蒸留装置及び酸素同位体の濃縮方法
【課題】起動時間の短縮が可能な蒸留装置を提供する。
【解決手段】 第１ないし第３塔１、２、３を備え、第１塔蒸発器６の出口と第２塔凝縮器７の入口とが第１の導入経路１２で接続され、第２塔蒸発器８の出口と、第３塔凝縮器９の入口とが第２の導入経路１３で接続され、かつ第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されている。
【解決手段】 第１ないし第３塔１、２、３を備え、第１塔蒸発器６の出口と第２塔凝縮器７の入口とが第１の導入経路１２で接続され、第２塔蒸発器８の出口と、第３塔凝縮器９の入口とが第２の導入経路１３で接続され、かつ第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留装置及び酸素同位体の濃縮方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同位体の蒸留分離プロセスに代表されるように、蒸気圧比（分離係数）の非常に小さな系における蒸留操作では非常に大きな理論段数が必要となる。このような場合には、蒸留塔の圧力損失を抑えるため一般的に充填塔が用いられているが、それに必要な充填高さは理論上数百ｍに達することが少なくない。したがって、実際の蒸留装置では、複数の蒸留塔を配管でつなぎ、全体として一つの蒸留塔群を構成する。図１８は３つの蒸留塔を備え、各蒸留塔（第１ないし第３塔６１、６２、６３）を接続した蒸留装置の例を示したものである。この装置においては、第１塔６１および第２塔６２の塔底に溜まった液体が、液ポンプ６１ａ、６２ａによりそれぞれ第２塔６２および第３塔６３の塔頂へ還流液として供給される。第２塔６２および第３塔６３の塔頂から導出されたガスは、それぞれ第１塔６１および第２塔６２塔底部に上昇ガスとして返送される。このプロセスでは、第１塔６１から第２塔６２、第２塔６２から第３塔６３へのプロセス流体の供給は液ポンプ６１ａ、６２ａで行われるが、第２塔６２から第１塔６１、第３塔６３から第２塔６２へのプロセス流体の返送はガスの圧力差で行われるため、蒸留塔内の圧力は第１塔６１から第３塔６３に向かって順に高くなければならない。一般に分離成分の蒸気圧比（分離係数）は蒸留塔の操作圧力が高いほど小さいため、第１塔６１よりも第２塔６２、第２塔６２よりも第３塔６３の方が蒸留性能は低下する。また、一般的に同位体分離プロセスのように分離成分の蒸気圧比が非常に小さく充填高さが非常に大きい場合には、装置を起動してから規定量（仕様通りの採取量、計画値）の製品を採取できるようになるまでの時間（以下、起動時間）が数ヶ月〜数年かかる場合がある。したがって、起動時間の短縮は従来からの課題であった。起動時間は装置内のプロセス流体のホールドアップに大きく依存し、その量が多いほど長くなる。
【０００３】
図１９は図１８に示す装置と同じ機能を有する蒸留プロセスにおいて、各塔７１、７２、７３に凝縮器５、７、９および蒸発器６、８、１０を設けたものである。これは複数の蒸留塔から構成されるプロセスにおいて一般的に用いられる装置で、このような装置では、原料がフィードされる塔７１から下流側の塔７３にかけて蒸留塔の塔径が小さくなる。これにより、装置内のプロセス流体のホールドアップを減少させ、起動時間の短縮を図ることができる。しかし、このような装置を用いた場合でも、第１塔７１から第３塔７３に向かって蒸留塔内の圧力が高くなるため、図１８に示す装置の場合と同様に、第１塔７１よりも第２塔７２、第２塔７２よりも第３塔７３の方が蒸留性能が低下する。蒸留性能の低下は蒸留塔の所要充填高さの増大、ひいてはプロセス流体のホールドアップの増大につながるため、起動時間短縮の観点から望ましくない。また従来の同位体蒸留プロセスでは、不規則充填物による充填塔が用いられていた。一般に不規則充填物は規則充填物に比べ、比表面積は大きいが、蒸留塔内の液ホールドアップが塔体積の１０〜２０％、場合によっては２０％を越えることがあり、起動時間を長くする一因となっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の蒸留塔から構成される蒸留装置において、従来よりも起動時間が短い装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の蒸留装置は、カスケードに構成した複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）を用いて、複数成分よりなる気体又は液体を蒸留分離する装置であって、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設け、該返送経路に、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口からの凝縮液を、凝縮液自身の自重で第ｋ塔へ返送するための弁を設けたことを特徴とする蒸留装置である。
【０００６】
本発明の酸素同位体の濃縮方法は、酸素同位体重成分を含む原料酸素を、複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）で構成するカスケードプロセスにより濃縮するに際し、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔塔底部付近に設けた蒸発器出口のガスの少なくとも一部を、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは塔頂部付近に設けた凝縮器入口あるいは該塔の中間部に供給し、且つ、第（ｋ＋１）塔の塔頂部または該塔の凝縮器出口の液体の少なくとも一部を、返送液として凝縮液自身の自重で第ｋ塔の蒸発器入口あるいは塔底部あるいは塔の中間部に返送することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【０００７】
また本発明方法は、前記濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【０００８】
また本発明方法は、前記濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得、該濃縮物をさらに前記濃縮方法によって前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明にあっては、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設けるので、この返送経路を通して第（ｋ＋１）塔の凝縮器からの導出液の一部を返送することができる。このため、各塔圧力を従来に比べ低く設定することができ、各塔内における各同位体成分間の蒸気圧比を大きくし、蒸留性能を向上させることができる。従って、各塔の充填高さを低くすることができ、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。また、液ホールドアップ量を小さくし、いっそうの装置の起動時間の短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の蒸留装置の第１の実施形態例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の蒸留装置に用いられる非自己分配促進型規則充填物の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の蒸留装置に用いられる非自己分配促進型規則充填物の他の例を示す斜視図である。
【図４】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物のさらに他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明の蒸留装置の第２の実施形態例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の蒸留装置の第３の実施形態例を示す概略構成図である。
【図９】図８に示す装置の変形例を示す構成図である。
【図１０】本発明の蒸留装置の他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１１】図１０に示す蒸留装置に用いられる熱媒体流体の循環経路を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の蒸留装置のさらに他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１３】図１２に示す蒸留装置の水素添加反応装置を示す概略構成図である。
【図１４】本発明の蒸留装置のさらに他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１５】図１４に示す蒸留装置に用いられる同位体スクランブラーの例を示す概略構成図である。
【図１６】図１４に示す装置を用いた場合を例として、酸素同位体重成分の濃縮をシミュレートした結果を示すグラフであり、各塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。このグラフにおいて、横軸はトータルの充填高さ、縦軸は各同位体成分の濃度を示す。
【図１７】蒸留塔の数が１６であること以外は図１に示す装置と同様の構成を採用した蒸留装置を用いた場合を例として、酸素同位体重成分の濃縮をシミュレートした結果を示すグラフであり、各塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。このグラフにおいて、横軸はトータルの充填高さ、縦軸は各同位体成分の濃度を示す。
【図１８】従来の蒸留装置の一例を示す概略構成図である。
【図１９】従来の蒸留装置の他の例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の蒸留装置の第１の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、カスケードに構成した３つの蒸留塔、すなわち第１塔１、第２塔２、および第３塔３を備えている。なお、蒸留塔をカスケードに構成するとは、一つの蒸留塔で濃縮された製品を、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ことができるように蒸留塔を接続することをいい、このように構成された蒸留塔全体をカスケードプロセスという。また図中破線で示す経路は本実施形態例の変形例であり、本実施形態例の装置に含まれない。
【００１２】
これら第１ないし第３塔１、２、３の塔頂部付近には、それぞれ塔１、２、３の塔頂部から導出されたガスの少なくとも一部を冷却し液化させる第１塔凝縮器５、第２塔凝縮器７、第３塔凝縮器９が設けられている。凝縮器５、７、９は、それぞれ塔１、２、３の塔頂部から導出されたガスが導入される第１流路５ａ、７ａ、９ａと、熱媒体流体が流通する第２流路５ｂ、７ｂ、９ｂを有し、上記導出ガスを熱媒体流体と熱交換させることにより冷却し液化させることができるようになっている。凝縮器５、７、９としては、プレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。なお図示例では凝縮器５、７、９を塔１、２、３の外部に設けたが、塔１、２、３の塔頂部内部に設けてもよい。
【００１３】
塔１、２、３の塔底部付近には、それぞれ塔１、２、３の塔底部から導出された液の少なくとも一部を加熱し気化させる第１塔蒸発器６、第２塔蒸発器８、第３塔蒸発器１０が設けられている。蒸発器６、８、１０は、それぞれ塔１、２、３から導出された液が導入される第１流路６ａ、８ａ、１０ａと、熱媒体流体が流通する第２流路６ｂ、８ｂ、１０ｂを有し、上記導出液を熱媒体流体と熱交換させることにより加熱し気化させることができるようになっている。蒸発器６、８、１０としては、プレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。またこれらの蒸発器の取り付け位置は、液ホールドアップを低減するために各蒸留塔下部の液溜の液量が運転可能な範囲で最小となるような位置とする。なお図示例では蒸発器６、８、１０を塔１、２、３の外部に設けたが、塔１、２、３の塔底部内部に設けてもよい。この場合はコイル式熱交換器としても良い。
