(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸留によって安定同位体を濃縮する安定同位体濃縮装置であって、
複数の蒸留塔が直列に接続された蒸留塔群と、
前記蒸留塔群のうち、一の蒸留塔に原料を供給する原料供給ラインと、
前記蒸留塔群のうち、前記一の蒸留塔よりも後段に位置する他の蒸留塔から製品を導出する製品導出ラインと、を備え、
前記一の蒸留塔が棚段塔であり、
前記他の蒸留塔が充填塔であり、
前記蒸留塔群は、前記一の蒸留塔を含む１以上の棚段塔からなる棚段塔群と、前記他の蒸留塔を含む１以上の蒸留塔からなる充填塔群と、を有し、
前記棚段塔群の後段に前記充填塔群が位置する、安定同位体濃縮装置。
【請求項２】
前記棚段塔は、濃縮対象の安定同位体の塔底濃度が天然存在比以上であり、２０原子％以下である、請求項１に記載の安定同位体濃縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定同位体濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界に極僅かに存在する安定同位体を分離する方法として、熱拡散分離、遠心分離、レーザ分離、化学交換分離、蒸留分離などがある。これらの中でも、蒸留分離は、軽元素の同位体の大量生産に向いており、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等に採用されている。
【０００３】
蒸留による安定同位体の分離の特徴として、起動時間が長い点が挙げられる。起動時間とは、蒸留塔全体に製品濃度までの濃度分布ができるまでに必要な時間をいい、装置の運転を開始してから製品を採取できるまでの時間である。起動時間に寄与する要素として、液ホールドアップ量が挙げられる。安定同位体の濃縮では、起動時間が長いために製造コストが高くなるという課題がある。
【０００４】
蒸留による安定同位体の分離のもう一つの特徴として、分離係数が極めて１に近く、高濃度の安定同位体を得るために、数千程度の理論段数が必要となる点が挙げられる。蒸留塔の高さには制限があるため、蒸留塔を複数に分割し、これらの複数の蒸留塔を直列に接続することが必要となる。なお、安定同位体は天然存在比が小さいため、原料の供給量に対して製品の回収量が非常に小さい。そのため、複数の蒸留塔のうち、原料を供給する塔の塔径が最も大きくなり、回収部・濃縮部となる末端の塔に近づくにつれて、塔内の製品の濃度が高くなることから塔径を小さくできる（ステップカスケード）。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少するため、起動時間の短縮にもつながる。
【０００５】
特許文献１には、蒸留による安定同位体の濃縮装置において、起動時間を短縮するために液ホールドアップ量の少ない充填塔として、規則充填物を充填した充填塔を採用する。これにより、液ホールドアップ量をより低減し、起動時間の短縮に成功している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１８８２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方で、塔径を小さくするためには、前塔よりも塔径を小さくする塔においてコンデンサ及びリボイラをそれぞれ設ける必要があり、コンデンサとリボイラの数の増加によって動力が増加する。このように、起動時間を短縮させるためにはコンデンサ及びリボイラに必要な動力を増加させる必要があり、起動時間の短縮と、設備コスト及び電力の低減とはトレードオフの関係にあるという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、起動時間の短縮と、設備コスト及び電力の低減とのバランスに優れる安定同位体濃縮装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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］  蒸留によって安定同位体を濃縮する安定同位体濃縮装置であって、
複数の蒸留塔が直列に接続された蒸留塔群と、
前記蒸留塔群のうち、一の蒸留塔に原料を供給する原料供給ラインと、
前記蒸留塔群のうち、前記一の蒸留塔よりも二次側に位置する他の蒸留塔から製品を導出する製品導出ラインと、を備え、
