(57)【要約】【課題】同位体濃縮等に用いられる複数の蒸留塔を直列に接続したカスケードプロセスの蒸留装置において、前段の蒸留塔への液の返送を、コンデンサで液化された液の液頭圧を利用して行う場合に、返送に十分な液頭圧を確実に得る。【解決手段】コンデンサとリボイラを備えた蒸留塔１２が複数基カスケード接続された蒸留塔群と、蒸留塔間の圧力差を利用してガスを蒸留塔から次段の蒸留塔へ供給する供給ガス経路１１と、蒸留塔１２からこの蒸留塔に付設されたコンデンサ１４にガスを送るガス経路１３と、コンデンサ１４からの凝縮液を取出す液経路１６と、液経路１６からの凝縮液の一部を蒸留塔に戻すための還流液経路１８と、液経路１６からの凝縮液の残部を前段の蒸留塔１２へ返送するための返送液経路１７と、返送液経路１７とガス経路１３とを接続するバイパス経路２０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ及びリボイラを備えた蒸留塔が複数基カスケード接続された蒸留塔群と、この蒸留塔群の蒸留塔間の圧力差を利用してガスを蒸留塔から次段の蒸留塔へ供給する供給ガス経路と、前記蒸留塔からこの蒸留塔に付設されたコンデンサにガスを送るガス経路と、前記コンデンサからの凝縮液を取出す液経路と、前記液経路からの凝縮液の一部を前記蒸留塔に戻すための還流液経路と、前記液経路からの凝縮液の残部を前段の蒸留塔へ返送するための返送液経路と、前記返送液経路に設けたバルブと、前記返送液経路と前記ガス経路とを接続し前記返送液経路で生じた蒸発ガスを前記ガス経路に流すバイパス経路とを備えた蒸留装置。
【請求項２】
前記バイパス経路と前記ガス経路とが接続している位置が、前記還流液流路と前記蒸留塔とが接続している位置より高く、かつ前記バイパス経路と前記返送液経路とが接続している位置が、前記液流路と前記還流液流路とが接続している位置より低くされた請求項１記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記返送液経路の配管の内径が２０ｍｍ以下である請求項１または２記載の蒸留装置。
【請求項４】
前記バイパス経路と前記返送液流路とが接続されている位置より下部から、前記バルブ直近までの前記返送液経路の配管を真空断熱構造とした請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸留装置。
【請求項５】
前記バイパス経路と前記返送液流路とが接続されている位置より下部から、前記バルブ直近までの前記返送液経路の配管を二重管として冷流体で冷却するようにした請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸留装置。
【請求項６】
前記冷流体が前記コンデンサの寒冷源と同じ流体である請求項５記載の蒸留装置。
【請求項７】
前記二重管の長さが、前記凝縮液を前段の蒸留塔へ返送するために必要な液頭圧が得られる長さより長くした請求項５記載の蒸留装置。
【請求項８】
同位体あるいは構造異性体の濃縮装置である請求項１または２記載の蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温流体の蒸留を行うための蒸留装置であって、複数の蒸留塔をカスケード接続した蒸留装置であり、特に、天然には極わずかしか存在しない炭素、窒素、酸素などの安定同位体（１３Ｃ、１５Ｎ、１７Ｏ、１８Ｏなど）の濃縮に適した蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素、窒素、酸素などの安定同位体（１３Ｃ、１５Ｎ、１７Ｏ、１８Ｏなど）は、現在、主に自然科学や医療の分野でトレーサなどとして利用されている。天然には極わずかしか存在しないこれらの同位体の分離濃縮方法として、複数の蒸留塔を用いたカスケードプロセスがある。
【０００３】
