JPH0347518A - 窒素および酸素の同位体の濃縮法およびその装置 - Google Patents

窒素および酸素の同位体の濃縮法およびその装置

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JPH0347518A
JPH0347518A JP1181881A JP18188189A JPH0347518A JP H0347518 A JPH0347518 A JP H0347518A JP 1181881 A JP1181881 A JP 1181881A JP 18188189 A JP18188189 A JP 18188189A JP H0347518 A JPH0347518 A JP H0347518A
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oxygen
isotopes
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JP1181881A
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Shohei Isomura
磯村 昌平
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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    • F25J3/00Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/08Separating gaseous impurities from gases or gaseous mixtures or from liquefied gases or liquefied gaseous mixtures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2215/42Nitrogen or special cases, e.g. multiple or low purity N2
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 窒素および酸素の同位体は、天然に14N;99、63
%、”N;0.366%、”O;99.76%、”0;
0.038%、laQ、Q。204%の割合で存在し、
重成分同位体の存在割合は比較的少ない。近年、これら
の同位体の利用が各方面の学問、技術分野で活発になり
、特にライフサイエンスの分野において顕著である。し
かるにこれらの同位体のラベル化合物の価格は非常に高
価なものであり、1グラム致方円から数十万円に及ぶも
のである。当然このようなコスト高は利用面の大きな妨
げとなり、原料となる同位体を安価にできる濃縮法が期
待されている。
本発明は、窒素および酸素の同位体の濃縮法に関し、詳
しくは硝酸と一酸化窒素との化学交換法による窒素同位
体濃縮プロセスと、一酸化窒素の低温蒸留法による窒素
および酸素同位体の濃縮プロセスを結合させ、窒素およ
び酸素の重成分同位体の回収方法については一酸化窒素
の低温蒸留装置に回収塔を設けることにより達成させる
。窒素および酸素の同位体を効率的かつ経済的に濃縮す
る方法およびその方法に使用する装置に関する。
(従来の技術) 従来、窒素および酸素の同位体の濃縮は種々な方法によ
り試みられてきたが、工業的に実用化された方法は、硝
酸・一酸化窒素化学交換法(以下No−HNo、交換法
と記す)による窒素同位体の濃縮法(G、 M、 Be
gen、  J、S 、Drury and E、F。
Joeepls、 : Ind、 and Eng、C
heme、51.9.1035 (1959))、水の
蒸留法による酸素同位体の濃縮法(1,Dostrov
sky and M、εpstein。
“5table l5otopes、  Procee
d、 of theInternational Co
uf、 Jiilich、 P693 (1981))
、一酸化窒素、低温蒸留法(以下NO蒸留法と記す)に
よる窒素および酸素同位体の濃縮法(K、 C1usi
usandに、5chleich、 ; )lelv、
 Chem、 Acta、 41.1342 。
(1958))などがある。以上の三つの方法はそれぞ
れ利点、欠点を有しているが、現在の技術としては最も
優れた方法としていまだに工業的に採用されている。こ
れらの従来法を比較検討してみると第1表に示すように
なる。
ここで、重酸素濃縮法の一つである水蒸留法は原料が安
価である利点を有するが、分離係数が1、0046と小
さく、したがって装置の規模が非常に大きくなる。装置
規模は(α−1)2に反比例すると云われている。した