前記一の蒸留塔が棚段塔であり、前記他の蒸留塔が充填塔である、安定同位体濃縮装置。
［２］  前記蒸留塔群は、
前記一の蒸留塔を含む１以上の棚段塔からなる棚段塔群と、
前記他の蒸留塔を含む１以上の蒸留塔からなる充填塔群と、を有し、
前記棚段塔群の二次側に前記充填塔群が位置する、前記［１］に記載の安定同位体濃縮装置。
［３］  前記棚段塔は、濃縮対象の安定同位体の塔底濃度が天然存在比以上であり、２０原子％以下である、前記［１］又は［２］に記載の安定同位体濃縮装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の安定同位体濃縮装置は、起動時間の短縮と、設備コスト及び電力の低減とのバランスに優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る安定同位体濃縮装置の主要部を示す系統図である。
【図２】本発明の試験例に係る安定同位体濃縮装置を示す系統図である。
【図３】本発明の試験例に係る安定同位体濃縮装置を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜安定同位体濃縮装置＞
図１は、本発明の実施形態に係る安定同位体濃縮装置の主要部を示す系統図である。
本実施形態の安定同位体濃縮装置１００は、複数の蒸留塔が直列（カスケード方式）で接続された蒸留塔群と、複数のコンデンサ２１と、複数のリボイラ２２と、原料供給ライン３０と、製品導出ライン３１と、を備える。
【００１４】
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。
第１の蒸留塔１〜第ｎの蒸留塔ｎは、塔番号の順で、カスケード接続されている。
第１の蒸留塔１〜第ｎの蒸留塔ｎは、冷却された安定同位体を低温で蒸留することで、塔頂側に沸点の低い安定同位体を濃縮し、塔底側に沸点の高い安定同位体を濃縮するようになっている。原料が供給される第１の蒸留塔が最も塔径が大きく、末端に向かって徐々に塔径が小さくなっている。
【００１５】
第１の蒸留塔１〜第ｊ−１の蒸留塔ｊ−１はそれぞれ棚段が設けられた蒸留塔（以下、「棚段塔」という）となっており、第ｊの蒸留塔ｊ〜第ｎの蒸留塔ｎはそれぞれ規則充填物が充填された蒸留塔（以下、「充填塔」という）となっている。
なお、図１では、第１の蒸留塔１〜第ｎの蒸留塔ｎのうち、棚段塔であり、原料である安定同位体が供給される塔（一の蒸留塔）である第１の蒸留塔１、棚段塔から充填塔に切り替わる最初の塔である第ｊの蒸留塔ｊ、及び製品を採取する塔（他の蒸留塔）である第ｎの蒸留塔ｎのみを図示している。
【００１６】
ところで、上述したように蒸留塔には、主に棚段塔と充填塔との２種類があり、それぞれ以下の特徴を有する。
【００１７】
（棚段塔の特徴）
・設備費：  塔径が大きい場合に安い
・圧力損失：  大きい
・液ホールドアップ量：  多い
・段間隔：  空気分離装置などの蒸留塔では１００ｍｍ程度
【００１８】
（充填塔の特徴）
・設備費：  塔径が小さい場合に安い
・圧力損失：  小さい
・液ホールドアップ量：  少ない
・H.E.T.P.（理論段相当高さ）：  蒸留性能の高いもので２００ｍｍ程度
【００１９】
従来の安定同位体濃縮装置では、起動時間を短縮する観点から、液ホールドアップ量の少ない充填塔が多く採用されている（例えば、特許文献１）。
これに対して、棚段塔を採用することで、同じ塔高さで比較をすれば棚段塔のほうが約２倍の理論段数を稼ぐことができ、２本の蒸留塔を１本とすることで設備コストおよび動力の削減が可能となる。一方で、起動時間の長期化が懸念される。
【００２０】
しかしながら、上述したように起動時間とは蒸留塔全体に製品濃度までの濃度分布ができるまでに必要な時間であるため、蒸留塔内の濃度分布で、安定同位体の天然存在比と差が小さい部分、つまり原料を供給する塔、または原料を供給する塔に近い塔であれば濃度分布ができるまでの時間は短いことが予想される。また、原料を供給する塔、または原料を供給する塔に隣接する塔では塔径が大きいために必要な動力も大きく、この部分の２塔を１塔とできることは動力削減への寄与が大きい。
【００２１】
そこで、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００では、カスケード接続された複数の蒸留塔のうち、少なくとも原料を供給する塔に棚段塔を採用し、棚段塔以外の塔で規則充填物を充填した充填塔を採用する。