カスケードとは、複数の蒸留塔を直列に接続することを言う。原料中のある特定の成分を連続的に濃縮するため、一つの蒸留塔で濃縮されたその成分を、さらに次の蒸留塔で濃縮し、それをさらに次の蒸留塔で濃縮する。すなわち、一つの連続した蒸留プロセスを、複数の分割した蒸留塔で実施することである。この点において、一般的な化学プロセスに見られるような、濃縮する成分が異なる蒸留塔を複数塔組合せたプロセスとは異なる。
【０００４】
カスケードプロセスは、主に同位体濃縮の分野で用いられている技術である。このようなカスケードプロセスにより、分離係数（比揮発度、もしくは相対揮発度ともいう）が１に近く、非常に大きな理論段数が必要であり、分離が困難な構造異性体または同位体の蒸留による濃縮が可能となる。
【０００５】
以下、従来のカスケードプロセスの例を示す。
カスケードプロセスにおいて、隣り合う蒸留塔間の物質交換の方法、すなわち接続方法には、概ね、図２ないし図５に示した方法がある。
【０００６】
図２に示した蒸留装置は、もっとも単純な蒸留カスケードの例である。この例の蒸留装置は、６基の蒸留塔Ｄ１〜Ｄ６を直列に接続した蒸留塔群で構成され、蒸留塔Ｄ１〜Ｄ３は回収部を、蒸留塔Ｄ３〜Ｄ６は濃縮部を構成している。蒸留塔Ｄ１、Ｄ２では塔頂にコンデンサＣ１、Ｃ２を備え、蒸留塔Ｄ４〜Ｄ６では塔底にリボイラＲ４〜Ｒ６を備え、蒸留塔Ｄ３では塔頂にコンデンサＣ３を、塔底にリボイラＲ３を備えている。
【０００７】
原料Ｆは、蒸留塔Ｄ３に供給され、目的成分が濃縮されて蒸留塔Ｄ６の底部から製品Ｐとして取り出され、目的成分以外の成分は蒸留塔Ｄ１の頂部から廃棄成分Ｗとして取り出されるようになっている。
原料Ｆの供給を行う蒸留塔Ｄ３が最も蒸留負荷が大きく、濃縮部では最終塔Ｄ６に向かって、回収部は第１塔Ｄ１に向かって徐々に負荷が小さくなっている（塔径が小さくなる）。
【０００８】
この例の装置では、最終塔Ｄ６から第５塔Ｄ５、第５塔Ｄ５から第４塔Ｄ４、・・・第２塔Ｄ２から第１塔Ｄ１へのガスの返送を圧力差によって行うため、第１塔Ｄ１から最終塔Ｄ６に向かって蒸留塔の圧力が高くする必要があり、そのため分離係数（＝比揮発度＝相対揮発度）も小さくなるので、蒸留効率の面で不利である。
また、蒸留塔の液を次塔へ送るために、液ポンプＰ１〜Ｐ５を用いるので、装置全体の液ホールドアップが大きくなる。これは、起動時間が長くかかるという点で不利である。また、低温蒸留の場合には液ポンプの使用は、侵入熱増大の原因となるため、この点においても不利である。
【０００９】
図３に示した蒸留装置は、他の従来技術例である。蒸留塔の構成は、基本的に図２に示した装置の例と同じであるが、塔頂圧を低くし、全ての蒸留塔Ｄ１〜Ｄ６の塔頂圧を同じにしたものである。最終塔Ｄ６に向かって圧力が高くなること（分離係数が小さくなること）を防ぐことができるが、前塔へのガスの返送にはブロワＢ１〜Ｂ５などの昇圧手段が必要となるため、装置の信頼性の点で不利である。また、液ポンプＰ１〜Ｐ５を用いることに対する問題点は解消されていない。
【００１０】
図４に示した例は、図３に示したものから発展した従来技術例である。図３のものと同様、全ての蒸留塔Ｄ１〜Ｄ６の塔頂圧を低くしたものである。全ての蒸留塔Ｄ１〜Ｄ６にコンデンサＣ１〜Ｃ６およびリボイラＲ１〜Ｒ６を備え、蒸留塔間の圧力差（塔頂圧が等しい場合は蒸留塔の圧力損失に相当する）により、ガスを次塔へ供給する。
この設備では、液ポンプを使用しないので、液ホールドアップを小さくすることができる。しかし、ガスの返送にブロワＢ１〜Ｂ５などの昇圧手段が必要となる問題は解消されていない。
【００１１】
図５に示した蒸留装置は、図４に示した装置の変形例で、返送に用いるブロワをなくし、代わりにコンデンサＣ１〜Ｃ６で液化した液を返送液経路Ｑ１〜Ｑ５に溜め、ここでの液頭圧（液ヘッド）により前塔へ返送するものである。
