JP6889644B2 - Oxygen isotope substitution method and oxygen isotope substitution device - Google Patents

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Description

本発明は、一酸化炭素に酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置に関するものである。 The present invention relates to an oxygen isotope substitution method for introducing an oxygen isotope into carbon monoxide and an oxygen isotope substitution apparatus.

炭素安定同位体(13C)は、主に自然科学や医療の分野でトレーサ等として用いられている。炭素には、12C及び13Cの2種類の安定同位体が存在し、自然界における存在の割合は、それぞれ98.9%と1.1%である。
一方、酸素には16O、17O及び18Oという3種類の安定同位体が存在し、自然界における存在の割合は、それぞれ99.76%、0.04%および0.20%である。
よって、一酸化炭素には、1216O、1217O、1218O、1316O、1317O及び1318Oという6種類の安定同位体分子が存在する。
Stable carbon isotopes ( 13 C) are mainly used as tracers in the fields of natural science and medicine. There are two types of stable isotopes, 12 C and 13 C, in carbon, and the proportions of their presence in nature are 98.9% and 1.1%, respectively.
On the other hand, oxygen has three types of stable isotopes, 16 O, 17 O and 18 O, and their presence rates in nature are 99.76%, 0.04% and 0.20%, respectively.
Therefore, there are six types of stable isotope molecules in carbon monoxide: 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O and 13 C 18 O.

従来、酸素同位体標識化合物を合成する方法として、例えば、酸素同位体である17O又は18Oを含むHOを原料とする方法が採用されている(例えば、特許文献1、2を参照)。
また、酸素同位体を蒸留によって分離する場合には、例えば、スクランブラを有する蒸留装置が用いられている(例えば、特許文献3,4を参照)。
Conventionally, as a method for synthesizing an oxygen isotope-labeled compound, for example, a method using H 2 O containing the oxygen isotope 17 O or 18 O as a raw material has been adopted (see, for example, Patent Documents 1 and 2). ).
Further, when the oxygen isotope is separated by distillation, for example, a distillation apparatus having a scrambler is used (see, for example, Patent Documents 3 and 4).

また、上記のような、自然界に極僅かしか存在しない同位体を分離濃縮する方法としては、一般に、特許文献3に開示されたような、複数の蒸留塔を直列に接続して用いる蒸留カスケードプロセスが採用されている。また、特許文献3には、酸素同位体を蒸留する方法として、17Oを濃縮分離する際に、18Oをレーザによって選択的に減損処理することが記載されている。 Further, as a method for separating and concentrating isotopes that are present in a very small amount in nature as described above, a distillation cascade process in which a plurality of distillation columns are connected in series and used as disclosed in Patent Document 3 is generally used. Has been adopted. Further, Patent Document 3 describes that, as a method of distilling an oxygen isotope, when 17 O is concentrated and separated, 18 O is selectively impaired by a laser.

ここで、CH及びその他の炭化水素、炭素等の水蒸気改質方法は、燃料電池の原料水素の製造方法として広く知られている(例えば、特許文献5を参照)。
一方、水蒸気改質方法による反応では、多量の一酸化炭素COが含まれている場合が多いが、COは燃料電池に不具合を生じさせるおそれのある化合物であるため、一酸化炭素CO及び二酸化炭素COのメタン化反応(メタネーション)によるCOの除去方法について、従来から多数の提案がなされている(例えば、特許文献6を参照)。
Here, a steam reforming method for CH 4 and other hydrocarbons, carbon, etc. is widely known as a method for producing hydrogen as a raw material for a fuel cell (see, for example, Patent Document 5).
On the other hand, the reaction by the steam reforming method often contains a large amount of carbon monoxide CO, but since CO is a compound that may cause a problem in the fuel cell, carbon monoxide CO and carbon dioxide Many proposals have been made conventionally for a method for removing CO by a methanation reaction (methanation) of CO 2 (see, for example, Patent Document 6).

特開2006−008591号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-008591 特開2011−057557号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-057557 特許第5026974号公報Japanese Patent No. 5026974 特許第4467190号公報Japanese Patent No. 4467190 特許第5710964号公報Japanese Patent No. 5710964 特開2013−111496号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-11149

従来、上記のような6種類の安定同位体分子が存在する一酸化炭素のうち、例えば、13Cを含む安定同位体分子である1316Oを大量に得ることを目的として、1316Oを蒸留カスケードプロセスの末端の蒸留塔に濃縮させる方法が採用されている。しかしながら、例えば、1316Oと1218Oとでは、その分子量及び沸点が近く、これらの濃縮が同時に進行するため、1316Oを効率的且つ高濃度に分離することが困難であった。 Conventionally, among the carbon monoxide six stable isotopes molecules as described above exists, for example, for the purpose of obtaining a stable isotope molecule is 13 C 16 O containing 13 C in a large amount, 13 C 16 A method of concentrating O in the distillation column at the end of the distillation cascade process is employed. However, for example, 13 C 16 O and 12 C 18 O have similar molecular weights and boiling points, and their concentration proceeds at the same time, so that it is difficult to efficiently and highly concentrate 13 C 16 O. It was.

また、上記のような一酸化炭素の蒸留プロセスにおいては、特許文献3,4に記載のようなスクランブラを有する蒸留装置を用いるか、あるいは、酸素同位体17O及び18Oを減損処理することが必要となるが、現状、これら17O及び18Oを効率よく減損処理できる方法は確立されていない。 Further, in the carbon monoxide distillation process as described above, a distillation apparatus having a scrambler as described in Patent Documents 3 and 4 is used, or oxygen isotopes 17 O and 18 O are impaired. However, at present, a method capable of efficiently degrading these 17 O and 18 O has not been established.

また、従来、酸素同位体標識化合物を合成する方法としては、上記のような酸素同位体17O又は18Oを含むHOを原料とする方法が採用されているものの、工業生産的なスケールにおいて、炭素同位体12C又は13Cを含む一酸化炭素COの内部に、任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる方法は提案されていない。
即ち、大量の一酸化炭素COにおける効率的な酸素同位体置換を、製造ライン内で行うための方法や装置は、これまで提案されていなかった。
Further, conventionally, as a method for synthesizing an oxygen isotope-labeled compound, a method using H 2 O containing the oxygen isotope 17 O or 18 O as described above as a raw material has been adopted, but the scale is industrially productive. No method has been proposed in which an arbitrary oxygen isotope can be efficiently introduced into a carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C or 13 C at an arbitrary ratio.
That is, a method or apparatus for performing efficient oxygen isotope substitution in a large amount of carbon monoxide CO in a production line has not been proposed so far.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入でき、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能な酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and any oxygen isotope can be efficiently introduced into carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C at an arbitrary ratio, which is desired. It is an object of the present invention to provide an oxygen isotope substitution method and an oxygen isotope substitution apparatus capable of obtaining a stable carbon oxide isotope with high purity.

本発明者等は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、12C及び13Cを含む一酸化炭素安定同位体において酸素同位体置換反応を行うにあたり、まず、一酸化炭素COをHによって還元反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換した後、これに、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOを反応させ、任意の酸素同位体を導入して置換することで、一酸化炭素中における酸素同位体の濃度を容易に変更でき、従来は工業生産的なスケールで実施することが困難であった化合物の合成を効率的に行うことができることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors have made extensive studies to solve the above problems. As a result, when carrying out an oxygen isotope substitution reaction in a stable carbon isotope containing 12 C and 13 C, first, carbon monoxide CO is reduced by H 2 to obtain either 12 C, 13 C or a hydrocarbon. After conversion to, it is reacted with H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O, and an arbitrary oxygen isotope is introduced and substituted to replace the oxygen isotope in carbon monoxide. The present invention has been completed by finding that the concentration of the body can be easily changed and the synthesis of a compound, which has been difficult to carry out on an industrially productive scale in the past, can be efficiently performed.

即ち、請求項1に係る発明は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法であって、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを第1反応器内で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、前記還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを第2反応器内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含むことを特徴とする酸素同位体置換方法である。 That is, the invention according to claim 1 is an oxygen isotope substitution method for introducing an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide, wherein carbon monoxide CO and H 2 containing at least carbon isotopes 12 C and 13 C are used. preparative reacted in the first reactor, and 12 C, 13 C or reduction reaction step of converting to any hydrocarbon, either of the 12 C generated in the reduction reaction step, 13 C or hydrocarbons, By reacting H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O in the second reactor and introducing an arbitrary oxygen isotope, stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 Oxygen isotope substitution comprising an oxidation reaction step that selectively produces either C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O. The method.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記酸化反応工程における反応後の酸化反応ガスを脱水処理して、副生成物であるHOを除去した後、吸着器を用いて副生成物であるCOを回収し、次いで、蒸留塔を用いて、前記酸化反応工程における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるHを回収することにより、前記酸化反応工程で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有することを特徴とする酸素同位体置換方法である。 The invention according to claim 2 is the oxygen isotope substitution method according to claim 1, further, dehydration treatment of the oxidation reaction gas after the reaction in the oxidation reaction step to H 2 O which is a by-product. After removing the above, CO 2 which is a by-product is recovered by using an adsorber, and then a hydrocarbon which is an unreacted product in the oxidation reaction step and H which is a by-product are used by using a distillation tower. It is an oxygen isotope substitution method characterized by having a purification step of purifying the stable carbon monoxide isotope produced in the oxidation reaction step with high purity by recovering 2.

請求項3に係る発明は、請求項2に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記精製工程で回収された、前記未反応物である炭化水素、及び、前記副生成物であるCOを前記還元反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有することを特徴とする酸素同位体置換方法である。 The invention according to claim 3 is the oxygen isotope substitution method according to claim 2, further comprising the unreacted hydrocarbon and the by-product recovered in the purification step. It is an oxygen isotope substitution method characterized by having a return step of returning CO 2 to the reduction reaction step and subjecting it to a rereaction.

請求項4に係る発明は、請求項2又は請求項3に記載の酸素同位体置換方法であって、 さらに、前記精製工程は、前記蒸留塔で回収されたHを前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うことを特徴とする酸素同位体置換方法である。 The invention according to claim 4 is the oxygen isotope substitution method according to claim 2 or 3, and further, in the purification step, H 2 recovered in the distillation column is returned to the adsorbent. , An oxygen isotope substitution method characterized by performing a regeneration process of the adsorbent.