【００２２】
具体的には、上述したように、第１の蒸留塔１〜第ｊ−１の蒸留塔ｊ−１は棚段塔となっており、第ｊの蒸留塔ｊ〜第ｎの蒸留塔ｎは充填塔となっている。すなわち、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００は、１以上の棚段塔からなる棚段塔群（第１の蒸留塔１〜第ｊ−１の蒸留塔ｊ−１）と、１以上の充填塔からなる充填塔群（第ｊの蒸留塔ｊ〜第ｎの蒸留塔ｎ）とを有する。なお、棚段塔群が一次側、充填塔群が二次側となるように位置している。また、棚段塔群は、原料を供給する第１の蒸留塔１を含み、充填塔群は、製品を採取（導出）する第ｎの蒸留塔ｎを含む。
【００２３】
ここで、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００は、各蒸留塔において濃縮対象の安定同位体の塔底濃度が天然存在比〜２０％の範囲で棚段塔を使用する。すなわち、第１の蒸留塔１〜第ｊ−１の蒸留塔ｊ−１では、濃縮対象の安定同位体の塔底濃度が天然存在比以上であり、２０原子％以下である。そして、濃縮対象の安定同位体の塔底濃度が２０原子％を超える第ｊの蒸留塔ｊにおいて、棚段塔から充填塔に切り替わる。
【００２４】
なお、原料を供給する塔は必ずしも第１塔である必要はなく、原料を供給する塔の前段に回収部となる蒸留塔が位置してもよい。
また、製品を採取する塔についても必ずしも最終塔（第ｎ塔）である必要はなく、蒸留塔群の中間にあってもよい。
さらに、棚段塔の段間隔は１００ｍｍ程度であることが望ましく、充填物のH.E.T.P.よりも広い段間隔であることは適さない。
【００２５】
コンデンサ２１は、各蒸留塔（第１の蒸留塔１〜第ｎの蒸留塔ｎ）に対して、それぞれ１つ、あるいは数塔おきに設けられている。
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。
【００２６】
リボイラ２２は、各蒸留塔に対して、それぞれ１つ、あるいは数塔おきに設けられている。
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。
【００２７】
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、安定同位体を第１の蒸留塔（一の蒸留塔）１の中間部に供給するための経路である。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。
原料供給ライン３０から供給される安定同位体の純度は、９９．９９９％以上の高純度であることが望ましい。
【００２８】
最終塔を除き、安定同位体の重成分の濃度が高められた各蒸留塔における塔底の蒸気の一部は、経路３４によりバルブ２３を経由して、次塔の塔頂に供給される。流れの推進力はある蒸留塔の塔底とその次塔の塔頂の圧力差である。次塔の塔頂に供給された蒸気は、その塔内の上昇蒸気とともにコンデンサ２１で液化され、その塔の塔頂に還流される。
【００２９】
また、第１の蒸留塔１を除き、安定同位体の軽成分の濃度が高められた各蒸留塔における塔頂付近の還流液の一部は、経路３５によりバルブ２４を経由して、前塔の塔底に供給される。流れの推進力は還流液の液頭圧である。前塔の塔底に供給された還流液は、その塔内の還流液とともにリボイラ２２で気化され、その塔の塔底に還流される。
【００３０】
製品導出ライン３１は、濃縮された安定同位体成分を製品として第ｎの蒸留塔（他の蒸留塔）ｎから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ｎの蒸留塔ｎの塔底部寄りの部分に接続されている。製品は、高濃度（例えば９９％以上）に濃縮された安定同位体成分である。
【００３１】
以上説明したように、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００によれば、カスケード接続された複数の蒸留塔のうち、少なくとも原料を供給する第１の蒸留塔１に棚段塔を採用し、棚段塔以外の塔で規則充填物を充填した充填塔を採用する。これにより、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００は、起動時間の短縮と、設備コスト及び電力の低減とのバランスに優れる。