がって同一生産量をもったNo蒸留法にくらベロ5倍も
装置規模が大きくなる。
No蒸留法は、窒素および酸素の同位体を同時に濃縮で
きる大きな利点を有している。また分離係数も”Nに関
しては1.027.180に関しては1、037と同位
体の分離係数としては比較的大きい。操作温度が一15
1℃の低温であることの欠点もあるが、窒素、酸素の同
位体を濃縮するのに適したプロセスである。大きな欠点
としては原料である一酸化窒素が高価であるため必然的
に製品コストが高くなることである。
窒素同位体の濃縮法であるNo−HNO3交換反応法は
、第2図の概念図に示すような装置によりISNの生産
を行っている。原料として約10規定の硝酸を濃縮塔1
0塔頂に与える。濃縮塔10を経て還流塔12に達した
硝酸は還流材としてS02を与えると(1)式で示す反
応が起り、硝酸に含まれる窒素原子はすべてNoとなる
HNOj+SO2→N O+ H2S O4(1)また
、同時に生成されるH 2 S 04は装置外に排出さ
れる。
還流塔12において生成したNOは再びa縮塔10に還
流され塔頂へと向う。濃縮塔10内においてはNoとH
N Osとの気・液接触により(2)式の化学交換反応
を生ずる。
(2)式の反応によりNO中の15Nは硝酸中の”Nと
交換して分離係数α=1.06倍だけ”Nが移重してゆ
く。濃縮塔10内には気・液接触を良好にするように充
填物が充填されており、(2)式の反応が何役にも重畳
されるので塔頂から塔底に向うにしたがって硝酸中のI
sNは濃縮されてゆ(。一方、回収塔14を上昇したN
oは酸化塔16において0□と反応し、NO2、N2O
3、N2O4など(D高次の酸化物となり、吸収塔18
において水と反応して再び硝酸、亜硝酸などになって回
収塔14へと至る。回収塔14内でも(2)式の反応が
生ずるので回収塔14塔頂では”Nの減損したNoガス
が排出されてくる。
No  HNO3交換反応プロセスで問題となるのは、
供給原料の硝酸が10規定と定めると、回収塔14塔頂
より入る硝酸も10規定となる必要がある。そのために
は酸化塔16および吸収塔16の設計および操作制御は
厳密にする必要がある。本プロセスで操作上のトラブル
の原因となるのは回収塔の部分が多い。
(発明が解決しようとする課題) 以上の従来法にしたがった窒素および酸素の同位体を効
率的かつ経済的に濃縮するためには、No蒸留法では原
料である一酸化窒素の価格を安価にすることであり、N
 O−HN O3交換法では重成分同位体の回収法を簡
単かつ効率的にすることである。本発明者は、これらの
従来法の欠点を明らかにし検討を加えた。
(課題を解決するための手段) 本発明は、第一段階としてNo−HNO3交換法による
プロセスで窒素同位体を濃縮し、該プロセスより排出す
るNoガスを精製装置に導びき純度の高いNoガスとし
、次いで第二段階として該NoガスをNo蒸留法による
プロセスに供給し、濃縮塔において窒素および酸素の重
成分同位体を濃縮し、また該プロセスに設置した回収塔
にふいて窒素および酸素の重成分同位体を回収すること
を特徴とする窒素および酸素の同位体濃縮法である。
(作用) 以下に本発明の詳細な説明する。第1図は本発明を模式
的に示した説明図である。No−HNO3交換塔10に
約10規定に調製された硝酸を塔頂より一定流量で供給
する。交換塔10を経て塔底に達した硝酸は還流塔に至
り亜硝酸ガスと反応して一酸化窒素と硫酸とに変化する
。一酸化窒素は再び交換塔へ還流される。また硫酸は系
外へと排出される。交換塔lO内では(2)式に従って
一酸化窒素と硝酸とで窒素同位体の交換反応が生じ、硝
酸中にIsNが濃縮される。交換塔10の塔底に向うに
したがって”Nは濃縮されてくるので、塔底において”
Nの製品を得ることができる。
一方、塔頂より出る一酸化窒素ガスにはNO□、N2O
3、N2O4など高次の窒素酸化物が含まれている。こ
の一酸化窒素をNO蒸留プロセスの供給原料として用い
るには、これらの不純物を除く必要がある。水洗浄21
、ガス乾燥器22、深冷分離器23の方法を組合わせた
No精製装置20により不純物を除去した高純度の一酸
化窒素ガスを得ることができる。このようにして精製さ
れた一酸化窒素はNo蒸留塔に与えられる。
No蒸留塔は濃縮塔24と回収塔26から成り、濃縮塔
24塔底にはりボイラー30が、回収塔26塔頂には凝
縮器28が設置されている。濃縮塔24においては窒素
および酸素の重成分同位体である1SNSI70.18
0が塔底に向うにしたがって濃縮されてゆき、回収塔2
6においては塔頂に向うにしたがってこれらの重成分同
位体は減損されてゆ(。したがって、濃縮塔24塔底に
おいて15NS′80の製品を、塔中間部においてM7
Qの製品を、回収塔26塔頂において14NS′60の
製品をそれぞれ得ることができる。
