JP6913786B1 - 安定同位体濃縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時間を長期化することなく設備コスト及び動力を低減し、効率的な濃縮が可能な安定同位体濃縮方法を提供する。【解決手段】カスケード接続された複数の蒸留塔（第１塔〜第ｍ塔；ｍは２以上の整数）１、９、１０、１１、１２、１３を用いる安定同位体を分離する方法であって、第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂寄りの位置にガス及び液の一方を供給し、前記第ｎ塔の塔頂寄りの位置から前記第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置にガス及び液の他方を返送し、各蒸留塔において、塔内を上昇するガスの流量を第１流量とし、前塔又は次塔より供給されるガス又は液の流量を第２流量とするとき、第２流量を第１流量の４体積％以上とする、安定同位体濃縮方法である。【選択図】図１

Description

本発明は、安定同位体濃縮方法に関する。

自然界に極僅かしか存在しない安定同位体を分離する方法として、熱拡散分離、遠心力分離、レーザ分離、化学交換分離、蒸留分離などの分離方法が知られている。これらの分離方法の中でも、蒸留分離は軽元素の大量生産に向いているため、たとえば工業的な酸素の安定同位体分離方法として、水の蒸留分離や酸素の蒸留分離が採用されている。

蒸留による安定同位体の分離方法の特徴として、分離係数が極めて１に近いため、高濃度の安定同位体を得るためには、数千程度の理論段数が必要となる。しかしながら、蒸留塔の高さには制限があることから、蒸留塔を複数に分割し、分割したこれらの複数の蒸留塔を直列に接続（以下、「カスケード接続」ともいう）することが必要となる。また、安定同位体は天然存在比が小さいため、原料のフィード量に対して製品量が非常に小さい。

そのため、直列に接続した複数の蒸留塔のうち、原料をフィードする塔の塔径が最も大きく、回収部・濃縮部の末端に近づくに従って塔内の製品の濃度が高くなることから塔径を小さくすることができる（「ステップカスケード」ともいう）。これにより、設備コストの削減だけでなく、液ホールドアップ量が減るために起動時間の短縮にも寄与する。一方で、塔径を小さくするためには、塔径を小さくした塔においてコンデンサとリボイラとをそれぞれ設ける必要があり、コンデンサ及びリボイラの数の増加によって動力の増加が生じる。

ところで、複数の蒸留塔を接続するには、ｎ番目の蒸留塔の塔底から液を次塔（ｎ＋１番目の蒸留塔）の塔頂に供給し、ｎ番目の蒸留塔の塔頂からガスを前塔（ｎ−１番目の蒸留塔）の塔底に供給することが一般的である。一方、特許文献１では、複数の蒸留塔を接続するに際し、ｎ番目の蒸留塔の塔底からガスを次塔（ｎ＋１番目の蒸留塔）の塔頂に供給し、ｎ番目の蒸留塔の塔頂から液を前塔（ｎ−１番目の蒸留塔）の塔底に供給する。

特許第５１３２８２２号公報

上述したように、同位体分離では、非常に長い蒸留塔を複数に分割し、これらを直列に接続して分離を行うが、コンデンサ及びリボイラを各塔に用意することで濃度により塔径を小さくさせて、必要動力を低減させると共に起動時間を短縮している。必要動力の低減には、各塔において上昇するガスを発生させるリボイラ、及び下降液を発生させるコンデンサの運転動力の低減に加え、各塔を接続するために必要な原料の流量を確保する必要がある。この接続流量が過大であるとコンデンサ及びリボイラの消費エネルギーか増大し、かつ配管が大きくなることから設備コストも増大する。一方、接続流量が不足すると各蒸留塔間で濃度の差が生まれ、効率的に濃縮することができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、起動時間を長期化することなく設備コスト及び動力を低減し、効率的な濃縮が可能な安定同位体濃縮方法を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明は以下の構成を採用する。
［１］ カスケード接続された複数の蒸留塔（第１塔〜第ｍ塔；ｍは２以上の整数）を用いる安定同位体を分離する方法であって、
第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂寄りの位置にガス及び液の一方を供給し、前記第ｎ塔の塔頂寄りの位置から前記第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置にガス及び液の他方を返送し、
各蒸留塔において、塔内を上昇するガスの流量を第１流量とし、前塔又は次塔より供給されるガス又は液の流量を第２流量とするとき、第２流量を第１流量の４体積％以上とする、安定同位体濃縮方法。
［２］ 前記安定同位体が^１８Ｏであり、
前記第２流量を前記第１流量の４体積％以上とする、前項［１］に記載の安定同位体濃縮方法。