【００１４】
本実施形態例の蒸留装置では、第１塔１の塔底部付近に設けられた第１塔蒸発器６の出口（第１流路６ａの出口）と、第２塔２の塔頂部付近に設けられた第２塔凝縮器７の入口（第１流路７ａの入口）とが、弁１２ｖを介して第１の導入経路１２で接続されている。同様に、第２塔蒸発器８の出口（第１流路８ａの出口）と、第３塔凝縮器９の入口（第１流路９ａの入口）とは弁１３ｖを介して第２の導入経路１３で接続されている。
【００１５】
また第２塔凝縮器７の出口（第１流路７ａの出口）と、第１塔蒸発器６の入口（第１流路６ａの入口）とは、弁１４ｖを介して第１の返送経路１４で接続されている。同様に、第３塔凝縮器９の出口（第１流路９ａの出口）と、第２塔蒸発器８の入口（第１流路８ａの入口）とは、弁１５ｖを介して第２の返送経路１５で接続されている。この弁１４ｖ、弁１５ｖの取り付け位置は各返送経路１４、１５の上方部（凝縮器の近く）で、後記する複数塔のカスケード連結における第Ｋ塔と第Ｋ＋１塔の圧力差が、このカスケードシステムが作動するような各塔間の圧力差になるようなヘッド圧が得られる位置に設ける。
【００１６】
第１ないし第３塔１、２、３の内部には、規則充填物１１が充填されている。規則充填物１１としては、非自己分配促進型規則充填物および／または自己分配促進型規則充填物を好適に用いることができる。非自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔内を下降する液流と蒸留塔内を上昇するガス流がその表面に沿って対向して流れ、かつ塔軸に垂直な断面方向の液流とガス流の混合が促進されずに気液接触が行われる形状・構造を有する充填物であり、例えばアルミニウム、銅、アルミニウムと銅の合金、ステンレススチール、各種プラスチック等からなる多数の板状物または管等を主流れ方向（塔軸方向）に平行に配置したものを挙げることができる。ここで、主流れとは蒸留塔内で塔軸方向に沿って下降する液流および上昇するガス流を示すもので、充填材表面における液流とガス流の界面（すなわち境界層）で生じる物質移動の流れに対しての塔軸方向の流れを指すものである。
【００１７】
典型的な非自己分配促進型規則充填物の例を図２および図３に示す。図２に示す非自己分配促進型規則充填物５１は、塔軸方向に平行な板材からなるハニカム状の構造物である。また、図３に示す非自己分配促進型規則充填物５２は、互いに平行な複数の板材５２ａと、これら板材５２ａに対し垂直な複数の板材５２ｂからなる格子状構造物を塔軸方向に沿って配置したものである。
【００１８】
自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔内を下降する液流と蒸留塔内を上昇するガス流とを、該規則充填物の主として表面において気液接触させ、この際、液流とガス流が該規則充填物の表面上を塔軸方向に沿う主流れ方向に互いに対向して流れると同時に、該主流れ方向に対し直角方向に液流および／またはガス流の混合が促進されつつ気液接触が行われる形状・構造を有する充填物であり、アルミニウム、銅、アルミニウムと銅の合金、ステンレススチール、各種プラスチック等の薄板を各種規則形状に成形し、これを積層構造のブロック状にしたもので、構造化充填物とも称される。
【００１９】
典型的な自己分配促進型規則充填物の例を図４ないし図６に示す。図４に示す自己分配促進型規則充填物５３は、波型形状の複数の薄板を、塔軸線に平行に配置し、互いに接触するように積層してブロック状にしたもので、各薄板の波状溝は、塔軸線に対して傾斜し、かつ隣接する波型薄板はそれらの波状溝の形成方向が交差するように配置されている。さらに各薄板が水平面に対し垂直になるように配置された状態で、各薄板には塔軸線に対し直角をなす方向に沿って多数の列を形成して、かつ互いに間隔をおいて多数の孔５３ａが設けられている。図５は自己分配促進型規則充填物の他の例の構成単位を示すもので、ここに示す自己分配促進型規則充填物５４は、薄板を波状に成形して波状溝を形成するとともに、薄板に、波状溝に対し所定の角度をなす方向に形成された微小な波型溝（ひだ）５４ｂを更に設けた点に特徴がある。符号５４ａは薄板に形成された孔を示す。図６に示す自己分配促進型規則充填物５５は、波型薄板上に、波状溝に対し所定の角度をなす方向に形成された微小な波型溝（ひだ）５５ｂが設けられた部分と、これを設けない平滑な部分とが交互に配置された構造を有することを特徴とするものである。符号５５ａは薄板に形成された孔を示す。
【００２０】
以下、本発明の蒸留装置の第１の実施形態例である上記図１の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第１の実施形態例を詳細に説明する。まず、第１塔１の中間部（高さ方向中間部）に接続されたフィード部である経路２０を通して、原料酸素ガスを第１塔フィード１０１として塔１内に供給する。上記原料酸素ガスとしては、高純度酸素を用いるのが望ましい。高純度酸素としては、予めアルゴン、炭化水素類、クリプトン、キセノン、弗素化合物（パーフルオロカーボン等）などの不純物を除去し、純度を９９．９９９％以上となるまで高めたものを用いることができる。特に炭化水素が除去された原料酸素を用いることが安全上好ましい。
【００２１】
第１塔１内に供給された原料酸素ガスは、塔１内を上昇し充填物１１を通過する際に、後述の還流液（下降液）と気液接触し蒸留される。原料酸素ガス中、同位体重成分を含む酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏ）は、高沸点であるため凝縮しやすく、気液接触の過程で、下降液中の同位体重成分濃度は増加し、上昇ガス中の同位体重成分濃度は減少する。重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路２１を通して塔１から導出された後、二分され、一方は第１塔凝縮器５の第１流路５ａに導入され、ここで第２流路５ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して凝縮し還流液として塔１の上部に戻され、他方は経路２２を通して廃ガス１０３として系外に排出される。
【００２２】
第１塔１の塔頂部に戻された還流液は、規則充填物１１の表面を下降液となって流下しつつ塔１内を上昇する原料酸素ガス、および後述の上昇ガスと気液接触し、塔１の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、下降液中には液化しやすい酸素同位体重成分を含む酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏ）が濃縮される。
【００２３】
第１塔１の塔底部に達した下降液（以下、各塔の塔底部に溜まった液を塔底部液という）は、経路２３を通して塔１から導出され、上述の第１の返送経路１４において後述の第１の返送液１０７と合流して第１塔蒸発器６の第１流路６ａに導入され、ここで第２流路６ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第１塔導出ガス１０２として上述の第１の導入経路１２を通して蒸発器６から導出される。
【００２４】
蒸発器６から導出された第１塔導出ガス１０２の一部は、経路２４を通して塔１の下部に戻されて塔１内を上昇する上昇ガスとなり、他部は、第２塔フィードガス１０４として導入経路１２を通して後述の第２塔塔頂ガス１０６と合流し第２塔凝縮器７に導入され、ここで凝縮し返送経路１４を通して凝縮器７から導出された後、二分される。二分された凝縮液のうち一方は、第１の返送経路１４を通し弁１４ｖを介して第１の返送液１０７として上記第１塔塔底部液と合流した後、上記第１塔蒸発器６に導入される。返送液１０７の返送は、凝縮器７を液化して導出し、経路１４を流下する凝縮液自身の重量によって行われる。
【００２５】
本実施形態例の方法では、第２塔凝縮器７を経た凝縮液のうち一部を第１の返送液１０７として第１塔蒸発器６に戻し、該返送液は自身の重量（ヘッド圧）で蒸発器６を経由して第１塔１へ導入されるので、第２塔２内の塔頂部の圧力を第１塔１の底部の圧力より低くすることができる。かくして上述の第２塔フィードガス１０４を経路１２、２５を通して第２塔２に送ることができる。
【００２６】
凝縮器７から導出され二分された凝縮液のうち他方は経路２５を通して第２塔還流液１０４として第２塔２上部に供給され、下降液となって第２塔２内の上昇ガスと気液接触しつつ第２塔２の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、上昇ガス中の同位体重成分濃度が減少するとともに、下降液中にはさらに酸素同位体重成分が濃縮される。
【００２７】
重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路２８を通して塔２から導出され、塔頂ガス１０６として上記導入経路１２で第２塔フィードガス１０４と合流する。
【００２８】
酸素同位体重成分が濃縮された濃縮物である第２塔２の塔底部液は、経路２６を通して塔２から導出され、上述の第２の返送経路１５において後述の第２の返送液１１２に合流して第２塔蒸発器８に導入され、ここで気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第２塔導出ガス１０５として上述の第２の導入経路１３を通して蒸発器８から導出される。
【００２９】
蒸発器８から導出された第２塔導出ガス１０５の一部は経路２７を通して塔２の下部に戻されて塔２内を上昇する上昇ガスとなり、他部は、第３塔フィードガス１０８として導入経路１３を通して、後述の第３塔塔頂ガス１１１と合流し、第３塔凝縮器９に導入され、ここで凝縮し、第２の返送経路１５を通して凝縮器９から導出された後、二分される。二分された凝縮液のうち一方は、第２の返送経路１５を通し弁１５ｖを介して第２の返送液１１２として上記第２塔蒸発器８に導入される。返送液１１２の返送は、凝縮器９を液化して導出し、経路１５を流下する凝縮液自身の重量によって行われる。
【００３０】
本実施形態例の方法では、第３塔凝縮器９を経た凝縮液のうち一部を第２の返送液１１２として第２塔蒸発器８に戻し、該返送液は自身の重量（ヘッド圧）で蒸発器８を経由して第２塔２へ導入されるので、第３塔３内の塔頂部の圧力を第２塔２の底部より低くすることができる。かくして、上記の第３塔フィードガス１０８を経路１３、２９を通して第３塔３に送ることができる。
【００３１】
凝縮器９から導出され二分された凝縮液のうち他方は経路２９を通して第３塔還流液１０８として第３塔３上部に供給され、下降液となって第３塔３内の上昇ガスと気液接触しつつ第３塔３の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、上昇ガス中の同位体重成分濃度が減少するとともに、下降液中にはさらに酸素同位体重成分が濃縮される。
【００３２】
重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路３３を通して塔３から導出され、塔頂ガス１１１として上記導入経路１３で第３塔フィードガス１０８と合流する。
【００３３】
酸素同位体重成分が濃縮された濃縮物である第３塔３の塔底部液は、経路３０を通して塔３から導出され、第３塔蒸発器１０に導入され、ここで気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第３塔導出ガス１０９として蒸発器１０から導出される。蒸発器１０から導出された第３塔導出ガス１０９は二分され、一方は経路３１を通して塔３の下部に戻されて塔３内を上昇する上昇ガスとなり、他方は、経路３２を通して酸素同位体重成分を濃縮した濃縮物である製品ガス１１０として回収される。