請求項5に係る発明は、請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の酸素同位体置換方法であって、さらに、前記還元反応工程と前記酸化反応工程との間に、前記還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるHOを除去する除湿工程が備えられていることを特徴とする酸素同位体置換方法である。 The invention according to claim 5 is the oxygen isotope substitution method according to any one of claims 1 to 4, and further, the reduction is performed between the reduction reaction step and the oxidation reaction step. Oxygen isotope substitution characterized by providing a dehumidifying step of dehumidifying 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the reaction step in a dehumidifier to remove H 2 O, which is a by-product. The method.

請求項6に係る発明は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換装置であって、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを内部で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する第1反応器と、前記第1反応器で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを内部で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる第2反応器と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。 The invention according to claim 6 is an oxygen isotope substitution device that introduces an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide, and comprises at least carbon monoxide CO and H 2 containing carbon isotopes 12 C and 13 C. An oxygen isotope 16 with a first reactor that reacts internally and converts to either 12 C, 13 C or a hydrocarbon, and any of the 12 C, 13 C or hydrocarbons produced by the first reactor. By internally reacting with H 2 O including O, 17 O and 18 O and introducing an arbitrary oxygen isotope, stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O , 13 C 16 O, 13 C 17 O, or 13 C 18 O, which is an oxygen isotope substitution apparatus.

請求項7に係る発明は、請求項6に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記第2反応器における反応後の酸化反応ガスを脱水処理し、副生成物であるHOを除去する脱水器と、副生成物であるCOを吸着して回収する吸着器と、前記第2反応器における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるHを回収することにより、前記第2反応器で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。 The invention according to claim 7 is the oxygen isotope substitution apparatus according to claim 6, further, dehydration treatment of the oxidation reaction gas after the reaction in the second reactor, and H 2 O which is a by-product. A dehydrator for removing the above, an adsorber for adsorbing and recovering CO 2 which is a by-product, a hydrocarbon which is an unreacted product in the second reactor, and H 2 which is a by-product are recovered. This is an oxygen isotope substitution apparatus including a distillation column for purifying the stable carbon monoxide isotope produced in the second reactor with high purity.

請求項8に係る発明は、請求項7に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記吸着器で回収された前記副生成物であるCO、及び、前記蒸留塔で回収された前記未反応物である炭化水素を、前記第1反応器に返送する返送部を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。 The invention according to claim 8 is the oxygen isotope substitution apparatus according to claim 7, and further, CO 2 which is the by-product recovered by the adsorber and CO 2 recovered by the distillation column. The oxygen isotope substitution apparatus is provided with a return unit for returning the unreacted hydrocarbon to the first reactor.

請求項9に係る発明は、請求項7又は請求項8に記載の酸素同位体置換装置であって、 さらに、前記蒸留塔で回収されたHを前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うための吸着器再生処理部を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置である。 The invention according to claim 9 is the oxygen isotopic substitution apparatus according to claim 7 or claim 8, further return of H 2 recovered in the distillation column in the adsorber, the adsorber vessel It is an oxygen isotope substitution apparatus characterized by including an adsorber regeneration processing unit for performing regeneration processing.

請求項10に係る発明は、請求項6〜請求項9の何れか一項に記載の酸素同位体置換装置であって、さらに、前記第1反応器と前記第2反応器との間に、前記第1反応器で生成された12C、13C又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるHOを除去する除湿器が備えられていることを特徴とする酸素同位体置換装置である。 The invention according to claim 10 is the oxygen isotope substitution device according to any one of claims 6 to 9, further, between the first reactor and the second reactor. Oxygen is provided with a dehumidifier that dehumidifies 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the first reactor in a dehumidifier to remove H 2 O, which is a by-product. It is an isotope substitution device.

本発明に係る酸素同位体置換方法によれば、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を有した構成を採用している。
本発明によれば、上記のような還元反応工程と酸化反応工程とを順次備えることで、一酸化炭素COの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる。従って、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
According to the oxygen isotope substitution method according to the present invention, at least carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C is reacted with H 2 to be converted into either 12 C, 13 C or hydrocarbon. By reacting any of 12 C, 13 C or hydrocarbon with H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O and introducing an arbitrary oxygen isotope, An oxidation reaction step that selectively produces any of the stable carbon oxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O, or 13 C 18 O. The configuration with is adopted.
According to the present invention, by sequentially providing the reduction reaction step and the oxidation reaction step as described above, an arbitrary oxygen isotope can be efficiently introduced into the carbon monoxide CO at an arbitrary ratio. Therefore, a high-purity carbon monoxide stable isotope having a desired oxygen isotope can be efficiently obtained on an industrially productive scale at low cost.

また、本発明に係る酸素同位体置換装置によれば、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する第1反応器と、12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる第2反応器と、を備えた構成を採用している。
本発明によれば、還元反応を行う第1反応器と、酸化反応を行う第2反応器とを順次備えた構成を採用することにより、上記同様、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
Further, according to the oxygen isotope substitution apparatus according to the present invention, at least carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C is reacted with H 2 to be either 12 C, 13 C or a hydrocarbon. The first reactor that converts to is reacted with any of 12 C, 13 C or hydrocarbons and H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O to introduce any oxygen isotope. Second, selectively produces any of the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O. A configuration equipped with a reactor is adopted.
According to the present invention, by adopting a configuration in which a first reactor that performs a reduction reaction and a second reactor that performs an oxidation reaction are sequentially provided, a high-purity one having a desired oxygen isotope as described above. It will be possible to obtain stable carbon oxide isotopes efficiently at low cost on an industrially productive scale.

本発明の一実施形態である酸素同位体置換方法について模式的に説明する図であり、各工程間の流路を簡略化して示す概略図である。It is a figure which schematically explains the oxygen isotope substitution method which is one Embodiment of this invention, and is the schematic which shows the flow path between steps in a simplified manner. 本発明の一実施形態である酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について模式的に説明する図であり、装置構成及び各流路について詳細に示す概略図である。It is a figure which shows typically the oxygen isotope substitution method and oxygen isotope substitution apparatus which are one Embodiment of this invention, and is the schematic diagram which shows the apparatus structure and each flow path in detail.

以下、本発明を適用した一実施形態である酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について、図1,2を適宜参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするため、便宜上、特徴となる部分を拡大あるいは簡略化して示している場合がある。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus according to the embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as appropriate. In addition, in the drawing used in the following description, in order to make the feature easy to understand, the feature portion may be enlarged or simplified for convenience. Further, the materials and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and the present invention can be appropriately modified without changing the gist thereof.

本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する方法及び装置であり、例えば、以下に例示するような酸素同位体置換装置により、工業生産的なスケールにおいて、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COの内部に、任意の酸素同位体16O、17O又は18Oを任意の比率で導入するものである。 The oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus according to the present invention are methods and apparatus for introducing an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide, and for example, by an oxygen isotope substitution apparatus as exemplified below. On an industrially productive scale, any oxygen isotope 16 O, 17 O or 18 O is introduced into the carbon monoxide CO containing the carbon isotopes 12 C and 13 C at any ratio.

本発明は、12C及び13Cを含む一酸化炭素安定同位体において酸素同位体置換反応を行う際に、まず、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応を行う。その後、還元反応で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応を行う。本発明においては、このような方法によって一酸化炭素中に酸素同位体を導入して置換することで、酸素同位体の濃度を容易且つ効率的に変更できるものである。 In the present invention, when performing an oxygen isotope substitution reaction in a stable carbon monoxide isotope containing 12 C and 13 C, first, carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C is reacted with H 2. Then, a reduction reaction is carried out to convert the mixture into either 12 C, 13 C or a hydrocarbon. Then, by reacting any of 12 C, 13 C or hydrocarbon produced in the reduction reaction with H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O, and introducing an arbitrary oxygen isotope. , Carbon monoxide stable isotope 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O. Do. In the present invention, the concentration of the oxygen isotope can be easily and efficiently changed by introducing and substituting the oxygen isotope into carbon monoxide by such a method.

<酸素同位体置換装置>
本発明において酸素同位体の置換に用いることが可能な酸素同位体置換装置の一例について、図1,2を参照しながら以下に説明する。図1は、本実施形態における各工程間の流路を簡略化して示す概略図であり、図2は、装置構成及び各流路をより詳細に説明する図である。
<Oxygen isotope replacement device>
An example of an oxygen isotope substitution device that can be used for oxygen isotope substitution in the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic diagram showing a simplified flow path between steps in the present embodiment, and FIG. 2 is a diagram for explaining an apparatus configuration and each flow path in more detail.

本実施形態の酸素同位体置換装置10は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入するものであり、具体的には、少なくとも、炭素同位体を含む一酸化炭素COとHとを内部で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する第1反応器1Aと、この第1反応器1Aで生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体を含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入して置換することで、一酸化炭素安定同位体を選択的に生成させる第2反応器1Bとを備える。 The oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment introduces an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide, and specifically, at least carbon monoxide CO containing a carbon isotope and H 2 are internally contained. in reacted, 12 C, 13 a first reactor 1A to be converted to either the C or hydrocarbons, one oxygen isotopes of the first 12 C generated in the reactor 1A, 13 C or hydrocarbons It is provided with a second reactor 1B that selectively produces a stable carbon monoxide isotope by reacting with the contained H 2 O and introducing and substituting an arbitrary oxygen isotope.

また、図示例の酸素同位体置換装置10は、上記の第1反応器1A及び第2反応器1Bに加え、さらに、第2反応器1Bにおける酸化反応後の反応ガスを脱水処理してHOを除去する脱水器2と、COを吸着して回収する吸着器3と、CH等の炭化水素及びHを回収することにより、第2反応器1Bで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔4と、吸着器3で回収されたCO、及び、蒸留塔4で回収された炭化水素を反応器1に返送する返送部5とを備え、概略構成される。また、図示例の酸素同位体置換装置10では、さらに、第1反応器1Aと第2反応器1Bとの間に除湿器7が備えられている。 Further, in the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the illustrated example, in addition to the above-mentioned first reactor 1A and second reactor 1B, the reaction gas after the oxidation reaction in the second reactor 1B is further dehydrated to H 2 Stable carbon monoxide produced in the second reactor 1B by recovering the dehydrator 2 that removes O, the adsorber 3 that adsorbs and recovers CO 2 , and hydrocarbons such as CH 4 and H 2. It is provided with a distillation column 4 for purifying isotopes with high purity, CO 2 recovered by the adsorber 3, and a return section 5 for returning the hydrocarbon recovered by the distillation column 4 to the reactor 1. Will be done. Further, in the oxygen isotope substitution device 10 of the illustrated example, a dehumidifier 7 is further provided between the first reactor 1A and the second reactor 1B.