本発明の安定同位体濃縮方法によれば、起動時間を長期化することなく設備コスト及び動力を低減し、効率的な濃縮が可能となる。

本発明の実施形態に係る安定同位体濃縮方法に適用可能な安定同位体濃縮装置の構成を示す系統図である。 本発明の効果を検証するためのグラフである。 本発明の効果を検証するためのグラフである。 本発明の効果を検証するためのグラフである。 本発明の効果を検証するためのグラフである。 本発明の効果を検証するためのグラフである。 本発明の効果を検証するためのグラフである。

以下、本発明について、添付の図面を参照し、実施形態を示して詳細に説明する。
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に、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜安定同位体濃縮装置＞
本発明の実施形態に係る安定同位体濃縮方法に適用可能な安定同位体濃縮装置の構成を示す系統図である。
本実施形態の安定同位体濃縮装置３００は、１３基の蒸留塔１〜１３がカスケード接続された蒸留塔群と、同位体スクランブラ２５と、１３基のコンデンサ２１と、１３基のリボイラ２２と、原料供給ライン３０と、製品導出ライン３１と、同位体濃縮ガス抽出ライン３６と、同位体濃縮ガス返送ライン３７と、を備える。本実施形態の安定同位体濃縮装置３００は、原料化合物中に含まれる任意の安定同位体元素を含む安定同位体化合物（以下、単に「安定同位体」という場合もある）成分を高濃度に濃縮する装置である。

また、安定同位体濃縮装置３００は、各蒸留塔間に、前塔から次塔へ原料を供給する供給ライン３４と、次塔から前塔へ原料を返送する返送ライン３５と、をそれぞれ備える。
供給ライン３４には、開閉弁２３がそれぞれ設けられている。
返送ライン３５には、開閉弁２４がそれぞれ設けられている。

以下、蒸留塔群の上流側末端からｎ番目の蒸留塔を第ｎの蒸留塔という。
なお、図１では、紙面の都合上、第１〜第１３の蒸留塔１〜１３のうち、高純度原料化合物（以下、単に「原料」という場合がある）が供給される第１の蒸留塔１と、第９〜第１３の蒸留塔９〜１３のみを図示する。

第１〜第１３の蒸留塔１〜１３は、原料が供給される第１の蒸留塔１、第２の蒸留塔２、第３の蒸留塔３、第４の蒸留塔４、第５の蒸留塔５、第６の蒸留塔６、第７の蒸留塔７、第８の蒸留塔８、第９の蒸留塔９、第１０の蒸留塔１０、第１１の蒸留塔１１、第１２の蒸留塔１２、第１３の蒸留塔１３（蒸留塔群の下流側末端の蒸留塔）の順で、カスケード接続されている。

第１〜第１３の蒸留塔１〜１３は、安定同位体元素を含む安定同位体化合物を蒸留する（蒸留カスケードプロセスを行う）ことで、塔頂側に沸点の低い軽成分の安定同位体化合物を濃縮し、塔底側に沸点の高い重成分の安定同位体化合物を濃縮するようになっている。
第１〜第１３の蒸留塔１〜１３のうち、原料が供給される第１の蒸留塔１が最も蒸留負荷が大きいため、最も塔径が大きくなっている。また、通常は重成分の安定同位体の組成が小さいため、第１の蒸留塔１から上流側末端および下流側末端に向かって徐々に蒸留負荷が小さくなっている（塔径が小さくなっている）。
なお、第１〜第１３の蒸留塔１〜１３内にはそれぞれ、精留（棚）段、規則充填材、又は不規則充填材等（いずれも図示せず）が設けられている。

