JP6214586B2 - 酸素同位体重成分の再生濃縮方法、酸素同位体重成分の再生濃縮装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素同位体重成分である¹⁸Oを再生し濃縮する方法及び装置に関し、詳しくは、重酸素水H₂ ¹⁸Oから¹⁸Oを含む酸素ガスを再生し、該酸素ガスを蒸留して¹⁸O₂を濃縮する方法及び装置に関する。

天然の酸素は¹⁶Oを主成分として約99.76%（原子%、以下同様）を含むが、その他に安定同位体重成分である¹⁷Oを約0.04%、¹⁸Oを約0.2%含んでいる。
酸素同位体重成分のうち¹⁸Oを含む重酸素水H₂ ¹⁸O（以下、「¹⁸O−水」という）は、ガン診断用PET（Positron Emission Tomography：陽電子放射断層撮影）に使用される¹⁸FDG（フルオロデオキシグルコース）の原料として使用される。

¹⁸O−水の生産方法としては、天然の酸素から濃縮した¹⁸Oを水素化反応させる方法が用いられており、¹⁸Oの生産方法の１つに蒸留による濃縮方法がある。
例えば、特許文献１には、酸素同位体重成分¹⁷O及び¹⁸Oを含む高純度酸素を低温蒸留することにより、¹⁷O、¹⁸Oを濃縮する方法及び装置が開示されている。

特許第４４６７１９０号公報

酸素同位体重成分を蒸留によって濃縮しようとする場合、同位体成分同士の蒸気圧比が非常に小さいことが問題である。又、前述のとおり、酸素同位体重成分である¹⁸Oは天然存在比が小さく、蒸留塔に原料として導入される高純度酸素にもわずかしか含まれない。

従って、蒸留塔においては非常に大きな理論段数が必要となり、蒸留塔の長さが数百メートルに及ぶことがある。しかしながら、１本の蒸留塔として製作・運転することは多くの技術的困難を伴うので、実プラントにおいては、10本以上の蒸留塔に分割して構成される場合がある。

蒸留塔において安定的に酸素同位体重成分を濃縮するためには、蒸留塔内に適切な濃度分布を形成させることが必要である。同位体重成分の濃縮においては、前述のように数百メートルの長さの蒸留塔を用いなければならないので、蒸留塔内において適切な濃度分布を形成するために長期間を要し、原料の導入を開始してから規定量の製品を最初に得るまで、半年以上かかることもある。

又、蒸留塔において製品の増産に対応するためには、蒸留塔の処理量を上げる必要がある。蒸留塔の処理量を上げる方法としては、例えば、塔径を大きくする、蒸留塔を追加する等が考えられる。しかし、これらの方法は、大がかりな装置構成の変更を必要とする。
特に同位体成分を濃縮する蒸留塔においては、一旦装置を止め、再度、起動してから製品が得られるまでの期間がかかりすぎるため、増産のための装置改造を容易に行うことができないという問題があった。

ガン診断用PETに使用される¹⁸FDGの原料に用いる¹⁸O−水は¹⁸O濃度が98%程度であり、¹⁸O−水を¹⁸FDGの原料として使用すると¹⁸O濃度は60〜80%程度まで低下する。しかし、使用された¹⁸O−水であっても、天然存在比よりはるかに高濃度の¹⁸Oを含有しているため、¹⁸FDGの原料として使用された低品位な¹⁸O−水を再利用することは、¹⁸O₂及び¹⁸O−水の生産量を増産するのに有効であると考えられる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蒸留塔の装置を改造せずに¹⁸O−水の増産をするため、¹⁸O−水から¹⁸Oを含む酸素分子を再生し、高濃度の¹⁸O₂に濃縮する酸素同位体重成分の再生濃縮方法及び装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る酸素同位体重成分の再生濃縮方法は、複数の蒸留塔と、該蒸留塔に接続された少なくとも１基の同位体スクランブラーを有し、¹⁸Oを含む原料酸素から¹⁸Oを含む酸素分子の濃縮物を得る蒸留装置を用いて、¹⁸Oを含む重酸素水から前記酸素分子を再生濃縮するものであって、前記重酸素水を電気分解し、さらに窒素の除去を行うことなく精製することで¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生工程と、該再生工程で得られた前記再生酸素を前記蒸留装置に導入する再生酸素導入工程と、前記原料酸素と共に蒸留して¹⁸Oを含む酸素分子の濃縮物を得る濃縮工程を備え、前記再生酸素導入工程は、前記同位体スクランブラーが接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に前記再生酸素を導入するものであることを特徴とするものである。