【００３２】
以上、実施形態を示して本発明の安定同位体濃縮装置を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。上記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、およびその他の変更が可能である。
【００３３】
例えば、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００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を備える構成であってもよい。この熱媒体流体循環ラインを循環する熱媒体流体によって、各コンデンサ２１において熱交換が行われる構成であってもよい。
【００３４】
また、本実施形態の安定同位体濃縮装置１００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を備える構成であってもよい。この熱媒体流体循環ラインを循環する熱媒体流体によって、各リボイラ２２において熱交換が行われる構成であってもよい。
【実施例】
【００３５】
以下、試験例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。
【００３６】
（試験例１−１）
試験例１−１では、図２に示す安定同位体濃縮装置２００を用いて、１８Ｏの濃縮を行った。
安定同位体濃縮装置２００は、基本的な構成は安定同位体濃縮装置１００と同様である。蒸留塔群は１２本の蒸留塔で構成されており、第１の蒸留塔１は棚段塔、第２〜１２の蒸留塔２〜１２は規則充填物が充填された充填塔である。コンデンサの寒冷源には液化窒素を用いており、液化窒素供給ライン３８より各コンデンサに液化窒素が供給される。リボイラの熱源にはガス窒素を用いており、ガス窒素供給ライン３９より各リボイラにガス窒素が供給される。また、安定同位体濃縮装置２００は、同位体スクランブラ２０を備えている。同位体濃縮ガス抜出ライン３６は、一端が第９の蒸留塔９の中間部分に接続され、他端が同位体スクランブラ２０に接続されており、酸素の一部または全部を抜出し、同位体スクランブラ２０に供給するようになっている。同位体スクランブラ２０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９の蒸留塔９の中間部分に返送される。
【００３７】
供給する原料高純度酸素の流量と組成は、表１に示すとおりであった。
なお、第１の蒸留塔１の段間隔は１００ｍｍとした。
また、第２の蒸留塔〜第１２の蒸留塔１２の充填物はH.E.T.P.が２００ｍｍのものを採用した。
【００３８】
装置の安定時における、棚段塔の最終塔である第１の蒸留塔１の塔底部から送出される酸素ガス中の１８Ｏの存在割合は０．９原子％であった。
また、第１２の蒸留塔１２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表２に示す通りであった。
また、コンデンサおよびリボイラの総熱交換量は１４８０ｋＷであった。安定同位体濃縮装置２００の起動時間は１５０日であった。その結果、起動までに必要な電力量は、５３２８ＭＷ・ｈであった。
【００３９】
【表１】
0006913772.tif 000002
【００４０】
【表２】
0006913772.tif 000003
【００４１】
（試験例１−２）
試験例１−２では、図３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。
安定同位体濃縮装置３００は、蒸留塔の本数が１３本であり、第１の蒸留塔１が規則充填物を充填した充填塔であること以外は安定同位体濃縮装置２００とほぼ同様である。同位体スクランブラ２０は第１０の蒸留塔１０の中間部に接続されている。
第１の充填塔１〜第１３の蒸留塔１３の充填物はH.E.T.P.が２００ｍｍのものを採用した。
供給する原料高純度酸素の流量と組成は、安定同位体濃縮装置２００と同様に表１に示すとおりである。
【００４２】
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表３に示す通りであった。
また、コンデンサおよびリボイラの総熱交換量は２０２０ｋＷであった。安定同位体濃縮装置３００の起動時間は１４９日であり、起動までに必要な電力量は、７２２３ＭＷ・ｈであった。