【００３４】
ここで、第２塔、第３塔へのフィードガス１０４、１０８の量の設定について説明する。第２塔フィードガス１０４の流量は、第２塔あるいは第３塔から装置外へ回収される製品（本実施形態例の場合は製品ガス１１０のみ）に同伴される目的成分の流量に対して、第２塔フィードガス１０４に同伴される目的成分の流量が十分な量になるように設定する。詳しくは、［第２塔あるいはは第３塔から装置外へ回収される製品１１０中の目的成分の流量］／［第２塔フィードガス１０４に同伴される目的成分の流量］＝［目的成分の収率］とする時、この目的成分の収率が１％〜１０％以下になるように設定することが望ましい。第２塔フィードガス１０４の量を小さくしすぎると（目的成分の収率を大きくしようとしすぎると）、第２塔および第３塔の蒸留性能が低下する。逆に、第２塔フィードガス１０４の量を大きくしすぎると、第１塔蒸発器６と第２塔凝縮器７の熱交換量の増大に対して蒸留性能はさほど向上しなくなる。
【００３５】
また、第３塔フィードガス１０８の流量は、第３塔から装置外へ回収される製品（本実施形態例の場合は製品ガス１１０のみ）に同伴される目的成分の流量に対して、第３塔フィードガス１０８に同伴される目的成分の流量が十分な量になるように設定する。詳しくは、［第３塔から装置外へ回収される製品１１０に同伴される目的成分の流量］／［第３塔フィードガス１０８に同伴される目的成分の流量］＝［目的成分の収率］が１％〜１０％以下になるように設定することが望ましい。第３塔フィードガス１０８の量を小さくしすぎると（目的成分の収率を大きくしようとしすぎると）、第３塔の蒸留性能が低下する。また、第３塔フィードガス１０８の量を大きくしすぎると、第２塔蒸発器８と第３塔凝縮器９の熱交換量の増大に対して蒸留性能はさほど向上しなくなる。
【００３６】
次に上記各塔の運転制御方法を説明する。ある一つの塔に着目した時、制御可能な部分は以下の４つである。
（１） 第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガス配管にある弁。
（２） 第ｋ＋１塔から第ｋ塔へ戻される液配管の弁。
（３） 蒸発器の熱交換量（温流体の流量、圧力）
（４） 凝縮器の熱交換量（冷流体の流量、圧力）
４つを同時に調節するのは困難なので、基本的に各塔について（１）と（３）を固定し、装置の状態を見ながら（２）と（４）を調節する。
【００３７】
まず（３）蒸発器の熱交換量（温流体の流量、圧力）の調節は次のように行う。蒸発器の熱交換量は、各塔の蒸気負荷が適当な値（計画値）になるように予め調節し設定して以降、制御はしない。蒸留塔内の密度補正空塔速度は、０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以上、３．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以下、好ましくは０．７ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以上、２．２ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以下になるように設定するのが好ましい。
【００３８】
次に、（１）第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガス配管（経路１２、１３）にある弁１２ｖ、１３ｖを調節する。各塔の塔頂圧力がほぼ等しい場合、第ｋ塔塔底圧力は第ｋ＋１塔塔頂圧力よりも、第ｋ塔の圧力損失分だけ高くなる。したがって、配管の途中に弁を設けた上で、第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガスの流量を検出し、規定された流量に制御する。この流量は、厳密なものではないので、一旦丁度良い流量（計画値にほぼ等い値）になったら、弁の開度は調節しない。各塔の圧力が一定であれば、この流量はほとんど変化しない。
【００３９】
ついで、（４）凝縮器の熱交換量（冷流体の流量、圧力）を設定する。これは各蒸留塔内の圧力が一定になるように調節する。蒸発器の熱交換量（３）は固定されているので、凝縮器の熱交換量（４）が小さいと、蒸留塔の圧力は上がり続けてしまう。また、逆に凝縮器の熱交換量（４）が大きいと蒸留塔の圧力は下がり続ける。いったん最適値に調節しても、天候によって装置の侵入熱が変化し、圧力は変動する。したがって、各塔の圧力を常に検出しながら凝縮器の熱交換量（４）を制御する必要がある。
【００４０】
ついで（２）第ｋ＋１塔から第ｋ塔へ戻される液配管（経路１４、１５）の弁１４ｖ、１５ｖを調節する。調節弁１４ｖ、１５ｖは、所定の液ヘッドがえられる範囲で比較的塔頂の凝縮器に近い位置に設置する。これは、配管内の液ホールドアップを小さくするためである。この開度は、各蒸留塔の塔底の液面（蒸発器の液面）を検出しながら調節する。この開度が小さすぎて、第ｋ＋１塔から第ｋ塔への戻りが小さくなった場合、（１）ガス配管の弁１２ｖ、１３ｖが固定されているので、第ｋ＋１塔〜第ｎ塔までのプロセス流体のホールドアップがどんどん増えていく。各塔の圧力は（４）凝縮器５、７、９によって一定に保たれているので、ホールドアップの増加は、蒸留塔塔底の液面の上昇につながる。逆に、第ｋ＋１塔から第ｋ塔への戻りが大きくなった場合、蒸留塔塔底の液面は低下する。したがって、（２）液配管の弁は各蒸留塔塔底の液面高さが一定になるように制御しなければならない。なお、調節弁１４ｖ、１５ｖは、所定の液ヘッドがえられる範囲で比較的塔頂の凝縮器に近い位置に設置するが、制御の容易さ、確実さを考慮すると蒸発器に近い位置に設けるのが良い。
【００４１】
本実施形態例の蒸留装置は、第１塔蒸発器６の出口と第２塔凝縮器７の入口とが第１の導入経路１２で接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔凝縮器９の入口とが第２の導入経路１３で接続され、かつ第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されているので、凝縮器７、９を経た凝縮液のうち一部を返送液１０７、１１２として蒸発器６、８に戻すことができる。このため、塔２、３内の圧力を従来に比べ低く設定することができ、各塔内における同位体各成分間の蒸気圧比を大きくし、蒸留性能を向上させることができる。これにより、各塔の充填高さを低くすることができ、液のホールドアップ量を少なくでき、起動時間の短縮を図ることができる。また上記理由により、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を効率良く得ることができる。
【００４２】
また、従来の装置（図１９）では、前段側の塔から後段側の塔への供給経路の全部が液で満たされているのに対して、本実施形態例の装置では返送経路のうち、これら塔の圧力差に相当する液ヘッド分に応じた部分のみが液で満たされる。即ち、後段側の塔から前段側の塔への返送経路のうち、凝縮器７、９にて液化された返送液１０７、１１２を前段側の塔に返送するために必要なこれら塔の圧力差に相当する液ヘッド分に応じた経路部分のみが液で満たされる。このため、液ホールドアップ量が小さくなり、いっそうの装置の起動時間の短縮が可能となる。特に蒸留塔の塔径が小さい場合には、返送経路の配管径が相対的に大きくなるので、本実施形態例の装置と従来装置との間の液ホールドアップの差が大きくなると考えられ、起動時間の点で、本発明装置の優位性がさらに明確となると考えられる。
【００４３】
また、塔１、２、３に規則充填物（自己分配促進型充填物あるいは非分配促進型充填物）を用いることによって、塔内の圧力損失を小さくし、塔内圧を低く設定することができる。このため、各成分間の蒸気圧比を大きくし蒸留効率を高めるとともに、液ホールドアップ量を小さくし、起動時間のさらなる短縮を図ることができる。またこれに伴って運転コスト削減が可能となる。さらには、自己分配型規則充填物の使用により、塔内における気液接触効率を高め、同位体濃縮効率を高めることができる。
【００４４】
上記実施形態例の蒸留装置では、第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限らず、第１の返送経路を、符号１４ａ（破線で示す経路）で示すように第２塔凝縮器７の出口と第１塔１の中間部とを接続するものとし、かつ第２の返送経路を、符号１５ａ（破線で示す経路）で示すように第３塔凝縮器９の出口と第２塔２の中間部とを接続するものとしてもよい。また、塔１、２、３としては、上記充填物を用いた充填塔に限らず、濡れ壁塔を用いることもできる。
【００４５】
図７は、本発明の蒸留装置の第２の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、以下の点で図１に示す蒸留装置と異なる。
（１）第１塔蒸発器６の出口と、第２塔２の塔頂部とが、第１の導入経路３５によって直接接続され、第１塔蒸発器６を経た第２塔フィードガス１０４’を、直接、第２塔２の塔頂部に供給できるようになっている。
（２）第２塔蒸発器８の出口と、第３塔３の塔頂部とが、第２の導入経路３６によって直接接続され、第２塔蒸発器８を経た第３塔フィードガス１０８’を、直接、第３塔３の塔頂部に供給できるようになっている。
（３）第２塔凝縮器７の出口と、第１塔１の塔底部とが、第１の返送経路３７によって接続され、第２塔凝縮器７からの返送液１０７’を第１塔１の塔底部に返送することができるようになっている。
（４）第３塔凝縮器９の出口と、第２塔２の塔底部とが、第２の返送経路３８によって接続され、第３塔凝縮器９からの返送液１１２’を第２塔２の塔底部に返送することができるようになっている。なお、図中破線で示す経路は後記するごとく本実施形態例の装置の変形例である。
【００４６】
以下、図７の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第２の実施形態例を説明する。経路２０を通して、第１塔フィード１０１として第１塔１内に供給された原料酸素ガスは、塔１内における気液接触によって蒸留される。第１塔１内で酸素同位体重成分が濃縮された塔底部液は、経路２３’を通して第１塔蒸発器６に導入され、ここで気化し第１塔導出ガス１０２’として蒸発器６から導出される。導出ガス１０２’の一部は経路３９を通して第１塔１の下部に戻され、他部は、第１の導入経路３５を通して第２塔フィード１０４’として第２塔２の塔頂部に直接、導入される。第２塔２内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１０６として経路２８’を通して第２塔２から導出され、第２塔凝縮器７において凝縮した後、二分され、一方は経路２５’を通して第２塔２上部に還流液として戻され、他方は第１の返送経路３７を通して第１の返送液１０７’として第１塔１の塔底部に返送される。
【００４７】
第２塔２内で酸素同位体重成分が濃縮された塔底部液は、経路２６’を通して第２塔蒸発器８に導入され、ここで気化し第２塔導出ガス１０５’として蒸発器８から導出される。導出ガス１０５’の一部は経路４０を通して第２塔２の下部に戻され、他部は第２の導入経路３６を通して第３塔フィード１０８’として第３塔３の塔頂部に直接、導入される。第３塔３内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１１１として経路３３’を通して第３塔３から導出され、第３塔凝縮器９において凝縮した後、二分され、一方は経路２９’を通して第３塔３上部に該塔の還流液として導入され、他方は第２の返送経路３８を通して第２の返送液１１２’として第２塔２の塔底部に返送される。
【００４８】
本実施形態例の蒸留装置では、凝縮器７、９を経た凝縮液のうち一部を返送液１０７’、１１２’として該凝縮液自身の重量（ヘッド圧）で前段の塔に戻すことができる。このため、液ポンプを使用する従来法に比して液量は少なくて済み、上述の第１の実施形態例の装置と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また塔底部と塔頂部を接続した形とすることにより少ない全塔長により酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を効率良く得ることができる。