供給ライン３４の一端は、第（ｎ−１）の蒸留塔（１＜ｎ≦ｍ；ｍは２以上の整数）の塔底寄りの位置に接続されている。また、供給ライン３４の他端は、第ｎの蒸留塔の塔頂寄りの位置と接続されている。供給ライン３４には、第（ｎ−１）の蒸留塔内のガスが導出される。供給ライン３４に導出された原料ガスは、開閉弁２３によって流量が制御された後に、第ｎ塔の蒸留塔内に導入される。

返送ライン３５の一端は、第ｎの蒸留塔の塔頂寄りの位置と接続されている。また、返送ライン３５の他端は、第（ｎ−１）の蒸留塔（１＜ｎ≦ｍ；ｍは２以上の整数）の塔底寄りの位置に接続されている。返送ライン３５には、第ｎ塔の蒸留塔内の液が導出される。返送ライン３５に導出された原料液は、開閉弁２４によって流量が制御された後に、第（ｎ−１）の蒸留塔内に導入される。

コンデンサ２１は、各蒸留塔（第１〜第１３の蒸留塔１〜１３）に対してそれぞれ１つ設けられている。
コンデンサ２１は、各蒸留塔の塔頂部の異なる位置に両端が接続された循環ライン３２に設けられている。コンデンサ２１は、蒸留塔内を上昇した気体を熱交換することで液化させ、再び蒸留塔内を下降させる機能を有する。コンデンサ２１は、各塔の塔頂圧力を下げることができ、直列に接続した場合の圧力上昇による分離係数の低下を防ぐことができる。この例では、複数のコンデンサ２１を経て熱媒体流体を循環させる熱媒体流体循環ライン３８が設けられており、この熱媒体流体循環ライン３８を循環する熱媒体流体によって熱交換が行われるようになっている。

リボイラ２２は、各蒸留塔に対してそれぞれ１つ設けられている。
リボイラ２２は、各蒸留塔の塔底部の異なる位置に両端が接続された循環ライン３３に設けられている。リボイラ２２は、蒸留塔内を下降した液体を熱交換することで気化させ、再び蒸留塔内を上昇させる機能を有する。この例では、複数のリボイラ２２を経て熱媒体流体を循環させる熱媒体流体循環ライン３９が設けられており、この熱媒体流体循環ライン３９を循環する熱媒体流体によって熱交換が行われるようになっている。

原料供給ライン３０は、一端が第１の蒸留塔１の中間部に接続されている。原料供給ライン３０は、高純度原料を第１の蒸留塔１の中間部に供給するためのラインである。原料供給ライン３０には、バルブが設けられている。
蒸留塔の中間部とは、蒸留塔の塔頂部および塔底部以外の位置を示す。
高純度とは、原料の不純物濃度合計が０．００１％以下であることを示す。

なお、本実施形態の液化ガス供給方法で濃縮可能な安定同位体化合物は、特に限定されない。濃縮可能な安定同位体化合物としては、例えば、酸素、水、一酸化炭素、一酸化窒素等が挙げられる。

同位体濃縮ガス抽出ライン３６は、一端が第１０の蒸留塔１０の中間部に接続され、他端が同位体スクランブラ２５に接続されている。同位体濃縮ガス抽出ライン３６には、バルブ２６が設けられている。
同位体濃縮ガス抽出ライン３６は、バルブ２６が開の状態のとき、第１０の蒸留塔１０から原料化合物の一部又は全部を導出し、同位体スクランブラ２５に供給するようになっている。
第１０の蒸留塔１０から導出される原料化合物は、第１〜第１０の蒸留塔１〜１０によって濃縮された安定同位体化合物を含む。

