonne und übersteigt in manchen Fällen 20%, und diese ist ein Grund für die verlängerte Anfahrzeit.
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
In Anbetracht der zuvor genannten Umstände ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung das Bereitstellen einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von Destillationskolonnen aufweist und mit der die Anfahrzeit kürzer ist als bei konventionellen Vorrichtungen. Dies wird mittels der Vorrichtung von Anspruch 1 oder gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der abhängigen Ansprüche erreicht.
In diesen Vorrichtungen ist es möglich, den Druck in jeder Kolonne niedriger einzustellen als in konventionellen Vorrichtungen, um den relativen Dampfdruck zwischen jedem der Isotope innerhalb jeder Kolonne zu steigern und es ist daher möglich, die Destillationseffizienz zu verbessern.
Dementsprechend ist es möglich, die Packungshöhe in jeder Kolonne zu reduzieren und es ist möglich, die Anfahrzeit zu verkürzen. Zusätzlich dazu ist es möglich, ein Produkt zu erhalten, das eine höhere Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist.
Zusätzlich dazu ist das Flüssigkeitsruheinhalt-Volumen reduziert und dies ermöglicht es, die Anfahrzeit der Vorrichtung noch weiter zu reduzieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Beispiel einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines strukturierten Füllmaterials vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ zeigt, das in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines strukturierten Füllmaterials vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ zeigt, das in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines strukturierten Füllmaterials vom fluiddispersionsfördernden Typ zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel eines strukturierten Füllmaterials vom fluiddispersionsfördernden Typ zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die noch ein weiteres Beispiel eines strukturierten Füllmaterials vom fluiddispersionsfördernden Typ zeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 ist eine schematische Strukturzeichnung, die ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
8 ist eine schematische Strukturzeichnung, die ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeigt (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
9 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein modifiziertes Beispiel der in 8 gezeigten Vorrichtung zeigt.
10 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeigt (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
11 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das das Zirkulationssystem für ein Wärmetauschermedium zeigt, das in der in 10 gezeigten Vorrichtung verwendet wird.
12 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Vorrichtung zeigt (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
13 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das eine Hydriervorrichtung der in 12 gezeigten Vorrichtung zeigt.
14 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeigt (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
15 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Beispiel für einen Isotopenscrambler zeigt, der in der in 14 gezeigten Vorrichtung verwendet wird.
16 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Simulation des Anreicherns von schweren Sauerstoffisotopen für einen Fall zeigt, in dem als Beispiel die in 14 dargestellte Vorrichtung verwendet wird, und zeigt die Konzentrationsverteilung für jedes Isotop innerhalb jeder Kolonne. In diesem Diagramm zeigt die horizontale Achse die gesamte Packungshöhe und die vertikale Achse zeigt die Konzentration jedes Isotops.
17 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer Simulation des Anreicherns von schweren Sauerstoffisotopen für einen Fall zeigt, in dem als Beispiel eine Vor richtung verwendet wird, die die gleiche Struktur wie die in 1 gezeigte Vorrichtung verwendet, mit der Ausnahme, dass die Anzahl der Destillationskolonnen 16 ist. Dieses Diagramm zeigt die Konzentrationsverteilung für jedes Isotop für jede Kolonne. In diesem Diagramm zeigt die horizontale Achse die gesamte Packungshöhe und die vertikale Achse zeigt die Konzentrationsverteilung für jedes Isotop.
18 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Beispiel einer konventionellen Vorrichtung zeigt.
19 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein weiteres Beispiel einer konventionellen Vorrichtung zeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung ist mit drei Destillationskolonnen ausgerüstet, einer ersten Kolonne 1, einer zweiten Kolonne 2 und einer dritten Kolonne 3, die in einer Kaskade angeordnet sind.
Hier bedeutet in einer Kaskade angeordnet, dass die Destillationskolonnen so verbunden sind, dass das angereicherte Produkt einer Kolonne in der nächsten Destillationskolonne weiter angereichert werden kann und dann wiederum in der nächsten Destillationskolonne weiter angereichert werden kann und alle Destillationskolonnen, die zusammen auf diese Weise angeordnet sind, werden als Kaskadenverfahren bezeichnet.
Zusätzlich dazu ist in dieser Figur der durch die gestichelten Linien angezeigte Pfad eine Modifikation des vorliegenden Ausführungsbeispiels und ist nicht in der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels eingeschlossen.
Ein erster Kühler 5, ein zweiter Kühler 7 und ein dritter Kühler 9, die zumindest einen Teil des Dampfes abkühlen und verflüssigen, der an den Köpfen der ersten Kolonne 1, der zweiten Kolonne 2, bzw. der dritten Kolonne 3 abgezogen wurde, sind im Bereich der Köpfe dieser ersten bis dritten Kolonne 1, 2 und 3 angeordnet.
Die Kühler 5, 7 und 9 weisen erste Leitungen 5a, 7a bzw. 9a, in die Dampf eingeführt wird, der an den Köpfen der Kolonnen 1, 2 bzw. 3 abgezogen wurde, und zweite Leitungen 5b, 7b und 9b auf, durch die ein Wärmetauschermedium fließt, und diese sind so angeordnet, dass der zuvor erwähnte abgezogene Dampf mittels Wärmetauschs mit dem Wärmetauschermedium abgekühlt und verflüssigt werden kann.
Für die Kühler 5, 7 und 9 ist es bevorzugt, Kühler vom Platten-Typ zu verwenden.
In dem in den Figuren gezeigten Beispiel sind die Kühler 5, 7 und 9 außerhalb der Kolonnen 1, 2 und 3 angeordnet, sie können jedoch auch innerhalb der Köpfe der Kolonnen 1, 2 und 3 angeordnet sein.
Ein erster Verdampfer 6, ein zweiter Verdampfer 8 und ein dritter Verdampfer 10, die zumindest einen Teil der Flüssigkeit erwärmen und verdampfen, die an den Böden der Kolonnen 1, 2 bzw. 3 abgezogen wurde, sind im Bereich der Böden der Kolonnen 1, 2 und 3 angeordnet.
Die Verdampfer 6, 8 und 10 weisen erste Leitungen 6a, 8a bzw. 10a, in die Flüssigkeit eingeführt wird, die aus den Kolonnen 1, 2 und 3 abgezogen wurde, und zweite Leitungen 6a, 8b und 10b auf, durch die ein Wärmetauschermedium fließt, und diese sind so angeordnet, dass die zuvor erwähnte abgezogene Flüssigkeit mittels Wärmetauschs mit dem Wärmetauschermedium erwärmt und verdampft werden kann.
Für die Verdampfer 6, 8 und 10 ist es bevorzugt, Verdampfer vom Platten-Typ zu verwenden. Zusätzlich dazu ist die Position der Installation dieser Verdampfer so, dass die Menge an Flüssigkeit, die sich am Boden jeder Kolonne ansammelt, auf einen Minimalbereich, in dem ein Betrieb möglich ist, reduziert wird, um den Flüssigkeitsruheinhalt zu verringern.
In dem in den Figuren gezeigten Beispiel sind die Verdampfer 6, 8 und 10 außerhalb der Kolonnen 1, 2 und 3 angeordnet, sie können aber auch innerhalb der Böden der Kolonnen 1, 2 und 3 angeordnet sein. In dieser Situation ist ein Verdampfer vom Schlangen-Typ ebenfalls geeignet.
In der Destillationskolonne der vorliegenden Erfindung sind der Auslass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne (der Auslass der ersten Leitung 6a), der im Bereich des Bodens der ersten Kolonne 1 angeordnet ist und der Einlass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne, der im Bereich des Kopfes der zweiten Kolonne angeordnet ist, durch eine erste Einführleitung 12 via Ventil 12v verbunden.
Auf gleiche Weise sind der Auslass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne (der Auslass der ersten Leitung 8a) und der Einlass des Kühlers 9 der dritten Kolonne (der Einlass der ersten Leitung 9a) durch eine zweite Einführleitung 13 via Ventil 13v verbunden.
Zusätzlich dazu sind der Auslass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne (der Auslass der ersten Leitung 7a) und der Einlass des Verdampfers 6 der zweiten Kolonne (der Einlass der ersten Leitung 6a) mittels der ersten Rückführleitung 14 via Ventil 14v verbunden.
Zusätzlich dazu sind der Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne (der Auslass der ersten Leitung 9a) und der Einlass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne (der Einlass der ersten Leitung 8a) mittels der zweiten Rückführleitung 15 via Ventil 15v verbunden.
Die Installationsposition des Ventils 14v und des Ventils 15v befindet sich im oberen Teil der Rückführleitungen 14 und 15 (nahe dem Kühler) an einer Position, an der es möglich ist, einen Flüssigkeitsdruck zu erhalten, bei dem die Druckdifferenz zwischen der k-ten Kolonne und der (k + 1)-ten Kolonne in einer Kaskadenreihe einer Vielzahl von Kolonnen, wie nachstehend erwähnt, eine solche Druckdifferenz zwischen jeder Kolonne ist, dass das Kaskadensystem funktioniert.
Die Innenräume der ersten bis dritten Kolonne 1, 2 und 3 sind mit strukturiertem Füllmaterial 11 gepackt.
Für dieses strukturierte Füllmaterial 11 kann geeigneterweise strukturiertes Füllmaterial vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ und/oder strukturiertes Füllmaterial vom fluiddispersionsfördernden Typ verwendet werden.
Strukturiertes Füllmaterial vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ hat eine Form und eine Struktur, bei der die Flüssigkeit, die innerhalb der Destillationskolonne absteigt, und der Dampf, der innerhalb der Destillationskolonne aufsteigt, in Gegenrichtung zueinander entlang der Oberflächen des Füllmaterials fließen und bei der der Dampf-Flüssigkeits-Kontakt ohne ein Fördern des Vermischens von Flüssigkeit und Dampf in der horizontalen Querschnittsrichtung in Bezug auf die Kolonnenachse erfolgt. Als Beispiel kann ein Füllmaterial genannt werden, in dem eine große Anzahl von Platten, die aus Aluminium, Kupfer, einer Legierung aus Aluminium und Kupfer, rostfreiem Stahl, verschiedenen Typen von Kunststoff oder dergleichen hergestellt sind, parallel zur Richtung des Hauptflusses (der Richtung der Kolonnenachse) angeordnet sind.
Hier zeigt der Hauptfluss die absteigende Flüssigkeit und den aufsteigenden Dampf an, was in Richtung der Kolonnenachse innerhalb der Destillationskolonne abläuft, daher zeigt dieser den Fluss in Richtung der Kolonnenachse im Hinblick auf den Fluss des Massentransfers an, der an der Flüssigkeits-Dampf-Schnittstelle (mit anderen Worten an der Grenzfläche) auf der Oberfläche des Füllmaterials entsteht.
Beispiele für typische Füllmaterialien vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ sind in den 2 und 3 dargestellt.
Das strukturierte Füllmaterial 51 vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ, das in 2 dargestellt ist, weist eine Wabenstruktur auf, die zur Richtung der Achse der Kolonne parallele Platten aufweist.
Zusätzlich dazu ist das strukturierte Füllmaterial 52 vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ, das in 3 dargestellt ist, eine Gitterstruktur, die eine Vielzahl von zueinander parallelen Platten 52a und eine Vielzahl von Platten 52b aufweist, die zu den Platten 52a im rechten Winkel angeordnet sind und diese Gitterstruktur ist entlang der Richtung der Kolonnenachse angeordnet.
Strukturiertes Füllmaterial vom fluiddispersionsfördernden Typ hat eine Form und Struktur, bei der der Dampf-Flüssigkeits-Kontakt zwischen der in der Destillationskolonne absteigender Flüssigkeit und dem in der Destillationskolonne aufsteigenden Dampf hauptsächlich an der Oberfläche des zuvor genannten strukturierten Füllmaterials erfolgt, zu welchem Zeitpunkt die Flüssigkeit und der Dampf in zueinander entgegengesetzte Richtungen an der Oberfläche des zuvor genannten strukturierten Füllmaterials in Richtung des Hauptflusses, also entlang der Richtung der Kolonnenachse fließen und zur gleichen Zeit wird das Vermischen der Flüssigkeit und/oder des Dampfes in einer Richtung im rechten Winkel zu der zuvor genannten Hauptflussrichtung gefördert und ein Dampf-Flüssigkeits-Kontakt erfolgt. Dies wird als strukturiertes Füllmaterial oder gleichmäßiges Füllmaterial bezeichnet, bei dem dünne Platten aus Aluminium, Kupfer, einer Aluminium-Kupfer-Legierung, rostfreiem Stahl, verschiedenen Kunststoffen oder dergleichen in eine Vielzahl gleichmäßiger Formen geformt und dann zu einem laminierten Block verarbeitet werden.
Beispiele für typische Füllmaterialien vom fluiddispersionsfördernden Typ sind in 4 bis 6 dargestellt.
In dem in 4 dargestellten strukturierten Füllmaterial 53 vom fluiddispersionsfördernden Typ ist eine Vielzahl von wellenförmigen dünnen Platten parallel zur Kolonnenachse angeordnet und durch schichtweises Anordnen der Platten so, dass diese miteinander in Kontakt kommen, zu einem Block geformt. Die wellenförmigen Nuten in jeder der dünnen Platten sind im Hinblick auf die Kolonnenachse geneigt und benachbarte wellenförmige dünne Platten sind so angeordnet, dass sich die Richtungen der wellenförmigen Nuten miteinander schneiden. Zusätzlich dazu sind in den dünnen Platten eine Vielzahl von Löchern 53a angebracht. Wenn die dünnen Platten im Hinblick auf die horizontale Ebene quer angeordnet sind, werden die Löcher mit einem Abstandsintervall zwischen einander bereitgestellt und bilden eine Vielzahl von Reihen entlang einer Richtung, die im rechten Winkel zur Kolonnenachse verläuft.
5 zeigt ein Beispiel einer strukturellen Einheit eines weiteren strukturierten Füllmaterials vom fluiddispersionsfördernden Typ. In dem hier dargestellten strukturierten Füllmaterial 54 vom fluiddispersionsfördernden Typ, wird eine dünne Platte in eine Wellenform druckgeformt, um wellenförmige Nuten zu bilden. Zusätzlich dazu weist dieses Beispiel die Eigenheit auf, dass extrem kleine wellenförmige Nuten 54b in einem festen Winkel im Hinblick auf die wellenförmigen Nuten in den dünnen Platten ausgebildet sind. Zusätzlich dazu zeigt das Bezugszeichen 54a Löcher an, die in der dünnen Platte gebildet sind.