【００４９】
なお、上記実施形態例の蒸留装置では、第１塔蒸発器６の出口と第２塔２の塔頂部とが第１の導入経路３５によって接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔３の塔頂部とが第２の導入経路３６によって接続され、さらに、第２塔凝縮器７の出口と第１塔１の塔底部とが第１の返送経路３７によって接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔２の塔底部とが第２の返送経路３８によって接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限定されない。例えば、符号３５ａ、３６ａ（破線で示す経路）で示すように、第１および第２の導入経路を、塔２、３の塔頂部でなく中間部に接続することもできるし、符号３７ａ、３８ａで示すように、第１および第２の返送経路を、塔１、２の塔底部でなく塔１、２の中間部に接続することもできる。
【００５０】
図８は、本発明の蒸留装置の第３の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、以下の点で図７に示す蒸留装置と異なる。
（１）第２塔２の塔頂ガス１０６を第２塔凝縮器７に導く経路２８’と、第１塔１の塔底部とが、第１の返送経路３７’によって接続され、第２塔２の塔頂ガス１０６の一部を、第１塔１の塔底部に返送することができるようになっている。
（２）第３塔３の塔頂ガス１１１を第３塔凝縮器９に導く経路３３’と、第２塔２の塔底部とが、第２の返送経路３８’によって接続され、第３塔３の塔頂ガス１１１の一部を、第２塔２の塔底部に返送することができるようになっている。
（３）第１および第２の返送経路３７’、３８’にそれぞれブロワ４１、４２が設けられている。ブロワ４１、４２としては、常温圧縮機、低温圧縮機を用いることができるが、常温圧縮機を用いる場合は、図９に示すように、返送経路３７’、３８’に熱交換器４１ａ、４２ａを介在させる必要がある。
【００５１】
以下、図８の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第３の実施形態例を説明する。第２塔２内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１０６として経路２８’を通して第２塔２から導出された後、二分される。二分された塔頂ガス１０６のうち一方は第２塔凝縮器７において凝縮した後、第２塔２上部に戻されて該塔の還流液となり、他方は第１の返送経路３７’を通してブロワ４１に至り、ここで昇圧されて第１の返送液１０７”として第１塔１塔底部に返送される。同様に、第３塔３の塔頂部から導出された塔頂ガス１１１は、経路３３’を通して第３塔３から導出された後、二分され、一方は第３塔凝縮器９において凝縮した後、第３塔３上部に戻されて該塔の還流液となり、他方は第２の返送経路３８’を通してブロワ４２に至り、ここで昇圧されて第２の返送液１１２”として第２塔２塔底部に返送される。
【００５２】
本実施形態例の蒸留装置では、各経路ともガス状で供給され液状ではないので上述の第１の実施形態例の装置と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また塔底部と塔頂部、塔頂部と塔底部をそれぞれ連結するので、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。なお、本実施形態例の蒸留装置では、第１塔蒸発器６の出口と第２塔２の塔頂部とが第１の導入経路３５によって接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔３の塔頂部とが第２の導入経路３６によって接続され、さらに、第２塔凝縮器７の入口と第１塔１の塔底部とが第１の返送経路３７’によって接続され、第３塔凝縮器９の入口と第２塔２の塔底部とが第２の返送経路３８’によって接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限定されない。例えば、符号３５ａ、３６ａ（破線で示す経路）で示すように、第１および第２の導入経路を、塔２、３の塔頂部でなく中間部に接続することもできるし、符号３７’ａ、３８’ａで示すように、第１および第２の返送経路を、塔１、２の塔底部でなく塔１、２の中間部に接続することもできる。
【００５３】
上記各実施形態例では、３つの蒸留塔を有する蒸留装置を示したが、本発明の蒸留装置において、蒸留塔の数はこれに限定されない。図１０に示す蒸留装置は、蒸留塔の数がｎ本とされた蒸留装置である。ここに示す蒸留装置は、ｎ本の蒸留塔Ａ１〜Ａｎと、これら塔Ａ１〜Ａｎの塔頂部付近に設けられた凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、塔Ａ１〜Ａｎの塔底部付近に設けられた蒸発器Ｃ１〜Ｃｎと、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部付近に設けた第ｋ塔蒸発器Ｃｋの出口と第（ｋ＋１）塔の塔頂部とを接続する導入経路Ｄ１〜Ｄｎ−１と、第（ｋ＋１）塔の第（ｋ＋１）塔凝縮器Ｂｋ＋１出口と第ｋ塔の塔底部とを接続する返送経路Ｅ１〜Ｅｎ−１を備えている。蒸留塔の数ｎは、例えば２〜１００とすることができる。
【００５４】
また上記図１０に示す蒸留装置における蒸発器と凝縮器の熱媒体流体の循環系統を図１１に示す。図１１に示すように、各凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、蒸発器Ｃ１〜Ｃｎとは、熱媒体流体用の循環経路８１によって接続されている。この循環経路８１では、貯留槽８２内の熱媒体流体が導出され、ポンプ８３、過冷却器８４の第１流路を経て凝縮器Ｂ１〜Ｂｎに導入された後、過冷却器８４の第２流路を経て熱交換器８５の第１流路に至り、次いでブロア８６、熱交換器８５の第２流路を経て蒸発器Ｃ１〜Ｃｎに導入された後、貯留槽８２に戻されるようになっている。なお過冷却器８４は、熱媒体流体が凝縮器に達する以前に気化するのを防ぐために熱媒体流体を冷却するためのものである。
【００５５】
本発明では、同様に、図１に示す第１の実施形態例の蒸留装置や、図７に示す第２の、そして図８に示す第３の実施形態例の蒸留装置においても、蒸留塔の数は図示例に限定されず、任意に設定することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態例では、原料酸素を低温蒸留することによって酸素同位体重成分を濃縮する方法を示したが、本発明はこれに限らず、原料として水を用い、これを上記各実施形態例の蒸留装置によって蒸留し、酸素同位体重成分を含む重酸素水Ｈ２１７Ｏ、Ｈ２１８Ｏ、Ｄ２１７Ｏ、Ｄ２１８Ｏ、ＤＨ１７ＯおよびＤＨ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することにより重酸素水を製造することもできる。この場合においても、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する重酸素水製品を得ることができる。
【００５７】
図１２および図１３は、本発明の重酸素水の製造方法の他の実施形態例を実施するために用いられる蒸留装置を示すもので、ここに示す装置は、複数の蒸留塔Ａ１〜Ａｎを備えた酸素蒸留用の酸素蒸留塔ユニットＦ１と、複数の蒸留塔Ａ’１〜Ａ’ｎを備えた水蒸留用の水蒸留塔ユニットＦ２と、これらユニットＦ１、Ｆ２間に設けられた水素添加反応装置３００Ａを備えている。蒸留塔ユニットＦ１、Ｆ２には、図１０に示す蒸留装置の構成を採用することができる。
【００５８】
図１３に示す水素添加反応装置３００Ａは、酸素蒸留塔ユニットＦ１を経た濃縮物（酸素ガス）を一時貯留するバッファタンク３４１と、バッファタンク３４１内の酸素ガスを導く経路３４２と、図示せぬ供給源から供給された水素（または重水素）を導く経路３４３と、これら経路３４２、３４３から供給された酸素と水素を反応させる燃焼室３４４と、制御器３４５とを有する燃焼器３００を主たる構成要素とするものである。
【００５９】
燃焼室３４４は、燃焼室３４４内に供給される酸素と水素とを混合し燃焼するバーナ３４４ａと、該酸素・水素混合ガスに着火するヒータ３４４ｂと、反応生成物（水蒸気）を冷却する冷却コイル３４４ｃを備えている。また符号３４４ｄは燃焼室３４４内の反応生成物（水）を弁を介して取り出す取出口を示す。
【００６０】
制御器３４５は、予め設定された値による信号と、経路３４２に設けられた酸素流量検出器３４２ａによって検出された酸素ガス流量に基づく信号により流量調節弁３４２ｂを調節し、経路３４２を通して燃焼室３４４内に供給される酸素ガスの供給量を調節することができるようになっている。また、制御器３４５は、予め設定された値による信号と、経路３４３に設けられた水素流量検出器３４３ａによって検出された水素流量に基づく信号により流量調節弁３４３ｂを調節し、経路３４３を通して燃焼室３４４内に供給される水素の供給量を調節することができるようになっている。なお、符号３４２ｃ、３４３ｃは逆止弁、符号３４２ｄ、３４３ｄは逆火防止器、符号３４４ｅは燃焼室３４４内のごく少量の未反応ガスを弁を介して排出する排出用経路を示す。
【００６１】
以下、上記蒸留装置を用いた場合を例として、本発明の重酸素水の製造方法の一実施形態例を説明する。原料酸素を、酸素蒸留塔ユニットＦ１に供給し、酸素同位体重成分を濃縮した濃縮物である中間製品ガス１１０’を得る。この中間製品ガス１１０’（酸素ガス）を、経路４４、調節弁４４ａを通して水素添加反応装置３００Ａの燃焼器３００に導入する。燃焼器３００に導入された酸素ガスは、バッファタンク３４１を経て経路３４２を通しバーナ３４４ａを介して燃焼室３４４内に導入される。同時に、図示せぬ供給源から供給された水素を経路３４３を通しバーナー３４４ａを介して燃焼室３４４内に供給する。
【００６２】
この際、制御器３４５によって、設定値による信号および酸素流量検出器３４２ａによって検出された酸素ガス流量に基づくフィードバック信号により演算が行われ、その結果の信号により流量調節弁３４２ｂが調節されるとともに、同様に、制御器３４５からの設定値による信号と水素流量検出器３４３ａによって検出された水素流量に基づくフィードバック信号により演算が行われ、その結果の信号により流量調節弁３４３ｂが調節され、水の生成のための化学量論量に近い量の上記酸素と水素がバーナー３４４ａを介して燃焼室３４４内に供給される。
【００６３】
燃焼室３４４に供給される酸素および水素は上記の如くフィードバック制御により常に化学量論量に限りなく近い流量に制御されるが、それでも過剰分として導入されたガスは弁を介して排出用経路３４４ｅから定期的に排出し、このガスが燃焼室３４４内に溜まるのを防ぐ。この排ガス量をさらに減らすために、フィードフォワード制御を併用するなど、より厳密な制御手段を採用することが好ましい。
【００６４】
燃焼室３４４内に供給された上記酸素と水素は、バーナ３４４ａにおいて混合された後、燃焼室３４４内に噴出され、ヒータ３４４ｂにより着火し、これらが反応することにより水が生成する。生成した水は、大部分が冷却コイル３４４ｃによる冷却によって凝縮した後、取出口３４４ｄを通して燃焼室３４４外に導出され、生成水１１３として経路４５を経て水蒸留塔ユニットＦ２に導入される。この生成水１１３は、酸素同位体重成分の濃縮物である中間製品ガス１１０’を原料として得られたものであるため、酸素同位体重成分を多く含む重酸素水となる。
【００６５】