（２）上記（１）に記載のものにおいて、前記再生酸素導入工程は、前記蒸留装置に導入する前に前記再生酸素中の窒素濃度を測定し、該窒素濃度が1000ppm以下の場合に前記再生酸素を前記蒸留装置に導入することを特徴とするものである。

（３）本発明に係る酸素同位体重成分の再生濃縮装置は、酸素同位体重成分¹⁸Oを含む重酸素水から¹⁸O₂を再生濃縮するものであって、前記重酸素水を電気分解し、さらに窒素の除去を行うことなく精製して¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生精製装置と、前記酸素分子を含む原料酸素を蒸留する複数の蒸留塔と少なくも１基の同位体スクランブラーで構成される蒸留装置と、該蒸留装置に前記再生精製装置で得られた前記再生酸素を導入する再生酸素導入装置とを備え、該再生酸素導入装置は、前記同位体スクランブラーが接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に接続していることを特徴とするものである。

（４）上記（３）に記載のものにおいて、前記再生酸素導入装置は、前記導入する再生酸素中の窒素濃度を測定する窒素濃度計測装置を備えることを特徴とするものである。

本発明においては、複数の蒸留塔と、該蒸留塔に接続された少なくとも１基の同位体スクランブラーを有し、¹⁸Oを含む原料酸素から¹⁸Oを含む酸素分子の濃縮物を得る蒸留装置を用いて、¹⁸Oを含む重酸素水から前記酸素分子を再生濃縮するものであって、前記重酸素水を電気分解し、さらに精製することで¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生工程と、該再生工程で得られた再生酸素を前記蒸留装置に導入する再生酸素導入工程と、前記原料酸素と共に蒸留して¹⁸O₂の濃縮物を得る濃縮工程を備え、前記再生酸素導入工程は、前記再生工程で得られた再生酸素を前記同位体スクランブラーが接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に導入することにより、蒸留塔の装置改造をせずに¹⁸O₂を増産することができる。

本発明の実施の形態に係る酸素同位体重成分の再生濃縮装置の概略構成図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る酸素同位体重成分の再生濃縮装置１を示すもので、高純度酸素を導入して¹⁸O₂を濃縮する蒸留装置１０と、¹⁸O−水から再生された酸素同位体重成分¹⁸Oを含む酸素（以下、再生酸素という）を再生して精製する再生精製装置４０と、再生精製装置４０で得られた再生酸素を蒸留装置１０に導入する再生酸素導入装置８０とを備えたものである。
以下、再生濃縮装置１に原料水として供給する重酸素水H₂ ¹⁸Oと、再生濃縮装置１を構成する各装置について詳細に説明する。

＜重酸素水＞
本発明において原料水とする重酸素水は、酸素同位体¹⁸Oを含む¹⁸O−水であり、¹⁸FDG−PET検査における¹⁸FDGの原料として使用された後の¹⁸O−水を対象とする。
¹⁸FDGの原料として使用する¹⁸O−水中の¹⁸O濃度は98%以上であり、¹⁸FDGの原料として使用すると、¹⁸O濃度が60〜80%程度まで低下した低品位¹⁸O−水となるものの、天然存在比よりも多くの¹⁸Oを含んでいるので、このような低品位¹⁸O−水であっても¹⁸Oを含む酸素分子¹⁶O¹⁸O、¹⁷O¹⁸O及び¹⁸O₂を容易に再生することができる。

＜蒸留装置＞
蒸留装置１０は、図１に示すように、複数（ｎ）本の蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎと、少なくとも一基の同位体スクランブラー２１を備え、原料として高純度酸素（原料酸素）及び¹⁸O−水から得られた前記再生酸素を導入し、¹⁸O₂を低温蒸留により濃縮する装置である。