Das in 6 dargestellte strukturierte Füllmaterial 55 vom fluiddispersionsfördernden Typ, hat die Eigenheit, eine Struktur aufzuweisen, bei der Abschnitte, die extrem kleine Nuten 55b aufweisen, die in einem im Hinblick auf die wellenförmigen Nuten festen Winkel ausgebildet sind und glatte Abschnitte, die diese extrem kleinen Nuten nicht aufweisen, alternierend in der wellenförmigen dünnen Platte angeordnet sind. Zusätzlich dazu zeigt das Bezugszeichen 55a Löcher an, die in den dünnen Platten gebildet sind.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben, wobei als Beispiel eine Situation verwendet wird, in der die in der zuvor genannten 1 gezeigte Vorrichtung verwendet wird, die ein Beispiel für eine erste Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist.
Zuerst wird ein Sauerstoffausgangsmaterial via einer Leitung 20, die als erster Zufuhrabschnitt dient, und die mit der ersten Destillationskolonne 1 an einer mittleren Position (mittlere Position in Höhenrichtung) verbunden ist, als erste Kolonnenzufuhr 101 in den Innenraum der ersten Kolonne zugeführt.
Die Verwendung von Sauerstoff mit hoher Reinheit, wie das zuvor erwähnte Sauerstoffdampfausgangsmaterial ist bevorzugt. Für den zuvor erwähnten Sauerstoff mit hoher Reinheit ist es möglich, Sauerstoff mit einer Reinheit von 99,999% oder höher zu verwenden, aus dem Verunreinigungen wie Argon, Kohlenwasserstoffe, Krypton, Xenon und Fluorverbindungen (wie Perfluorkohlenwasserstoffe) vorab entfernt wurden. Insbesondere ist die Verwendung eines Sauerstoffausgangsmaterials, aus dem die Kohlenwasserstoffe entfernt wurden, im Hinblick auf die Sicherheit bevorzugt.
Der Sauerstoffausgangsmaterialdampf, der der ersten Kolonne 1 zugeführt wird, wird mittels Dampf-Flüssigkeits-Kontakt mit einer nachstehend beschriebenen Rückflussflüssigkeit (d.h. der absteigenden Flüssigkeit) destilliert, wenn dieser innerhalb der ersten Kolonne 1 aufsteigt und durch das Füllmaterial 11 hindurchfließt.
Die Sauerstoffmoleküle in dem Sauerstoffausgangsmaterialdampf, die schwere Sauerstoffisotope enthalten (d.h. ¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁸O¹⁸O), kondensieren aufgrund ihrer hohen Siedepunkte eher und in dem Verfahren des Dampf-Flüssigkeits-Kontakts nimmt die Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen in der absteigenden Flüssigkeit zu und die Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen in dem aufsteigenden Dampf nimmt ab.
Der aufsteigende Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht, und der eine reduzierte Konzentration an schweren Isotopen aufweist, wird via einer Leitung 21 aus der Kolonne 1 abgezogen und in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil wird in die erste Leitung 5a des Kühlers 5 der ersten Kolonne eingeführt, wo er mit einem Wärmetauschermedium, das in der zweiten Leitung 5b fließt, einen Wärmetausch erfährt und kondensiert und wird als Rückflussflüssigkeit zum Kopf der Kolonne 1 zurückgeführt. Der andere Teil wird durch die Leitung 22 als Abgasdampf 103 aus dem System abgegeben.
Die zum Kopf der ersten Kolonne 1 zurückgeführte Rückflussflüssigkeit fließt als absteigende Flüssigkeit über das strukturierte Füllmaterial 11, wobei diese mit dem Sauerstoffausgangsmaterialdampf und dem nachstehend erwähnten aufsteigenden Dampf, die innerhalb der Kolonne 1 aufsteigen, in Dampf-Flüssigkeits-Kontakt kommt und erreicht den Boden der Kolonne 1.
In diesem Prozess des Dampf-Flüssigkeits-Kontakts wird die absteigende Flüssigkeit mit schweren Sauerstoffisotopen (d.h. ¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁸O¹⁸O) angereichert, die eine größere Tendenz haben sich zu verflüssigen.
Die Flüssigkeit, die den Boden der ersten Kolonne 1 erreicht (hier nachstehend wird die Flüssigkeit, die sich am Boden jeder der Kolonnen ansammelt, als die „Kolonnenbodenflüssigkeit" bezeichnet), wird durch Leitung 23 aus der Kolonne 1 abgezogen und wird mit der nachstehend erwähnten ersten Rückführflüssigkeit 107 in der zuvor erwähnten ersten Rückführleitung 14 kombiniert und dann in die erste Leitung 6a des Verdampfers 6 der ersten Kolonne eingeführt, wo diese durch Wärmetausch mit dem Wärmetauschermedium, das in der zweiten Leitung 6b fließt, verdampft und wird dann via der zuvor erwähnten ersten Einführleitung 12 als Ausstoßdampf 102 der ersten Kolonne vom Verdampfer 6 abgezogen, wobei es sich um ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Material handelt.
Ein Teil des Ausstoßdampfs 102 der ersten Kolonne der vom Verdampfer 6 abgezogen wird, wird via Leitung 24 zum unteren Teil der ersten Kolonne 1 zurückgeführt und steigt als aufsteigender Dampf in der Kolonne 1 auf. Der andere Teil fließt als Zufuhrdampf 104 für die zweite Kolonne entlang der ersten Zuführleitung 12, wird mit dem nachstehend erwähnten Kopfdampf 106 der zweiten Kolonne kombiniert und in den Kühler 7 der zweiten Kolonne eingeführt. Hier kondensiert dieser, wird via der Rückflussleitung 14 aus dem Kühler 7 abgezogen und dann in zwei Teile aufgeteilt.
Ein Teil dieser aufgeteilten kondensierten Flüssigkeit fließt entlang der Rückführleitung 14 durch das Ventil 14v und wird als Rückführflüssigkeit 107 mit der zuvor erwähnten ersten Kolonnenbodenflüssigkeit vermischt und wird dann in den zuvor genannten Verdampfer 6 der ersten Kolonne eingeführt.
Das Rückführen der Rückführflüssigkeit 107 erfolgt aufgrund des Gewichts der kondensierten Flüssigkeit selbst, die im Kühler 7 verflüssigt wurde, daraus ausfließt und in der Leitung 14 absteigt.
Gemäß des Verfahrens der vorliegenden Ausführungsform wird ein Teil der kondensierten Flüssigkeit, die durch den Kühler 7 der zweiten Kolonne hindurchgeflossen ist, als erste Rückführflüssigkeit 107 zum Verdampfer 6 der ersten Kolonne zurückgeführt, und die Rückführflüssigkeit wird durch ihr Eigengewicht (Flüssigkeitsdruck) unter Durchfließen des Verdampfers 6 in die erste Kolonne 1 eingeführt, wodurch der Druck am Kopf der zweiten Kolonne 2 geringer gehalten werden kann als der Druck am Boden der ersten Kolonne 1.
Es ist daher möglich, dass der zuvor genannte Zufuhrdampf 104 der zweiten Kolonne via den Leitungen 12 und 25 zur zweiten Kolonne 2 geleitet werden kann.
Der andere Teil der kondensierten Flüssigkeit, die aufgeteilt wurde, nachdem sie vom Kühler 7 abgezogen wurde, wird als Rückflussflüssigkeit der zweiten Kolonne durch Leitung 25 zum Kopf der zweiten Kolonne 2 zugeführt und fließt innerhalb der zweiten Kolonne 2 als absteigende Flüssigkeit nach unten, um den Boden der zweiten Kolonne 2 zu erreichen, wobei diese mit dem in der zweiten Kolonne 2 aufsteigenden Dampf in Dampf-Flüssigkeits-Kontakt tritt.
In diesem Prozess des Dampf-Flüssigkeits-Kontakts nimmt die Konzentration an schweren Isotopen in dem aufsteigenden Dampf ab, während die absteigende Flüssigkeit weiter mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert wird.
Der aufsteigende Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht, und der eine reduzierte Konzentration an schweren Isotopen aufweist, wird via der Leitung 28 aus der Kolonne 2 abgezogen und wird als Kopfdampf 106 in der zuvor erwähnten Einführleitung 12 mit dem Zufuhrdampf 104 der zweiten Kolonne kombiniert.
Die Kolonnenbodenflüssigkeit der zweiten Kolonne 2, die ein angereichertes Material ist, das mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert ist, wird via Leitung 26 aus der zweiten Kolonne abgezogen, in der zuvor genannten zweiten Rückführleitung 15 mit der nachstehend erwähnten zweiten Rückführflüssigkeit 112 kombiniert und in den Verdampfer 8 der zweiten Kolonne eingeführt. Hier wird diese, nachdem sie verdampft wurde, via der zuvor genannten zweiten Einführleitung 13 als Ausstoßdampf 105 der zweiten Kolonne aus dem Verdampfer 8 abgezogen, wobei es sich um ein angereichertes Material handelt, das mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert ist.
Ein Teil des Ausstoßdampfs 105 der zweiten Kolonne der aus dem Verdampfer 8 abgezogen wird, wird via der Leitung 27 zum unteren Teil der Kolonne 2 zurückgeführt und wird aufsteigender Dampf, der in der zweiten Kolonne 2 aufsteigt. Der andere Teil fließt als Zufuhrdampf 108 der dritten Kolonne entlang der Zuführleitung 13, wird mit dem nachstehend erwähnten Kopfdampf 111 der dritten Kolonne kombiniert und in den Kühler 9 der dritten Kolonne eingeführt. Hier kondensiert dieser, wird durch die zweite Rückführleitung 15 aus dem Kühler 9 abgezogen und dann in zwei Teile aufgeteilt.
Ein Teil dieser geteilten kondensierten Flüssigkeit fließt entlang der zweiten Rückführleitung 15 durch Ventil 15v und wird als zweite Rückführflüssigkeit 112 in den zuvor erwähnten Verdampfer 8 der zweiten Kolonne eingeführt.
Das Rückführen dieser Rückführflüssigkeit 112 erfolgt aufgrund des Gewichts der kondensierten Flüssigkeit selbst, die in dem Kühler 9 verflüssigt wurde, daraus abgezogen wurde, und innerhalb der Leitung 15 absteigt.
Gemäß des Verfahrens der vorliegenden Ausführungsform wird ein Teil der kondensierten Flüssigkeit, die durch den Kühler 9 der dritten Kolonne hindurchgeflossen ist, als zweite Rückführflüssigkeit 112 zum Verdampfer 8 der zweiten Kolonne zurückgeführt und diese Rückführflüssigkeit wird durch ihr Eigengewicht (Flüssigkeitsdruck) unter Durchfließen des Verdampfers 8 in die zweite Kolonne 2 eingeführt, wodurch der Druck am Kopf der dritten Kolonne 3 niedriger gehalten werden kann als der Druck am Boden der zweiten Kolonne 2.
Es ist daher möglich, dass der zuvor genannte Zufuhrdampf 108 der dritten Kolonne, via der Leitungen 13 und 29 zur dritten Kolonne 3 geleitet werden kann.
Der andere Teil der kondensierten Flüssigkeit, die nachdem sie aus dem Kühler 9 abgezogen wurde, aufgeteilt wurde, wird als Rückflussflüssigkeit der dritten Kolonne durch Leitung 29 zum Kopf der dritten Kolonne 3 zugeführt und fließt als absteigende Flüssigkeit nach unten, wobei sie innerhalb der dritten Kolonne 3 mit dem aufsteigenden Dampf in Dampf-Flüssigkeits-Kontakt tritt, um den Boden der dritten Kolonne 3 zu erreichen.
In dem Prozess des Dampf-Flüssigkeits-Kontakts nimmt die Konzentration an schweren Isotopen in dem aufsteigenden Dampf ab, während die absteigende Flüssigkeit weiter mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert wird.
Der aufsteigende Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht, und der eine reduzierte Konzentration an schweren Isotopen aufweist, wird via der Leitung 33 aus der Kolonne 3 abgezogen und als Kopfdampf 111 in der zuvor genannten Einführleitung 13 mit dem Zufuhrdampf 108 der dritten Kolonne kombiniert.
Die Kolonnenbodenflüssigkeit der dritten Kolonne 3, die ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Material ist, wird via Leitung 30 aus der Kolonne 3 abgezogen und in den Verdampfer 10 der dritten Kolonne eingeführt. Hier wird sie, nachdem sie verdampft wurde, als Ausstoßdampf 109 der dritten Kolonne aus dem Verdampfer 10 abgezogen, wobei es sich um ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Material handelt.
Dieser Ausstoßdampf 109 der dritten Kolonne aus dem Verdampfer 10 wird in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil wird via Leitung 31 zum unteren Teil der Kolonne 3 zurückgeführt und wird aufsteigender Dampf, der innerhalb der dritten Kolonne 3 aufsteigt. Der andere Teil fließt entlang Leitung 32 und wird als Produktdampf 110 gesammelt, wobei es sich um ein angereichertes Produkt handelt, das mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert ist.
Im Folgenden werden die Einstellungen für die Zufuhrdämpfe 104 und 108 der ersten und der zweiten Kolonne erklärt.
Die Flussgeschwindigkeit des Zufuhrdampfes 104 der zweiten Kolonne wird so eingestellt, dass eine für die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die den Zufuhrdampf 104 der zweiten Kolonne begleitet, ausreichende Menge erhalten wird, und zwar im Hinblick auf die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die das Produkt begleitet (in dieser Ausführungsform ist dies nur der Produktdampf 110), das außerhalb der Vorrichtung aus der zweiten Kolonne oder der dritten Kolonne gesammelt wird.
Genauer gesagt ist es bevorzugt, wenn [die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die das Produkt 110 begleitet, das außerhalb der Vorrichtung aus der zweiten Kolonne und der dritten Kolonne gesammelt wird], geteilt durch [die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die den Zufuhrdampf 104 der zweiten Kolonne begleitet] gleich [der Ausbeute des gewünschten Komponente] ist, dass die Einstellung so ist, dass die Ausbeute dieser gewünschten Komponente 1% bis 10% oder weniger beträgt.