同位体スクランブラ２５は、同位体交換反応（同位体スクランブリング）によって一の安定同位体元素を含む安定同位体化合物を、他の安定同位体元素を含む安定同位体化合物に変換する。これにより、所望の安定同位体元素を含む安定同位体化合物の濃度をさらに高めた濃縮物を得ることができる。同位体濃縮ガス返送ライン３７により第１０の蒸留塔１０に返送される。

同位体濃縮ガス返送ライン３７は、一端が同位体スクランブラ２５に接続され、他端が第１０の蒸留塔１０に接続されている。同位体濃縮ガス返送ライン３７には、バルブ２７が設けられている。
同位体濃縮ガス返送ライン３７は、バルブ２７が開の状態のとき、同位体スクランブラ２５から所望の安定同位体元素を含む安定同位体化合物の濃度をさらに高めた濃縮物を、第１０の蒸留塔１０に返送する。
第１０の蒸留塔１０に返送された原料化合物は、第１１〜第１３の蒸留塔１１〜１３で蒸留され、所望の安定同位体元素を含む安定同位体化合物がさらに濃縮される。

製品導出ライン（導出ライン）３１は、濃縮された所望の安定同位体元素を含む安定同位体化合物を製品として導出するための経路である。製品導出ライン３１は、一端が第１３の蒸留塔１３の下部（底部寄りの位置）に接続されている。

＜安定同位体濃縮方法＞
次に、図１を参照して、本発明の実施形態に係る安定同位体濃縮方法について説明する。本実施形態では、図１に示す安定同位体濃縮装置３００を用いて安定同位体を濃縮する。

本実施形態の安定同位体濃縮方法は、カスケード接続された複数の蒸留塔（第１塔〜第ｍ塔；ｍは２以上の整数）を用いる安定同位体を分離する方法であって、第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂寄りの位置にガスを供給し、前記第ｎ塔の塔頂寄りの位置から前記第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置に液を返送する。
そして、各蒸留塔（図１に示す安定同位体濃縮装置３００では、第２の蒸留塔２〜第１３の蒸留塔１３）において、塔内を上昇するガスの流量を第１流量とし、前塔より供給されるガスの流量を第２流量とするとき、第２流量を第１流量の４体積％以上とする。

ここで、本実施形態の安定同位体濃縮方法によれば、第２流量を第１流量の４体積％以上とすることで、各塔の濃度にギャップが生じることがないため、効率的な濃縮が可能となる。また、第１流量に対する第２流量は、５体積％以上とすることがより好ましい。

また、後述する実施例にて説明するように、安定同位体が^１８Ｏである場合であっても、第２流量を第１流量の４体積％以上とすることが好ましい。このように安定同位体濃縮装置３００を運転することで、装置の安定時における第１３の蒸留塔１３の塔底部から送出される酸素ガスの安定同位体分子の存在割合を、^１８Ｏが９７原子％以上とすることができる。

また、第１流量に対する第２流量の上限値は、消費エネルギー削減の観点から、３０体積％以下とすることが好ましい。

一方、カスケードプロセスでは、前塔への返送ライン３５も必要である。この流量は供給ライン３４の流量とほぼ同じにする必要がある。この流路に関する配管や開閉弁の大きさやリボイラやコンデンサの投入エネルギーを最少にできる。

本実施形態の安定同位体濃縮方法によれば、蒸留塔間を接続するガスあるいは液体の流量を、塔内を上昇するガスの流量（第１流量）の４〜３０体積％に制御することで、各塔間の濃度のスムースな接続を維持できる。これにより、各塔に設置されたリボイラ及びコンデンサで消費されるエネルギーを低減でき、高純度の製品を採取できる。