水蒸留塔ユニットＦ２は、酸素蒸留塔ユニットＦ１と同様の構成とされているため、蒸留塔ユニットＦ２内においては、ユニットＦ１における酸素同位体重成分の濃縮過程と同様に、生成水１１３中の重成分、すなわちＨ２１７Ｏ、Ｈ２１８Ｏ、Ｄ２１７Ｏ、Ｄ２１８Ｏ、ＤＨ１７Ｏ、ＤＨ１８Ｏが濃縮され、製品重酸素水１１４として回収される。
【００６６】
本実施形態例の蒸留装置では、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する重酸素水製品を得ることができる。
【００６７】
図１４は、本発明の蒸留装置の他の実施形態例を示すもので、ここに示す装置は、ｎ本の蒸留塔Ａ１〜Ａｎと、これら塔Ａ１〜Ａｎの塔頂部付近に設けられた凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、塔Ａ１〜Ａｎの塔底部付近に設けられた蒸発器Ｃ１〜Ｃｎと、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部付近に設けた第ｋ塔蒸発器Ｃｋの出口と第（ｋ＋１）塔の塔頂部とを接続する導入経路Ｄ１〜Ｄｎ−１と、第（ｋ＋１）塔の第（ｋ＋１）塔凝縮器Ｂｋ＋１出口と第ｋ塔の塔底部とを接続する返送経路Ｅ１〜Ｅｎ−１と、同位体スクランブラー４７を備えている。
【００６８】
同位体スクランブラー４７は、塔Ａ１〜Ａｈによって濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングによってさらに濃縮するためのもので、入口側が取出経路４８を介して第ｈ塔Ａｈ下部に接続され、出口側が、第ｈ塔Ａｈに対し後段側に隣接する第ｉ塔Ａｉ中間部に返送経路４９を介して接続されている。
【００６９】
同位体スクランブラー４７としては、同位体交換反応触媒を用いるものの他に、酸素分子をいったん別の化合物とし、その後これを分解し酸素分子を得るものがある。同位体スクランブラー４７として、前者のものを用いた場合、酸素同位体重成分濃縮物である塔Ａｈの塔底部ガスを同位体交換反応触媒に接触させることで、濃縮物中において、後述する同位体交換反応を促進し、これにより濃縮物中の重成分酸素分子の濃度をさらに高めることができる。
【００７０】
この場合、同位体スクランブラー４７は、触媒筒（図示略）と、その内部に充填された同位体交換反応触媒を備えている。この同位体交換反応触媒としては、例えばＷ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することができる。また同位体交換反応触媒としては上記の他、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物、Ｃｕ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｓｎ酸化物、およびＶ酸化物からなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することもできる。また、上記金属単体の触媒と上記金属酸化物触媒とをそれぞれ１種または複数種混在させたものを用いることも出来る。
【００７１】
同位体スクランブラー４７として、後者のものを用いた場合は、酸素同位体重成分濃縮物である塔Ａｈの塔底部ガスをいったん別の化合物（例えば水）に変換し、その後これを分解し酸素分子を得ることによって濃縮物中の重成分酸素分子の濃度をさらに高める。この方法を採用した同位体スクランブラー４７の例を図１５に示す。
【００７２】
図１５において、同位体スクランブラ−４７は主にアルゴン循環ブロワー８７と、酸化反応触媒を充填した触媒筒８８と、電気分解装置８９と、酸素精製装置９０からなる。触媒筒８８に充填された酸化反応触媒としては、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｕからなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することができる。さらにＰｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ等を、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｖ酸化物、Ｃｏ酸化物、Ｍｎ酸化物等に担持させた触媒からなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することもできる。
【００７３】
アルゴン循環ブロワー８７は、触媒筒８８、冷却器９１、チラー９２を備えたアルゴン循環系統内のガスを循環させるために設けられている。この循環系統内は酸素および水素が共存するため、この循環系統には、爆発範囲を考慮して、該系統内のガスを希釈するアルゴンを供給するアルゴン補給ライン９８が接続されている。なおこの循環系統には、チラー９２の出口における水素濃度を約２％程度に保つために水素ガス補給ライン９７が設けられている。
【００７４】
次に、上記装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体の濃縮方法の一実施形態を説明する。経路２０を通してフィード１０１を第１塔Ａ１に供給し、以下、塔Ａｈに至る間に上述の過程にしたがって酸素同位体重成分を濃縮し、濃縮物である塔Ａｈの塔底部液を得る。次いで、この塔底部液を、経路４８を通して導出ガス１１５として同位体スクランブラー４７に導入する。
【００７５】
経路４８からアルゴン循環ブロワー８７の吸入側に供給された酸素ガスは、アルゴンおよび水素と混合され、ブロワー８７により約８０〜１００ｋＰａ（ゲージ）まで昇圧され触媒筒８８へ導入される。また前記ブロワ８７の出口で極微量の水素（後記する触媒筒９５で反応除去した分）をライン９７から補給する。触媒筒８８内で水素と酸素が反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）し水が生成し、触媒筒８８出口の組成は水素約２％、水蒸気約０．５％、アルゴン約９７．５％となる。
【００７６】
この混合ガスは冷却器９１およびチラー９２により冷却され、水が貯槽９３に分離される。この水は電気分解装置８９内に設けられたポンプにより電解槽９４（圧力４００ｋＰａゲージ）へ送られて電気分解され、再び、微量の酸素を含んだ水素ガスと、微量の水素を含んだ酸素ガスに分離される。前者の水素ガスは上記アルゴン循環系統に回収される。後者の酸素ガスは触媒筒９５、吸着器９６を備えた酸素精製装置９０により微量の水素、水などが除去され、経路４９を通して導出され、酸素蒸留塔へ戻される。吸着器９６の再生ガスには、酸素同位体重成分が濃縮された酸素ガスのロスを防ぐため、別途超高純度酸素ガス（蒸留塔第１塔フィードガスと同一仕様のガス）を用いる。なお、同位体スクランブラ−戻り酸素ガス１１６の流量は、該酸素ガスが戻される蒸留塔内の上昇ガス量に比べて極めて小さいため、常温のまま蒸留塔内に戻しても蒸留性能にはほとんど影響しない。
【００７７】
同位体スクランブラ−４７の装置全体でみると、ガスの出口は、精製された同位体スクランブラ−戻りガス１１６のライン４９と、吸着器９６の再生のために別途供給された超高純度酸素ガスの放出口しかないため、その他のガスは装置内を循環しており、ガスのロスはほとんどない。したがって、水素ガス、アルゴンガス共に補給ラインから補給される量は極微量である。
【００７８】
同位体スクランブラー４７の触媒筒８８内では、酸化反応触媒により水素と酸素が反応し、水が生成される。例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
２Ｈ２＋ＡＢ→Ｈ２Ａ＋Ｈ２Ｂ
あるいは ２Ｈ２＋ＣＤ→Ｈ２Ｃ＋Ｈ２Ｄ
あるいは ２Ｈ２＋ＡＡ→２Ｈ２Ａ
などの反応により、酸素分子を構成していた原子が水の別々の分子に別れる。ここで得られた反応物（水分子）中の各酸素同位体成分の存在比は、導出ガス１１５中の各同位体成分の存在比によって決まることになる。さらに同位体スクランブラー４７の電気分解装置８９内では、電気分解により水分子が酸素分子と水素分子に分解される。同様にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
Ｈ２Ａ＋Ｈ２Ｃ→２Ｈ２＋ＡＣ
あるいは Ｈ２Ｂ＋Ｈ２Ｄ→２Ｈ２＋ＢＤ
あるいは ２Ｈ２Ｃ→２Ｈ２＋ＣＣ
などの反応により、水分子が酸素分子と水素分子に分解される。ここで得られた酸素分子を構成する酸素原子の組み合わせは、水分子内に存在する酸素同位体成分の存在比によって確率的に決まる。なお、上記のように複数種の同位体分子が存在する時、各分子がその構成する相手の原子をランダムに変えることを同位体スクランブリングと言い、それを行なう装置を同位体スクランブラーという。
【００７９】
上記同位体スクランブラー４７として同位体交換反応触媒を用いる方法を用いた場合には、同位体スクランブラー４７の触媒筒内において、同位体交換反応触媒により同位体交換反応が行われる。同位体交換反応は、十分に加熱された触媒表面上で、２原子分子における相手原子を他の原子と交換する反応である。即ち、同位体交換反応とは、例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
ＡＢ＋ＣＤ＝ＡＣ＋ＢＤ
あるいは ＡＢ＋ＣＤ＝ＡＤ＋ＢＣ
となる反応である。ある同位体原子に着目すると、十分に時間が経過した後では、分子として相手になる同位体原子は、同位体交換反応を始める前の各同位体成分の存在比によって確率的に決まることになる。従って、同位体スクランブラー４７による同位体交換反応によって得られた反応物（酸素同位体分子）中の各同位体成分の存在比は、導出ガス１１５中の各同位体成分の存在比によって決まることになる。
【００８０】
すなわち、例えば導出ガス１１５中に１６Ｏ１６Ｏ、１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏの成分があり、それぞれのモル分率をＹ１１、Ｙ１２、Ｙ１３、とすると、上記いずれの方法を用いても同位体スクランブラー４７により、酸素分子を構成する酸素原子の組み合わせが、各同位体成分の存在確率によりランダムに変化するため、同位体スクランブリング後の各成分の濃度は、
１６Ｏ１６Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）２ ・・・（ｉ）
１６Ｏ１７Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１２ ・・・（ｉｉ）
１６Ｏ１８Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１３ ・・・（ｉｉｉ）
１７Ｏ１７Ｏ ：Ｙ２１２／４ ・・・（ｉｖ）
１７Ｏ１８Ｏ ：Ｙ１２Ｙ１３／２ ・・・（ｖ）
１８Ｏ１８Ｏ ：Ｙ２１３／４ ・・・（ｖｉ）
となる。
【００８１】
この１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏに含まれる１６Ｏの一部が１６Ｏ１６Ｏとなるのに伴って、重成分（１７Ｏおよび１８Ｏ）のみからなる酸素分子（１８Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１７Ｏ１７Ｏ、以下、重成分酸素分子という）の濃度が高められる。
【００８２】
同位体スクランブラー４７によって重成分酸素分子の濃度が高められた反応物は、同位体スクランブラー戻りガス１１６として経路４９を通して塔Ａｉに供給され、以下、塔Ａｉ〜Ａｎを経る。重成分酸素分子は高沸点であり濃縮しやすいため、この過程において、酸素同位体重成分の濃度がさらに高められる。
【００８３】
上記実施形態例の酸素同位体の濃縮方法では、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また、塔Ａ１〜Ａｈによって得られた酸素同位体重成分濃縮物を同位体スクランブラー４７に供給し、同位体スクランブラー４７における同位体スクランブリングによって、濃縮物中の重成分酸素分子（１８Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１７Ｏ１７Ｏ）濃度を高め、この濃縮物を塔Ａｉ〜Ａｎに供給し、酸素同位体重成分の濃度をさらに高めるので、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。