Wenn die Menge des Zufuhrdampfs 104 der zweiten Kolonne zu klein gemacht wird, (wenn ein Versuch gemacht wird, die Ausbeute der gewünschten Komponente zu vergrößern), wird die Destillationseffizienz der zweiten Kolonne und der dritten Kolonne reduziert. Dem entgegen verbessert sich die Destillationseffizienz, wenn die Menge des Zufuhrdampfs 104 der zweiten Kolonne zu groß gemacht wird, im Hinblick auf die Menge des Wärmetauschs in dem Verdampfer 6 der ersten Kolonne und dem Kühler 7 der zweiten Kolonne nicht sehr.
Zusätzlich dazu wird die Flussgeschwindigkeit des Zufuhrdampfs 108 der dritten Kolonne so eingestellt, dass eine für die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die den Zufuhrdampf 108 der dritten Kolonne begleitet, ausreichende Menge erhalten wird, und zwar im Hinblick auf die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die das Produkt begleitet (in dieser Ausführungsform ist dies nur der Produktdampf 110), das außerhalb der Vorrichtung aus der dritten Kolonne gewonnen wird.
Genauer gesagt ist es bevorzugt, wenn [die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die das Produkt 110 begleitet, das außerhalb der Vorrichtung aus der dritten Kolonne gesammelt wird] geteilt durch [die Flussgeschwindigkeit der gewünschten Komponente, die den Zufuhrdampf 108 der dritten Kolonne be gleitet] gleich [einer Ausbeute der gewünschten Komponente] ist, dass die Einstellung so ist, dass die Ausbeute der gewünschten Komponente 1% bis 10% oder weniger beträgt.
Wenn die Menge des Zufuhrdampfs 108 der dritten Kolonne zu klein gemacht wird (wenn ein Versuch gemacht wird, die Ausbeute der gewünschten Komponenten zu vergrößern), wird die Destillationseffizienz der dritten Kolonne reduziert. Zusätzlich dazu verbessert sich die Destillationseffizienz, wenn die Menge des Zufuhrdampfs 108 der dritten Kolonne zu groß gemacht wird, im Hinblick auf eine Zunahme in der Menge des Wärmetausches in dem Verdampfer 8 der zweiten Kolonne und dem Kühler 9 der dritten Kolonne, nicht sehr.
Im Folgenden wird ein Betriebsregelungsverfahren für jede der zuvor geschriebenen Kolonnen erklärt.
Im Hinblick auf eine gegebene Kolonne gibt es vier regelbare Abschnitte.

1. Das Ventil in den Rohrleitungen, die Dampf von der k-ten Kolonne zur (k + 1)-ten Kolonne zuführen.
2. Das Ventil in den Rohrleitungen, die Flüssigkeit von der (k + 1)-ten Kolonne zur k-ten Kolonne zuführen.
3. Die Menge an Wärmetausch im Verdampfer (der Druck und die Flussgeschwindigkeit des warmen Mediums).
4. Die Menge an Wärmetausch im Kühler (der Druck und die Flussgeschwindigkeit des kalten Mediums).

Es ist schwierig, alle vier gleichzeitig einzustellen und daher werden grundsätzlich in jeder Kolonne 1 und 3 festgelegt und 2 und 4 eingestellt, während die Bedingungen in der Vorrichtung beobachtet werden.
Zuerst wird das Einstellen von 3 der Menge des Wärmetauschs im Verdampfer (des Drucks und der Flussgeschwindigkeit des warmen Mediums) folgendermaßen durchgeführt.
Es handelt sich dabei um das Beibehalten der Menge des Wärmetauschs in dem Verdampfer, nachdem dieser im Voraus eingestellt wurde, so dass die Dampfbeladung jeder Kolonne bei einem geeigneten Wert (einem geplanten Wert) liegt. Es ist hierbei bevorzugt, dass die Einstellung so ist, dass die dichtekorrelierte Leerrohrgeschwindigkeit (hier nachstehend als Oberflächen-F-Faktor bezeichnet) 0,5 m/s(kg/m³)^0,5 oder mehr und 3,0 m/s(kg/m³)^0,5. oder weniger, vorzugsweise 0,7 m/s(kg/m³)^0,5 oder mehr und 2,2 m/s(kg/m³)^0,5. oder weniger beträgt.
Als Nächstes werden die Ventile 12v und 13v, die sich in den Rohrleitungen (Leitungen 12 und 13) befinden, die Dampf aus der k-ten Kolonne zur (k + 1)-ten Kolonne zuführen, eingestellt. Wenn der Druck an den Köpfen jeder der Kolonnen etwa gleich ist, ist der Druck am Boden der k-ten Kolonne größer als der Druck am Kopf der (k + 1)-ten Kolonne und zwar um die Menge des Druckverlustes in der k-ten Kolonne. Daher wird zusätzlich zum Anordnen eines Ventils entlang der Rohrleitung die Flussgeschwindigkeit des von der k-ten Kolonne zur (k + 1)-ten Kolonne zugeführten Dampfes gemessen und auf eine vorbestimmte Flussgeschwindigkeit geregelt. Diese Flussgeschwindigkeit ist kein strikter Wert und sobald eine präzise und geeignete Flussgeschwindigkeit hergestellt wurde, wird der Öffnungsgrad des Ventils nicht angepasst. Der Druck jeder Kolonne ist konstant, so dass diese Flussgeschwindigkeit kaum fluktuiert.
Als Nächstes wird (4) die Menge des Wärmetauschs im Kühler (der Druck und die Flussgeschwindigkeit des kalten Mediums) eingestellt. Dies wird so eingestellt, dass der Druck in jeder der Destillationskolonnen konstant ist. Da (3) die Menge des Wärmetauschs in den Verdampfern festgelegt ist, steigt der Druck in den Destillationskolonnen weiter an, wenn (4) die Menge des Wärmetauschs in dem Kühler klein ist.
Zusätzlich dazu nimmt andererseits, wenn (4) die Menge des Wärmetauschs in den Kühlern groß ist, der Druck in den Destillationskolonnen weiter ab. Selbst wenn Anpassungen vorgenommen werden und ein optimaler Wert zu einem Zeitpunkt erreicht wird, variiert die in die Vorrichtung eintretende Wärme aufgrund des Wetters und der Druck fluktuiert.
Dementsprechend ist es notwendig, (4) die Menge des Wärmetauschs in dem Kühler zu regeln, wobei stets der Druck in jeder der Kolonnen gemessen wird.
Als Nächstes werden (2) die Ventile 14v und 15v der Rohrleitungen (Leitungen 14 und 15), die die Flüssigkeit von der (k + 1)-ten Kolonne zur k-ten Kolonne zurückführen, eingestellt.
Die Regelventile 14v und 15v sind an einer Position installiert, die sich relativ nah am Kühler am Kopf der Kolonne befindet, in einem Bereich, in dem es möglich ist, eine vorgegebenen Flüssigkeitshöhe zu erreichen. Dies erfolgt, um den Flüssigkeitsruheinhalt in den Rohrleitungen zu reduzieren.
Der Öffnungsgrad dieser Ventile wird eingestellt, während der Flüssigkeitslevel am Boden jeder Kolonne gemessen wird.
Wenn der Öffnungsgrad zu gering ist, und die Menge, die von der (k + 1)-ten Kolonne zur k-ten Kolonne zurückgeführt wird, klein wird, nimmt der Ruheinhalt der Prozessflüssigkeit in der (k + 1)-ten Kolonne bis zu zur n-ten Kolonne zu, da die Ventile 12v und 13v in den Dampfrohrleitungen festgelegt sind. Der Druck jeder Kolonne wird mittels (4) der Kühler 5, 7 und 9 auf einem konstanten Level gehalten. Daher nimmt die Zunahme des Ruheinhalts des Flüssigkeitslevels am Boden der Destillationskolonnen zu.
Andererseits nimmt, wenn die Rückführung von der (k + 1)-ten Kolonne zur k-ten Kolonne groß ist, der Flüssigkeitslevel am Boden der Destillationskolonne ab.
Dementsprechend muss (2) das Ventil der Flüssigkeitsrohrleitungen in einer solchen Weise geregelt werden, dass die Höhe des Levels der Flüssigkeit am Boden jeder Destillationskontrolle konstant ist.
Zusätzlich dazu sind die Ventile 14v und 15v an einer Position relativ nahe an den Kühlern an den Köpfen der Kolonnen in einem Bereich installiert, in dem es möglich ist, eine vorgeschriebene Flüssigkeitshöhe zu erreichen. Im Hinblick auf die Einfachheit und Sicherheit der Regelung ist es jedoch gut, diese an einer Position nahe den Verdampfern anzuordnen.
In der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es, da der Auslass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne und der Einlass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne durch die erste Einführleitung 12 verbunden sind und da der Auslass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne und der Einlass des Kühlers 9 der dritten Kolonne durch die zweite Einführleitung 13 verbunden sind, und da der Auslass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne und der Einlass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne durch die erste Rückführleitung 14 verbunden sind; der Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und der Einlass des zweiten Verdampfers 8 durch die zweite Rückführleitung 15 verbunden sind, möglich, einen Teil der kondensierten Flüssigkeit, die als Rückführflüssigkeit 107 und 112 durch die Kühler 7 und 9 hindurchgeflossen ist, zu den Verdampfern 6 und 8 zurückzuführen.
Aus diesem Grund ist es möglich, den Druck innerhalb der Kolonnen 2 und 3 niedriger einzustellen als früher und es ist möglich, den relativen Dampfdruck zwischen jedem der Isotope in jeder Kolonne zu erhöhen und dadurch die Effizienz der Destillation zu verbessern. Als Ergebnis davon ist es möglich, die Packungshöhe jeder Kolonne zu vermindern und es ist möglich, die Menge des Flüssigkeitsruheinhalts zu reduzieren und dadurch ist es möglich, die Anfahrzeit zu verkürzen.
Zusätzlich dazu ist es, aufgrund der zuvor genannten Gründe möglich, ein Produkt, das eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen enthält, mit guter Effizienz zu erhalten.
Zusätzlich dazu sind in konventionellen Vorrichtungen (19) alle Zuführleitungen von einer Kolonne einer früheren Stufe zu einer Kolonne einer späteren Stufe mit Flüssigkeit gefüllt. Im Gegensatz dazu sind in der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels in den Rückführleitungen nur die Abschnitte mit Flüssigkeit gefüllt, die den Flüssigkeitshöhenabschnitten entsprechen, die dem Druckunterschied zwischen diesen Kolonnen entsprechen. In anderen Worten sind von den Rückführleitungen von einer Kolonne einer späteren Stufe zu einer Kolonne einer früheren Stufe nur die Teile der Leitungen mit Flüssigkeit gefüllt, die den Flüssigkeitshöhenabschnitten entsprechen, die dem Druckunterschied der Kolonnen entsprechen, für die das Rückführen von Rückführflüssigkeit 107 und 112, die in den Kühlern 7 und 9 verflüssigt wurde, zur Kolonne der vorhergehenden Stufe notwendig ist.
Aus diesen Gründen ist die Menge des Flüssigkeitsruheinhalts reduziert und es ist möglich, die Anfahrzeit für die Vorrichtung noch stärker zu verkürzen.
Insbesondere, wenn der Durchmesser der Destillationskolonnen klein ist, ist der Durchmesser der Rohrleitungen der Rückführleitungen relativ groß und daher wird der Unterschied zwischen dem Flüssigkeitsruheinhalt in einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und dem in einer konventionellen Vorrichtung als groß angesehen. Zusätzlich dazu ist die Überlegenheit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Anfahrzeit als noch offensichtlicher anzusehen.
Zusätzlich dazu ist es mittels der Verwendung von strukturiertem Füllmaterial (strukturiertes Füllmaterial vom fluiddispersionsfördernden Typ oder strukturiertes Füllmaterial vom nicht-fluiddispersionsfördernden Typ) in den Kolonnen 1, 2 und 3 möglich, den Druckverlust in den Kolonnen zu verringern und es ist möglich, den Druck innerhalb der Kolonnen niedrig einzustellen. Aus diesem Grund ist es möglich, den relativen Dampfdruck zwischen den verschiedenen Komponenten zu erhöhen, die Destillationseffizienz zu erhöhen und zusätzlich dazu die Menge des Flüssigkeitsruheinhalts zu reduzieren und die Anfahrzeit weiter zu reduzieren. Zusätzlich dazu ist es begleitend dazu möglich, die Betriebskosten zu reduzieren.
Zusätzlich dazu ist es mittels der Verwendung von strukturiertem Füllmaterial vom fluiddispersionsfördernden Typ möglich, die Effizienz des Dampf-Flüssigkeits-Kontakts innerhalb der Kolonnen zu erhöhen und die Effizienz des Anreicherns mit schweren Isotopen zu erhöhen.
In der Destillationskolonne des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels sind der Auslass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne und der Einlass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne durch die erste Rückführleitung 14 verbunden und der Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und der Einlass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne sind durch die Rückführleitung 15 verbunden. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt, die erste Leitung kann auch dazu verwendet werden, den Auslass des zweiten Kühlers 7 und den mittleren Abschnitt der ersten Kolonne 1, wie durch das Bezugszeichen 14a angezeigt (die Leitung ist durch die gestrichelten Linien angedeutet), zu verbinden und die zweite Rückführleitung kann dazu verwendet werden, den Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und den mittleren Abschnitt der zweiten Kolonne 2, wie durch das Bezugszeichen 15a angezeigt (die Leitung ist durch die gestrichelten Linien angedeutet), zu verbinden.
Zusätzlich dazu sind die Kolonnen 1, 2 und 3 nicht auf gepackte Kolonnen beschränkt, in denen das zuvor erwähnte Füllmaterial verwendet wird und es ist auch möglich, Nasswandkolonnen zu verwenden.
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die hier gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung in den folgenden Punkten.

(1) Der Auslass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne und der Kopf der zweiten Kolonne 2 sind direkt mittels der ersten Einführleitung 35 verbunden, so dass es möglich ist, dass der Zufuhrdampf 104' der zweiten Kolonne, der durch den Verdampfer 6 der ersten Kolonne hindurchgeflossen ist, direkt zum Kopf der zweiten Kolonne 2 zugeführt wird.
(2) Der Auslass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne und der Kopf der dritten Kolonne 3 sind direkt mittels der zweiten Einführleitung 36 verbunden, so dass es möglich ist, dass der Zufuhrdampf 108' der dritten Kolonne, der durch den Verdampfer 8 der zweiten Kolonne hindurchgeflossen ist, direkt zum Kopf der dritten Kolonne 3 zugeführt wird.