≪蒸留塔≫

蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎは直列にカスケード接続されたものであって、カスケード接続される蒸留塔の本数（ｎ）は、原料酸素を低温蒸留して所望の¹⁸O₂濃度（例えば98%以上）とするのに必要な本数である。
第１塔Ａ_１から第ｎ塔Ａ_ｎまでの各蒸留塔には、塔底部から導出された液の少なくとも一部を加熱して蒸発させる蒸発器Ｂ_１〜Ｂ_ｎと、塔頂部から導出されたガスの少なくとも一部を冷却して凝縮させる凝縮器Ｃ_１〜Ｃ_ｎが設けられている。
蒸発器Ｂ_１〜Ｂ_ｎは、各蒸留塔の塔底部から導出された液の少なくとも一部を加熱して気化し、気化されたガスは当該塔底部に返送される。
凝縮器Ｃ_１〜Ｃ_ｎは、各蒸留塔の塔頂部から導出されたガスの少なくとも一部を冷却して凝縮し、凝縮された液は還流液として当該塔頂部に返送される。

第１塔Ａ_１から第ｎ塔Ａ_ｎの蒸留塔は直列にカスケード接続されており、第ｋ塔Ａ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ−１）の塔底部と第（ｋ＋１）塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部とが導入経路Ｄ_ｋで接続され、かつ、第（ｋ＋１）塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部と第ｋ塔Ａ_ｋの塔底部とが返送経路Ｅ_ｋで接続されている。
第１塔Ａ_１は、原料酸素を導入する原料導入部１１を有し、原料酸素は原料導入部１１を経て第１塔Ａ_１の中間部に導入される。
又、第ｎ塔Ａ_ｎは、製品として濃縮物を導出する製品導出部３１を有し、所望の濃度まで濃縮された¹⁸O₂が製品導出部３１を経て導出される。

なお、蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎは、内部に規則充填物及び／又は不規則充填物が充填されている。
規則充填物としては、非自己分配促進型規則充填物、及び／又は自己分配促進型規則充填物を好適に用いることができる。

≪同位体スクランブラー≫
蒸留装置１０においては、図１に示すように、第ｋ塔Ａ_ｋの塔底部と第（ｋ＋１）塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部を接続する導入経路Ｄ_ｋと、第（ｋ＋１）塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部と第ｋ塔Ａ_ｋの塔底部とを接続する返送経路Ｅ_ｋとの間に同位体スクランブラー２１が設けられている。

同位体スクランブラー２１は、同位体スクランブリングを起こすための装置であって、複数種の同位体分子が存在するとき、各分子がその構成する相手の原子をランダムに変えるための装置である。
同位体スクランブラー２１の一例としては、特許４４６７１９０号公報に開示されている同位体交換触媒を用いた反応装置があり、当該反応装置には、例えば、タングステン、タンタル、パラジウム、ロジウム、白金、金等を含む触媒が充填されており、同位体交換反応を起こすことができる。

図１に示した蒸留装置１０は¹⁸O₂を製品として得るものであるが、本実施の形態は第ｎ塔Ａ_ｎの製品導出部３１から導出された¹⁸O₂を水素化反応装置（図示なし）に供給し、高純度水素と反応させて¹⁸O−水を製造するものであっても良い。この場合、水素化反応装置としては燃焼器又は燃料電池セルを用いることができる。

＜再生精製装置＞
再生精製装置４０は、容器４１に充填された低品位¹⁸O−水を原料水として、該原料水を前処理する前処理装置４３と、前処理された前記原料水を電気分解する電気分解装置４５と、電気分解により再生された酸素を精製する精製装置５１とを備えている。

前処理装置４３は、前記原料水に含まれる有機系不純物（アルコール、アセトニトリル、メタン等）を除去するものであって、例えば蒸留操作によって前記有機系不純物を分離する。

電気分解装置４５は、前記原料水を電気分解して酸素を再生するものであって、再生された酸素（再生酸素）には天然存在比以上の¹⁸Oが含まれる。
除湿器４７は、電気分解により得られた水素に含まれる水分を分離するものであり、水分が除去された水素は廃棄される。分離された水分は天然存在比より多くの¹⁸Oを多く含むため、再度電気分解装置４５に戻される。