【００４３】
【表３】
0006913772.tif 000004
【００４４】
（検証１）
試験例１−１では、試験例１−２と同等の製品濃度と起動時間であった。
一方で、試験例１−１では、必要な熱交換量が試験例１−２に比べて約３割削減でき、必要な塔数も１塔削減できた。
この結果より、本発明の試験例１−１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できることがわかった。
【００４５】
（試験例２−１）
試験例２−１では、１０本の蒸留塔で構成されており、第１の蒸留塔〜第３の蒸留塔３は棚段塔、第４の蒸留塔〜第１０の蒸留塔１０は規則充填物が充填された充填塔である安定同位体濃縮装置を用いて、１８Ｏの濃縮を行った。蒸留塔の総塔数と、棚段塔、充填塔の本数構成が異なること以外は、安定同位体濃縮装置２００とほぼ同様である。
供給する原料高純度酸素の流量と組成は、安定同位体濃縮装置２００と同様に表１に示すとおりであった。
【００４６】
装置の安定時における、棚段塔の最終塔である第３の蒸留塔３の塔底部から送出される酸素ガス中の１８Ｏの存在割合は１９．４原子％であった。
また、第１０の蒸留塔１０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表４に示す通りであった。
また、コンデンサおよびリボイラの総熱交換量は１３１５ｋＷであった。起動時間は１６８日であり、起動までに必要な電力量は、５３０２ＭＷ・ｈであった。
【００４７】
【表４】
0006913772.tif 000005
【００４８】
（試験例２−２）
試験例２−２では、９本の蒸留塔で構成されており、第１の蒸留塔〜第４の蒸留塔４は棚段塔、第５の蒸留塔〜第９の蒸留塔９は規則充填物が充填された充填塔である安定同位体濃縮装置を用いて、１８Ｏの濃縮を行った。蒸留塔の総塔数と、棚段塔、充填塔の本数構成が異なること以外は安定同位体濃縮装置２００とほぼ同様である。
供給する原料高純度酸素の流量と組成は、安定同位体濃縮装置２００と同様に表１に示すとおりであった。
【００４９】
装置の安定時における、棚段塔の最終塔である第４の蒸留塔４の塔底部から送出される酸素ガス中の１８Ｏの存在割合は４９．７原子％であった。
また、第９の蒸留塔９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表５に示す通りであった。
また、コンデンサおよびリボイラの総熱交換量は１２８５ｋＷであった。起動時間は１９４日であり、起動までに必要な電力量は、５９８３ＭＷ・ｈであった。
【００５０】
【表５】
0006913772.tif 000006
【００５１】
（検証２）
棚段塔を使用する本数を増加させると起動時間が伸びることが分かり、濃縮対象物の塔底濃度が２０％までの範囲で棚段塔を使用する場合であれば、起動までの動力を低減できた。
一方で、濃縮対象物の塔底濃度が２０原子％を超える範囲で棚段塔を使用する場合、試験例２−２のように起動までの動力が増加した。また、後段の蒸留塔ほど塔径が小さいため、削減できる設備コストも小さくなった。
この結果より、本発明では、濃縮対象物の塔底濃度が２０原子％までの範囲で棚段塔を使用することが望ましいことがわかった。
【００５２】
上記の結果は酸素に限らず他の安定同位体にも適用できる。例えば、炭素や水素の安定同位体濃縮においても棚段塔を使用する本数を増加させると起動時間が伸びることになり、濃縮対象物の塔底濃度が２０原子％までの範囲で棚段塔を使用する場合であれば、起動までの動力を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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塔群を備える蒸留装置を用いて、自然界には極僅かしか存在しない安定同位体原子を濃縮する安定同位体濃縮装置に適用可能である。 
【符号の説明】
【００５４】
１、ｊ−１、ｊ、ｎ・・・蒸留塔
２１・・・コンデンサ
２２・・・リボイラ
３０・・・原料供給ライン
３１・・・製品導出ライン
１００〜７００・・・安定同位体濃縮装置
【図１】
0006913772.tif 000007
【図２】
0006913772.tif 000008
【図３】
0006913772.tif 000009