(3) Der Auslass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne und der Boden der ersten Kolonne 1 sind direkt mittels der ersten Rückführleitung 37 verbunden, so dass es möglich ist, dass die Rückführflüssigkeit 107' vom Kühler 7 der zweiten Kolonne zum Boden der ersten Kolonne 1 zurückgeführt wird.
(4) Der Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und der Boden der zweiten Kolonne 2 sind direkt mittels der zweiten Rückführleitung 38 verbunden, so dass es möglich ist, dass die Rückführflüssigkeit 112' vom Kühler 9 der dritten Kolonne zum Boden der zweiten Kolonne 2 zurückgeleitet wird.

Die durch die gestrichelten Linien in dieser Figur angedeutete Leitung ist eine Modifikation der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Im Folgenden wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung) unter Verwendung einer Situation, in der die in 7 dargestellte Vorrichtung verwendet wird, als Beispiel im Detail beschrieben.
Ein Sauerstoffdampfausgangsmaterial, das als erste Kolonnenzufuhr 101 via einer Leitung 20 zum Innenraum die erste Kolonne 1 zugeführt wird, wird mittels Dampf-Flüssigkeits-Kontakt innerhalb der ersten Kolonne 1 destilliert.
Die Kolonnenbodenflüssigkeit, die innerhalb der ersten Destillationskolonne 1 mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert wurde, wird durch die Leitung 23' in den Verdampfer 6 der ersten Kolonne eingeführt, verdampft und als Ausstoßdampf 102' der ersten Kolonne vom Verdampfer 6 der ersten Kolonne abgezogen.
Ein Teil des Ausstoßdampfs 102' wird via Leitung 39 zum unteren Teil der ersten Kolonne 1 zurückgeführt und der andere Teil wird durch die erste Einführleitung 35 als Zufuhrdampf 104' der zweiten Kolonne direkt in den Kopf der zweiten Kolonne 2 eingeführt.
In der zweiten Kolonne 2 wird der aufsteigende Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht und der eine reduzierte Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist, durch die Leitung 28' als Kolonnenkopfdampf 106 aus der zweiten Kolonne 2 abgezogen. Dieser wird im Kühler 7 der zweiten Kolonne kondensiert und dann aufgeteilt. Ein Teil wird durch die Leitung 25' als Rückflussflüssigkeit zum oberen Teil der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt. Der andere Teil wird durch die erste Rückführleitung 37 als erste Rückführflüssigkeit 107' zum Boden der ersten Kolonne 1 zurückgeführt.
Die Kolonnenbodenflüssigkeit, die in der zweiten Kolonne 2 mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert wurde, wird durch die Leitung 26' in den Verdampfer 8 der zweiten Kolonne eingeführt, wo diese verdampft wird und wird dann als Ausstoßdampf 105' der zweiten Kolonne aus dem Verdampfer 8 abgezogen.
Ein Teil des Ausstoßdampfs 105' wird durch die Leitung 40 in den unteren Teil der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt. Der andere Teil wird durch die zweite Einführleitung 36 als Zufuhr 108' der dritten Kolonne direkt in den Kopf der dritten Kolonne 3 eingeführt.
In der dritten Kolonne 3 wird der aufsteigende Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht und der eine reduzierte Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist durch die Leitung 33' als Kolonnenkopfdampf 111 aus der dritten Kolonne 3 abgezogen. Dieser wird im Kühler 9 der dritten Kolonne kondensiert und dann aufgeteilt. Ein Teil wird durch die Leitung 29' als Rückflussflüssigkeit in den oberen Teil der dritten Kolonne 3 zurückgeführt. Der andere Teil wird durch die zweite Rückführleitung 38 als zweite Rückführflüssigkeit 112' zum Boden der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt.
In der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es möglich, einen Teil der kondensierten Flüssigkeit, die durch die Kühler 7 und 9 geflossen ist, mittels des Gewichts (Flüssigkeitsdrucks) der kondensierten Flüssigkeit selbst zur Kolonne der vorhergehenden Stufe zurückzuführen. Aus diesem Grund kann die Menge an Flüssigkeit im Vergleich mit konventionellen Verfahren, die Flüssigkeitspumpen verwenden, geringer sein und wie bei der Vorrichtung des zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Anfahrzeit zu verkürzen. Zusätzlich dazu ist als Ergebnis einer kürzeren Kolonnengesamtlänge aufgrund der Einführung einer Form, in der die Böden der Kolonnen und die Köpfe der Kolonnen verbunden sind, es möglich, ein Produkt, das eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen enthält, mit guter Effizienz zu erhalten.
In der Vorrichtung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels sind der Auslass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne und der Kopf der zweiten Kolonne 2 mittels der ersten Einführleitung 35 verbunden und der Auslass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne und der Kopf der dritten Kolonne 3 sind mittels der zweiten Einführleitung 36 verbunden, zusätzlich dazu sind der Auslass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne und der Boden der ersten Kolonne 1 mittels der Rückführleitung 37 verbunden und der Auslass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und der Boden der zweiten Kolonne 2 sind mittels der zweiten Rückführleitung 38 verbunden. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt.
Es ist z.B. möglich, dass die erste und zweite Einführleitung mit den Mittelabschnitten der Kolonnen 2 und 3 anstatt den Köpfen der Kolonnen 2 und 3 verbunden sind, wie dieses durch die Bezugsziffern 35a und 36a gezeigt ist (die Leitungen sind durch diese gestrichelten Linien angedeutet). Zusätzlich dazu ist es auch möglich, dass die erste und die zweite Rückführleitung mit den Mittelabschnitten der ersten und zweiten Kolonne anstatt den Böden der ersten und zweiten Kolonne verbunden sind, wie dies durch die Bezugszeichen 37a und 38a gezeigt ist.
8 zeigt eine dritte Vorrichtung (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung). Die hier gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 7 dargestellten Vorrichtung in den folgenden Punkten.

(1) Die Leitung 28', die den Kolonnenkopfdampf 106 der zweiten Kolonne 2 zum Kühler 7 der zweiten Kolonne transportiert und der Boden der ersten Kolonne 1 sind durch die erste Rückführleitung 37' verbunden, so dass ein Teil des Kopfdampfs 106 der zweiten Kolonne 2 zum Boden der ersten Kolonne 1 zurückgeführt werden kann.
(2) Die Leitung 33', die den Kopfdampf 111 der dritten Kolonne 3 zum Kühler 9 der dritten Kolonne transportiert und der Boden der zweiten Kolonne 2 sind durch die zweite Rückführleitung 38' verbunden, so dass ein Teil des Kopfdampfs 111 der dritten Kolonne 3 zum Boden der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt werden kann.
(3) Gebläse 41 bzw. 42 sind in der ersten bzw. zweiten Rückführleitung 37' und 38' angeordnet.

Für die Gebläse 41 und 42 können Normaltemperaturkompressoren oder Niedertemperaturkompressoren verwendet werden. Wenn jedoch ein Normaltemperaturkompressor verwendet wird, wie in 9 gezeigt, ist es notwendig, in den Rückführleitungen 37' und 38' Wärmetauscher 41a und 42a vorzusehen.
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen der vorliegenden Erfindung für eine Situation erklärt, in der die in 8 gezeigte Vorrichtung als Beispiel verwendet wird.
In der zweiten Kolonne 2 wird aufsteigender Dampf, der den Kopf der Kolonne erreicht und in dem die Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen reduziert ist, durch die zweite Leitung 28' als Kopfdampf 106 aus der zweiten Kolonne 2 abgezogen und aufgeteilt.
Ein Teil des Kopfdampfs 106, der aufgeteilt wurde, wird im Kühler 7 der zweiten Kolonne kondensiert und dann zum Kopf der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt, wo dieser Rückflussflüssigkeit für diese Kolonne wird. Der andere Teil fließt durch die ersten Rückführleitung 37' und erreicht das Gebläse 41, wobei dieser unter Druck gesetzt wird und wird als erste Rückführflüssigkeit 107'' zum Boden der ersten Kolonne 1 zurückgeführt.
Auf gleiche Weise wird der Kolonnenkopfdampf 111, der vom Kopf der dritten Kolonne 3 abgezogen wurde, nachdem dieser aus der dritten Kolonne 3 abgezogen wurde, aufgeteilt. Ein Teil wird im Kühler 9 der dritten Kolonne kondensiert und dann zum Kopf der dritten Kolonne zurückgeführt, um Rückflussflüssigkeit für diese Kolonne zu werden. Der andere Teil fließt durch die zweite Rückführleitung 38' und erreicht das Gebläse 42, wo dieser unter Druck gesetzt wird und wird dann als zweite Rückführflüssigkeit 112'' zum Boden der zweiten Kolonne 2 zurückgeführt.
In der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es, da die Zuführung für jede Leitung in Dampfform und nicht in flüssiger Form erfolgt, möglich, die Anfahrzeit auf gleiche Weise wie für die Vorrichtung des zuvor erwähnten ersten Ausführungsbeispiels zu verkürzen. Zusätzlich dazu ist es, da die Böden der Kolonnen mit den Köpfen der Kolonnen verbunden sind, bzw. die Köpfe der Kolonnen mit den Böden der Kolonnen verbunden sind, möglich, ein Produkt zu erhalten, dass eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist.
In der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform sind der Auslass des Verdampfers 6 der ersten Kolonne und der Kopf der zweiten Kolonne 2 mittels der ersten Einführleitung 35 verbunden und der Auslass des Verdampfers 8 der zweiten Kolonne und der Kopf der dritten Kolonne 3 sind mittels der zweiten Einführleitung 36 verbunden und zusätzlich dazu sind der Einlass des Kühlers 7 der zweiten Kolonne und der Boden der ersten Kolonne 1 mittels der ersten Rückführleitung 37' verbunden und der Einlass des Kühlers 9 der dritten Kolonne und der Boden der zweiten Kolonne 2 sind mittels der zweiten Rückführleitung 38' verbunden. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf dies beschränkt.
Es ist z.B. möglich, dass die erste und zweite Einführleitung mit den Mittelabschnitten der zweiten und dritten Kolonne 2 und 3 verbunden sind, wie dies durch die Bezugszeichen 35a und 36a angezeigt ist (die Leitungen sind durch die gestrichelten Linien angedeutet) und dass die erste und zweite Rückführleitung mit den Mittelabschnitten der ersten und zweiten Kolonne anstatt der Böden der ersten und zweiten Kolonne verbunden sind, wie dies durch die Bezugszeichen 37'a und 38'a angezeigt ist.
In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung mit drei Destillationskolonnen dargestellt; in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist die Anzahl der Destillationskolonnen jedoch nicht auf dies beschränkt.
In der in 10 gezeigten Vorrichtung (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung) ist die Anzahl der Destillationskolonnen n.
Die hier gezeigte Vorrichtung weist Folgendes auf, nämlich eine Anzahl n an Destillationskolonnen A₁ bis A_n; Kühler B₁ bis B_n, die im Bereich der Köpfe dieser Destillationskolonnen A₁ bis A_n angeordnet sind; Verdampfer C₁ bis C_n, die im Bereich der Böden der Kolonnen A₁ bis A_n angeordnet sind; Einführleitungen D₁ bis D_n-1, die die jeweiligen Auslässe der Verdampfer Ca der k-ten Kolonne, die im Bereich der jeweiligen Böden der k-ten Kolonne (1 ≦ k ≦ (n – 1)) angeordnet sind, mit den jeweiligen Köpfen der (k + 1)-ten Kolonne verbinden und Rückführleitungen E bis E_n-1, die die jeweiligen Auslässe der Kühler B_k+1 der (k + 1)-ten Kolonne mit den jeweiligen Böden der k-ten Kolonnen verbinden.
Die Anzahl n der Destillationskolonnen kann z.B. 2 bis 100 betragen.
Zusätzlich dazu ist das Zirkulationssystem für das Wärmetauschermedium für die Verdampfer und Kühler der in der zuvor erwähnten 10 gezeigten Vorrichtung in 11 dargestellt.
Wie in 11 dargestellt, ist jeder der Kühler B₁ bis B_n und Verdampfer C₁ bis C_n mittels der Zirkulationsleitung 81 für das Wärmetauschermedium verbunden.
Die Zirkulationsleitung 81 ist so angeordnet, dass das Wärmetauschermedium in dem Lagertank 82 abgezogen wird, durch die Pumpe 83 und dann durch den ersten Durchgang des Unterkühlers 84 fließt und in die Kühler B₁ bis B_n eingeführt wird. Es fließt dann durch den zweiten Durchgang des Unterkühlers 84 und erreicht die erste Leitung des Wärmetauschers 85. Als nächstes fließt es durch das Gebläse 86 und den zweiten Durchgang des Wärmetauschers 85, wird in die Verdampfer C₁ bis C_n eingeführt und dann in den Lagertank 82 zurückgeführt. Zusätzlich dazu dient der Unterkühler 84 dazu, das Wärmetauschermedium zu kühlen, um ein Verdampfen des Wärmetauschermediums vor dem Erreichen der Kühler zu verhindern.
Auf gleiche Weise ist in der vorliegenden Erfindung die Anzahl der Destillationskolonnen nicht auf die Anzahlen beschränkt, die in den Figuren für die Vorrichtung des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels, die Vorrichtung des in 7 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels und die Vorrichtung des in 8 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels gezeigt sind und kann optional festgelegt werden.
Zusätzlich dazu zeigt die zuvor beschriebene Ausführungsform ein Verfahren zum Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen mittel kryogener Destillation eines Sauerstoffausgangsmaterials. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt. Es ist auch möglich, Wasser mit schwerem Sauerstoff herzustellen indem eine Destillation unter Verwendung von Wasser als Ausgangsmaterial durchgeführt wird und die Vorrichtungen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden, um dieses Wasser zu destillieren, um es mit zumindest einem Typ von Wasser mit schwerem Sauerstoff, das schwere Sauerstoffisotope, ausgewählt aus H₂ ¹⁷O, H₂ ¹⁸O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, DH¹⁷O und DH¹⁸O, enthält, anzureichern.
In dieser Situation ist es auf gleiche Weise wie in dem zuvor genannten ersten Ausführungsbeispiel möglich, die Anfahrzeit zu verkürzen. Zusätzlich dazu ist es möglich, ein Wasserprodukt mit schwerem Sauerstoff zu erhalten, das eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist.