第1反応器1Aは、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを内部で反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する、後述の反応式に示すような酸化反応を生じさせる。図2に示すように、第1反応器1Aの入口側には原料供給ラインL1が接続され、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COが供給される。さらに、原料供給ラインL1の経路には、水素供給ラインL2が接続され、第1反応器1Aに対して、原料供給ラインL1を介して、COとともにHを供給できるように構成されている。 The first reactor 1A internally reacts carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C with H 2 to convert it into either 12 C, 13 C or a hydrocarbon, which is a reaction formula described later. It causes an oxidation reaction as shown in. As shown in FIG. 2, a raw material supply line L1 is connected to the inlet side of the first reactor 1A, and carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C is supplied. Moreover, the path of the material supply line L1, is connected to the hydrogen supply line L2, the first reactor 1A, via a material supply line L1, and is configured so that it can supply of H 2 with CO.

ここで、本実施形態における第1反応器1Aで得られる炭化水素とは、CHの他、C2n+1で表される各種の炭化水素を含む。 Here, the hydrocarbon obtained in the first reactor 1A in the present embodiment includes various hydrocarbons represented by C n H 2n + 1 in addition to CH 4.

なお、第1反応器1A内において上記の還元反応を生じさせるにあたり、第1反応器1Aの内部に、予め、Hを収容した状態とすることも可能である。 In order to cause the above reduction reaction in the first reactor 1A, it is also possible to put H 2 in the inside of the first reactor 1A in advance.

図示例の酸素同位体置換装置10においては、第1反応器1Aの後段側に、接続ラインL3を介して、除湿器7が接続されている。除湿器7は、第1反応器1A内における酸化反応で得られた12C、13C又は炭化水素除湿処理し、副生成物であるHOを一定程度まで除去するものであり、例えば、温度や湿度を調整する恒湿恒温槽等、各種の除湿装置を用いることができる。 In the oxygen isotope substitution device 10 of the illustrated example, the dehumidifier 7 is connected to the rear side of the first reactor 1A via the connection line L3. The dehumidifier 7 is a device that dehumidifies 12 C, 13 C or hydrocarbons obtained by an oxidation reaction in the first reactor 1A to remove H 2 O, which is a by-product, to a certain extent, for example. Various dehumidifying devices such as a constant humidity and constant temperature bath that adjusts temperature and humidity can be used.

第2反応器1Bは、第1反応器1A内における酸化反応で得られた12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを内部で反応させる。図示例の第2反応器1Bは、入口側に接続ラインL5が接続され、上記の除湿器7を介して第1反応器1Aと接続されている。また、接続ラインL5の経路には、水供給ラインL6が接続され、第2反応器1Bに対して、接続ラインL5を介して酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOを供給できるように構成されている。 The second reactor 1B contains either 12 C, 13 C or a hydrocarbon obtained by an oxidation reaction in the first reactor 1A and H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O. React internally. The second reactor 1B of the illustrated example has a connection line L5 connected to the inlet side and is connected to the first reactor 1A via the dehumidifier 7 described above. Further, a water supply line L6 is connected to the path of the connection line L5, and H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O is transmitted to the second reactor 1B via the connection line L5. It is configured to be able to supply.

第2反応器1Bは、上記のような酸化反応を生じさせ、第1反応器1Aから除湿器7を介して導入された12C、13C又は炭化水素に、酸素同位体16O、17O又は18Oのうちの任意の酸素同位体を導入する(酸化反応)。これにより、第2反応器1Bは、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させ、これらに加えて各種の副生成物や未反応物も含んだ反応ガスを生成させる。 The second reactor 1B causes the above-mentioned oxidation reaction, and the oxygen isotopes 16 O and 17 O are added to the 12 C, 13 C or the hydrocarbon introduced from the first reactor 1A via the dehumidifier 7. Alternatively , any oxygen isotope of 18 O is introduced (oxidation reaction). As a result, the second reactor 1B is one of the carbon monoxide stable isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O. Is selectively generated, and in addition to these, a reaction gas containing various by-products and unreacted products is generated.

脱水器2は、第2反応器1Bにおける酸化反応後の反応ガスを脱水処理し、副生成物であるHOを除去する。図2に示すように、脱水器2の入口は、第2反応器1Bの出口側と接続ラインL7を介して接続され、第2反応器1Bから反応ガスが導入されるように構成されている。また、脱水器2には、脱水処理によって反応ガス中から除去したHOを外部に排出するための排水ラインL9が接続されている。 The dehydrator 2 dehydrates the reaction gas after the oxidation reaction in the second reactor 1B to remove H 2 O, which is a by-product. As shown in FIG. 2, the inlet of the dehydrator 2 is connected to the outlet side of the second reactor 1B via the connection line L7, and the reaction gas is introduced from the second reactor 1B. .. In addition, the dehydrator 2, the drain line L9 for discharging of H 2 O was removed from the reaction gas to the outside are connected by a dehydration process.

脱水器2としては、特に限定されず、例えば、従来公知のチラー(水冷式又は空冷式)を何ら制限無く用いることができる。そして、脱水器2は、その冷却作用により、反応ガスに含まれるHOを一定程度まで除去することができる。 The dehydrator 2 is not particularly limited, and for example, a conventionally known chiller (water-cooled type or air-cooled type) can be used without any limitation. The dehydrator 2 is by its cooling effect, it is possible to remove the H 2 O contained in the reaction gas to a certain degree.

吸着器3は、第2反応器1Bで生じる酸化反応において、副生成物として生成されるCOを吸着して回収する。図2に示す例の吸着器3は、脱水器2においてHOが一定程度まで除去された反応ガスが導入される第1吸着器31と、その後段側に配置される第2吸着器32とから構成されている。また、図示例の吸着器3は、第1吸着器31の入口側が、脱水器2の出口側と接続ラインL8を介して接続され、脱水器2で脱水処理された反応ガスが導入されるとともに、第2吸着器32の入口側が、第1吸着器31の出口側と接続ラインL10を介して接続されている。 The adsorber 3 adsorbs and recovers CO 2 produced as a by-product in the oxidation reaction generated in the second reactor 1B. The adsorber 3 of the example shown in FIG. 2 is a first adsorber 31 into which a reaction gas from which H 2 O has been removed to a certain degree is introduced in the dehydrator 2, and a second adsorber 32 arranged on the subsequent stage side. It is composed of and. Further, in the adsorber 3 of the illustrated example, the inlet side of the first adsorber 31 is connected to the outlet side of the dehydrator 2 via the connection line L8, and the reaction gas dehydrated by the dehydrator 2 is introduced. , The inlet side of the second adsorber 32 is connected to the outlet side of the first adsorber 31 via the connection line L10.

本実施形態の吸着器3においては、まず、第1吸着器31において、反応ガスに対してさらに十分な脱水処理を施し、第2吸着器32において、COを吸着して回収できるように構成されている。
上記の第1吸着器31及び第2吸着器32としては、従来公知の吸着設備を何ら制限無く採用することができる。
In the adsorber 3 of the present embodiment, first, the reaction gas is further sufficiently dehydrated in the first adsorber 31, and CO 2 is adsorbed and recovered in the second adsorber 32. Has been done.
As the first adsorber 31 and the second adsorber 32, conventionally known adsorption equipment can be adopted without any limitation.

蒸留塔4は、第2反応器1Bで生じる酸化反応において、未反応物となるCH等の炭化水素、及び、副生成物であるHを回収することにより、第2反応器1Bで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する。図2に示すように、蒸留塔4は、複数の蒸留塔を直列でカスケード接続した構成とされ、図示例においては、吸着器3から導入されるHO及びCOが除去された反応ガスが導入される第1蒸留塔41と、その後段側に配置される第2蒸留塔42とから構成されている。 The distillation column 4 is generated in the second reactor 1B by recovering hydrocarbons such as CH 4 which are unreacted substances and H 2 which is a by-product in the oxidation reaction generated in the second reactor 1B. The stable carbon monoxide isotope is purified to a high degree of purity. As shown in FIG. 2, the distillation column 4 has a configuration in which a plurality of distillation columns are cascaded in series, and in the illustrated example, a reaction gas from which H 2 O and CO 2 introduced from the adsorber 3 have been removed. It is composed of a first distillation column 41 into which the carbon dioxide is introduced and a second distillation column 42 arranged on the subsequent stage side.

第1蒸留塔41は、その入口側が第2吸着器32の出口側と接続ラインL11を介して接続される。そして、第1蒸留塔41は、吸着器3から導入される、HO及びCOが除去された反応ガスを蒸留処理することで、上述の酸化反応の副生成物であるHを回収する。 The inlet side of the first distillation column 41 is connected to the outlet side of the second adsorber 32 via the connection line L11. Then, the first distillation column 41 recovers H 2 , which is a by-product of the above-mentioned oxidation reaction, by distilling the reaction gas introduced from the adsorber 3 from which H 2 O and CO 2 have been removed. To do.

第2蒸留塔42は、その入口側が第1蒸留塔41の出口側と接続ラインL12を介して接続される。そして、第2蒸留塔42は、第1蒸留塔41においてHが回収された反応ガスを蒸留処理することで、さらに、CH等の炭化水素を回収する。 The inlet side of the second distillation column 42 is connected to the outlet side of the first distillation column 41 via a connection line L12. Then, the second distillation column 42 further recovers hydrocarbons such as CH 4 by distilling the reaction gas in which H 2 is recovered in the first distillation column 41.

ここで、詳細な図示を省略するが、上記の接続ラインL11は、例えば、第1蒸留塔41の高さ方向における中部付近に接続される。また、上記の接続ラインL12は、例えば、その入口側が第1蒸留塔41の高さ方向における任意の位置に接続され、出口側が第2蒸留塔42の高さ方向における中部付近に接続される。なお、本実施形態で説明する「蒸留塔の高さ方向における中部」とは、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42の塔頂部及び塔底部以外の位置のことをいう。 Here, although detailed illustration is omitted, the connection line L11 is connected to, for example, the vicinity of the central portion in the height direction of the first distillation column 41. Further, for example, the inlet side of the connection line L12 is connected to an arbitrary position in the height direction of the first distillation column 41, and the outlet side is connected to the vicinity of the central portion in the height direction of the second distillation column 42. The "middle portion in the height direction of the distillation column" described in the present embodiment means a position other than the top and bottom of the first distillation column 41 and the second distillation column 42.