この装置では供給、返送手段ともにポンプやブロワなどの回転機が不要となり、装置の信頼性が向上するとともに、返送液経路における液ホールドアップを最小限にすることができるので起動時間短縮の観点からも有利である。また、全ての蒸留塔Ｄ１〜Ｄ６の圧力が低いという点も、有利である。但し、全ての蒸留塔にコンデンサおよびリボイラが必要になる点については、装置コストの点で不利といえる。
【００１２】
構造異性体や同位体の濃縮に用いられるカスケードプロセスにおいては、蒸留塔の全長が非常に長くなり、液体ホールドアップの量が必然的に大きくなる。そのため、分離係数の小ささと相まって起動時間が非常に長くなるという問題が生じる。
したがって、このようなカスケード方法にあっては、分離係数が他の方法より大きく、液ホールドアップが多くなく、蒸留塔毎の回転機が不要である図５に示した蒸留装置が最も優れているといえる。
【００１３】
しかしながら、図５に示した蒸留装置でも問題点がある。例えば、Ｏ２、ＣＯ、ＮＯ、ＣＨ４、Ｎ２などの深冷分離のように、常温よりも低い温度で運転されるプロセスでは、返送液経路への侵入熱のため返送液経路に溜まった液の一部が蒸発し、液が返送液経路に溜まり難くなるという問題である。
図６は、図５に示した蒸留装置の要部を示すもので、第ｎ段目の蒸留塔Ｄｎについて説明するものである。
【００１４】
前段の蒸留塔の底部からのガスは、弁１０、供給ガス経路１１を経て、蒸留塔１２の頂部に送り込まれるようになっている。蒸留塔１２の頂部からのガスは、ガス経路１３を経てコンデンサ１４に送られ、ここで管１５からの液化窒素などの冷流体によって冷却され、液となって液経路１６に流れる。この液経路１６を流れる液の一部は、返送液経路１７に流れ、その残部が還流液経路１８に分流され、蒸留塔１２の頂部に還流液として還流される。
【００１５】
返送液経路１７を流れる液は、弁１９を経て前段の蒸留塔の底部に返送される。この際、図６に示すように、液経路１６の途中から返送液経路１７に設けられた弁１８までの高低差に起因する液頭圧ΔＰ１が、前段の蒸留塔と蒸留塔１２との塔間圧力差ΔＰ２よりも大きくなった時点で、すなわち返送液経路１７および液経路１６の一部が液で満たされた時点で、弁１９を開とし、この圧力差を動力として液が前段の蒸留塔の底部に返送されることになる。
【００１６】
ところが、返送液経路１７は、液ホールドアップを少なくするため、その配管径が内径３〜２０ｍｍと小さくされており、返送液経路１７にコンデンサ１４から流入した液は、外部からの侵入熱によって蒸発してガスとなり、このガスが返送液経路１７内で上昇流となることや気泡となって経路内に留まることがある。このため、返送液経路１７に液が溜まりにくくなり、前段の蒸留塔への返送に必要な液頭圧を得ることが困難になることがある。
なお、図２〜図５に示した従来の蒸留装置では、目的成分の収率によっては回収部の蒸留塔が存在しない場合もある。
【非特許文献１】山本  寛  「原子力化学工学」日刊工業新聞社  １９７６
【非特許文献２】神辺  貴史ら  「大陽日酸技報」（２３）  ２０〜２５  （２００４）
【非特許文献３】木原  均ら  「大陽日酸技報」（２３）  １４〜１９  （２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
よって、本発明における課題は、同位体などの濃縮に用いられる複数の蒸留塔を直列に接続したカスケードプロセスの蒸留装置において、前段の蒸留塔への液の返送を、コンデンサで液化された液の液頭圧を利用して行う場合に、返送に十分な液頭圧が確実に得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、コンデンサ及びリボイラを備えた蒸留塔が複数基カスケード接続された蒸留塔群と、この蒸留塔群の蒸留塔間の圧力差を利用してガスを蒸留塔から次段の蒸留塔へ供給する供給ガス経路と、前記蒸留塔からこの蒸留塔に付設されたコンデンサにガスを送るガス経路と、前記コンデンサからの凝縮液を取出す液経路と、前記液経路からの凝縮液の一部を前記蒸留塔に戻すための還流液経路と、前記液経路からの凝縮液の残部を前段の蒸留塔へ返送するための返送液経路と、前記返送液経路に設けたバルブと、前記返送液経路と前記ガス経路とを接続し前記返送液経路で生じた蒸発ガスを前記ガス経路に流すバイパス経路とを備えた蒸留装置である。