12 und 13 zeigen eine Vorrichtung, die dazu verwendet werden kann, ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Wasser mit schwerem Sauerstoff durchzuführen (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung). Die hier gezeigte Vorrichtung weist Folgendes auf, nämlich eine Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ zur Destillation von Sauerstoff, die eine Vielzahl von Destillationskolonnen A₁ bis A_n aufweist; eine Wasserdestillationskolonneneinheit F₂ zur Destillation von Wasser, die eine Vielzahl von Destillationskolonnen A'₁ bis A'_n aufweist und eine Hydrierreaktionsvorrichtung 300A, die zwischen den Einheiten F₁ und F₂ angeordnet ist.
Die Destillationskolonneneinheiten F₁ und F₂ können die Struktur der in 10 gezeigten Vorrichtung annehmen.
Die Hydrierreaktionsvorrichtung 300A, die in 13 gezeigt ist, weist folgendes auf, nämlich einen Puffertank 341 zum temporären Lagern von angereichertem Material (Sauerstoff), das durch die Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ geflossen ist; eine Leitung 44 zum Einführen von Sauerstoff in den Puffertank 341; eine Leitung 343 zum Einführen von Wasserstoff (oder Deuterium), der von einer Zuführungsquelle, die in der Figur nicht dargestellt ist, zugeführt wird; eine Brennkammer 344 zum Reagieren des durch die Leitungen 342 und 343 zugeführten Sauerstoffs und Wasserstoffs und einen Verbrenner 300 mit einem Regler 345.
Die Brennkammer 344 weist Folgendes auf, nämlich einen Brenner 344a zum Vermischen und Verbrennen von Sauerstoff und Wasserstoff, die der Brennkammer 344 zugeführt werden; ein Heizgerät 344b zum Zünden des Sauerstoff-Wasserstoff-Gasgemischs und eine Kühlschlange 344c, zum Abkühlen des Reaktionsprodukts (d.h. des Wasserdampfs). Zusätzlich dazu zeigt das Bezugszeichen 344d eine Abgabeöffnung an, die dazu vorgesehen ist, via eines Ventils das Reaktionsprodukt (Wasser) aus der Brennkammer 344 auszustoßen.
Der Regler 345 reguliert ein Flussregelventil 342b mittels eines Signals basierend auf der Flussgeschwindigkeit des Sauerstoffs, die durch einen in der Leitung 342 angeordneten Sauerstoff-Flussgeschwindigkeitsdetektor 342a gemessen wird und daher ist der Regler 345 in der Lage, die Zuführflussgeschwindigkeit des Sauerstoffs, der der Brennkammer 344 via der Leitung 342 zugeführt wird, einzustellen.
Zusätzlich dazu reguliert der Regler 345 ein Flussregelungsventil 343b mittels von Signalen, basierend auf der Flussgeschwindigkeit des Wasserstoffs, die durch einen in der Leitung 343 angeordneten Wasserstoff-Flussgeschwindigkeitsdetektor 343a gemessen wird, und dadurch ist der Regler 345 in der Lage, das Zuführvolumen von Wasserstoff, das der Brennkammer 344 via der Leitung 343 zugeführt wird, einzustellen.
Ferner zeigen Bezugszeichen 342c und 343c Rückschlagsventile an; Bezugszeichen 342d und 343d zeigen Rückschlagschutzkammern an und das Bezugszeichen 344e bezeichnet eine Leitung zur Abgabe kleiner Mengen an nicht reagiertem Gas, das in der Verbrennungskammer 344 verbleibt via eines Ventils.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Wasser mit schwerem Sauerstoff gemäß der vorliegenden Erfindung für ein Beispiel erklärt, in dem die zuvor beschriebene Vorrichtung verwendet wird.
Das Sauerstoffausgangsmaterial wird zu der Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ zugeführt und ein Zwischenproduktdampf 110' wird erhalten, bei dem es sich um ein angereichertes Material handelt, das mit schweren Isotopen von Sauerstoff angereichert ist.
Dieser Zwischenproduktdampf 110' (Sauerstoffdampf) wird via Leitung 44 und Regelventil 44a in den Verbrenner 300 der Hydrierreaktionsvorrichtung 300A eingeführt.
Der in den Verbrenner 300 eingeführte Sauerstoff fließt durch den Puffertank 341 und wird dann via der Leitung 342 und durch den Brenner 344a in die Brennkammer 344 eingeleitet.
Gleichzeitig wird via der Leitung 343 und durch den Brenner 344a Wasserstoff, der von einer in den Figuren nicht dargestellten Zuführquelle zugeführt wird, zur Brennkammer 344 zugeführt.
An diesem Punkt führt der Regler 345 eine Berechnung basierend auf einem Signal basierend auf einem vorbestimmten Wert und basierend auf einem Feedback signal basierend auf der Flussgeschwindigkeit des Sauerstoffs, die durch den Sauerstoff-Flussgeschwindigkeitsdetektor 342a gemessen wurde, durch. Der Regler reguliert das Flussgeschwindigkeitsregelventil 342b mittels eines Signals, das aus dieser Berechnung resultiert. In gleicher Weise führt der Regler 345 eine Berechnung basierend auf einem Signal, basierend auf einem vorbestimmten Wert und basierend auf einem Feedbacksignal, basierend auf der Flussgeschwindigkeit des Wasserstoffs, die durch den Wasserstoff-Flussgeschwindigkeitsdetektor 343a gemessen wurde, durch. Der Regler reguliert das Flussgeschwindigkeitsregelventil 343b mittels eines Signals, das aus dieser Berechnung resultiert. Als Ergebnis davon werden der zuvor genannte Sauerstoff und Wasserstoff der Brennkammer 344 in Volumen zugeführt, die in etwa den stöchiometrischen Volumen zur Herstellung von Wasser entsprechen.
Der der Brennkammer 344 zugeführte Sauerstoff und Wasserstoff werden stets mittels der zuvor erwähnten Feedbackregelung auf ein Volumen reguliert, das dem zuvor erwähnten stöchiometrischen Volumen äußerst nahe kommt. Trotzdem wird jedoch regelmäßig überschüssig zugeführtes Gas über ein Ventil aus der Abgabeleitung 344e abgegeben und dies verhindert, dass sich das Gas in der Brennkammer 344 ansammelt.
Um das Volumen des Ausstoßgases weiter zu reduzieren, ist es bevorzugt, zusätzlich noch präzisere Regelungsmittel einzusetzen wie bspw. ein Feed-Forward-Regelverfahren.
Der zuvor erwähnte, der Brennkammer 344 zugeführte Sauerstoff und Wasserstoff werden mittels des Brenners 344a vermischt und anschließend in die Brennkammer 344 eingedüst, mittels des Heizgeräts 344b gezündet und miteinander umgesetzt, um Wasser herzustellen.
Das Meiste des hergestellten Wassers wird durch die Kühlschlange 344c kondensiert und anschließend über die Abgabeöffnung 344d aus der Brennkammer 344 ausgestoßen und durch Leitung 45 als hergestelltes Wasser 113 in die Wasserdestillationskolonneneinheit F₂ eingeführt.
Da dieses hergestellte Wasser 113 unter Verwendung des Zwischenproduktdampfs 110' erhalten wurde, bei dem es sich um ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Material handelt, ist es ein Wasser mit schwerem Sauerstoff, das eine große Menge an schweren Sauerstoffisotopen enthält.
Die Wasserdestillationskolonneneinheit F₂ weist dieselbe Struktur auf wie die Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ und daher werden auf gleiche Weise wie im Anreicherungsverfahren für die schweren Sauerstoffisotope, das in der Einheit F₁ abläuft, die schweren Komponenten in dem hergestellten Wasser 113, d.h. H₂ ¹⁷O, H₂ ¹⁸O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, DH¹⁷O und DH¹⁸O in der Destillationseinheit F₂ angereichert und als das Wasserprodukt mit schwerem Sauerstoff 114 gesammelt.
In der Vorrichtung ist es möglich, die Anfahrzeit auf gleiche Weise, wie für das zuvor beschriebene erste Ausführungsbeispiel zu verkürzen. Zusätzlich dazu ist es möglich, ein Wasserprodukt mit schwerem Sauerstoff zu erhalten, das eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen aufweist. 14 zeigt eine weitere Vorrichtung (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung). Die hier gezeigte Vorrichtung weist Folgendes auf, nämlich eine Anzahl n an Destillationskolonnen A₁ bis A_n; Kühler B₁ bis B_n, die im Bereich der Köpfe dieser Kolonnen A₁ bis A_n angeordnet sind; Verdampfer C₁ bis C_n, die im Bereich der Böden der Kolonnen A₁ bis A_n angeordnet sind; Einführleitungen D₁ bis D_n-1, die die jeweiligen Auslässe der Verdampfer C_k der k-ten Kolonne, die im Bereich der Böden der k-ten Kolonnen (1 ≦ k ≦ (n – 1)) angeordnet sind mit den jeweiligen Köpfen der (k + 1)-ten Kolonnen verbinden; Rückführleitungen E₁ bis E_n-1, die die jeweiligen Auslässe der Kühler B_k+1 der (k + 1)-ten Kolonnen mit den jeweiligen Böden der k-ten Kolonnen verbinden und einen Isotopenscrambler 47.
Der Isotopenscrambler 47 dient zu einem weiteren Anreichern des mit schweren Sauerstoffisotopen angereicherten Materials, das mittels der Kolonnen A₁ bis A_h angereichert wurde, mittels von Sauerstoffisotopenscrambling. Die Einlass-Seite des Isotopenscramblers ist via der Abzugsleitung 48 mit dem Boden der h-ten Kolonne A_h verbunden und die Auslass-Seite des Isotopenscramblers ist via einer Rückführleitung 49 mit dem Mittelabschnitt der i-ten Kolonne A_i verbunden, die auf einer späteren Stufe und neben der h-ten Kolonne A_h angeordnet ist.
Für den Isotopenscrambler 47 ist es, zusätzlich zur Verwendung eines Isotopenaustauschreaktionskatalysators, möglich, aus den Sauerstoffmolekülen zeitweise andere Verbindungen zu bilden und anschließend diese Verbindungen aufzuspalten, um Sauerstoffmoleküle zu erhalten.
Wenn Ersteres als Isotopenscrambler 47 verwendet wird, wird der Kolonnenbodendampf der Kolonne A_h, bei dem es sich um ein mit Sauerstoffisotopen angereichertes Material handelt, mit einem Isotopenaustauschreaktionskatalysator in Berührung gebracht, um die nachstehend diskutierten Isotopenaustauschreaktionen in dem angereicherten Material zu fördern und es ist dadurch möglich, die Konzentration an Molekülen aus schweren Sauerstoffisotopen in dem angereicherten Material weiter zu steigern.
In dieser Situation ist der Isotopenscrabler 47 mit einer katalytischen Kolonne (in dieser Figur nicht dargestellt) und einem Isotopenaustauschreaktionskatalysator ausgerüstet, der in die katalytische Kolonne gepackt ist.
Für diesen Isotopenaustauschreaktionskatalysator kann z.B. ein Katalysator verwendet werden der zumindest einen Typ enthält, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Folgendes aufweist, nämlich W, Ta, Pd, Rh, Pt und Au.
Zusätzlich dazu ist es möglich, zusätzlich zu den zuvor erwähnten, als Isotopenaustauschreaktionskatalysator einen Katalysator zu verwenden, der zumindest einen Typ einschließt, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Folgendes aufweist, nämlich Ti-Oxid, Zr-Oxid, Cr-Oxid, Mn-Oxid, Fe-Oxid, Co-Oxid, Ni-Oxid, Cu-Oxid, Al-Oxid, Si-Oxid, Sn-Oxid und V-Oxid. Zusätzlich dazu ist es möglich, einen der zuvor genannten einzelnen Katalysatoren oder der zuvor genannten Metalloxidkatalysatoren oder eine Mischung einer Vielzahl von diesen zu verwenden.
Wenn Letzteres als Isotopenscambler 47 verwendet wird, wird der Kolonnenbodendampf der Kolonne Ah, bei dem es sich um ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Material handelt, zeitweise in eine andere Verbindung (z.B. Wasser) umgewandelt, diese wird anschließend aufgespalten, um molekularen Sauerstoff zu ergeben und dadurch wird die Konzentration von Molekülen aus schweren Sauerstoffisotopen in dem angereicherten Material weiter erhöht. Ein Beispiel für den in diesem Verfahren verwendeten Isotopenscrambler ist in 15 dargestellt.
In 15 weist der Isotopenscrambler 47 ein Argonzirkulationsgebläse 87, eine katalytische Kolonne 88, die mit einem Oxidationsreaktionskatalysator gepackt ist, einen elektrischen katalytischen Cracker 89 und einen Sauerstoffreiniger 90 auf.
Als Oxidationsreaktionskatalysator, der in die katalytische Kolonne 88 gepackt ist, kann ein Katalysator verwendet werden, der zumindest eine Komponente aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die Folgendes aufweist, nämlich Pd, Pt, Rh, Ru, Ni, Cu und Au. Zusätzlich dazu ist es möglich, einen oder mehrere zu verwenden die ausgewählt sind aus der Gruppe, die Katalysatoren aufweist, in denen Pd, Pt, Rh, Ru und dergleichen durch eines der Folgenden getragen werden, nämlich Al-Oxid, Si-Oxid, Ti-Oxid, Zr-Oxid, Cr-Oxid, V-Oxid, Co-Oxid oder Mn-Oxid.
Das Argonzirkulationsgebläse 87 ist vorgesehen, um das Gas in dem Argonzirkulisationssystem, das eine katalytische Kolonne 88, einen Kühler 91 und einen Chiller 92 aufweist, zu zirkulieren. Da in diesem Zirkulationssystem Sauerstoff und Wasserstoff koexistieren, ist im Hinblick auf den Explosivitätsbereich eine Argonzu führleitung 98 zum Zuführen von Argon zum Verdünnen des Dampfs innerhalb des Zirkulationssystems mit dem Zirkulationssystem verbunden.
Zusätzlich dazu ist dieses Zirkulationssystem mit einer Wasserstoffzuführleitung 97 ausgestattet, mit dem Zweck, die Wasserstoffkonzentration am Auslass des Chillers 92 bei etwa 2% zu halten.
Als Nächstes wird eine Ausführungsform des Verfahrens zum Anreichern von Sauerstoffisotopen der vorliegenden Erfindung für eine Situation erklärt, in der die zuvor genannte Vorrichtung als Beispiel verwendet wird.