第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42は、その詳細な図示を省略するが、反応ガス中に含まれる一酸化炭素COを低温蒸留(蒸留カスケードプロセス)することで、各々の塔頂側に、沸点の低い一酸化炭素同位体分子(1216O等)を濃縮し、塔底側に沸点の高い一酸化炭素同位体分子(例えば、1316O、1218O及び1318O)を濃縮できるように構成されている。 Although detailed illustration of the first distillation column 41 and the second distillation column 42 is omitted, carbon monoxide CO contained in the reaction gas is distilled at a low temperature (distillation cascade process) so that the carbon monoxide CO can be placed on the top side of each column. , Carbon monoxide isotope molecules with a low boiling point ( 12 C 16 O, etc.) are concentrated, and carbon monoxide isotope molecules with a high boiling point (for example, 13 C 16 O, 12 C 18 O and 13 C 18) are concentrated on the bottom side of the column. It is configured so that O) can be concentrated.

また、例えば、一酸化炭素同位体として1316Oを精製する場合には、蒸留塔3(第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42)をより大きなサイズとすることで、塔底側に、1316Oをより高純度で精製することが可能になる。 Further, for example, in the case of purifying 13 C 16 O as a carbon monoxide isotope, the distillation column 3 (first distillation column 41 and second distillation column 42) can be made larger in size so as to be on the bottom side of the column. , 13 C 16 O can be purified with higher purity.

また、一般に、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42のうち、上流側である第1蒸留塔41においては蒸留負荷が大きく、下流側の第2蒸留塔42においては第1蒸留塔41に比べて蒸留負荷が小さくなる。このため、第2蒸留塔42は、第1蒸留塔41に比べて小径に構成することも可能である。 Further, in general, of the first distillation column 41 and the second distillation column 42, the first distillation column 41 on the upstream side has a large distillation load, and the second distillation column 42 on the downstream side has a first distillation column 41. The distillation load is smaller than that. Therefore, the second distillation column 42 can be configured to have a smaller diameter than the first distillation column 41.

なお、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42の内部には、それぞれ、図示略の精留段(棚)、規則充填材、又は不規則充填材等が備えられている。 The inside of the first distillation column 41 and the second distillation column 42 are provided with a rectification stage (shelf), a regular filler, an irregular filler, and the like, which are not shown, respectively.

さらに、図2中では図示を省略しているが、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42には、それぞれ、各蒸留塔内を下降した液体を熱交換することで気化させ、再び各蒸留塔内を上昇させるためのリボイラが備えられた構成を採用できる。さらに、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42は、それぞれ、各蒸留塔内を上昇した気体を熱交換することで液化させ、再び各蒸留塔内を下降させるためのコンデンサが備えられた構成を採用することができる。 Further, although not shown in FIG. 2, the first distillation column 41 and the second distillation column 42 are vaporized by heat exchange of the liquid descending in each distillation column, and each distillation is performed again. A configuration equipped with a reboiler for raising the inside of the tower can be adopted. Further, each of the first distillation column 41 and the second distillation column 42 is provided with a capacitor for liquefying the rising gas in each distillation column by heat exchange and lowering the inside of each distillation column again. Can be adopted.

本実施形態の酸素同位体置換装置10においては、上記の脱水器2、吸着器3及び蒸留塔4が備えられることにより、第2反応器1Bで酸化反応した反応ガス中に含まれる副生成物及び未反応物を除去し、選択的に生成された一酸化炭素安定同位体(1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの少なくとも何れか)を高純度に精製することが可能になる。 In the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment, the dehydrator 2, the adsorber 3, and the distillation tower 4 are provided, so that the by-products contained in the reaction gas undergoing the oxidation reaction in the second reactor 1B are provided. And selectively produced carbon monoxide stable isotopes ( 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O) by removing unreacted substances. At least one of these) can be purified to a high degree of purity.

第2蒸留塔42において高純度に生成された一酸化炭素安定同位体は、最終ラインL13から、例えば、製品用ボンベ等に向けて送出される。
なお、本発明で説明する「高純度」に生成された一酸化炭素安定同位体とは、一酸化炭素安定同位体の合計の濃度が99.9%以上であることをいう。
The carbon monoxide stable isotope produced in the second distillation column 42 with high purity is delivered from the final line L13 toward, for example, a product cylinder.
The "highly pure" carbon monoxide stable isotope described in the present invention means that the total concentration of the carbon monoxide stable isotope is 99.9% or more.

返送部5は、吸着器3において回収された副生成物であるCO、及び、蒸留塔4で回収された未反応物である炭化水素を第1反応器1Aに返送する。図2中に示すように、返送部5は、第2蒸留塔42で除去された炭化水素を、後述の返送ライン52を介して、第1反応器1Aに連通された原料供給ラインL1に返送する第1返送ライン51と、第2吸着器32で除去されたCOを原料供給ラインL1に返送する第2返送ライン52とから構成される。 The return unit 5 returns CO 2 , which is a by-product recovered in the adsorber 3, and hydrocarbon, which is an unreacted product recovered in the distillation column 4, to the first reactor 1A. As shown in FIG. 2, the return unit 5 returns the hydrocarbon removed by the second distillation column 42 to the raw material supply line L1 communicated with the first reactor 1A via the return line 52 described later. It is composed of a first return line 51 and a second return line 52 that returns CO 2 removed by the second adsorber 32 to the raw material supply line L1.

本実施形態の酸素同位体置換装置10では、上記の未反応物(CH等の炭化水素)及び副生成物(H及びCO)を、再び第1反応器1Aに戻すことで、原料に対する、所望の一酸化炭素安定同位体の収率が向上する効果が得られる。 In the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment, the above-mentioned unreacted products ( hydrocarbons such as CH 4 ) and by-products (H 2 and CO 2 ) are returned to the first reactor 1A again as a raw material. The effect of improving the yield of the desired stable carbon monoxide isotope can be obtained.

なお、本実施形態の酸素同位体置換装置10においては、図2中に示すように、上記の各構成に加え、さらに、蒸留塔4(第1蒸留塔41)で回収されたHを吸着器3(第2吸着器32)に返送し、このHによって第2吸着器32の再生処理を行う吸着器再生処理部6を備えることがより好ましい。この吸着器再生処理部6は、図2の模式図中に示すように、第1蒸留塔41と第2吸着器32とを接続し、上記の接続ラインL11とは別の配管から構成されている。 In the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 2, in addition to the above configurations, H 2 recovered in the distillation column 4 (first distillation column 41) is further adsorbed. It is more preferable to include an adsorber regeneration processing unit 6 that returns to the vessel 3 (second adsorber 32) and regenerates the second adsorber 32 by the H 2. As shown in the schematic diagram of FIG. 2, the adsorber regeneration processing unit 6 connects the first distillation column 41 and the second adsorber 32, and is composed of a pipe different from the connection line L11 described above. There is.

酸素同位体置換装置10は、上記の吸着器再生処理部6を備えることにより、第2吸着器31の再生処理を定期的又は不定期で行うことが可能になるので、第2吸着器31の吸着性能を常時維持することができ、COを効率的且つ確実に除去することが可能になる。また、吸着器再生処理部6は、反応ガス中から除去されたHを再利用するものなので、低コストで第2吸着器31の再生処理を実施でき、ひいては、酸素同位体置換装置10で得られる一酸化炭素安定同位体の純度をより高めることが可能になる。 Since the oxygen isotope substitution device 10 includes the above-mentioned adsorber regeneration processing unit 6, the regeneration processing of the second adsorber 31 can be performed regularly or irregularly, so that the second adsorber 31 can be regenerated. The adsorption performance can be maintained at all times, and CO 2 can be removed efficiently and reliably. Further, since the adsorber regeneration processing unit 6 reuses H 2 removed from the reaction gas, the second adsorber 31 can be regenerated at low cost, and the oxygen isotope replacement device 10 can be used. It becomes possible to further increase the purity of the obtained stable carbon monoxide isotope.

<酸素同位体置換方法>
本実施形態の酸素同位体置換方法は、一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する方法である。以下、本実施形態の酸素同位体置換方法について、図2に示すような、本実施形態の酸素同位体置換装置10を使用して置換を行う場合を例に挙げて詳述する。
<Oxygen isotope substitution method>
The oxygen isotope substitution method of the present embodiment is a method of introducing an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide. Hereinafter, the oxygen isotope substitution method of the present embodiment will be described in detail with reference to a case where substitution is performed using the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment as shown in FIG.

本実施形態の酸素同位体置換方法は、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを第1反応器1A内で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを第2反応器1B内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含む方法である(図1を参照)。 In the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, at least carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C and H 2 are reacted in the first reactor 1A, and 12 C, 13 C or hydrocarbons are reacted. The reduction reaction step of converting to any of the above, any of the 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the reduction reaction step, and H 2 O containing the oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O are second. By reacting in the reactor 1B and introducing an arbitrary oxygen isotope, carbon monoxide stable isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or A method comprising an oxidation reaction step of selectively producing any of 13 C 18 O (see FIG. 1).

また、本実施形態においては、上記の還元反応工程及び酸化反応工程に次いで、さらに、酸化反応後の反応ガスを脱水処理してHOを除去した後、COを回収し、次いで、CH等の炭化水素及びHを回収することにより、一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有する方法を例に挙げて説明する。また、本実施形態で説明する例では、精製工程で回収された、未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるCOを反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有している。さらに、本実施形態では、上記の還元反応工程と酸化反応工程との間に、還元反応工程における副生成物であるHOを除去する除湿工程が備えられた例について説明する。
以下、各工程について説明する。
Further, in the present embodiment, following the above-mentioned reduction reaction step and oxidation reaction step, the reaction gas after the oxidation reaction is further dehydrated to remove H 2 O, and then CO 2 is recovered, and then CH. A method having a purification step of purifying a stable carbon monoxide isotope with high purity by recovering a hydrocarbon such as 4 and H 2 will be described as an example. Further, in the example described in the present embodiment, there is a return step of returning the unreacted hydrocarbon and the by-product CO 2 recovered in the purification step to the reaction step for re-reaction. doing. Furthermore, in this embodiment, between the above reduction reaction step and the oxidation reaction process, an example of the dehumidifying process provided for removing of H 2 O as a by-product in the reduction reaction step.
Hereinafter, each step will be described.

(1)還元反応工程
まず、還元反応工程において、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを第1反応器1A内で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する。この際、原料供給ラインL1から、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COを供給するとともに、水素供給ラインL2から、原料供給ラインL1を介してHを供給する。
(1) Reduction reaction step First, in the reduction reaction step, carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C and H 2 are reacted in the first reactor 1A, and 12 C, 13 C or hydrocarbons are reacted. Convert to one of. At this time, carbon monoxide CO containing carbon isotopes 12 C and 13 C is supplied from the raw material supply line L1, and H 2 is supplied from the hydrogen supply line L2 via the raw material supply line L1.