【００８４】
なお、図示例の装置では、同位体スクランブラー４７の出口側経路４９が、第ｉ塔Ａｉに接続された構成とした。このように、同位体スクランブラー４７の出口側経路４９が接続される塔は、入口側経路４８が接続される第ｈ塔Ａｈよりも下流側（後段側）のものであることが望ましいが、本発明ではこれに限らず、出口側経路４９が接続される塔が、入口側経路４８が接続される塔、またはこの塔よりも上流側（前段側）のものであってもよい。
【００８５】
すなわち、同位体スクランブラー４７はカスケードに構成した「複数の蒸留塔から構成される装置」のどの部分にも組み込むことが可能である。例えば、第ｋ塔（蒸留塔、コンデンサー、リボイラー、配管などを含む）の任意の場所からガスを抜き出し、同位体スクランブラーで処理し、第ｊ塔（蒸留塔、コンデンサー、リボイラー、配管などを含む）の任意の場所に戻すことも可能である。ここで、ｋとｊの大小関係は自由で、また、ｋ＝ｊの場合もあり得る。ただし、同位体スクランブリングを効果的に行うために、蒸留装置からガスを抜き出す位置は、１６Ｏ１８Ｏが最も濃縮されている位置が望ましく、また、同位体スクランブリングの後に蒸留塔に戻す位置は、抜き出す位置における１８Ｏ１８Ｏの濃度よりも、同位体スクランブリング後のガスの１８Ｏ１８Ｏの濃度の方が大きいので、抜き出した場所よりも後段（１８Ｏ１８Ｏがより濃縮された位置）であることが望ましい。
【００８６】
また、本発明では、上記最終塔Ａｎから導出された酸素を、前記水素添加反応装置３００Ａに供給して水に変換することによって、重酸素水を得ることもできる。
【００８７】
次に、上記各蒸留装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行う場合についてコンピュータシミュレーションを行った結果について説明する。本発明の蒸留塔の設計に採用した蒸留理論およびこのシミュレーションに採用した蒸留理論は、物質移動に関する速度論的モデルを用いており、いわゆるＨ．Ｅ．Ｔ．Ｐ（Ｈｅｉｇｈｔ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ａ Ｔｈｅｏｒｉｔｉｃａｌ Ｐｌａｔｅ）あるいは平衡段モデルは用いていない。
【００８８】
この速度論的モデルを用いた蒸留理論において、質量流束Ｎは、拡散流束Ｊと対流項ρｖを用いて次のように表される。
Ｎ ＝ ＪＧＳ ＋ ρＧＳｖＧＳωＧＳ
また、物質移動に関する相関式として次のものを掲げることができる。
ＳｈＧＳ（ＪＧＳ／Ｎ） ＝ Ａ１ＲｅＧＡ２・ＳｃＧＳＡ３
ここで、Ｓｈ、Ｒｅ、Ｓｃは次式でそれぞれ定義される。
ＳｈＧＳ ＝ Ｎｄ／（ρＧＳＤＧＳΔωＧＳ）
ＲｅＧ ＝ ρＧＵＧｄ／μＧ
ＳｃＧＳ ＝ μＧＳ／（ρＧＳＤＧＳ）
Ｎ：質量流束［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］
Ｊ：拡散流束［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］
ｄ：相当直径［ｍ］
Ｄ：拡散係数［ｍ２／ｓ］
ρ：密度［ｋｇ／ｍ３］
ｖ：速度［ｍ／ｓ］
ω：濃度［ｋｇ／ｋｇ］
Ｓｈ：シャーウッド数［−］
Ｒｅ：レイノルズ数［−］
Ｓｃ：シュミット数［−］
添え字Ｇ：気相 添え字Ｓ：気液界面
【００８９】
この速度論的なモデルの良さは、多成分系における中間成分の物質移動を正確に予測できること、平衡段モデルによって計算を行った場合に起こるマーフリー効率やＨ．Ｅ．Ｔ．Ｐが負の値をとるような非現実的な結果とならないことなどにある。上記モデルについては、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｓｅｌｉｎｇｈ： ’Ｎｏｎ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ’ ＩＣｈｅｍＥ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ａｎｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ’９７， ｖｏｌ．１， ｐｐ．１−２１ （１９９７）に詳しく記載されている。
【００９０】
［実施例１］
上記モデルを用いて、図１に示す蒸留装置を用いて酸素同位体の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を、表２に示す。なお装置仕様を表１に示す。
【００９１】
［従来例１］
図１９に示す従来の蒸留装置を用いて酸素同位体の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を表２に併せて示す。この従来装置は、第１塔ないし第３塔の塔径、充填高さを実施例１の装置と同じ値と想定した。またフィード量、製品量、還流比なども実施例１の場合と同様の値とした。
【００９２】
【表１】
【００９３】
【表２】
【００９４】
表２より、図１の装置を用いた実施例１の方法では、従来装置を用いた従来例１の方法に比べ、製品の１６Ｏ１８Ｏ濃度を高めることができることがわかる。これは、実施例１の場合には、従来例１に比べ塔内圧力を低くすることができ、このため塔内において各成分間の蒸気圧比が大きくなり蒸留性能が向上するためであると考えられる。
【００９５】
また表２より、実施例１では、装置の起動時間の短縮が可能となることがわかる。これは、次の理由によるものであると考えられる。従来例１では、第１塔と第２塔との間、および第２塔と第３塔との間の液体供給経路である配管のほとんどの部分が液で満たされるのに対し、実施例１では、第２塔から第１塔、第３塔から第２塔への液体供給経路である配管（返送経路１４、１５）内が液で満たされるのが第１塔と第２塔との間、第２塔と第３塔との間の塔底、塔頂の圧力差に相当する液ヘッド分に応じたわずかな部分のみとなる為である。このため、実施例１では、液ホールドアップ量が小さくなり、装置の起動時間の短縮が可能となる。
【００９６】
実施例１と従来例１を比較すると、液体供給配管内の１６Ｏ１８Ｏ成分の液ホールドアップは、実施例１の方が従来例１に比べ圧倒的に優れた結果が得られた。特に塔径がこれら実施例１、従来例１よりも小さい場合には、液体供給配管径が相対的に大きくなると考えられるため本発明の装置と従来装置との間の装置全体の液ホールドアップの差が大きくなると考えられ、起動時間の点で、本発明装置の優位性がさらに明確となると考えられる。また、酸素同位体の濃縮を、実施例１で用いた規則充填物に代えて不規則充填物を用いた蒸留塔を使用して行う場合には、実施例１に比べ、１６Ｏ１８Ｏ成分の液ホールドアップ量は、およそ３倍以上となると考えられる。これは、規則充填物の場合、液ホールドアップ量が充填層の体積の２〜３％となるのに対し、不規則充填物の場合には１０〜２０％となると考えられるためである。このように、規則充填物を用いた場合には、液ホールドアップ量を小さくできることから、起動時間の大幅な短縮を図ることができる。
【００９７】
また、本実施例１の方法は液ポンプを使用していないため、それを運転するための動力が不要である。液ポンプを用いないことによるその他の効果として以下のことがある。
（１）装置・機器コストが低減される。
（２）液ポンプのメンテナンスに伴う、バックアップ用液ポンプとの切り換えなどがないため、装置を連続的に安定運転できる。
（３）液ポンプの運転コストが削減出来る。
（４）液ポンプによる侵入熱を削減することにより、寒冷補給（窒素サイクルなど）のための運転コストが削減出来る。
一方、各塔の凝縮器および蒸発器の熱交換量は、従来例よりも本実施例の方が大きく、運転コストの面では不利である。これは、本発明では、従来装置で第１塔から第２塔、第２塔から第３塔へフィードしていた液体をいったん蒸発器でガス化し、その後、凝縮器で液化しているためであり、また、従来装置で第２塔から第１塔、第３塔から第２塔へ戻していたガスをいったん凝縮器で液化し、その後蒸発器でガス化しているためである。この点が本発明における、液ポンプが不要、蒸留塔塔頂圧力の低下の利点を得るための代償であるが、上記液ポンプを採用した従来法と比較すればこのデメリットはメリットに比較してはるかに小さい。
【００９８】
［実施例２］
表４は、図１に示す蒸留装置を使用し、原料として水を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。なお装置仕様を表３に示す。
【００９９】
［従来例２］
図１９に示す従来の蒸留装置を使用し、原料として水を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を表４に併せて示す。この従来例２では、第１塔ないし第３塔の塔径、充填高さ、フィード量、製品量、還流比などを実施例２の場合と同様の値とした。
【０１００】
【表３】
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
表４より、図１の装置を用いた実施例２の方法では、従来装置を用いた従来例２の方法に比べ、製品のＨ２１８Ｏ濃度を高めることができることがわかる。また、実施例２では、液ホールドアップ量が小さくなり、装置の起動時間の短縮が可能となることがわかる。
【０１０３】
［実施例３］
表７は、図１２に示す蒸留装置を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。酸素蒸留塔ユニットＦ１は、１０本の蒸留塔を有し、水蒸留塔ユニットＦ２は、５本の蒸留塔を有するものとした。なお酸素蒸留塔ユニットＦ１の装置仕様を表５に、水蒸留塔ユニットＦ２の装置仕様を表６に示す。
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
【表６】
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
表７より、実施例３によれば、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を９７％以上に濃縮した重酸素水を得ることができることがわかる。この実施例３では、年間約６０ｋｇの生産量が得られ、装置の起動時間は、酸素濃縮用の蒸留塔ユニットＦ１と、水蒸留用の蒸留塔ユニットＦ２を併せて約１４０日となることがわかる。この実施例３のように、水蒸留を利用して酸素同位体重成分（１８Ｏ）の濃縮を行った例としては、ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５０５７２２５に記載されているように、Ｔｈｏｄｅ， Ｓｍｉｔｈ，Ａｎｄ Ｗａｌｋｉｎｇ： ＣＡｎａｄ．Ｊ．Ｒｅｓ．２２，１２７（１９４４）に報告されたものがあり、この例では、３本の蒸留塔からなるカスケードプロセスにより、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を１．３％まで濃縮した水１５０ｇが得られたことが報告されている。この従来例では、起動に要した時間は１２０日間とされており、生産性を考慮すると、実施例３では、従来に比べ起動時間の大幅な短縮が可能となることがわかる。
【０１０８】
［実施例４］
表９は、図１４に示す蒸留装置を用いて酸素同位体重成分（１８Ｏ）の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。また図１６は、各塔内における各同位体成分の濃度分布を示すものである。蒸留塔の数（ｎ）は１０とし、同位体スクランブラー４７は第６塔と第７塔の間に設置することを想定した。なお装置仕様を表８に示す。表中、同位体スクランブラー供給ガスとは、経路４８を通して同位体スクランブラー４７に供給される導出ガス１１５を指し、同位体スクランブラー戻りガスとは、同位体スクランブラー４７から導出され、経路４９を通して塔Ａｉに供給される同位体スクランブラー戻りガス１１６を指す。