Die Zufuhr 101 wird durch die Leitung 20 der ersten Kolonne A₁ zugeführt und danach durch Befolgen des zuvor beschriebenen Verfahrens mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert, bis sie die Kolonne A_h erreicht und dadurch wird eine Kolonnenbodenflüssigkeit der Kolonne A_h erhalten, bei der es sich um ein angereichertes Material handelt.
Als Nächstes wird diese Kolonnenbodenflüssigkeit durch die Leitung 48 als Einführsauerstoff 115 in den Isotopenscrambler 47 eingeführt.
Der Sauerstoff, der der Ansaugseite des Argonzirkulationsgebläses 87 aus der Leitung 48 zugeführt wird, wird mit Argon und Wasserstoff vermischt, durch das Gebläse 87 auf etwa 80 bis 100 kPa (gauge) unter Druck gesetzt und dann in die katalytische Kolonne 88 eingeführt. Zusätzlich dazu werden am Auslass des zuvor genannten Gebläses 87 aus der Leitung 97 geringe Mengen Wasserstoff zugeführt (der nachstehend besprochene Teil, der aus der Reaktion an der katalytischen Kolonne 95 entfernt wurde). In der katalytischen Kolonne 88 werden der Wasserstoff und Sauerstoff miteinander umgesetzt, um Wasser (2H₂ + O₂ → 2H₂O) herzustellen und die Zusammensetzung am Auslass der katalytischen Kolonne 88 ist etwa 2% Wasserstoff, etwa 0,5% Wasserdampf und 97,5% Argon.
Diese Mischung wird mittels des Kühlers 91 und des Chillers 92 abgekühlt und das Wasser wird in den Lagertank 93 abgetrennt. Dieses Wasser wird mittels einer Pumpe, die in der Elektrolysevorrichtung 89 angeordnet ist, zum Elektrolysetank 94 (Druck 400 kPa gauge) geleitet, erfährt Elektrolyse und wird in Wasserstoff, der eine kleine Menge Sauerstoff enthält und Sauerstoffdampf aufgetrennt, der wiederum eine kleine Menge Wasserstoff enthält. Der zuvor genannte Wasserstoffdampf wird aus dem zuvor beschriebenen Argonzirkulationssystem wiedergewonnen. Die kleinen Mengen an Wasserstoff und Wasser, in dem letzteren Sauerstoffdampf, werden mittels eines Sauerstoffreinigers 90 entfernt, der eine katalytische Kolonne 95 und einen Absorber 96 aufweist und der Sauerstoff wird durch die Leitung 49 abgezogen und zur Sauerstoffdestillationskolonne zurückgeführt.
Um den Verlust von Sauerstoff, der mit schweren Sauerstoffisotopen angereichert ist, zu verhindern, wird in dem regenerierten Gas des Absorbers 96 separates Sauerstoffgas mit extrem hoher Reinheit (Sauerstoff mit den gleichen Spezifikationen wie der Zufuhrdampf der ersten Kolonne der Destillationskolonne) verwendet.
Zusätzlich dazu ist die Flussgeschwindigkeit des Rückführ-Sauerstoffs 116 des Isotopenscramblers im Vergleich mit der Menge des aufsteigenden Dampfs in der Destillationskolonne, in die der Sauerstoff zurückgeführt wird, extrem niedrig. Daher hat dieser fast keinen Einfluss auf die Destillationseffizienz, selbst wenn er bei seiner normalen Temperatur in die Destillationskolonne zurückgeführt wird.
Wenn die gesamte Vorrichtung des Isotopenscramblers 47 in Betracht gezogen wird, zirkulieren, da nur die Leitung 49 für den gereinigten Rückführdampf 116 des Isotopenscramblers und der Auslass für den Sauerstoff mit extrem hoher Reinheit, der separat zum Zweck der Regeneration in dem Absorber 96 eingeführt wird, vorhanden sind, die anderen Gase in der Vorrichtung und es existiert fast kein Verlust von Gas. Daher ist die Menge an Wasserstoff und Argon, die durch die Zuführleitung für Wasserstoffdampf und Argon zugeführt wird, extrem niedrig.
In der katalytischen Kolonne 88 des Isotopenscramblers 47 werden Sauerstoff und Wasserstoff aufgrund des Oxidationsreaktionskatalysators miteinander umgesetzt und Wasser wird hergestellt. Wenn z.B. A, B, C bzw. D je eines der Isotopenatome ¹⁶O, ¹⁷O und ¹⁸O sind, werden die Atome die Sauerstoffmolekühle bilden, mittels Reaktionen wie den Folgenden in verschiedene Wassermoleküle getrennt: 2H₂ + AB → H₂A + H₂B; oder 2H₂ + CD → H₂C + H₂D; oder 2H₂ + AA → H₂A + H₂A.
Die relative Häufigkeit von jedem der schweren Sauerstoffisotope in dem Reaktionsprodukt (den Wassermolekülen), das so erhalten wird, wird durch die relative Häufigkeit von jedem der Isotope in dem Eingeführsauerstoff 115 bestimmt.
Zusätzlich dazu werden in der Elektrolysevorrichtung 89 des Isotopenscramblers die Wassermolekühle mittels Elektrolyse in Sauerstoffmoleküle und Wasserstoffmoleküle aufgespalten. Auf gleiche Weise werden, wenn A, B, C bzw. D jeweils eines der Isotopenatome ¹⁶O, ¹⁷O und ¹⁸O sind, die Wassermoleküle mittels Reaktionen wie den Folgenden in Sauerstoffmoleküle und Wasserstoffmoleküle aufgespalten: H₂A + H₂C → 2H₂ + AC; oder H₂B + H₂D → 2H₂ + BD; oder 2H₂C → 2H₂ + CC.
Die Kombination der Sauerstoffatome, die die hier erhaltenen Sauerstoffmoleküle bilden, wird zufällig durch die relative Häufigkeit der in den Wassermolekülen vorliegenden Sauerstoffisotope bestimmt.
Zusätzlich dazu tauscht jedes Molekül, wenn eine Vielzahl von Typen von Isotopenmolekülen, wie zuvor beschrieben, vorliegt, zufällig die gekoppelten Atome, aus denen es besteht, aus, was als Isotopenscrambling bezeichnet wird und die Vorrichtung, in der dieses stattfindet, wird als Isotopenscrambler bezeichnet.
Wenn ein Verfahren unter Verwendung eines Isotopenaustauschreaktionskatalysators für den zuvor erwähnten Isotopenscrambler 47 verwendet wird, läuft aufgrund des Isotopenaustauschreaktionskatalysators in der katalytischen Kolonne des Isotopenscramblers 47 eine Isotopenaustauschreaktion ab.
Isotopenaustausch ist eine Reaktion, in der gekoppelte Atome in einem zweiatomigen Molekül an der Oberfläche eines ausreichend erwärmten Katalysators durch andere Atome ausgetauscht werden.
Mit anderen Worten ist, wenn z.B. A, B, C bzw. D jeweils eines der Isotopenatome ¹⁶O, ¹⁷O und ¹⁸O sind, der Isotopenaustausch eine Reaktion, in der: AB + CD = AC + BD; oder AB + CD = AD + BC.
Wenn ein spezielles Isotopenatom in Betracht gezogen wird, wird, nachdem eine ausreichende Zeit verstrichen ist, ein Isotopenatom, das koppelt, um ein Molekül zu bilden, gemäß des Häufigkeitsverhältnisses jedes Isotopenbestandteils vor dem Ionenisotopenaustausch zufällig bestimmt.
Dementsprechend bestimmt sich das Häufigkeitsverhältnis jedes Isotops in dem Reaktionsmaterial (d.h. dem Sauerstoffisotopenmolekül), das mittels Isotopenaustauschs mittels des Isotopenscramblers 47 erhalten wird, gemäß des Häufigkeitsverhältnisses jedes Isotops in dem eingeführten Sauerstoff 115.
In anderen Worten, liegen z.B. die Komponenten ¹⁶O¹⁶O, ¹⁶O¹⁷O und ¹⁶O¹⁸O in dem Ausstoßdampf 115 vor. Wenn die jeweiligen molaren Verhältnisse dieser Komponenten Y₁₁, Y₁₂ und Y₁₃ sind, ändert sich mittels des Isotopenscramblers 47 unter Verwendung eines der beiden zuvor beschriebenen Verfahren die Kombination von Sauerstoffatomen, die diese Sauerstoffmoleküle bilden, zufällig, basierend auf der Häufigkeitswahrscheinlichkeit von jedem der Isotope, wobei die Konzentration jeder Komponente nach dem Isotopenscrambling wie folgt ist: ¹⁶O¹⁶O: (Y₁₁ + Y₁₂/2 + Y₁₃/2)² (i) ¹⁶O¹⁷O: (Y₁₁ + Y₁₂/2 + Y₁₃/2)Y₁₂ (ii) ¹⁶O¹⁸O: (Y₁₁ + Y₁₂/2 + Y₁₃/2)Y₁₃ (iii) ¹⁷O¹⁷O: Y² ₁₂/4 (iv) ¹⁷O¹⁸O: Y₁₂Y₁₃/2 (v) ¹⁸O¹⁸O: Y² ₁₃/4 (vi)
Ein Teil des ¹⁶O, das in dem ¹⁶O¹⁷O und ¹⁶O¹⁸O enthalten ist, wird zu ¹⁶O¹⁶O und begleitend dazu nimmt die Konzentration an Sauerstoffmolekülen, die aus den schweren Komponenten (¹⁷O und ¹⁸O) bestehen, (¹⁸O¹⁸O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁷O¹⁷O, die hier nachstehend als schwere Sauerstoffmoleküle bezeichnet werden), zu.
Das Reaktionsprodukt, in dem die Konzentration an schweren Sauerstoffmolekülen unter Verwendung des Isotopenscramblers 47 erhöht wurde, wird durch die Leitung 49 als Rückführsauerstoff 116 des Isotopenscramblers der Kolonne A_i zugeführt und fließt danach durch die Kolonnen A_i bis A_n.
Die schweren Sauerstoffmoleküle weisen einen höheren Siedepunkt auf und sind einfach anzureichern, wodurch die Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen in diesem Verfahren weiter erhöht wird.
In dem Anreicherungsverfahren für Sauerstoffisotope des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels ist es möglich, die Anfahrzeit auf gleiche Weise wie in dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel zu verkürzen.
Zusätzlich dazu wird das mit schweren Sauerstoffisotopen angereicherte Material, das mittels der Kolonnen A₁ bis A_h erhalten wurde, dem Isotopenscrambler 47 zugeführt, die Konzentration an schweren Sauerstoffmolekülen in dem angereicherten Material, wird mittels von Isotopenscrambling, das in dem Isotopenscrambler 47 erfolgt, erhöht, das angereicherte Material wird dann den Kolonnen A_i bis A_n zugeführt und die Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen wird weiter erhöht. Es ist daher möglich, ein Produkt zu erhalten, das eine hohe Konzentration an schweren Sauerstoffisotopen enthält.
Zusätzlich dazu weist die in der Figur gezeigte Vorrichtung eine Struktur auf, in der die Leitung 49 auf der Auslass-Seite des Isotopenscramblers 47 mit der i-ten Kolonne A_i verbunden ist. Auf diese Weise befindet sich die Kolonne, mit der die Leitung 49 auf der Auslass-Seite des Isotopenscramblers 47 verbunden ist, vorzugsweise weiter stromabwärts (auf der Seite einer späteren Stufe) der h-ten Kolonne A_h, mit der die Leitung 48 auf der Einlass-Seite des Isotopenscramblers 47 verbunden ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt, und die Kolonne, mit der die Leitung 49 der Auslass-Seite verbunden ist, kann die Kolonne sein, mit der die Leitung 48 der Einlass-Seite verbunden ist oder diese kann sich stromaufwärts (auf der Seite einer früheren Stufe) dieser Kolonne befinden.
Mit anderen Worten kann der Isotopenscrambler 47 an jedem Teil der „Vorrichtung, die aus einer Vielzahl von Destillationskolonnen aufgebaut ist", die als Kaskade aufgebaut ist, eingefügt werden. Zum Beispiel ist es möglich, Dampf von irgendeinem Ort der k-ten Kolonne (einschließlich der Destillationskolonne, dem Kühler, dem Verdampfer, den Rohrleitungen, etc.) abzuziehen, ihn in dem Isotopenscrambler weiterzuverarbeiten und ihn zu irgendeinem Ort der j-ten Kolonne (einschließlich der Destillationskolonne, des Kühlers, des Verdampfers, der Rohrleitungen, usw.) zurückzuführen. Hierbei ist das Größenverhältnis zwischen k und j unbeschränkt und es ist auch möglich, dass k und j gleich sind. Um jedoch das Isotopenscrambling effizient durchzuführen, ist der Ort, an dem der Dampf aus der Vorrichtung abgezogen wird, vorzugsweise eine Position, an der ¹⁶O¹⁸O am stärksten angereichert ist. Zusätzlich dazu ist es bevorzugt, wenn sich die Position, an der der Dampf nach dem Isotopenscrambling zur Destillationskolonne zurückgeführt wird, auf einer späteren Stufe (ein Ort, an dem ¹⁸O¹⁸O stärker angereichert ist) befindet als der Ort der Extraktion, da die Konzentration an ¹⁸O¹⁸O in dem Gas nach dem Isotopenscrambling größer ist als die Konzentration des Isotops ¹⁸O¹⁸O an der Position der Extraktion.
Zusätzlich dazu ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, Wasser mit schwerem Sauerstoff zu erhalten und zwar mittels des Zuführens von Sauerstoff, der aus der zuvor erwähnten letzten Kolonne A_n extrahiert wurde, zu der zuvor erwähnten Hydrierungsreaktionsvorrichtung 300 und durch Umsetzen davon zu Wasser.
Als Nächstes werden die Ergebnisse von Computersimulationen für Situationen erklärt, in denen das Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen unter Verwendung jeder der zuvor erwähnten Vorrichtungen durchgeführt wurde.
Die Destillationstheorie, die zum Design der Destillationskolonne gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde, und die Destillationstheorie, die in dieser Simulation eingesetzt wird, verwenden ein Geschwindigkeitsmodell, das mit einem Massentransfer verbunden ist, in dem das sogenannte H.T.P. (Höhenäquivalent eines theoretischen Bodens) oder das Gleichgewichtsstufenmodell nicht verwendet wurde.