上記のように、第1反応器1Aに各原料を供給することで、一例として、下記(1)式及び(2)式に示すような還元反応が進行し、C(12C又は13C)が得られる。即ち、例えば鉄系の触媒の存在下においてCOとHとを混合し、加熱することで12C又は13Cが得られるとともに、副生成物であるHOが生成する。
1218O+H12C+H 18O ・・・・・(1)
1318O+H13C+H 18O ・・・・・(2)
As described above, by supplying each raw material to the first reactor 1A, as an example, the reduction reaction as shown in the following equations (1) and (2) proceeds, and C ( 12 C or 13 C). Is obtained. That is, for example, by mixing CO and H 2 in the presence of an iron-based catalyst and heating them, 12 C or 13 C is obtained, and H 2 O, which is a by-product, is produced.
12 C 18 O + H 212 C + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (1)
13 C 18 O + H 213 C + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (2)

また、還元反応工程においては、下記(3)式及び(4)式に示すような還元反応が進行し、CH12CH又は13CH)が得られる。即ち、水素製造プロセスにおいて微量に発生したCOを取り除くために行われる触媒反応として知られる、所謂メタネーション反応により、12CH又は13CHが得られる。
1218O+3H12CH+H 18O ・・・・・(3)
1318O+3H13CH+H 18O ・・・・・(4)
Further, in the reduction reaction step, the reduction reaction as shown in the following equations (3) and (4) proceeds, and CH 4 ( 12 CH 4 or 13 CH 4 ) is obtained. That is, 12 CH 4 or 13 CH 4 is obtained by a so-called meta-nation reaction known as a catalytic reaction carried out to remove a small amount of CO generated in the hydrogen production process.
12 C 18 O + 3H 212 CH 4 + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (3)
13 C 18 O + 3H 213 CH 4 + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (4)

さらに、還元反応工程においては、詳細な反応式は省略するが、鉄やコバルト等の触媒の存在下においてCOとHとを反応させる、所謂フィッシャートロプッシュ法(FT法)により、CH以外の炭化水素が得られる。 Further, in the reduction reaction step, although detailed reaction formulas are omitted, CO and H 2 are reacted in the presence of a catalyst such as iron or cobalt, which is a so-called Fischer-Tropsch method (FT method) other than CH 4. Cobalt is obtained.

還元反応工程においては、第1反応器1A内の温度を200〜1200℃の範囲として還元反応を生じさせることが好ましい。第1反応器1A内の温度を上記範囲とすることで、上記の還元反応がより効果的に進行し、12C、13C又は炭化水素の何れかを効率的に生成させることが可能になる。また、上記の観点から、第1反応器11A内の温度は、700〜900℃がより好ましい。 In the reduction reaction step, it is preferable to cause the reduction reaction in the temperature range of 200 to 1200 ° C. in the first reactor 1A. By setting the temperature in the first reactor 1A within the above range, the above reduction reaction proceeds more effectively, and it becomes possible to efficiently generate either 12 C, 13 C or a hydrocarbon. .. Further, from the above viewpoint, the temperature in the first reactor 11A is more preferably 700 to 900 ° C.

第1反応器1A内の温度が上記範囲の下限未満だと、効果的に還元反応を生じさせるのが難しくなる場合がある。一方、第1反応器1A内の温度が上記範囲の上限を超えても、上述した効果は飽和し、第1反応器1Aの加熱に用いるエネルギーが無駄になる場合がある。 If the temperature in the first reactor 1A is less than the lower limit of the above range, it may be difficult to effectively cause a reduction reaction. On the other hand, even if the temperature in the first reactor 1A exceeds the upper limit of the above range, the above-mentioned effect may be saturated and the energy used for heating the first reactor 1A may be wasted.

なお、還元反応工程においては、第1反応器1A内において上記の還元反応を生じさせるにあたり、上述したように、第1反応器1Aの内部に、予めHを収容した状態とすることも可能である。 In the reduction reaction step, in order to cause the above reduction reaction in the first reactor 1A, it is also possible to preliminarily contain H 2 in the first reactor 1A as described above. Is.

(2)除湿工程
次に、除湿工程においては、還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素を除湿器7内で除湿処理し、水分(HO)を一定程度まで除去する。そして、除去したHOは、除湿器7に接続された排水ラインL4から外部に送出する。
(2) Dehumidifying step Next, in the dehumidifying step, 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the reduction reaction step are dehumidified in the dehumidifier 7 to remove water (H 2 O) to a certain extent. .. Then, the removed H 2 O is sent to the outside from the drainage line L4 connected to the dehumidifier 7.

(3)酸化反応工程
次に、酸化反応工程においては、還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを第2反応器1B内で反応させ、酸化反応を生じさせる。この際、接続ラインL5から、除湿された12C、13C又は炭化水素を第2反応器1Bに供給するとともに、水供給ラインL6から、接続ラインL5を介して、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOを供給する。ここで、HOに含まれる酸素同位体を一酸化炭素COに効果的に導入するためには、このHOを大量に供給することが好ましい。このように、大量に供給するHO量の目安としては、例えば、一酸化炭素COの供給量に対する体積比で、10〜30倍程度の範囲とすればよく、特に、一酸化炭素COに酸素同位体17O又は18Oを導入する場合には、HOを可能な限り大量に供給することがより好ましい。
(3) Oxidation reaction step Next, in the oxidation reaction step, H 2 O containing either 12 C, 13 C or hydrocarbon produced in the reduction reaction step and oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O. Is reacted in the second reactor 1B to cause an oxidation reaction. At this time, the dehumidified 12 C, 13 C or hydrocarbon is supplied from the connection line L5 to the second reactor 1B, and the oxygen isotopes 16 O and 17 are supplied from the water supply line L6 via the connection line L5. H 2 O containing O and 18 O is supplied. Here, in order to effectively introduce the oxygen isotope contained in H 2 O into carbon monoxide CO, it is preferable to supply a large amount of this H 2 O. Thus, as a measure of the mass supplying H 2 O amount, for example, a volume ratio to the feed amount of carbon monoxide CO, may be in the range of about 10 to 30 times, in particular, carbon monoxide CO When introducing the oxygen isotope 17 O or 18 O, it is more preferable to supply as much H 2 O as possible.

上記のように、第2反応器1B内で酸化反応を生じさせ、12C、13C又は炭化水素の何れかに任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる。 As described above, by causing an oxidation reaction in the second reactor 1B and introducing an arbitrary oxygen isotope into either 12 C, 13 C or a hydrocarbon, the stable carbon monoxide isotope 12 C 16 Either O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is selectively generated.

一例として、12C又は13Cに酸素同位体16Oを導入する場合、第2反応器1B内においては、まず、下記(5)式及び(6)式に示すような反応が進行してCOが生成される。
12C+H 16O→1216O+H ・・・・・(5)
13C+H 16O→1316O+H ・・・・・(6)
As an example, when the oxygen isotope 16 O is introduced into 12 C or 13 C, the reactions as shown in the following equations (5) and (6) first proceed in the second reactor 1B to carry out CO. Is generated.
12 C + H 2 16 O → 12 C 16 O + H 2 ... (5)
13 C + H 2 16 O → 13 C 16 O + H 2 ... (6)

また、炭化水素、例えばCH12CH又は13CH)に酸素同位体16Oを導入する場合、第2反応器1B内においては、下記(7)式及び(8)式に示すような酸化反応が発生する。
12CH+H 16O→1216O+3H ・・・・・(7)
13CH+H 16O→1316O+3H ・・・・・(8)
Further, when the oxygen isotope 16 O is introduced into a hydrocarbon, for example, CH 4 ( 12 CH 4 or 13 CH 4 ), the following equations (7) and (8) are shown in the second reactor 1B. Oxidation reaction occurs.
12 CH 4 + H 2 16 O → 12 C 16 O + 3H 2 ... (7)
13 CH 4 + H 2 16 O → 13 C 16 O + 3H 2 ... (8)

上記のような、CH等の炭化水素とHOとの反応は、触媒の存在下において高温の水蒸気(HO)と炭化物類とを反応させる水蒸気改質法によるものであり、コークス、天然ガス又は石油等から水素を得る際に、一般的に用いられている方法である。 The reaction between hydrocarbons such as CH 4 and H 2 O as described above is based on a steam reforming method in which high-temperature steam (H 2 O) reacts with carbides in the presence of a catalyst, and is coke. , A method generally used when obtaining hydrogen from natural gas, petroleum, etc.

上記(5)〜(8)式に示すような酸化反応が生じることで、HO中の酸素と12C又は13Cとの反応、あるいは、HO中の酸素とCH等の炭化水素中の水素との交換反応により、任意の酸素同位体(上記各式で表される例では16O)を導入できる。このような酸化反応により、12C及び13Cを含む一酸化炭素安定同位体における酸素同位体の濃度を容易且つ効率的に変更でき、一酸化炭素安定同位体(上記各反応式の例では1316O)を選択的に生成させることが可能になる。また、上記(5)〜(8)式に示すように、特に、酸素同位体16Oの天然存在割合が高いHOを供給することで、16Oを含む一酸化炭素安定同位体1316O等をより効率的且つ選択的に生成させることが可能となる。 (5) to (8) that the oxidation reaction occurs as shown in the expression, the reaction between oxygen and 12 C or 13 C in H 2 O, or carbide of 4 such as oxygen and CH in H 2 O Any oxygen isotope (16 O in the examples represented by the above formulas) can be introduced by the exchange reaction with hydrogen in hydrogen. By such an oxidation reaction, the concentration of oxygen isotopes in the stable carbon monoxide isotopes including 12 C and 13 C can be easily and efficiently changed, and the stable carbon monoxide isotopes ( 13 in the examples of the above reaction formulas). C 16 O) it is possible to selectively produce. Further, as shown in the above equations (5) to (8), in particular, by supplying H 2 O having a high natural abundance ratio of the oxygen isotope 16 O, the stable carbon monoxide isotope 13 C containing 16 O is supplied. It is possible to generate 16 O and the like more efficiently and selectively.

酸化反応工程においては、第2反応器1B内の温度を200〜1200℃の範囲として酸化反応を生じさせることが好ましい。第2反応器1B内の温度を上記の範囲とすることにより、一酸化炭素中に任意の酸素同位体を導入するのが容易になり、所望の一酸化炭素安定同位体をさらに効率的に得ることが可能になる。
また、上記の観点から、第2反応器1B内の温度は、800〜1000℃がより好ましい。
In the oxidation reaction step, it is preferable to cause the oxidation reaction in the temperature range of 200 to 1200 ° C. in the second reactor 1B. By setting the temperature in the second reactor 1B within the above range, it becomes easy to introduce an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide, and a desired stable carbon monoxide isotope can be obtained more efficiently. Will be possible.
Further, from the above viewpoint, the temperature in the second reactor 1B is more preferably 800 to 1000 ° C.