電気分解後に得られた再生酸素は¹⁸Oを含む酸素分子が主な成分であるが、その他に、水、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素の他、前処理装置４３で除去しきれなかった超微量の前記有機系不純物が混入している可能性がある。そのため、冷凍機４９で前記再生酸素中の水分が除去された後、精製装置５１で窒素以外の不純物が除去される。

精製装置５１は、触媒反応装置５３、冷凍機５５及び吸着装置５７を備えており、まず、触媒反応装置５３に再生酸素が導入される。
触媒反応装置５３は、再生酸素中に混入する水素、一酸化炭素、有機物を再生酸素の一部と触媒反応させて、水と二酸化炭素を得るものである。触媒反応装置５３においてはPt触媒を用いることが望ましい。
冷凍機５５は、触媒反応装置５３で生成された水分を分離除去するものである。
吸着装置５７は、冷凍機５３で水分が分離除去された再生酸素中の二酸化炭素を吸着除去し、窒素以外の不純物が除去された再生酸素を得るものである。

吸着装置５７は窒素も除去することも可能であるが、現在市販されている吸着剤は、その再生に大量の酸素ガスを必要とするため、生産物の回収率が大幅に低下する恐れがある。そのため、本実施の形態において、吸着装置５７は窒素の除去は行わない。
圧縮機５９は、精製装置５１で不純物が除去された再生酸素を昇圧し、容器６１に充填するものである。

＜再生酸素導入装置＞
再生酸素導入装置８０は、吸着器８３と流量調節器８５、経路８７を備え、蒸留装置１０を構成する蒸留塔Ａ_ｈの塔底部に設けられた再生酸素導入経路１３を介して再生精製装置４０で得られた再生酸素を導入するものである。

吸着器８３は、容器６１内の前記再生酸素に含まれる水や二酸化炭素等の不純物を除去するものであり、蒸留装置１０内に水や二酸化炭素等が混入し、凍結して閉塞することを防止するものである。
流量調節器８５は容器６１から導入する再生酸素の流量を調節するものであって、運転管理上、連続して一定量流すことが望ましい。

再生酸素導入装置８０は、蒸留装置１０において同位体スクランブラー２１が接続されている蒸留塔のうち最も前段の蒸留塔（図１においては第ｋ塔Ａ_ｋ）よりも前段の蒸留塔（図１において第ｈ塔Ａ_ｈ）に接続することが望ましい。この理由は後述する。

再生酸素は、1000ppmを超える窒素を含有する場合、蒸留装置１０に導入すると¹⁸O₂の濃縮分離を阻害する恐れがある。そのため、再生酸素導入装置８０は再生酸素中の窒素濃度を常時監視できるよう窒素濃度計測装置を備えることが好ましい。

なお、図１に示す再生濃縮装置１は、再生精製装置４０により容器６１に充填された再生酸素を蒸留装置１０にバッチ式に導入するものであるが、蒸留装置１０への導入はバッチ式でなく、再生精製装置４０と蒸留装置１０とを直接接続し、一定量を連続供給することが望ましい。

次に、上記のように構成された酸素同位体重成分の再生濃縮装置１を用いて、¹⁸Oを含む重酸素水から酸素同位体重成分の再生濃縮方法について、図１に基づいて以下に説明する。

酸素同位体重成分の再生濃縮方法は、複数（ｎ）本の蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎと、該蒸留塔に接続された少なくとも１基の同位体スクランブラー２１を有し、¹⁸Oを含む原料酸素から¹⁸Oを含む酸素分子¹⁸O₂の濃縮物を得る蒸留装置１０を用いて、¹⁸Oを含む原料水から¹⁸O₂を再生濃縮するものであって、前記原料水を電気分解し、さらに精製することで¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生工程と、該再生工程で得られた前記再生酸素を蒸留装置１０に導入する再生酸素導入工程と、前記原料酸素と共に蒸留して¹⁸O₂の濃縮物を得る濃縮工程を備え、前記再生酸素導入工程は、前記再生酸素を同位体スクランブラー２１が接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に導入するものである。