【００１９】
請求項２にかかる発明は、前記バイパス経路と前記ガス経路とが接続している位置が、前記還流液流路と前記蒸留塔とが接続している位置より高く、かつ前記バイパス経路と前記返送液経路とが接続している位置が、前記液流路と前記還流液流路とが接続している位置より低くされた請求項１記載の蒸留装置である。
【００２０】
請求項３にかかる発明は、前記返送液経路の配管の内径が２０ｍｍ以下である請求項１または２記載の蒸留装置である。
請求項４にかかる発明は、前記バイパス経路と前記返送液流路とが接続されている位置より下部から、前記バルブ直近までの前記返送液経路の配管を真空断熱構造とした請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸留装置である。
【００２１】
請求項５にかかる発明は、前記バイパス経路と前記返送液流路とが接続されている位置より下部から、前記バルブ直近までの前記返送液経路の配管を二重管として冷流体で冷却するようにした請求項１ないし３のいずれかに記載の蒸留装置である。
請求項６にかかる発明は、前記冷流体が前記コンデンサの寒冷源と同じ流体である請求項５記載の蒸留装置である。
【００２２】
請求項７にかかる発明は、前記二重管の長さが、前記凝縮液を前段の蒸留塔へ返送するために必要な液頭圧が得られる長さより長くした請求項５記載の蒸留装置である。
請求項８にかかる発明は、同位体あるいは構造異性体の濃縮装置である請求項１または２記載の蒸留装置である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、バイパス経路を設け、返送液経路に生じたガスがただちにこのバイパス経路に流れることになり、返送液経路内にガスが留まるこことがなくなり、返送液経路内が液で確実に満たされることになって、液経路と返送液経路とで生じる液頭圧が確実に得られ、液を前段の蒸留塔に返送することができる。
【００２４】
したがって、本発明によれば、液ポンプなどの回転機を使用せずに、蒸留プロセスを安定的に運転することが可能となる。よって、構造異性体もしくは同位体を含む混合物の分離濃縮において、起動に要する運転コストが削減されるとともに、生産性が飛躍的に向上する。
【００２５】
さらに、前記バイパス経路と前記返送液流路とが接続されている位置より下部から、前記バルブ直近までの前記返送液経路の配管を真空断熱したり、冷流体で冷却したりすることで、ガスの発生を防止することができ、液の貯留がより確実になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、本発明の形態について、同位体の深冷分離を例とし、蒸留塔の塔頂部分を示したもので、図６と同一構成部位には、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この例では、返送液経路１７とガス経路１３とをつなぐバイパス経路２０が設けられている点が図６に示した装置と異なるところである。
【００２７】
そして、バイパス経路２０とガス経路１３とが接続している位置イが、還流液流路１８と蒸留塔１２とが接続している位置ロより高く、かつバイパス経路２０と返送液経路１７とが接続している位置ハが、液流路１６と還流液流路１８とが接続している位置ニより低くされている。なお、この高低関係は、蒸留塔が鉛直方向に立設されているものとして、鉛直方向での高低関係である。