第2反応器1B内の温度が上記範囲の下限未満だと、効果的に酸化反応を生じさせるのが難しくなる場合がある。一方、第2反応器1B内の温度が上記範囲の上限を超えても、上述した効果は飽和し、第2反応器1Bの加熱に用いるエネルギーが無駄になる場合がある。 If the temperature in the second reactor 1B is less than the lower limit of the above range, it may be difficult to effectively cause an oxidation reaction. On the other hand, even if the temperature inside the second reactor 1B exceeds the upper limit of the above range, the above-mentioned effect may be saturated and the energy used for heating the second reactor 1B may be wasted.

また、酸化反応工程においては、上記(5)〜(8)式に示した反応式の場合と同様にして、例えば、12C、13C又は炭化水素の何れかに酸素同位体17O又は18Oを導入することで、1217O又は1317O、あるいは、1218O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させることができる。
即ち、本実施形態の酸素同位体置換方法における反応工程では、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させることが可能である。
Further, in the oxidation reaction step, as in the case of the reaction formulas shown in the above formulas (5) to (8), for example, oxygen isotope 17 O or 18 in any of 12 C, 13 C or hydrocarbon. By introducing O, either 12 C 17 O or 13 C 17 O, or 12 C 18 O or 13 C 18 O can be selectively generated.
That is, in the reaction step in the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 It is possible to selectively generate any one of O.

(4)精製工程
次に、精製工程においては、上記の酸化反応工程における酸化反応後の反応ガス、即ち、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを含む反応ガスを脱水器2で脱水処理し、酸化反応工程で発生した副生成物であるHOを一定程度まで除去する。
(4) Purification step Next, in the purification step, the reaction gas after the oxidation reaction in the above oxidation reaction step, that is, the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 The reaction gas containing either C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is dehydrated by the dehydrator 2 to remove H 2 O, which is a by-product generated in the oxidation reaction step, to a certain extent. To do.

次いで、精製工程では、第1吸着器31を用いて、反応ガスに対してさらに十分な脱水処理を施し、HOを可能な限り除去する。
次いで、第2吸着器32を用いて、副生成物であるCOを回収する。
Then, in the purification step, by using the first adsorber 31, further subjected to sufficient dehydration to the reaction gases, it is removed as much as possible H 2 O.
Then, the second adsorber 32 is used to recover CO 2 which is a by-product.

次いで、精製工程では、第1蒸留塔41を用いて、HO及びCOが除去された反応ガスを蒸留処理することで、副生成物であるHを回収する。
次いで、第2蒸留塔42を用いて、第1蒸留塔41においてHが回収された反応ガスを蒸留処理することで、さらに、未反応物であるCH等の炭化水素を回収する。
ここで、本実施形態の精製工程においては、第1蒸留塔41及び第2蒸留塔で、第2反応器1Bで生成された一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する。この際、例えば、精製工程の開始直後(第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42の起動直後)においては、各一酸化炭素安定同位体の濃度は、各蒸留塔において、ほぼ一様である。その後、工程時間が経過するにつれて、比較的沸点の高い一酸化炭素安定同位体、特に1316O、1218O及び1318Oが第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42の塔底側に濃縮される。従って、第2蒸留塔42の塔底側から、高純度に精製された1316O、1218O又は1318Oを取り出すことができる一方、第2蒸留塔42の塔頂側からは、比較的沸点の低い1216O等を高純度で精製された状態で取り出すことができる。
Next, in the purification step, the reaction gas from which H 2 O and CO 2 have been removed is distilled by using the first distillation column 41 to recover H 2 , which is a by-product.
Next, the second distillation column 42 is used to distill the reaction gas in which H 2 is recovered in the first distillation column 41 to further recover hydrocarbons such as CH 4 which are unreacted products.
Here, in the purification step of the present embodiment, the stable carbon monoxide isotope produced in the second reactor 1B is purified to high purity in the first distillation column 41 and the second distillation column. At this time, for example, immediately after the start of the purification process (immediately after the start of the first distillation column 41 and the second distillation column 42), the concentration of each stable carbon monoxide isotope is substantially uniform in each distillation column. .. Then, as the process time elapses, stable carbon monoxide isotopes with relatively high boiling points, especially 13 C 16 O, 12 C 18 O and 13 C 18 O, are present in the first distillation column 41 and the second distillation column 42. Concentrated on the bottom side. Therefore, highly purified 13 C 16 O, 12 C 18 O or 13 C 18 O can be taken out from the bottom side of the second distillation column 42, while it can be taken out from the top side of the second distillation column 42. Can take out 12 C 16 O or the like having a relatively low boiling point in a state of being purified with high purity.

そして、精製工程においては、高純度に精製された一酸化炭素安定同位体を第2蒸留塔42に接続された最終ラインL13から、例えば、製品用ボンベ等に向けて送出される。 Then, in the purification step, the highly pure carbon monoxide stable isotope is delivered from the final line L13 connected to the second distillation column 42, for example, toward a product cylinder or the like.

なお、精製工程においては、上記の各処理に加え、さらに、第1蒸留塔41で回収されたHを、吸着器3、具体的には第2吸着器32に返送し、このHによって第2吸着器32の再生処理を行ってもよい。 In the purification step, in addition to each of the above treatments, H 2 recovered in the first distillation column 41 is returned to the adsorber 3, specifically, the second adsorber 32, and the H 2 is used. The second adsorber 32 may be regenerated.

(5)返送工程
次に、返送工程においては、精製工程において回収された、未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるCOを還元反応工程に返送して再反応に供する。
このように、本実施形態の酸素同位体置換方法においては、反応工程における未反応物(CH等の炭化水素)及び副生成物(H及びCO)を、再び還元反応工程(第1反応器1A)に戻すことで、原料に対する、所望の一酸化炭素安定同位体の収率が向上する。
(5) Return step Next, in the return step, the unreacted hydrocarbon and the by-product CO 2 recovered in the purification step are returned to the reduction reaction step for re-reaction.
As described above, in the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, the unreacted product ( hydrocarbon such as CH 4 ) and the by-product (H 2 and CO 2 ) in the reaction step are again reduced in the reduction reaction step (first). Returning to the reactor 1A) improves the yield of the desired stable carbon monoxide with respect to the raw material.

本実施形態の酸素同位体置換方法によれば、一酸化炭素安定同位体を含有する製品として、CO内における酸素同位体16O、17O及び18Oの各々が任意の同位体濃度になった化合物を提供することが可能になる。これにより、従来の方法では合成が困難であった同位体標識化合物を、例えば、アルコールやアルデヒド、エステル結合に対して、選択的且つ効率的な酸素同位体の導入することで得ることが可能となる。 According to the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, as a product containing a stable carbon monoxide isotope , each of the oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O in CO has an arbitrary isotope concentration. It becomes possible to provide a compound. This makes it possible to obtain isotope-labeled compounds that were difficult to synthesize by conventional methods, for example, by introducing oxygen isotopes selectively and efficiently for alcohol, aldehyde, and ester bonds. Become.

上述したように、13Cを含むCO分離する蒸留(精製工程)を行うにあたっては、Cには12C及び13Cの炭素同位体が存在し、また、Oには酸素同位体16O、17O及び18Oが存在し、天然存在比率より、13Cを含むCOのうちのほとんどが1316O(分子量:29)である。一方、従来の方法では、蒸留による濃縮が進むにつれて、1217O(分子量:29)、1218O(分子量:30)、1317O(分子量:30)及び1318O(分子量:31)の濃縮が同時に進行するため、13Cの濃縮を十分な高濃度で行うことが出来なかった。これに対し、本実施形態では、Oを単一の酸素同位体に置換するように調整することで、13Cを含むCOを効率よく濃縮することが可能になる。 As described above, 13 in performing distillation (purification step) for CO separation including the C, there is a carbon isotope of 12 C and 13 C is and C, also the O oxygen isotope 16 O, 17 O and 18 O are present, from the natural abundance ratio, mostly 13 C 16 O (molecular weight: 29) of the CO containing 13 C is. On the other hand, in the conventional method, as the concentration by distillation progresses, 12 C 17 O (molecular weight: 29), 12 C 18 O (molecular weight: 30), 13 C 17 O (molecular weight: 30) and 13 C 18 O (molecular weight: 30). : 31) could not be concentrated at a sufficiently high concentration because the concentration of 13 ) proceeded at the same time. On the other hand, in the present embodiment, CO containing 13 C can be efficiently concentrated by adjusting O to be replaced with a single oxygen isotope.

<その他の形態>
以上、実施形態により本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置の一例を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、蒸留塔3を第1蒸留塔41及び第2蒸留塔42の2基が設けられた例を説明しているが、これには限定されず、任意の基数に設定することが可能である。
<Other forms>
Although an example of the oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus according to the present invention has been described above according to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. Each configuration and a combination thereof in the above-described embodiment are examples, and the configuration can be added, omitted, replaced, and other changes are possible without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the present embodiment, an example in which the distillation column 3 is provided with two units of the first distillation column 41 and the second distillation column 42 is described, but the present invention is not limited to this, and an arbitrary number of units is set. It is possible.

<作用効果>
以上説明したように、本実施形態の酸素同位体置換方法によれば、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を有した構成を採用している。このような、還元反応工程と酸化反応工程とを順次備えた構成を採用することで、一酸化炭素COの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入できる。従って、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。
<Effect>
As described above, according to the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, carbon monoxide CO containing at least carbon isotopes 12 C and 13 C is reacted with H 2 to 12 C, 13 C or carbonized. A reduction reaction step to convert to any of hydrogen and any of 12 C, 13 C or hydrocarbons reacted with H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O to produce any oxygen isotope. By introduction, one of the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is selectively produced. It employs a configuration having an oxidation reaction step of causing the carbonation. By adopting such a configuration in which the reduction reaction step and the oxidation reaction step are sequentially provided, an arbitrary oxygen isotope can be efficiently introduced into the carbon monoxide CO at an arbitrary ratio. Therefore, a high-purity carbon monoxide stable isotope having a desired oxygen isotope can be efficiently obtained on an industrially productive scale at low cost.