(効果) 以上のように本発明は、従来法の欠点である高価な原料
である一酸化窒素をNo  HNO!交換法によりIs
Nを製造しつつ作ることができ、純度の高い一酸化窒素
はNO精製装置により得ることができる。また重成分同
位体の回収は、No蒸留法に回収塔を設置することによ
り、また塔頂に液体窒素冷却による凝縮器を設置するこ
とにより簡単に一酸化窒素を液化し還流することができ
るので、No−HNo、交換法の例のように複雑な装置
、操作も必要でなく容易に達成することができる。
したがって、本発明は窒素および酸素の同位体を効率的
かつ経済的に濃縮し、これらの同位体を安価に提供する
ことができる。
(実施例) 次に第1図の概念図にしたがった本発明による装置によ
り、窒素および酸素の同位体を濃縮した実施例を示す。
NOHNO3交換塔として、内径60m、高さ9mの大
きさの第1塔と、内径25mm、高さ9mの大きさの第
2塔により2段のカスケードに構成した交換塔を建て、
それぞれの塔には充填材として直径3mmのデイクソン
バッキング(商品名)を充填した。また多塔の塔底には
硝酸を一酸化窒素に変換する還流塔を設置した。第1塔
には10規定の硝酸を毎時31の流量で供給し、第1塔
の塔底より硝酸を一部引き抜き毎時0.61の流量で第
2塔頂に与えた。このようにして窒素同位体の濃縮が平
衡状態に達したとき、第2塔の塔底より濃度99%のI
SNを1日2gの生産量で”Noの製品で採取すること
ができた。
No−HNo3交換塔の塔頂より排出してくる一酸化窒
素には、不純物として高次の窒素酸化物が含まれている
。N○精製装置にこれらのガスを導き、水シヤワーによ
る水洗浄、ガス乾燥器、液体窒素冷却による深冷分離な
どにより純度99%以上の一酸化窒素を得ることができ
た。
このような高純度に精製した一酸化窒素をNo蒸留塔に
毎時22.5モルの供給流量で与えた。
No蒸留塔は濃縮塔と回収塔とを有し、濃縮塔は2段の
カスケードで構成した。第1塔は内径75順、高さ6.
5m、第2塔は内径10[0111,高さ8mで、第1
塔には外径3皿、第2塔には外径2n+mのデイクソン
バッキング(商品名)が充填されている。塔底にはそれ
ぞれリボイラーが設置されている。回収塔は内径75m
m、高さ2.5mで塔頂には凝縮器が設置されている。
凝縮器は液体窒素冷媒により冷去され、ここで一酸化窒
素ガスは液化され、還流される。
No蒸留法では窒素および酸素の同位体を同時に濃縮す
ることができるが、濃縮が平衡状態に達したとき、濃縮
塔第2塔の塔底より濃度99%の180を1日10gの
生産量で、また濃度82%のIsNを1日10gの生産
量で一酸化窒素の化学形で採取することができた。一方
回収塔塔頂から排出される一酸化窒素の+80の濃度は
、天然濃度の2の0.102%であった。またI5Nの
濃度は0、282%であった。したがって180の回収
率は50%であった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の窒素及び酸素の同位体の濃縮を模式的
に説明する図、 第2図はNo  HNOs交換反応法を説明する図。 (符号の説明) 10−No  HNO2交換塔(a縮塔)、12・・・
還流塔、14・・・回収塔、16・・・酸化塔、18・
・・吸収塔、20・・・NO精製装置、21・・・水シ
ヤワー 22・・・乾燥器、23・・・深冷分離器、2
4・・・濃縮塔、26・・・回収塔、28・・・凝縮器
、30・・・リボイラー第2図 2S04

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)一酸化窒素と硝酸との化学交換法(NO−HNO
    _3交換法)による窒素同位体の濃縮プロセスにより排
    出された一酸化窒素を、一酸化窒素の低温蒸留法(NO
    蒸留法)による窒素および酸素の同位体の濃縮プロセス
    により処理することを特徴とする窒素および酸素の同位
    体濃縮法。
  2. (2)一酸化窒素と硝酸との化学交換法(NO−HNO
    _3交換法)を行う交換塔、 この交換塔から排出される一酸化窒素を低温蒸留法(N
    O蒸留法)に基づいて濃縮する濃縮塔、及び この濃縮塔に設けられ、窒素および酸素の重成分同位体
    を回収する回収塔から構成される窒素および酸素の同位
    体の濃縮装置。
  3. (3)上記交換塔と上記濃縮塔との間に、一酸化窒素の
    精製装置を有することを特徴とする請求項(2)記載の
    窒素および酸素の同位体濃縮装置。
JP1181881A 1989-07-14 1989-07-14 窒素および酸素の同位体の濃縮法およびその装置 Pending JPH0347518A (ja)

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