以上説明したように、本実施形態の安定同位体濃縮方法によれば、安定同位体濃縮装置３００の起動時間を長期化することなく、設備コスト及び動力を低減し、効率的な濃縮が可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、安定同位体濃縮装置３００の蒸留塔群を構成する蒸留塔（カスケード接続された蒸留塔）の数は、１３基に限定されず、任意の基数にすることができる。蒸留塔については、規則充填物が充填された充填塔に限定されず、不規則充填物が充填された充填塔、棚段塔であってもよい。

同位体スクランブラが接続されるのは、第１０の蒸留塔１０に限定されず、第１０の蒸留塔１０以外の蒸留塔であってもよい。ただし、同位体スクランブラ２５が接続された蒸留塔の少なくとも１つは、蒸留塔群の下流側末端に配置された蒸留塔以外の蒸留塔である。なお、上記実施形態の安定同位体濃縮装置３００では、同位体スクランブラ２５を備える構成を一例として説明したが、使用する流体により同位体スクランブラ２５が不要な構成であってもよい。

また、上記実施形態の安定同位体濃縮装置３００では、原料供給の塔が第１塔である構成を一例として説明したが、これに限るものではなく、原料の組成や要求される収率により第１塔以外に設ける構成であってもよい。

上記実施形態では、安定同位体濃縮方法に適用する安定同位体濃縮装置３００が、コンデンサ２１およびリボイラ２２をそれぞれ各蒸留塔に設ける構成を一例として説明したが、これに限定されない。例えば、コンデンサ２１とリボイラ２２は、数塔おきに設ける構成であってもよい。

また、上述した実施形態では、安定同位体濃縮方法に適用する安定同位体濃縮装置３００が、第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂寄りの位置にガスを供給し、前記第ｎ塔の塔頂寄りの位置から前記第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置に液を返送する構成を一例として説明したが、これに限定されない。安定同位体濃縮装置が、第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂寄りの位置に液を供給し、前記第ｎ塔の塔頂寄りの位置から前記第（ｎ−１）塔の塔底寄りの位置にガスを返送する構成であってもよい。このような構成を採用することで、各蒸留塔に設けるコンデンサ２１およびリボイラ２２の容量を小型にできるが、次塔に液体を供給するために液ポンプが必要となるため、消費エネルギー量の調整を要する。

以下、検証試験によって本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。

＜検証試験１＞
（試験例１）
図１に示す安定同位体濃縮装置３００を用いて、^１８Ｏの濃縮を行った。蒸留塔群は１３本の蒸留塔で構成し、蒸留塔は充填塔とした。コンデンサ２１の寒冷源には液化窒素を用い、熱媒体流体循環ライン３８より各コンデンサ２１に液化窒素を供給した。リボイラ２２の熱源にはガス窒素を用い、熱媒体流体循環ライン３９より各リボイラ２２にガス窒素を供給した。

また、安定同位体濃縮装置３００には、同位体スクランブラ２５が設けられ、同位体濃縮ガス抜出ライン３６の一端が第１０の蒸留塔１０に接続され、他端が同位体スクランブラ２５に接続されており、酸素の一部または全部を抜出して同位体スクランブラ２５に供給される。同位体スクランブラ２５にて同位体交換反応がされた酸素は、同位体濃縮ガス返送ライン３７より第１０の蒸留塔１０に返送される。

原料高純度酸素の組成は、天然存在比であった。各蒸留塔の塔頂圧力は、２０ｋＰａＧであった。装置の安定時における第１３の蒸留塔１３の塔底部から送出される酸素ガスの安定同位体分子の存在割合は、^１８Ｏが９７原子％以上となるように設定した。各塔を接続するガス及び液の流量は、各塔の上昇ガスの流量の５％とした。

図２は、試験例１における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図２に示すように、試験例１によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９７．５原子％であった。

（試験例２）
試験例２では、各塔を接続するガス及び液の流量を、各塔の上昇ガスの流量の４％とした以外は、試験例１と同様の装置構成および運転条件とした。
図３は、試験例２における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図３に示すように、試験例２によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９７．１原子％であった。