【００２８】
蒸留塔の冷却初期段階において、コンデンサ１２で液化された液は液経路１６を通り分岐点Ａ（位置ニ）に達する。分岐点Ａでは上方の蒸留塔１２への還流液経路１８と下方の返送液経路１７の上流部となる返送助走液経路２１に分かれている。
蒸留塔１２への還流よりも前段の蒸留塔への返送が優先されるので、還流液経路１８は必ず上向き、返送助走液経路２１は下向きとされている。
液はまず返送助走液経路２１を流下し、分岐点Ｂ（位置ハ）でそのまま下方に流下し、返送液経路１７に流入する。
【００２９】
返送液経路１７は、液ホールドアップ低減のため、管径が小さくなっており、内径３〜２０ｍｍ程度とされる。また、液頭圧（液ヘッド）を維持するため、返送液経路１７の長さは３〜十数メートルになる。
したがって、パーライトなどにより返送液経路１７の配管を断熱していたとしても返送液経路１７で発生し上昇するガスの流速は、冷却初期においては数ｍ／ｓに達する場合がある。
【００３０】
図１に示したように、バイパス経路２０を設けることで、返送液経路１７で発生したガスは、返送液経路１７を上昇し、分岐点Ｂ（位置ハ）でバイパス経路２０に入り、コンデンサ１４入口あるいは蒸留塔１２の塔頂（ガス相）に逃がされる。
したがって、蒸発したガスが返送助走液経路２１を流下する液の流れを妨げることはなく、返送液経路１７に液が流入しやすくなる。
【００３１】
これにより、返送液経路１７は徐々に冷やされ、液が溜まっていく。液ヘッドが十分に確保されたところで、返送液経路１７の弁１９を開くと液ヘッドによる圧力差により液は前段の蒸留塔に返送される。
返送する液の流量は、前段の蒸留塔から蒸留塔１２に供給されるガスの量と前段の蒸留塔から最終段の蒸留塔までの間に抜き出される製品量を差し引いた量であり、これは物質収支から自ずと決まる量である。具体的には蒸留塔１２塔底の液面が一定になるように返送液経路１７の弁１９を調整することにより、物質収支が保たれる。
【００３２】
一方、蒸留塔１２のコンデンサ１４で液化された液のうち、前段の蒸留塔に返送されなかった液は、還流液経路１８を通って蒸留塔１２の塔頂に還流される。  なお、バイパス経路２０の蒸留塔１２側接続位置イは、還流液経路１８の蒸留塔１２側接続位置ロよりも十分高い位置にすることが望ましい。これは、返送助走液経路２１、バイパス経路２０、返送液経路１７が十分冷えたときに、バイパス経路２０に液が流れてしまうのを防ぐためである。
【００３３】
ここで、深冷分離のように極低温で実施するプロセスの場合は、図１の破線で示したように、返送液経路１７を二重管とし、外部から冷流体で冷やすと、前段の蒸留塔への液の返送がより確実なものとなる。このとき、冷却に使用する冷流体は、管１５から送られるコンデンサ１４の冷却のための冷流体を分流して用いると好適である。また、冷流体での冷却を行わない場合には、返送液経路１７を真空断熱配管にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の蒸留装置の実施形態の要部を示す概略構成図である。
【図２】従来の蒸留装置を示す概略構成図である。
【図３】従来の蒸留装置を示す概略構成図である。
【図４】従来の蒸留装置を示す概略構成図である。
【図５】従来の蒸留装置を示す概略構成図である。
【図６】従来の蒸留装置の要部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１・・供給ガス経路、１２・・蒸留塔、１３・・ガス経路、１４・・コンデンサ、１６・・液経路、１７・・返送液経路、１８・・還流液経路、２０・・バイパス経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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