再生工程は、使用済みの低品位¹⁸O−水を原料水とし、¹⁸Oを含む再生酸素を得る工程である。
まず、前処理装置４３において、前記原料水に含まれる有機系不純物（アルコール、アセトニトリル、メタン等）を除去する。上記有機系不純物の除去は蒸留操作によって行うことができる。

次に、有機系不純物を除去した原料水を、電気分解装置４５に供給し、水素と酸素に電気分解する。電気分解により得られた再生酸素は天然存在比以上の高濃度な¹⁸Oを含むものである。
又、電気分解により得られた水素は前記原料水に由来する水分を含有し、当該水分は天然存在比よりも多くの¹⁸Oを含む。そのため、前記電気分解された水素に含まれる水分を除湿器４７によって分離した後に、再び電気分解装置４５に戻して再利用する。

電気分解後に得られた再生酸素は¹⁸Oを含む酸素分子¹⁶O¹⁸O、¹⁷O¹⁸O、¹⁸O₂が主な成分であるが、その他に、水、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素の他、前処理装置４３で除去しきれなかった超微量の前記有機系不純物が混入している可能性がある。そのため、前記再生酸素を冷凍機４９に供給して水分を除去した後に精製装置５１に導入し、窒素以外の不純物を除去し、再生酸素を精製する。冷凍機４９で除去された水分は天然存在比以上の¹⁸Oを含むため、電気分解装置４５に戻して再利用する。

精製装置５１では、まず触媒反応装置５３によって再生酸素に含まれる水素、一酸化炭素、有機物を再生酸素の一部と触媒反応させ、水と二酸化炭素に変換する。触媒反応にはPt触媒を用いることが望ましい。

触媒反応装置５３で処理された再生酸素は、冷凍機５５で水分が除去された後、吸着装置５７に供給される。吸着装置５７においては、再生酸素中の二酸化炭素が吸着除去され、窒素以外の不純物が除去され、精製された再生酸素が得られる。
そして、精製された再生酸素は、圧縮機５９によって昇圧されて容器６１に充填される。

窒素は吸着装置５７において除去することが可能である。しかしながら、現在市販されている吸着剤は、その再生に大量の再生ガス（酸素ガス）を必要とするため、生産物の回収率が大幅に低下する恐れがある。そのため、本実施の形態では、窒素の除去は行わない。

再生酸素導入工程は、前記再生精製工程で得られた再生酸素を蒸留装置１０に導入する工程である。
まず、前記再生精製工程で得られた再生酸素を充填した容器６１から前記再生酸素を吸着器８３に導入し、前記再生酸素に含まれる水や二酸化炭素等の不純物を除去する。
不純物を除去した前記再生酸素は、流量調節器８５を用いて流量を調節し、経路８７を経て再生酸素導入経路１３より蒸留塔に導入される。

前記再生酸素を導入する位置は、蒸留塔内における濃度分布の維持と蒸留効率の観点から、蒸留装置１０を構成する蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎのうち、塔内の¹⁸O₂濃度が再生酸素中の¹⁸O₂濃度とほぼ等しい蒸留塔が望ましい。

さらに、再生酸素を導入する蒸留塔は、同位体スクランブラー２１が接続された蒸留塔のうち最も前段の蒸留塔（図１においては第ｋ塔Ａ_ｋ）よりも前段の蒸留塔（図１においては第ｈ塔Ａ_ｈ）が好ましい。
これは、同位体スクランブラー２１が接続された蒸留塔Ａ_ｋよりも後段の蒸留塔に再生酸素を導入した場合、再生酸素に混入する窒素が同位体スクランブラー２１に導入され、同位体スクランブラー２１において酸化されて窒素酸化物が生成される可能性があり、蒸留装置１０の運転管理上において問題となるためである。

同位体スクランブラー２１が接続された最前段の蒸留塔Ａ_ｋよりも前段の蒸留塔Ａ_ｈに再生酸素を導入した場合（図１参照）、再生酸素に混入した窒素は酸素よりも上流側に濃縮され、最終的には第１塔Ａ_１の塔頂部から¹⁸O濃度が低い廃酸素ガスと共に排出される。