In der Destillationstheorie unter Verwendung dieses Geschwindigkeitsmodells wird der Massenflux N auf folgende Weise unter Verwendung des Diffusionsflux J und der Konvektion ρv ausgedrückt N = JGS + ρGSvGSωGS
Zusätzlich dazu ist es möglich, als Formel für die Korrelation, die den Massentransfer betrifft, Folgendes anzugeben, ShGS(JGS/N) = A1ReG A2ScGS A3 wobei Sh, Re bzw. Sc durch die folgenden Formeln definiert sind. ShGS = Nd/(ρGSDGSΔωGS) ReG = ρGUGd/μG ScGS = μGS/(ρGSDGS)

N:: Massenflux [kg/(m²s)]
J:: Diffusionsflux [kg/(m²s)]
d:: Äquivalenzdurchmesser [m]
D:: Diffusionskoeffizient [m²/s]
ρ:: Dichte [kg/m³]
v:: Geschwindigkeit [m/s]
ω:: Konzentration [kg/kg]
Sh:: Sherwood-Zahl [-]
Re:: Reynolds-Zahl [-]
Sc:: Schmidt-Zahl [-]
tiefgestellt G:: Dampfphase
tiefgestellt S:: Dampfflüssigkeitsschnittstelle

Die Vorteile dieses Geschwindigkeitsmodells bestehen darin, dass es möglich ist, den Massentransfer einer Zwischenproduktkomponente innerhalb eines Multikomponentensystems korrekt vorauszusagen und dass es keine unrealistischen Resultate ergibt wie die negativen Werte, die mit dem H.E.T.P. oder mit Murphree's plate efficiency erhalten werden können, und die auftreten können, wenn Berechnungen mittels des Gleichgewichtsstufenmodells gemacht werden.
Das zuvor genannte Modell ist detailliert in J. A. Wesselingh: „Non-equilibrium modeling of destillation" IChemE Destillation and Absorption '97, Band 1, Seiten 1 bis 21 (1997) offenbart.
Beispiel 1
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse einer Simulation, die unter Verwendung des zuvor genannten Modells durchgeführt wurde für eine Situation, in der das Anreichern von Sauerstoffisotopen unter Verwendung der in 1 dargestellten Anreicherungsvorrichtung durchgeführt wurde. Die Spezifikationen für die Vorrichtung sind in Tabelle 1 dargestellt.
Konventionelles Beispiel 1
Die Ergebnisse einer Simulation, die für eine Situation durchgeführt wurde, in der das Anreichern von Sauerstoffisotopen unter Verwendung der in 19 dargestellten konventionellen Vorrichtung ausgeführt wurde, sind zusammen in Tabelle 2 dargestellt.
In dieser konventionellen Vorrichtung wurde angenommen, dass der Durchmesser der ersten bis dritten Kolonne und die Packungshöhe gleich sind wie in der Vorrichtung von Beispiel 1. Zusätzlich dazu wurden der Menge der Zufuhr, der Menge an Produkt, dem Rücklaufverhältnis und dergleichen ebenfalls dieselben Werte wie für Beispiel 1 zugewiesen.
Tabelle 1
Tabelle 2
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass die Konzentration an ¹⁶O¹⁸O in dem Produkt für das Verfahren von Beispiel 1, in dem die Vorrichtung von 1 verwendet wurde, höher ist als in dem Verfahren des konventionellen Beispiels 1, in dem eine konventionelle Vorrichtung verwendet wurde.
Es wird davon ausgegangen, dass dies auf den Fakt zurückgeht, dass es möglich ist, in der Situation im Beispiel 1 den Druck innerhalb der Kolonnen im Vergleich mit dem konventionellen Beispiel 1 zu reduzieren und als Ergebnis davon ist es möglich, den relativen Dampfdruck für jede der Komponenten innerhalb der Kolonne zu erhöhen und die Effizienz der Destillation zu verbessern.
Zusätzlich dazu ist aus Tabelle 2 ersichtlich, dass es möglich ist, die Anfahrzeit der Vorrichtung zu verkürzen. Es wird davon ausgegangen, dass dieses auf die folgenden Gründe zurückgeht.
In dem konventionellen Beispiel 1 sind fast alle Abschnitte der Rohrleitungen, die die Flüssigkeitszuführleitungen zwischen der ersten Kolonne und der zweiten Kolonne und zwischen der zweiten Kolonne und der dritten Kolonne bilden, mit Flüssigkeit gefüllt sind. Im Gegensatz dazu sind in Beispiel 1 von den Rohrleitungen (Rückführleitungen 14 und 15), die Flüssigkeitszuführleitungen von der zweiten Kolonne zur ersten Kolonne und von der dritten Kolonne zur zweiten Kolonne bilden, nur einige wenige Abschnitte, die den Flüssigkeitshöhenabschnitten entsprechen, die dem Druckunterschied zwischen dem Boden der Kolonne und den Kopf der Kolonne zwischen der ersten Kolonne und der zweiten Kolonne und zwischen der zweiten Kolonne und der dritten Kolonne entsprechen, mit Flüssigkeit gefüllt.
Aus diesem Grund ist es in Beispiel 1 möglich, die Menge an Flüssigkeitsruheinhalt zu reduzieren und die Anfahrzeit zu verkürzen.
Wenn das Beispiel 1 und das konventionelle Beispiel 1 verglichen werden, ist es möglich, für das Beispiel 1 gegenüber dem konventionellen Beispiel 1 für den Flüssigkeitsruheinhalt für die ¹⁶O¹⁸O-Komponente innerhalb der Flüssigkeitszuführrohrleitungen ein überwältigend besseres Ergebnis zu erhalten. Insbesondere, wenn der Kolonnendurchmesser kleiner ist als in Beispiel 1 und in dem konventionellen Beispiel 1, ist, da die relative Größe des Durchmessers der Flüssigkeitszuführrohrleitungen als größer angesehen werden kann, davon auszugehen, dass der Unterschied im Flüssigkeitsruheinhalt der gesamten Vorrichtung zwischen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und der konventionellen Vorrichtung größer wird und dass die Überlegenheit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Anfahrzeit noch offensichtlicher wird.
Zusätzlich dazu ist davon auszugehen, dass die Menge des Flüssigkeits-Ruheinhalts der ¹⁶O¹⁸O Komponente, in einer Situation, in der das Anreichern von Sauerstoffisotopen unter Verwendung einer Destillationskolonne durchgeführt wird, in der anstatt des in Beispiel 1 verwendeten strukturierten Füllmaterials ein unstrukturiertes Füllmaterial verwendet wird im Vergleich mit Beispiel 1 bis dreimal so groß oder mehr wird. Im Vergleich mit der Menge des Flüssigkeitsruheinhalts von 2 bis 3% des Volumens der Füllmaterialschicht für ein strukturiertes Füllmaterial, ist bei einem unstrukturierten Füllmaterial für die Menge des Flüssigkeitsruheinhalts von 10 bis 20% auszugehen.
Auf diese Weise ist es, wenn strukturiertes Füllmaterial verwendet wird, möglich die Anfahrzeit stark zu verkürzen, da es möglich ist, die Menge des Flüssigkeitsruheinhalts zu vermindern.
Zusätzlich dazu wird, da in dem Verfahren dieses Beispiels 1 keine Flüssigkeitspumpe verwendet wird, die Energie zum Betrieb einer solchen Pumpe nicht benötigt.
Das Folgende sind weitere Vorteile, die sich daraus ergeben, dass keine Flüssigkeitspumpe verwendet wird.

(1) Es gibt Verminderungen in den Kosten für Vorrichtung/Maschine.
(2) Es besteht keine Notwendigkeit Wartungen an Flüssigkeitspumpen durchzuführen oder, auf damit verbundene Back-Up-Flüssigkeitspumpen umzuschalten und daher ist ein stabiler und kontinuierlicher Betrieb möglich.
(3) Es ist möglich, die Betriebskosten für die Flüssigkeitspumpe zu reduzieren.
(4) Es ist möglich, die Betriebskosten für zusätzliche Kühlsysteme (wie z.B. einen Stickstoffzyklus) zu vermindern, die auf die Notwendigkeit der Reduktion eines Wärmeverlusts der von der Flüssigkeitspumpe herrührt, zurückgehen.

Auf der andern Seite ist die Menge an Wärmetausch für die Kühler und Verdampfer in der vorliegenden Ausführungsform größer als bei den konventionellen Beispielen und dies ist im Hinblick auf die Betriebskosten nachteilig. Dies geht darauf zurück, dass in der vorliegenden Erfindung die Flüssigkeit, die die Zufuhr von der ersten Kolonne zur zweiten Kolonne und von der zweiten Kolonne zur dritten Kolonne bildete, in konventionellen Vorrichtungen einmal im Verdampfer verdampft wird und danach im Kühler verflüssigt wird. Zusätzlich dazu wird der Dampf, der in konventionellen Vorrichtungen von der zweiten Kolonne zur ersten Kolonne und von der dritten Kolonne zur zweiten Kolonne zurückgeführt wurde, in der vorliegenden Erfindung einmal im Kühler verflüssigt und danach im Verdampfer verdampft.
Dieser Punkt sind die Kosten des Erhalts der Vorteile der vorliegenden Erfindung, nämlich dass Flüssigkeitspumpen unnötig sind und dass der Druck an den Köpfen der Kolonnen reduziert wird, und wenn ein Vergleich mit einem konventionellen Verfahren gemacht wird, das Flüssigkeitspumpen verwendet, ist dieser Nachteil im Vergleich mit den durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Vorteilen sehr gering.
Beispiel 2
Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse einer Simulation für eine Situation des Herstellens von Wasser mit schwerem Sauerstoff unter Verwendung von Wasser als Aus gangsmaterial und unter Verwendung der in 1 dargestellten Vorrichtung. Die Spezifikation für die Vorrichtung sind in Tabelle 3 dargestellt.
Konventionelles Beispiel 2
Die Ergebnisse einer Simulation, die für eine Situation des Herstellens von Wasser mit schwerem Sauerstoff unter Verwendung von Wasser als Ausgangsmaterial, und unter Verwendung der in 19 dargestellten konventionellen Vorrichtung durchgeführt wurde, sind zusammen in Tabelle 4 dargestellt.
In diesem konventionellen Beispiel 2 hatten der Durchmesser der ersten bis dritten Kolonne und die Packungshöhe, die Menge der Zufuhr, die Menge an Produkt, das Rücklaufverhältnis und dergleichen, die gleichen Werte wie für Beispiel 2.
Tabelle 3
Tabelle 4
Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Konzentration an H₂ ¹⁸O in dem Produkt für das Verfahren von Beispiel 2, in dem die Vorrichtung von 1 verwendet wurde, im Vergleich mit dem Verfahren des konventionellen Beispiels 2, in dem eine konventionelle Vorrichtung verwendet wurde, höher ist.
Zusätzlich wird ersichtlich, dass die Menge an Flüssigkeitsruheinhalt reduziert ist und dass es möglich ist, die Anfahrzeit der Vorrichtung zu verkürzen.
Beispiel 3 (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung)
Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse einer Simulation für eine Situation des Herstellens von Wasser mit schwerem Sauerstoff unter Verwendung der in 12 dargestellten Vorrichtung (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
Die Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ weist zehn Destillationskolonnen auf und die Wasserdestillationskolonneneinheit F₂ weist fünf Destillationskolonnen auf. Die Spezifikationen für die Sauerstoffdestillationskolonneneinheit F₁ sind in Tabelle 5 dargestellt, und die Spezifikationen für die Wasserdestillationskolonneneinheit F₂ sind in Tabelle 6 dargestellt.
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Aus Tabelle 7 ist ersichtlich, dass es möglich war, Wasser mit schwerem Sauerstoff zu erhalten, das bis zu 97% oder mehr mit einem schweren Sauerstoffisotop (¹⁸O) angereichert ist.
In diesem Beispiel 3 ist es möglich, eine Menge von etwa 60 kg pro Jahr herzustellen. Die Anfahrzeit der Vorrichtung einschließlich sowohl der Kolonnen einheit F₁ für die Sauerstoffanreicherung als auch der Destillationskolonneneinheit F₂ für die Wasserdestillation lag bei etwa 140 Tagen.
Als Beispiel, in dem das Anreichern von schweren Sauerstoffisotopen (¹⁸O) unter Verwendung einer Wasserdestillation, wie in diesem Beispiel 3, durchgeführt wurde, gibt es das Beispiel, das von Thode, Smith und Walking: Canad. J. Res. 22, 127 (1944) berichtet wurde wie dieses im US-Patent 5057225 zitiert ist. In diesem Beispiel wurde berichtet, dass in 150 g Wasser das schwere Sauerstoffisotop (¹⁸O) mittels eines Kaskadenverfahrens, das drei Destillationskolonnen aufwies, auf 1,3% angereichert wurde.
In diesem konventionellen Beispiel betrug die für das Anfahren benötigte Zeit 120 Tage. Im Hinblick auf die Produktivität wird aus Beispiel 3 klar, dass es möglich ist, im Vergleich mit konventioneller Technologie, die Anfahrzeit stark zu verkürzen.
Beispiel 4 (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung).
Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse einer Simulation für eine Situation, in der das Anreichern mit schweren Sauerstoffisotopen (¹⁸O) unter Verwendung der in 14 gezeigten Vorrichtung (nicht gemäß der vorliegenden Erfindung) durchgeführt wurde.
Zusätzlich dazu zeigt 16 die Konzentrationsverteilung für jedes Isotop innerhalb jeder Kolonne.
Es wurde angenommen, dass die Anzahl (n) der Destillationskolonnen 10 betrug und dass der Isotopenscrambler 47 zwischen der sechsten Kolonne und der siebten Kolonne angeordnet war. Die Spezifikationen für die Vorrichtung sind in Tabelle 8 dargestellt. In der Tabelle gibt der Isotopenscramblerzufuhrdampf den Einführsauerstoff 115 an, der dem Isotopenscrambler 47 durch die Leitung 48 zugeführt wird und der Isotopenscramblerrückführdampf gibt den Rückführsauerstoff 116 des Isoto penscramblers an, der aus dem Isotopenscrambler 47 abgezogen und durch die Leitung 49 zur Kolonne A_i zugeführt wird.