（試験例３）
試験例３では、各塔を接続するガス及び液の流量を、各塔の上昇ガスの流量の３％とした以外は、試験例１と同様の装置構成および運転条件とした。
図４は、試験例３における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図４に示すように、試験例３によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９６．３原子％であり、設定値を僅かに下回った。

試験例１〜２では、各塔を接続するガス及び液の流量が、各塔の上昇ガスの流量の４％以上であり、設備を適正な大きさとし、かつ消費エネルギーも最適であった。
一方、試験例３では、各塔を接続するガス及び液の流量が、各塔の上昇ガスの流量の４％未満であり、各塔の濃度分布にギャップが発生し、高濃度の製品が採取できなくなった。

＜検証試験２＞
（試験例４）
図１に示す安定同位体濃縮装置３００を用いて、^１８Ｏの濃縮を行った。^１８Ｏが９８原子％以上となるように設定した以外の条件は試験例１と同じである。つまり、各塔を接続するガス及び液の流量は、各塔の上昇ガスの流量の５％とした。
図５は、試験例４における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図５に示すように、試験例４によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９８．２原子％であった。

（試験例５）
試験例５では、各塔を接続するガス及び液の流量を、各塔の上昇ガスの流量の４％とした以外は、試験例４と同様の装置構成および運転条件とした。
図６は、試験例５における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図６に示すように、試験例５によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９８．０原子％であった。

（試験例６）
試験例６では、各塔を接続するガス及び液の流量を、各塔の上昇ガスの流量の３％とした以外は、試験例４と同様の装置構成および運転条件とした。
図７は、試験例６における各蒸留塔の濃度分布を示す。
図７に示すように、試験例６によれば、最終塔（第１３の蒸留塔１３）において、目的の^１８Ｏ濃度は９７．６原子％であり、設定値を下回った。

試験例４〜５では、各塔を接続するガス及び液の流量が、各塔の上昇ガスの流量の４％以上であり、設備を適正な大きさとし、かつ消費エネルギーも最適であった。
一方、試験例６では、各塔を接続するガス及び液の流量が、各塔の上昇ガスの流量の４％未満であり、各塔の濃度分布にギャップが発生し、高濃度の製品が採取できなくなった。

検証試験１及び２の結果によれば、製品となる^１８Ｏの仕様を複数の条件（９８原子％以上、９７原子％以上）において、各塔を接続するガス及び液の流量を各塔の上昇ガスの流量の４％以上とすることで、高濃度の製品の採取が可能となった。

複数の蒸留塔を直列に接続（カスケード接続）した蒸留塔群を備える蒸留装置を用いて、安定同位体原子を含む安定同位体を濃縮する、安定同位体濃縮方法に利用可能性を有する。

１、９、１０、１１、１２、１３・・・蒸留塔
２１・・・コンデンサ
２２・・・リボイラ
２３，２４・・・開閉弁
２５・・・同位体スクランブラ
３０・・・原料供給ライン
３１・・・製品導出ライン（導出ライン）
３４・・・供給ライン
３５・・・返送ライン
３００・・・安定同位体濃縮装置

Claims (2)

1. カスケード接続された複数の蒸留塔（第１塔〜第ｍ塔；ｍは２以上の整数）を用いる安定同位体を濃縮する方法であって、
   第（ｎ−１）塔の塔底から第ｎ塔（１＜ｎ≦ｍ）の塔頂にガス及び液の一方を供給し、前記第ｎ塔の塔頂から前記第（ｎ−１）塔の塔底にガス及び液の他方を返送し、
   各蒸留塔において、塔内を上昇するガスの流量を第１流量とし、前塔又は次塔より供給されるガス又は液の流量を第２流量とするとき、第２流量を第１流量の４体積％以上とする、安定同位体濃縮方法。
2. 前記安定同位体が^１８Ｏであり、
   前記第２流量を前記第１流量の４体積％以上とする、請求項１に記載の安定同位体濃縮方法。

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