【０１０９】
【表８】
【０１１０】
【表９】
【０１１１】
表９より、実施例４によれば、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を９７％以上に濃縮した濃縮物を得ることができることがわかる。この実施例４では、年間約１２ｋｇの生産量が得られ、装置の起動時間は、７３日となることがわかる。
【０１１２】
本実施形態例で示した装置では、製品ガスに同伴される１８Ｏ１８Ｏの流量は、
［製品ガス流量］×［製品ガス中１８Ｏ１８Ｏ濃度］＝１×１０−５（ｍｏｌ／ｓ）×０．９４１＝９．４×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）
である。一方、フィードガスに同伴され装置内に供給される１８Ｏ１８Ｏの流量は、
［フィードガス流量］×［フィードガス中１８Ｏ１８Ｏ濃度］＝０．３（ｍｏｌ／ｓ）×４．２×１０−６＝１．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）であり、製品ガスに同伴される１８Ｏ１８Ｏの流量よりもはるかに小さい。本実施形態例において同位体スクランブラーは、上記１８Ｏ１８Ｏの不足分を補うために設けられている。すなわち、蒸留塔内で１６Ｏ１８Ｏが高濃度（４５％以上であることが望ましい）に濃縮された酸素ガスを同位体スクランブラーで処理することにより、新たに１８Ｏ１８Ｏを生成させ、それを再び蒸留塔に戻すことによって、フィードガスで供給された１８Ｏ１８Ｏの量よりも多くの１８Ｏ１８Ｏを製品として採取することができる。本実施形態例では表９からわかるように、同位体スクランブラ−によって以下の式に示す量の１８Ｏ１８Ｏが生成されている。
［同位体スクランブラ−処理量］×〔［１８Ｏ１８Ｏ出口濃度］−［１８Ｏ１８Ｏ入口濃度］〕 ＝６．０×１０−４×［０．１７７−０．１６２］ ＝９．０×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）
【０１１３】
これを、フィードガスによって供給される１８Ｏ１８Ｏ、１．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）と合わせると、蒸留塔に供給されるトータルの１８Ｏ１８Ｏは１０．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）となるため、製品によって上記９．４×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）の１８Ｏ１８Ｏを採取することが可能になる。仮に、同位体スクランブラーを設けなかった場合には、フィードガス量を最低でも（９．４×１０−６）／（１．３×１０−６）＝７．２倍以上にしなければならず、それに伴い、塔径の大きな蒸留塔が必要となる。これはホールドアップ、起動時間の観点から好ましくない。すなわち本実施形態例で示した装置では、同位体スクランブラ−を設けることにより、従来よりも塔径の小さな装置で、酸素同位体重成分が濃縮された製品を採取することができる。
【０１１４】
［実施例５］
表１０は図１の装置と全く同じプロセスを採用して蒸留塔の本数を１６塔に増やした装置により、酸素安定同位体の蒸留をシミュレーションによって行った結果を示したものである。この蒸留装置の仕様を表１１に示す。
【０１１５】
【表１０】
【０１１６】
【表１１】
【０１１７】
本実施例は中間成分である１６Ｏ１７Ｏを濃縮した製品を得ることを目的として、蒸留塔のトータルの高さを高くしたケースである。図１７は塔内の各酸素同位体の組成分布を示したもので、該実施例では第１０塔〜第１２塔付近に１６Ｏ１７Ｏのピークが出現するので、これらの塔の少なくとも１個所から液またはガスを採取することにより１６Ｏ１７Ｏ濃縮製品を得ることが出来る。この実施例では第１１塔の塔底（リボイラー出口）からガスを製品ガス１として採取した。また第１６塔の塔底部から導出されたガスを製品ガス２として採取した。この例では、製品１の１６Ｏ１７Ｏの濃度は５０％程度であるが、さらに蒸留塔のトータルの高さを大きくすれば、より濃縮された１６Ｏ１７Ｏを得ることが出来る。
【０１１８】
本実施例においてフィードは９９．９９９％以上に精製した酸素を第１塔に供給する。フィード中の１６Ｏ１７Ｏは７３８ｐｐｍ、１６Ｏ１８Ｏは４０７０ｐｐｍである。製品ガス１は第１１塔塔底から採取する。この製品ガス１２を通常の使用形態である水にするために水素添加装置で処理すれば１７Ｏ濃度が約２５％の重酸素水が得られる。製品ガス２は第１６塔塔底から採取する。これを水素添加装置で処理すれば１８Ｏ濃度が約４８％の重酸素水が得られる。
【０１１９】
１７Ｏ濃縮製品が不要で、１６Ｏ１８Ｏ濃縮ガスである製品ガスのみが必要な場合は、蒸留のトータルの高さはこの例よりもはるかに小さくて済む。その場合には、１６Ｏ１７Ｏのピーク時の組成は１％程度になる。即ち、図１７の１６Ｏ１８Ｏの組成分布に注目すると、第１塔から第６塔付近までは、組成の傾きが小さくなっており、１６Ｏ１７Ｏを高濃度に濃縮するために、本実施例では１６Ｏ１８Ｏ成分にとっては必要以上にトータルの高さを大きくしている。即ち、トータルの充てん高さを大きくすれば、本発明の装置で中間成分の濃縮が可能であることがわかる。
【符号の説明】
【０１２０】
１、２、３、Ａ１〜Ａｎ・・・蒸留塔
５、７、９、・・・凝縮器
６、８、１０・・・蒸発器
１１・・・規則充填物
１２、１３、３５、３６、Ｄ１〜Ｄｎ−１・・・導入経路
１４、１５、３７、３８、３７’、３８’、Ｅ１〜Ｅｎ−１・・・返送経路
４１、４２・・・ブロワ
４７・・・同位体スクランブラー
５１、５２・・・非自己分配促進型規則充填物
５３、５４、５５・・・自己分配促進型規則充填物
３００Ａ…水素添加反応装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸留装置及び酸素同位体の濃縮方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同位体の蒸留分離プロセスに代表されるように、蒸気圧比（分離係数）の非常に小さな系における蒸留操作では非常に大きな理論段数が必要となる。このような場合には、蒸留塔の圧力損失を抑えるため一般的に充填塔が用いられているが、それに必要な充填高さは理論上数百ｍに達することが少なくない。したがって、実際の蒸留装置では、複数の蒸留塔を配管でつなぎ、全体として一つの蒸留塔群を構成する。図１８は３つの蒸留塔を備え、各蒸留塔（第１ないし第３塔６１、６２、６３）を接続した蒸留装置の例を示したものである。この装置においては、第１塔６１および第２塔６２の塔底に溜まった液体が、液ポンプ６１ａ、６２ａによりそれぞれ第２塔６２および第３塔６３の塔頂へ還流液として供給される。第２塔６２および第３塔６３の塔頂から導出されたガスは、それぞれ第１塔６１および第２塔６２塔底部に上昇ガスとして返送される。このプロセスでは、第１塔６１から第２塔６２、第２塔６２から第３塔６３へのプロセス流体の供給は液ポンプ６１ａ、６２ａで行われるが、第２塔６２から第１塔６１、第３塔６３から第２塔６２へのプロセス流体の返送はガスの圧力差で行われるため、蒸留塔内の圧力は第１塔６１から第３塔６３に向かって順に高くなければならない。一般に分離成分の蒸気圧比（分離係数）は蒸留塔の操作圧力が高いほど小さいため、第１塔６１よりも第２塔６２、第２塔６２よりも第３塔６３の方が蒸留性能は低下する。また、一般的に同位体分離プロセスのように分離成分の蒸気圧比が非常に小さく充填高さが非常に大きい場合には、装置を起動してから規定量（仕様通りの採取量、計画値）の製品を採取できるようになるまでの時間（以下、起動時間）が数ヶ月〜数年かかる場合がある。したがって、起動時間の短縮は従来からの課題であった。起動時間は装置内のプロセス流体のホールドアップに大きく依存し、その量が多いほど長くなる。
【０００３】
図１９は図１８に示す装置と同じ機能を有する蒸留プロセスにおいて、各塔７１、７２、７３に凝縮器５、７、９および蒸発器６、８、１０を設けたものである。これは複数の蒸留塔から構成されるプロセスにおいて一般的に用いられる装置で、このような装置では、原料がフィードされる塔７１から下流側の塔７３にかけて蒸留塔の塔径が小さくなる。これにより、装置内のプロセス流体のホールドアップを減少させ、起動時間の短縮を図ることができる。しかし、このような装置を用いた場合でも、第１塔７１から第３塔７３に向かって蒸留塔内の圧力が高くなるため、図１８に示す装置の場合と同様に、第１塔７１よりも第２塔７２、第２塔７２よりも第３塔７３の方が蒸留性能が低下する。蒸留性能の低下は蒸留塔の所要充填高さの増大、ひいてはプロセス流体のホールドアップの増大につながるため、起動時間短縮の観点から望ましくない。また従来の同位体蒸留プロセスでは、不規則充填物による充填塔が用いられていた。一般に不規則充填物は規則充填物に比べ、比表面積は大きいが、蒸留塔内の液ホールドアップが塔体積の１０〜２０％、場合によっては２０％を越えることがあり、起動時間を長くする一因となっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の蒸留塔から構成される蒸留装置において、従来よりも起動時間が短い装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明の蒸留装置は、カスケードに構成した複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）を用いて、複数成分よりなる気体又は液体を蒸留分離する装置であって、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設け、該返送経路に、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口からの凝縮液を、凝縮液自身の自重で第ｋ塔へ返送するための弁を設けたことを特徴とする蒸留装置である。
【０００６】
本発明の酸素同位体の濃縮方法は、酸素同位体重成分を含む原料酸素を、複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）で構成するカスケードプロセスにより濃縮するに際し、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔塔底部付近に設けた蒸発器出口のガスの少なくとも一部を、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは塔頂部付近に設けた凝縮器入口あるいは該塔の中間部に供給し、且つ、第（ｋ＋１）塔の塔頂部または該塔の凝縮器出口の液体の少なくとも一部を、返送液として凝縮液自身の自重で第ｋ塔の蒸発器入口あるいは塔底部あるいは塔の中間部に返送することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【０００７】
また本発明方法は、前記濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【０００８】
また本発明方法は、前記濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得、該濃縮物をさらに前記濃縮方法によって前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明にあっては、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設けるので、この返送経路を通して第（ｋ＋１）塔の凝縮器からの導出液の一部を返送することができる。このため、各塔圧力を従来に比べ低く設定することができ、各塔内における各同位体成分間の蒸気圧比を大きくし、蒸留性能を向上させることができる。従って、各塔の充填高さを低くすることができ、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。また、液ホールドアップ量を小さくし、いっそうの装置の起動時間の短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の蒸留装置の第１の実施形態例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の蒸留装置に用いられる非自己分配促進型規則充填物の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明の蒸留装置に用いられる非自己分配促進型規則充填物の他の例を示す斜視図である。