また、本実施形態の酸素同位体置換方法においては、さらに、上述した精製工程を備えることで、一酸化炭素安定同位体を含む混合ガスを効率的に分離精製し、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能になる。
さらに、上記の返送工程を備えることで、原料を無駄にすることなく効率的な平衡反応を生じさせることができ、高純度の一酸化炭素安定同位体が安価に得られる。
Further, in the oxygen isotope substitution method of the present embodiment, by further providing the above-mentioned purification step, the mixed gas containing the stable carbon monoxide isotope can be efficiently separated and purified, and the desired stable carbon monoxide isotope can be separated and purified. It is possible to obtain the body with high purity.
Further, by providing the above-mentioned return step, an efficient equilibrium reaction can be generated without wasting the raw material, and a high-purity carbon monoxide stable isotope can be obtained at low cost.

次に、本実施形態の酸素同位体置換装置10によれば、少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを反応させて12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する第1反応器1Aと、12C、13C又は炭化水素の何れかと酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる第2反応器1Bと、を備えた構成を採用している。このように、還元反応を行う第1反応器1Aと、酸化反応を行う第2反応器1Bとを順次備えた構成を採用することにより、上記同様、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、低コストで効率的に得ることが可能になる。 Next, according to the oxygen isotope substitution apparatus 10 of the present embodiment, carbon monoxide CO containing at least carbon isotopes 12 C and 13 C is reacted with H 2 to produce 12 C, 13 C or hydrocarbon. The first reactor 1A that converts to either is reacted with any of 12 C, 13 C or hydrocarbons and H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O to produce any oxygen isotope. By introduction, one of the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is selectively produced. A configuration is adopted in which the second reactor 1B and the second reactor 1B are provided. As described above, by adopting a configuration in which the first reactor 1A for performing the reduction reaction and the second reactor 1B for performing the oxidation reaction are sequentially provided, a high-purity one having a desired oxygen isotope as described above is adopted. It will be possible to obtain stable carbon oxide isotopes efficiently at low cost on an industrially productive scale.

また、本実施形態の酸素同位体置換装置10においては、さらに、上述した脱水器2、吸着器3、蒸留塔4、返送部5及び除湿器7を備えた構成を採用することにより、所望の酸素同位体を有する高純度の一酸化炭素安定同位体を、工業生産的なスケールで、さらに低コストで効率的に得ることが可能になる。 Further, in the oxygen isotope substitution device 10 of the present embodiment, a desired configuration including the above-mentioned dehydrator 2, adsorber 3, distillation column 4, return unit 5 and dehumidifier 7 is further adopted. High-purity carbon monoxide stable isotopes with oxygen isotopes can be efficiently obtained on an industrially productive scale at a lower cost.

本実施形態の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置10で得られる一酸化炭素安定同位体、特に、炭素同位体13Cを高濃度に含む一酸化炭素安定同位体1316Oは、例えば、医療分野等のトレーサとして極めて有用である。 Oxygen isotopic substitution method and the oxygen isotopic substitution device monoxide carbon isotope obtained in 10 of the present embodiment, in particular, carbon monoxide stable isotope 13 C 16 O comprising the carbon isotope 13 C in a high concentration, For example, it is extremely useful as a tracer in the medical field and the like.

以下、本発明の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置について、実施例を示してより詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。 Hereinafter, the oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples, and the gist thereof is changed. It can be changed as appropriate to the extent that it does not.

本実施例においては、図2に示すような酸素同位体置換装置10を用いて、以下に示す条件及び手順で一酸化炭素同位体1316Oの合成(反応)〜精製を行った。また、この際の、図2中に示す酸素同位体置換装置10中の各流路(A)〜(R)におけるガスの流量、濃度、濃度比について、下記表1に示した。 In the present embodiment, by using the oxygen isotopic substitution apparatus 10 as shown in FIG. 2, was synthesized (reaction) - Purification of carbon monoxide isotope 13 C 16 O under the conditions and procedures given below. Further, at this time, the flow rate, concentration, and concentration ratio of the gas in each of the flow paths (A) to (R) in the oxygen isotope substitution apparatus 10 shown in FIG. 2 are shown in Table 1 below.

まず、酸素同位体置換装置10を起動させ、別途準備した13C濃縮用蒸留塔から、第1反応器1Aに向けて、原料供給ラインL1を介して炭素同位体13Cを含む一酸化炭素CO(1Nm/h、16O:85.8%、17O:0.645%、18O:13.5%)を供給した(図2及び下記表1中に示す(A)を参照)。これとともに、水素供給ラインL2から原料供給ラインL1を介してH(5.0Nm/h)を混合した。さらに、第2蒸留塔42で予め処理された再生ガス(5.44Nm/h、CO:0.28%、H:91.86%、CH:2.53%、HO:0.00%、CO:5.33%)を、原料供給ラインL1を介して混合し、800℃、5atmとなる条件で第1反応器1A中に導入した(図2及び下記表1中に示す(Q)、(B)を参照)。なお、第2蒸留塔42で予め処理された再生ガス中の水素の流量が5.0Nm/hになった時点で、水素供給ラインL2からの水素の供給を停止した。 First, the oxygen isotope substitution device 10 is started, and the carbon monoxide CO containing the carbon isotope 13 C is started from the separately prepared 13 C concentration distillation tower toward the first reactor 1A via the raw material supply line L1. (1 Nm 3 / h, 16 O: 85.8%, 17 O: 0.645%, 18 O: 13.5%) was supplied (see FIG. 2 and (A) shown in Table 1 below). At the same time, H 2 (5.0 Nm 3 / h) was mixed from the hydrogen supply line L2 via the raw material supply line L1. Furthermore, pre-treated regeneration gas in the second distillation column 42 (5.44Nm 3 /h,CO:0.28%,H 2: 91.86 %, CH 4: 2.53%, H 2 O: 0 .00%, CO 2 : 5.33%) was mixed via the raw material supply line L1 and introduced into the first reactor 1A under the condition of 800 ° C. and 5 atm (in FIG. 2 and Table 1 below). (Q) and (B) shown). When the flow rate of hydrogen in the regenerated gas pretreated in the second distillation column 42 reached 5.0 Nm 3 / h, the supply of hydrogen from the hydrogen supply line L2 was stopped.

また、この際、第1反応器1A内には、予め、Niを主成分とする触媒を充填した状態とし、第1反応器1A内において、下記(2)式及び(4)式に示すような還元反応を生じさせ、13C及びCH(炭化水素)を含むガスを得た。
1318O+H13C+H 18O ・・・・・(2)
1318O+3H13CH+H 18O ・・・・・(4)
At this time, the first reactor 1A is pre-filled with a catalyst containing Ni as a main component, and the first reactor 1A is shown in the following equations (2) and (4). A reduction reaction was carried out to obtain a gas containing 13 C and CH 4 (hydrocarbon).
13 C 18 O + H 213 C + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (2)
13 C 18 O + 3H 213 CH 4 + H 2 18 O ・ ・ ・ ・ ・ (4)

次いで、第1反応器1Aにおける反応後の還元反応ガス(3.96Nm/h、CO:1.28%、H:25.34%、CH:34.77%、HO:38.25%、CO:0.37%)を10℃まで冷却した後、除湿器7に導入して除湿処理を行い、HOを除去した。 Then, the reduction reaction gas after the reaction in the first reactor 1A (3.96Nm 3 /h,CO:1.28%,H 2: 25.34 %, CH 4: 34.77%, H 2 O: 38 .25%, CO 2: after 0.37%) was cooled to 10 ° C., subjected to dehumidification process by introducing to the dehumidifier 7, to remove the H 2 O.

次いで、除湿器7で除湿した還元反応ガスに、接続ラインL5において水供給ラインL6から水蒸気(HO、30Nm/h、16O:99.8%、17O:0.038%、18O:0.23%)を混合し、第2反応器1B中に、1000℃、5atmとなる条件で導入した(図2及び下記表1中に示す(G)を参照)。この際、第2反応器1B内の雰囲気を、予め、Niを主成分とする触媒を充填した状態とし、下記(6)式及び(8)式に示すような酸化反応を生じさせた。
13C+H 16O→1316O+H ・・・・・(6)
13CH+H 16O→1316O+3H ・・・・・(8)
Next, steam (H 2 O, 30 Nm 3 / h, 16 O: 99.8%, 17 O: 0.038%, 18) from the water supply line L6 on the connection line L5 was added to the reduction reaction gas dehumidified by the dehumidifier 7. O: 0.23%) was mixed and introduced into the second reactor 1B under the conditions of 1000 ° C. and 5 atm (see FIG. 2 and (G) shown in Table 1 below). At this time, the atmosphere in the second reactor 1B was preliminarily filled with a catalyst containing Ni as a main component, and an oxidation reaction as shown in the following equations (6) and (8) was generated.
13 C + H 2 16 O → 13 C 16 O + H 2 ... (6)
13 CH 4 + H 2 16 O → 13 C 16 O + 3H 2 ... (8)

次いで、第2反応器1B内において酸化反応した酸化反応ガス(34.96Nm/h、CO:2.90%、H:14.30%、CH:0.39%、HO:81.57%、CO:0.83%;図2及び下記表1中に示す(H)を参照)を脱水処理するため、チラーからなる脱水器2で冷却した。
次いで、脱水処理後の反応ガスを第1吸着器31に導入して、より十分な脱水処理を実施した後、第2吸着器32に導入して、COを除去した(図2及び下記表1中に示す(J)、(K)を参照)。
Then, the oxidation reaction was the oxidation reaction gas in the second reactor 1B (34.96Nm 3 /h,CO:2.90%,H 2: 14.30 %, CH 4: 0.39%, H 2 O: 81.57%, CO 2 : 0.83%; see (H) in FIG. 2 and Table 1 below) was cooled in a dehydrator 2 made of a chiller for dehydration treatment.
Next, the reaction gas after the dehydration treatment was introduced into the first adsorber 31 to carry out a more sufficient dehydration treatment, and then introduced into the second adsorber 32 to remove CO 2 (FIG. 2 and the table below). (See (J) and (K) shown in 1).