Tabelle 8
Tabelle 9
Aus Tabelle 9 wird klar, dass es möglich ist, mittels Beispiel 4 ein angereichertes Material zu erhalten, das bis zu 97% oder mehr mit schweren Sauerstoffisotopen (¹⁸O) angereichert ist.
In Beispiel 4 wird ersichtlich, dass es möglich ist, eine Menge von etwa 12 kg pro Jahr zu produzieren und das die Anfahrzeit für die Vorrichtung 73 Tage beträgt.
In der Vorrichtung, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt ist, ist die Flussgeschwindigkeit des ¹⁸O¹⁸O, das den Produktdampf begleitet, wie folgt: [Flussgeschwindigkeit des Produktdampfes] × [Konzentration von 18O18O in dem Produktdampf] = 1 × 10–5 (mol/s) × 0,941 = 9,4 × 10–6 (mol/s)
Auf der andern Seite ist die Flussgeschwindigkeit des ¹⁸O¹⁸O, das in Begleitung des Zufuhrdampfs der Vorrichtung zugeführt wird, wie folgt: [Flussgeschwindigkeit des Zufuhrdampfes] × [Konzentration von 18O18O im Zufuhrdampf] = 0,3 (mol/s) × 4,2 × 10–6 = 1,3 × 10–6 (mol/s)
Dies ist viel weniger als die Flussgeschwindigkeit des ¹⁸O¹⁸O, das den Produktdampf begleitet.
Der Isotopenscrambler in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, um die Seltenheit des zuvor erwähnten ¹⁸O¹⁸O zu kompensieren. Genauer gesagt wird mittels des Behandelns des in der Destillationskolonne auf eine hohe Konzentration (vorzugsweise 45% oder mehr) an ¹⁶O¹⁸O angereicherten Sauerstoffdampfes, im Isotopenscrambler neues ¹⁸O¹⁸O erzeugt und durch Rückführen von diesem in die Destillationskolonne ist es möglich, eine größere Menge an ¹⁸O¹⁸O zu sammeln als das ¹⁸O¹⁸O, das mit dem Zufuhrdampf zugeführt wird. Wie es aus Tabelle 9 ersichtlich ist, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Menge an ¹⁸O¹⁸O, die mittels des Isotopenscramblings produziert wird, durch die folgende Formel dargestellt. [Menge, die durch den Isotopenscrambler behandelt wird] × ([Konzentration von 18O18O am Auslass] – [Konzentration von 18O18O am Einlass]) = 6,0 × 10–4 × [0,177 – 0,162] = 9,0 × 10–6 (mol/s)
Wenn dieses mit den 1,3 × 10^–6 (mol/s) ¹⁸O¹⁸O kombiniert wird, die mittels des Zufuhrdampfes zugeführt werden, beträgt die der Destillationskolonne zugeführte Gesamtmenge an ¹⁸O¹⁸O, 10,3 × 10^–6 (mol/s). Daher ist es möglich, die zuvor genannte Menge an ¹⁸O¹⁸O von 9,4 × 10^–6 (mol/s) im Produkt zu sammeln.
Wenn ein Isotopenscrambler nicht vorgesehen wäre, müsste die Menge an Zufuhrdampf um zumindest einen Faktor 7,2 (d.h. [9,4 × 10^–6]/[1,3 × 10^–6]) erhöht werden und damit verbunden wäre es notwendig, dass die Destillationskolonnen größere Durchmesser aufweisen. Dies wäre im Hinblick auf den Ruheinhalt und die Anfahrzeit nicht wünschenswert. In anderen Worten ist es mittels des Vorsehens des Isotopenscramblers in der, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung, möglich, unter Verwendung einer Vorrichtung, die einen kleineren Kolonnendurchmesser wie in der Vergangenheit aufweist, ein mit schweren Sauerstoffisotopen angereichertes Produkt zu sammeln.
Beispiel 5
17 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Destillation von stabilen Sauerstoffisotopen unter Verwendung einer Vorrichtung, in der die Anzahl der Destillationskolonnen auf 16 erhöht wurde und die exakt das gleiche Verfahren wie die Vorrichtung von 1 verwendet. Die Spezifikationen für diese Vorrichtung sind Tabelle 11 dargestellt. Tabelle 10

* Die Zufuhr wurde zur ersten Kolonne zugeführt.

Tabelle 11
Tabelle 11 (Teil 2)
Die vorliegende Ausführungsform hat zum Ziel, ein Produkt zu erhalten, das mit der Zwischenproduktkomponente ¹⁶O¹⁷O angereichert ist und ist ein Fall, in dem die Gesamthöhe der Destillationskolonne erhöht wurde.
17 zeigt eine Zusammensetzungsverteilung für jedes der Sauerstoffisotope innerhalb der Kolonne und in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Peak des ¹⁶O¹⁷O im Bereich der zehnten bis zur zwölften Kolonne ersichtlich und es ist daher möglich, mittels des Sammelns von Dampf oder Flüssigkeit von zumindest einem Ort in diesen Kolonnen ein mit ¹⁶O¹⁷O angereichertes Produkt zu erhalten.
In diesem Beispiel wird der Dampf von Boden (dem Auslass des Verdampfers) der elften Kolonne als Produktdampf 1 gesammelt. Zusätzlich dazu wird der vom Boden der sechzehnten Kolonne abgezogene Dampf als Produktdampf 2 gesammelt.
In diesem Beispiel beträgt die ¹⁶O¹⁷O-Konzentration im Produkt 1 etwa 50%, wenn jedoch die Gesamthöhe der Destillationskolonne weiter erhöht wird, ist es möglich, weiter angereichertes ¹⁶O¹⁷O zu erhalten.
In dem vorliegenden Beispiel wird Sauerstoff, der auf 99,999% oder mehr gereinigt wurde, als Zufuhr der ersten Kolonne zugeführt. Die Menge an ¹⁶O¹⁷O in der Zufuhr beträgt 738 ppm und die Menge an ¹⁶O¹⁸O beträgt 4070 ppm.
Der Produktdampf 1 wird vom Boden der elften Kolonne gesammelt. Wenn dieser Produktdampf 12 in einer Hydriervorrichtung weiterverarbeitet wird, um Wasser in seiner normalen Form zu erhalten, wird Wasser mit schwerem Sauerstoff, das eine ¹⁷O-Konzentration von etwa 25% aufweist, erhalten.
Der Produktdampf 2 wird vom Boden der sechzehnten Kolonne gesammelt. Wenn dieser in einer Hydriervorrichtung weiterverarbeitet wird, wird Wasser mit schwerem Sauerstoff mit einer ¹⁸O-Konzentration von etwa 48% erhalten.
Wenn ¹⁷O nicht benötigt wird und nur ein Produktdampf benötigt wird, der mit ¹⁶O¹⁸O angereichert ist, kann eine Destillationskolonne mit einer Gesamthöhe verwendet werden, die kürzer ist als im vorliegenden Beispiel. In diesem Fall ist die Zusammensetzung für den Peak von ¹⁶O¹⁷O etwa 1%. Genauer gesagt ist, wenn die Zusammensetzungsverteilung von ¹⁶O¹⁸O in 17 betrachtet wird, der Anstieg der Zusammensetzung von der ersten Kolonne zum Bereich der sechsten Kolonne gering und um ¹⁶O¹⁷O auf eine hohe Konzentration anzureichern, ist es notwendig, die Gesamthöhe über die zu erhöhen, die für ¹⁶O¹⁸O im vorliegenden Beispiel nötig ist. In anderen Worten ist es, wenn die gesamte Packungshöhe erhöht wird, möglich, unter Verwendung einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung die Zwischenproduktkomponenten anzureichern.

Claims

Vorrichtung zum Auftrennen einer Vielzahl von Komponenten, die in einer Dampf- oder Flüssigkeitsmischung enthalten sind, mit einer Vielzahl von Destillationskolonnen einschließlich einer ersten bis einer n-ten Kolonne, die in einer Kaskade angeordnet sind, wobei jede der Kolonnen einen Verdampfer und einen Kühler aufweist, wobei Flüssigkeit, die aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Verdampfer eingeführt wird, und wobei Dampf, der aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Kühler eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner Einführleitungen aufweist, die einen Auslass des Verdampfers der k-ten Kolonne, wobei k eine ganze Zahl im Bereich von 1 ≤ k ≤ (n – 1) ist, mit einem Einlass des Kühlers der (k + 1)ten Kolonne verbinden, und dass sie ferner Rückführleitungen aufweist, die einen Auslass des Kühlers der (k + 1)ten Kolonne mit einem Einlass des Verdampfers der k-ten Kolonne verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Kolonnen eine gepackte Kolonne, in der strukturiertes Füllmaterial verwendet wird, oder eine Nasswandkolonne ist, wobei das strukturierte Füllmaterial ein fluiddispersionsförderndes strukturiertes Füllmaterial oder ein nicht-fluiddispersionsförderndes strukturiertes Füllmaterial ist, wobei das fluiddispersionsfördernde strukturierte Füllmaterial eine Vielzahl von wellenförmigen dünnen Platten aufweist, die parallel zur Kolonnenachse angeordnet sind, und in Form eines Blocks ausgebildet sind, und zwar durch aufeinanderschichten der Platten, so dass diese miteinander in Berührung kommen, und wobei das nicht-fluiddispersionsfördernde strukturierte Füllmaterial eine Wabenstruktur oder eine Gitterstruktur aufweist, wobei die Wabenstruktur Platten aufweist, die parallel zur Richtung der Kolonnenachse angeordnet sind, und wobei die Gitterstruktur eine Vielzahl von zueinander parallelen Platten und eine Vielzahl von Platten aufweist, die bezogen auf die zueinander parallelen Platten im rechten Winkel angeordnet sind, wobei die zueinander parallelen Platten und die Platten, die dazu im rechten Winkel angeordnet sind, in Richtung der Kolonnenachse angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die eine Hydriervorrichtung aufweist, die der (dem) aus einer der Kolonnen abgezogenen Flüssigkeit oder Dampf Wasserstoff hinzufügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, die einen Isotopenscrambler aufweist, der eine (einen) aus zumindest einer der Kolonnen abgezogene(n) Flüssigkeit oder Dampf, die (der) mit Isotopen angereichert ist, anreichert, wobei die Vorrichtung ferner eine Leitung aufweist, die die (den) mit Isotopen angereicherte(n) Flüssigkeit oder Dampf aus dem Isotopenscrambler in zumindest eine der Kolonnen zurückführt.
Verfahren zum Anreichern von Sauerstoffisotopen, in dem ein Sauerstoffausgangsmaterial, das schwere Sauerstoffisotope aufweist, mittels eines Kaskadenverfahrens unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angereichert wird, in dem Flüssigkeit, die aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Verdampfer eingeführt wird, und in dem Dampf, der aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Kühler eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes aufweist, nämlich Zuführen zumindest eines Teils des Dampfes von einem Auslass eines Verdampfers einer k-ten Kolonne, wobei k eine ganze Zahl im Bereich von 1 ≤ k ≤ (n – 1) ist, zu einem Einlass eines Kühlers der (k + 1)ten Kolonne, Rückführen zumindest eines Teils der Flüssigkeit von einem Auslass des Kühlers der (k + 1)ten Kolonne zu einem Einlass des Verdampfers der k-ten Kolonne, und dadurch Ausführen des Anreicherns zumindest eines Sauerstoffmoleküls, ausgewählt aus ¹⁶O¹⁷O, ¹⁶O¹⁸O, ¹⁷O¹⁷O, ¹⁷O¹⁸O und ¹⁸O¹⁸O, das schwere Sauerstoffisotope aufweist.
Verfahren zum Anreichern von Sauerstoffisotopen gemäß Anspruch 5, das Folgendes aufweist, nämlich: Unterziehen eines Mittels des Anreicherungsverfahrens gemäß Anspruch 5 mit Sauerstoffisotopen angereicherten Materials einem Isotopenscrambling, um ein angereichertes Produkt zu erhalten, das eine noch höhere Konzentration an zumindest einem der Sauerstoffmoleküle aufweist, die schwere Sauerstoffisotope enthalten.
Verfahren zum Anreichern von Sauerstoffisotopen, das Folgendes aufweist, nämlich erneutes Unterziehen eines Mittels des Anreicherungsverfahrens gemäß Anspruch 6 mit Sauerstoffisotopen angereicherten Produkts dem Anreicherungsverfahren gemäß Anspruch 5, um ein angereichertes Produkt zu erhalten, das eine noch höhere Konzentration an zumindest einem der Sauerstoffmoleküle aufweist, die schwere Sauerstoffisotope aufweisen.
Verfahren zum Herstellen von Wasser mit schwerem Sauerstoff, das Folgendes aufweist, nämlich Erhalten eines angereicherten Materials, das in zumindest einer Komponente von Sauerstoffmolekülen, die schwere Sauerstoffisotope aufweisen, angereichert ist mittels kryogener Destillation eines Sauerstoffausgangsmaterials, das schwere Sauerstoffisotope aufweist, unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, Erhalt von Wasser, das Wasser mit schwerem Sauerstoff aufweist, das dem angereicherten Material entspricht, durch Hinzufügen von Wasserstoff zu dem angereicherten Material, und danach weiteres Anreichern des Wassers mit schwerem Sauerstoff unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
Verfahren zum Herstellen von Wasser mit schwerem Sauerstoff, in dem ein Wasserausgangsmaterial, das Wasser mit schwerem Sauerstoff aufweist, mittels eines Kaskadenverfahrens unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 angereichert wird, in dem Flüssigkeit, die aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Verdampfer eingeführt wird, und in dem Dampf, der aus jeder der Kolonnen abgezogen wird, in den Kühler eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes aufweist, nämlich Zuführen zumindest eines Teils des Wasserdampfs von einem Auslass eines Verdampfers der k-ten Kolonne, wobei k eine ganze Zahl im Bereich von 1 ≤ k ≤ (n – 1) ist, zu einem Einlass eines Kühlers der (k + 1)ten Kolonne, Zuführen zumindest eines Teil des Wassers von einem Auslass des Kühlers der (k + 1)ten Kolonne zu einem Einlass eines Verdampfers der k-ten Kolonne, und dadurch Ausführen des Anreicherns zumindest eines Wasser mit schwerem Sauerstoff, ausgewählt aus H₂ ¹⁷O, H₂ ¹⁸O, D₂ ¹⁷O, D₂ ¹⁸O, DH¹⁷O und DH¹⁸O, das schwere Sauerstoffisotope aufweist.