ただし、再生酸素中に含まれる窒素濃度が1000ppmを超える場合、蒸留装置１０において酸素同位体重成分（¹⁷O及び¹⁸O）の分離が阻害される恐れがあるため、当該再生酸素導入工程においては、再生酸素中の窒素濃度をモニタリングし、窒素濃度が1000ppm以下の場合に再生酸素を蒸留塔Ａ_ｈに導入することが望ましい。なお、再生酸素中の窒素濃度の測定は、前述のとおり、特許４９４４４５４号公報に記載の方法を用いることができる。

濃縮工程は、蒸留装置１０を用いて¹⁸O₂酸素分子を濃縮する工程である。
まず、酸素同位体重成分¹⁸Oを含む高純度酸素を原料酸素として原料酸素導入部１１より第１塔Ａ_１に導入する。高純度酸素は、炭化水素類やアルゴンなどの不純物が除去されたものであり、純度99.999%以上のものが望ましい。

導入された前記原料酸素は、塔内を上昇する際、塔内を下降する還流液と気液接触して蒸留される。その際、¹⁸Oを含む酸素分子（¹⁶O¹⁸O、¹⁷O¹⁸O、¹⁸O₂）は高沸点成分であって凝縮しやすいので、気液接触の過程で下降する還流液中の¹⁸Oを含む前記酸素分子濃度は増加し、上昇ガス中の前記酸素分子濃度は減少する。

そして、第１塔Ａ_１で濃縮された濃縮物を第２塔Ａ_２に導入して蒸留し、第１塔Ａ_１と同様に¹⁸Oを含む前記酸素分子を濃縮する。以降、第ｋ塔Ａ_ｋまで蒸留操作を行うことで、¹⁸Oを含む酸素分子を濃縮する。

前記再生酸素導入工程で第ｈ塔Ａ_ｈに導入された再生酸素も、前記原料酸素と共に、第ｈ塔Ａ_ｈから第ｎ塔Ａ_ｎにおいて濃縮される。

第１塔Ａ_１から第ｋ塔Ａ_ｋまでに濃縮された濃縮物の少なくとも一部を、第ｋ塔Ａ_ｋから導入経路Ｄ_ｋに接続された経路２３ａを介して同位体スクランブラー２１に導入し、同位体スクランブリングを行う。
同位体スクランブリングによって¹⁸O₂酸素分子濃度が高くなった濃縮物を、経路２３ｂが接続された返送経路Ｅ_ｋを介して第ｋ塔Ａ_ｋに返送する。

そして、第ｋ塔Ａ_ｋに返送した後、第（ｋ＋１）塔Ａ_ｋ＋１〜第ｎ塔Ａ_ｎにおいてさらに蒸留し、第ｎ塔Ａ_ｎから所望の濃度に濃縮された¹⁸O₂濃縮物を得る。

上記のように、高純度酸素を原料酸素として低温蒸留により¹⁸O₂を濃縮する蒸留装置に、¹⁸O−水から再生された¹⁸Oを含む再生酸素を導入することにより、¹⁸O濃度が低下した低品位¹⁸O−水を再利用して¹⁸O₂を容易に増産することができる。

本発明に係る酸素同位体重成分の再生濃縮方法の効果を確認する実験を行ったので、以下に説明する。

まず、再生工程において、容器４１に回収された低品位¹⁸O−水を電気分解装置４５に供給し、酸素（再生酸素）と水素に電気分解した。
本実施例において、¹⁸FDGの原料として使用された低品位¹⁸O−水が有機物を含まないものであったため、前処理装置４３による前処理を行わなかった。

前記再生酸素を冷凍機４９に導入して-80℃まで冷却し、該再生酸素に含まれる水分を分離除去した。当該水分は、電気分解装置４５に戻し、再利用した。

冷凍機４９で水分を除去した前記再生酸素に残存する不純物は、冷凍機４９で除去しきれなかった水分、二酸化炭素及び窒素であり、水分と二酸化炭素は吸着装置５７で除去した。前記再生酸素は窒素を除く不純物が10ppb程度まで吸着除去され、窒素濃度は100ppm程度であった。その後、前記再生酸素を圧縮機５９で昇圧し、容器６１に充填した。