次いで、第2吸着器でCOが除去された反応ガスを第1蒸留塔41に導入してHを除去し、さらに、第2蒸留塔42でCHを除去することにより、最終ラインL13を通じて一酸化炭素同位体CO(16O:99.7%、17O:0.039%、18O:0.21%)を得た(図2及び下記表1中に示す(M)、(R)を参照)。この際、第1蒸留塔41で除去されたHは、吸着器再生処理部6により、第2吸着器32に回送して再生処理に供した後(流量:5.0Nm/h)、この第2吸着器32で除去したCOとともに、第2返送ライン52により、第1返送ライン51及び原料供給ラインL1を介して第1反応器1Aに戻し、再反応に供した(図2及び下記表1中に示す(L)、(Q)を参照)。また、第2蒸留塔42で除去されたCHについても、第1返送ライン51、第2返送ライン52及び原料供給ラインL1を介して第1反応器1Aに戻し、再反応に供した(図2及び下記表1中に示す(N)、(Q)を参照)。 Next, the reaction gas from which CO 2 has been removed by the second adsorption column is introduced into the first distillation column 41 to remove H 2 , and further, CH 4 is removed by the second distillation column 42 to remove the final line L13. Carbon monoxide isotope CO ( 16 O: 99.7%, 17 O: 0.039%, 18 O: 0.21%) was obtained through (16 O: 99.7%, 18 O: 0.21%) ((M) shown in FIG. 2 and Table 1 below), ( See R)). At this time, H 2 removed by the first distillation column 41 is forwarded to the second adsorber 32 by the adsorber regeneration processing unit 6 for regeneration processing (flow rate: 5.0 Nm 3 / h). Together with the CO 2 removed by the second adsorber 32, the CO 2 was returned to the first reactor 1A by the second return line 52 via the first return line 51 and the raw material supply line L1 and subjected to rereaction (FIGS. 2 and 2). See (L) and (Q) shown in Table 1 below). Further, CH 4 removed in the second distillation column 42 was also returned to the first reactor 1A via the first return line 51, the second return line 52, and the raw material supply line L1 and subjected to rereaction (FIG. FIG. 2 and (N) and (Q) shown in Table 1 below).

下記表1中の(R)に示すように、得られた一酸化炭素同位体COは、16Oが選択的に濃縮されており、高純度なC16Oが得られた。 As shown in (R) in Table 1 below, 16 O was selectively concentrated in the obtained carbon monoxide isotope CO, and high-purity C 16 O was obtained.

Figure 0006889644
Figure 0006889644

以上説明したような実施例の結果より、本発明に係る酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置が、一酸化炭素COの内部に任意の酸素同位体を任意の比率で効率的に導入でき、所望の一酸化炭素安定同位体を高純度で得ることが可能であることが明らかである。 From the results of the examples described above, the oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus according to the present invention can efficiently introduce an arbitrary oxygen isotope into the carbon monoxide CO at an arbitrary ratio. It is clear that it is possible to obtain the desired stable carbon monoxide isotope with high purity.

本発明の酸素同位体置換方法及び酸素同位体置換装置によれば、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素安定同位体を選択的に得ることができ、特に、炭素同位体13Cを高濃度に含む1316Oを高濃度に含む製品を製造することが可能なので、例えば、医療分野等のトレーサの製造に好適である。 According to the oxygen isotope substitution method and the oxygen isotope substitution apparatus of the present invention, stable carbon monoxide isotopes including carbon isotopes 12 C and 13 C can be selectively obtained, and in particular, carbon isotope 13 C. Since it is possible to produce a product containing a high concentration of 13 C 16 O containing a high concentration of 13 C 16 O, it is suitable for, for example, manufacturing a tracer in the medical field or the like.

1A…第1反応器
1B…第2反応器
2…脱水器
3…吸着器
31…第1吸着器
32…第2吸着器
4…蒸留塔
41…第1蒸留塔
42…第2蒸留塔
5…返送部
51…第1返送ライン
52…第2返送ライン
6…吸着器再生処理部
7…除湿器
10…酸素同位体置換装置
L1…原料供給ライン
L2…水素供給ライン
L3…接続ライン
L4…排水ライン
L5…接続ライン
L6…水供給ライン
L7…接続ライン
L8…接続ライン
L9…排水ライン
L10…接続ライン
L11…接続ライン
L12…接続ライン
L13…最終ライン
1A ... 1st reactor 1B ... 2nd reactor 2 ... dehydrator 3 ... adsorber 31 ... 1st adsorber 32 ... 2nd adsorber 4 ... distillation column 41 ... 1st distillation column 42 ... 2nd distillation column 5 ... Return unit 51 ... 1st return line 52 ... 2nd return line 6 ... Adsorber regeneration processing unit 7 ... Dehumidifier 10 ... Oxygen isotope replacement device L1 ... Raw material supply line L2 ... Hydrogen supply line L3 ... Connection line L4 ... Drainage line L5 ... Connection line L6 ... Water supply line L7 ... Connection line L8 ... Connection line L9 ... Drain line L10 ... Connection line L11 ... Connection line L12 ... Connection line L13 ... Final line

Claims (10)

一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換方法であって、
少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを第1反応器内で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する還元反応工程と、
前記還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを第2反応器内で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる酸化反応工程と、を含むことを特徴とする酸素同位体置換方法。
An oxygen isotope substitution method that introduces an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide.
A reduction reaction step of reacting carbon monoxide CO containing at least carbon isotopes 12 C and 13 C with H 2 in the first reactor to convert it to either 12 C, 13 C or hydrocarbon.
Either 12 C, 13 C or hydrocarbon produced in the reduction reaction step is reacted with H 2 O containing oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O in the second reactor to obtain arbitrary oxygen. By introducing an isotope, one of the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is selected. An oxygen isotope substitution method comprising:
さらに、前記酸化反応工程における反応後の酸化反応ガスを脱水処理して、副生成物であるHOを除去した後、吸着器を用いて副生成物であるCOを回収し、
次いで、蒸留塔を用いて、前記酸化反応工程における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるHを回収することにより、前記酸化反応工程で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する精製工程を有することを特徴とする請求項1に記載の酸素同位体置換方法。
Further, the oxidation reaction gas after the reaction in the oxidation reaction step is dehydrated to remove H 2 O which is a by-product, and then CO 2 which is a by-product is recovered by using an adsorber.
Next, the stable carbon monoxide isotope produced in the oxidation reaction step is recovered by recovering the unreacted hydrocarbon and the by-product H 2 in the oxidation reaction step using a distillation column. The oxygen isotope substitution method according to claim 1, further comprising a purification step of purifying the body with high purity.
さらに、前記精製工程で回収された、前記未反応物である炭化水素、及び、前記副生成物であるCOを前記還元反応工程に返送して再反応に供する返送工程を有することを特徴とする請求項2に記載の酸素同位体置換方法。 Further, it is characterized by having a return step of returning the unreacted hydrocarbon and the by-product CO 2 recovered in the purification step to the reduction reaction step for re-reaction. The oxygen isotope substitution method according to claim 2. さらに、前記精製工程は、前記蒸留塔で回収されたHを前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の酸素同位体置換方法。 The oxygen isotope according to claim 2 or 3, wherein the purification step returns H 2 recovered in the distillation column to the adsorber and regenerates the adsorber. Replacement method. さらに、前記還元反応工程と前記酸化反応工程との間に、前記還元反応工程で生成された12C、13C又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるHOを除去する除湿工程が備えられていることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の酸素同位体置換方法。 Further, between the reduction reaction step and the oxidation reaction step, 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the reduction reaction step are dehumidified in a dehumidifier to obtain H 2 O which is a by-product. The oxygen isotope substitution method according to any one of claims 1 to 4, wherein a dehumidifying step for removing is provided. 一酸化炭素に任意の酸素同位体を導入する酸素同位体置換装置であって、
少なくとも、炭素同位体12C及び13Cを含む一酸化炭素COとHとを内部で反応させ、12C、13C又は炭化水素の何れかに変換する第1反応器と、
前記第1反応器で生成された12C、13C又は炭化水素の何れかと、酸素同位体16O、17O及び18Oを含むHOとを内部で反応させ、任意の酸素同位体を導入することにより、一酸化炭素安定同位体1216O、1217O、1218O、1316O、1317O又は1318Oのうちの何れかを選択的に生成させる第2反応器と、を備えることを特徴とする酸素同位体置換装置。
An oxygen isotope substitution device that introduces an arbitrary oxygen isotope into carbon monoxide.
A first reactor that internally reacts carbon monoxide CO containing at least carbon isotopes 12 C and 13 C with H 2 to convert it to either 12 C, 13 C or hydrocarbons.
Any of the 12 C, 13 C or hydrocarbons produced in the first reactor is internally reacted with H 2 O containing the oxygen isotopes 16 O, 17 O and 18 O to produce any oxygen isotope. By introduction, one of the stable carbon monoxide isotopes 12 C 16 O, 12 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 16 O, 13 C 17 O or 13 C 18 O is selectively produced. An oxygen isotope substitution apparatus comprising:
さらに、前記第2反応器における反応後の酸化反応ガスを脱水処理し、副生成物であるHOを除去する脱水器と、
副生成物であるCOを吸着して回収する吸着器と、
前記第2反応器における未反応物である炭化水素、及び、副生成物であるHを回収することにより、前記第2反応器で生成された前記一酸化炭素安定同位体を高純度に精製する蒸留塔と、を備えることを特徴とする請求項6に記載の酸素同位体置換装置。
Further, a dehydrator that dehydrates the oxidation reaction gas after the reaction in the second reactor to remove H 2 O as a by-product.
An adsorber that adsorbs and recovers CO 2 which is a by-product,
By recovering the unreacted hydrocarbon and the by-product H 2 in the second reactor, the stable carbon monoxide isotope produced in the second reactor is purified to high purity. The oxygen isotope substitution apparatus according to claim 6, further comprising a distillation column.
さらに、前記吸着器で回収された前記副生成物であるCO、及び、前記蒸留塔で回収された前記未反応物である炭化水素を、前記第1反応器に返送する返送部を備えることを特徴とする請求項7に記載の酸素同位体置換装置。 Further, it is provided with a return unit for returning the CO 2 which is the by-product recovered by the adsorber and the hydrocarbon which is the unreacted product recovered by the distillation column to the first reactor. The oxygen isotope substitution apparatus according to claim 7. さらに、前記蒸留塔で回収されたHを前記吸着器に返送し、該吸着器の再生処理を行うための吸着器再生処理部を備えることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の酸素同位体置換装置。 The seventh or eighth aspect of the present invention, further comprising an adsorber regeneration processing unit for returning the H 2 recovered in the distillation column to the adsorber and performing the regeneration processing of the adsorber. Oxygen isotope substitution device. さらに、前記第1反応器と前記第2反応器との間に、前記第1反応器で生成された12C、13C又は炭化水素を除湿器内で除湿処理し、副生成物であるHOを除去する除湿器が備えられていることを特徴とする請求項6〜請求項9の何れか一項に記載の酸素同位体置換装置。 Further, between the first reactor and the second reactor, 12 C, 13 C or a hydrocarbon produced by the first reactor is dehumidified in the dehumidifier, and H is a by-product. The oxygen isotope substitution apparatus according to any one of claims 6 to 9, wherein a dehumidifier for removing 2 O is provided.
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