再生工程で再生されて容器６１に充填された前記再生酸素を、再生酸素導入装置８０により再生酸素導入部１３を経て蒸留装置１０へと導入した。
安全のため、再生酸素導入装置８０においては吸着器８３により再生酸素に含まれる水や二酸化炭素を吸着除去し、蒸留塔Ａ_１〜Ａ_ｎへの混入を防止した。

蒸留装置１０は高純度酸素を原料酸素として導入して連続運転されているため、容器６１から導入する再生酸素も流量調節器８５を用いて連続して一定流量で導入した。
さらに、前記再生酸素を導入した蒸留塔Ａ_ｈは、蒸留装置１０において同位体スクランブラー２１が接続されている最も前段の蒸留塔Ａ_ｋよりも前段とした。

そして、本実施例においては、所望の¹⁸O₂濃度まで濃縮された濃縮物を第ｎ塔Ａ_ｎから製品導出部３１を経て導出し、該濃縮物を水素化反応装置に供給して製品水である¹⁸O−水を生産した。

蒸留装置１０において年産100kgの¹⁸O−水を生産する操業条件において、再生濃縮装置１０に低品位¹⁸O−水から再生した¹⁸O濃度80%の再生酸素を3×10^-3Nm³/h（水50kg/年に相当）導入した結果、生産量は年産130kgまで増産された。又、本実施例における再生酸素中の¹⁸Oの収率は約80%であった。
以上より、低品位¹⁸O−水を再利用することで¹⁸O−水を約30%増産できることが実証された。

１ 再生濃縮装置
１０ 蒸留装置
１１ 原料酸素導入部
１３ 再生酸素導入部
２１ 同位体スクランブラー
２３ａ 経路
２３ｂ 経路
３１ 製品導出部
４０ 再生精製装置
４１ 容器
４３ 前処理装置
４５ 電気分解装置
４７ 除湿器
４９ 冷凍機
５１ 再生精製装置
５３ 触媒反応装置
５５ 冷凍機
５７ 吸着装置
５９ 圧縮機
６１ 容器
８０ 再生酸素導入装置
８３ 吸着器
８５ 流量調節器
８７ 経路

Claims (4)

1. 複数の蒸留塔と、該蒸留塔に接続された少なくとも１基の同位体スクランブラーを有し、¹⁸Oを含む原料酸素から¹⁸Oを含む酸素分子の濃縮物を得る蒸留装置を用いて、¹⁸Oを含む重酸素水から前記酸素分子を再生濃縮する酸素同位体重成分の再生濃縮方法であって、
   前記重酸素水を電気分解し、さらに窒素の除去を行うことなく精製することで¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生工程と、
   該再生工程で得られた前記再生酸素を前記蒸留装置に導入する再生酸素導入工程と、
   前記原料酸素と共に蒸留して¹⁸Oを含む酸素分子の濃縮物を得る濃縮工程を備え、
   前記再生酸素導入工程は、前記同位体スクランブラーが接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に前記再生酸素を導入するものであることを特徴とする酸素同位体重成分の再生濃縮方法。
2. 前記濃縮工程は、前記蒸留装置に導入する前に前記再生酸素中の窒素濃度を測定し、該窒素濃度が1000ppm以下の場合に前記再生酸素を前記蒸留装置に導入することを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体重成分の再生濃縮方法。
3. 酸素同位体重成分¹⁸Oを含む重酸素水から¹⁸O₂を再生濃縮する酸素同位体重成分の再生濃縮装置であって、
   前記重酸素水を電気分解し、さらに窒素の除去を行うことなく精製して¹⁸Oを含む再生酸素を得る再生精製装置と、
   前記酸素分子を含む原料酸素を蒸留する複数の蒸留塔と少なくも１基の同位体スクランブラーで構成される蒸留装置と、
   該蒸留装置に前記再生精製装置で得られた前記再生酸素を導入する再生酸素導入装置とを備え、
   該再生酸素導入装置は、前記同位体スクランブラーが接続された蒸留塔の中で最も前段の蒸留塔よりもさらに前段の蒸留塔に接続していることを特徴とする酸素同位体重成分の再生濃縮装置。
4. 前記再生酸素導入装置は、前記導入する再生酸素中の窒素濃度を測定する窒素濃度計測装置を備えることを特徴とする請求項３に記載の酸素同位体重成分の再生濃縮装置。

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