【図４】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物の他の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の蒸留装置に用いられる自己分配促進型規則充填物のさらに他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明の蒸留装置の第２の実施形態例を示す概略構成図である。
【図８】本発明の蒸留装置の第３の実施形態例を示す概略構成図である。
【図９】図８に示す装置の変形例を示す構成図である。
【図１０】本発明の蒸留装置の他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１１】図１０に示す蒸留装置に用いられる熱媒体流体の循環経路を示す概略構成図である。
【図１２】本発明の蒸留装置のさらに他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１３】図１２に示す蒸留装置の水素添加反応装置を示す概略構成図である。
【図１４】本発明の蒸留装置のさらに他の実施形態例を示す概略構成図である。
【図１５】図１４に示す蒸留装置に用いられる同位体スクランブラーの例を示す概略構成図である。
【図１６】図１４に示す装置を用いた場合を例として、酸素同位体重成分の濃縮をシミュレートした結果を示すグラフであり、各塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。このグラフにおいて、横軸はトータルの充填高さ、縦軸は各同位体成分の濃度を示す。
【図１７】蒸留塔の数が１６であること以外は図１に示す装置と同様の構成を採用した蒸留装置を用いた場合を例として、酸素同位体重成分の濃縮をシミュレートした結果を示すグラフであり、各塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。このグラフにおいて、横軸はトータルの充填高さ、縦軸は各同位体成分の濃度を示す。
【図１８】従来の蒸留装置の一例を示す概略構成図である。
【図１９】従来の蒸留装置の他の例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の蒸留装置の第１の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、カスケードに構成した３つの蒸留塔、すなわち第１塔１、第２塔２、および第３塔３を備えている。なお、蒸留塔をカスケードに構成するとは、一つの蒸留塔で濃縮された製品を、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ことができるように蒸留塔を接続することをいい、このように構成された蒸留塔全体をカスケードプロセスという。また図中破線で示す経路は本実施形態例の変形例であり、本実施形態例の装置に含まれない。
【００１２】
これら第１ないし第３塔１、２、３の塔頂部付近には、それぞれ塔１、２、３の塔頂部から導出されたガスの少なくとも一部を冷却し液化させる第１塔凝縮器５、第２塔凝縮器７、第３塔凝縮器９が設けられている。凝縮器５、７、９は、それぞれ塔１、２、３の塔頂部から導出されたガスが導入される第１流路５ａ、７ａ、９ａと、熱媒体流体が流通する第２流路５ｂ、７ｂ、９ｂを有し、上記導出ガスを熱媒体流体と熱交換させることにより冷却し液化させることができるようになっている。凝縮器５、７、９としては、プレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。なお図示例では凝縮器５、７、９を塔１、２、３の外部に設けたが、塔１、２、３の塔頂部内部に設けてもよい。
【００１３】
塔１、２、３の塔底部付近には、それぞれ塔１、２、３の塔底部から導出された液の少なくとも一部を加熱し気化させる第１塔蒸発器６、第２塔蒸発器８、第３塔蒸発器１０が設けられている。蒸発器６、８、１０は、それぞれ塔１、２、３から導出された液が導入される第１流路６ａ、８ａ、１０ａと、熱媒体流体が流通する第２流路６ｂ、８ｂ、１０ｂを有し、上記導出液を熱媒体流体と熱交換させることにより加熱し気化させることができるようになっている。蒸発器６、８、１０としては、プレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。またこれらの蒸発器の取り付け位置は、液ホールドアップを低減するために各蒸留塔下部の液溜の液量が運転可能な範囲で最小となるような位置とする。なお図示例では蒸発器６、８、１０を塔１、２、３の外部に設けたが、塔１、２、３の塔底部内部に設けてもよい。この場合はコイル式熱交換器としても良い。
【００１４】
本実施形態例の蒸留装置では、第１塔１の塔底部付近に設けられた第１塔蒸発器６の出口（第１流路６ａの出口）と、第２塔２の塔頂部付近に設けられた第２塔凝縮器７の入口（第１流路７ａの入口）とが、弁１２ｖを介して第１の導入経路１２で接続されている。同様に、第２塔蒸発器８の出口（第１流路８ａの出口）と、第３塔凝縮器９の入口（第１流路９ａの入口）とは弁１３ｖを介して第２の導入経路１３で接続されている。
【００１５】
また第２塔凝縮器７の出口（第１流路７ａの出口）と、第１塔蒸発器６の入口（第１流路６ａの入口）とは、弁１４ｖを介して第１の返送経路１４で接続されている。同様に、第３塔凝縮器９の出口（第１流路９ａの出口）と、第２塔蒸発器８の入口（第１流路８ａの入口）とは、弁１５ｖを介して第２の返送経路１５で接続されている。この弁１４ｖ、弁１５ｖの取り付け位置は各返送経路１４、１５の上方部（凝縮器の近く）で、後記する複数塔のカスケード連結における第Ｋ塔と第Ｋ＋１塔の圧力差が、このカスケードシステムが作動するような各塔間の圧力差になるようなヘッド圧が得られる位置に設ける。
【００１６】
第１ないし第３塔１、２、３の内部には、規則充填物１１が充填されている。規則充填物１１としては、非自己分配促進型規則充填物および／または自己分配促進型規則充填物を好適に用いることができる。非自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔内を下降する液流と蒸留塔内を上昇するガス流がその表面に沿って対向して流れ、かつ塔軸に垂直な断面方向の液流とガス流の混合が促進されずに気液接触が行われる形状・構造を有する充填物であり、例えばアルミニウム、銅、アルミニウムと銅の合金、ステンレススチール、各種プラスチック等からなる多数の板状物または管等を主流れ方向（塔軸方向）に平行に配置したものを挙げることができる。ここで、主流れとは蒸留塔内で塔軸方向に沿って下降する液流および上昇するガス流を示すもので、充填材表面における液流とガス流の界面（すなわち境界層）で生じる物質移動の流れに対しての塔軸方向の流れを指すものである。
【００１７】
典型的な非自己分配促進型規則充填物の例を図２および図３に示す。図２に示す非自己分配促進型規則充填物５１は、塔軸方向に平行な板材からなるハニカム状の構造物である。また、図３に示す非自己分配促進型規則充填物５２は、互いに平行な複数の板材５２ａと、これら板材５２ａに対し垂直な複数の板材５２ｂからなる格子状構造物を塔軸方向に沿って配置したものである。
【００１８】
自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔内を下降する液流と蒸留塔内を上昇するガス流とを、該規則充填物の主として表面において気液接触させ、この際、液流とガス流が該規則充填物の表面上を塔軸方向に沿う主流れ方向に互いに対向して流れると同時に、該主流れ方向に対し直角方向に液流および／またはガス流の混合が促進されつつ気液接触が行われる形状・構造を有する充填物であり、アルミニウム、銅、アルミニウムと銅の合金、ステンレススチール、各種プラスチック等の薄板を各種規則形状に成形し、これを積層構造のブロック状にしたもので、構造化充填物とも称される。
【００１９】
典型的な自己分配促進型規則充填物の例を図４ないし図６に示す。図４に示す自己分配促進型規則充填物５３は、波型形状の複数の薄板を、塔軸線に平行に配置し、互いに接触するように積層してブロック状にしたもので、各薄板の波状溝は、塔軸線に対して傾斜し、かつ隣接する波型薄板はそれらの波状溝の形成方向が交差するように配置されている。さらに各薄板が水平面に対し垂直になるように配置された状態で、各薄板には塔軸線に対し直角をなす方向に沿って多数の列を形成して、かつ互いに間隔をおいて多数の孔５３ａが設けられている。図５は自己分配促進型規則充填物の他の例の構成単位を示すもので、ここに示す自己分配促進型規則充填物５４は、薄板を波状に成形して波状溝を形成するとともに、薄板に、波状溝に対し所定の角度をなす方向に形成された微小な波型溝（ひだ）５４ｂを更に設けた点に特徴がある。符号５４ａは薄板に形成された孔を示す。図６に示す自己分配促進型規則充填物５５は、波型薄板上に、波状溝に対し所定の角度をなす方向に形成された微小な波型溝（ひだ）５５ｂが設けられた部分と、これを設けない平滑な部分とが交互に配置された構造を有することを特徴とするものである。符号５５ａは薄板に形成された孔を示す。
【００２０】
以下、本発明の蒸留装置の第１の実施形態例である上記図１の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第１の実施形態例を詳細に説明する。まず、第１塔１の中間部（高さ方向中間部）に接続されたフィード部である経路２０を通して、原料酸素ガスを第１塔フィード１０１として塔１内に供給する。上記原料酸素ガスとしては、高純度酸素を用いるのが望ましい。高純度酸素としては、予めアルゴン、炭化水素類、クリプトン、キセノン、弗素化合物（パーフルオロカーボン等）などの不純物を除去し、純度を９９．９９９％以上となるまで高めたものを用いることができる。特に炭化水素が除去された原料酸素を用いることが安全上好ましい。
【００２１】
第１塔１内に供給された原料酸素ガスは、塔１内を上昇し充填物１１を通過する際に、後述の還流液（下降液）と気液接触し蒸留される。原料酸素ガス中、同位体重成分を含む酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏ）は、高沸点であるため凝縮しやすく、気液接触の過程で、下降液中の同位体重成分濃度は増加し、上昇ガス中の同位体重成分濃度は減少する。重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路２１を通して塔１から導出された後、二分され、一方は第１塔凝縮器５の第１流路５ａに導入され、ここで第２流路５ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して凝縮し還流液として塔１の上部に戻され、他方は経路２２を通して廃ガス１０３として系外に排出される。
【００２２】
第１塔１の塔頂部に戻された還流液は、規則充填物１１の表面を下降液となって流下しつつ塔１内を上昇する原料酸素ガス、および後述の上昇ガスと気液接触し、塔１の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、下降液中には液化しやすい酸素同位体重成分を含む酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏ）が濃縮される。
【００２３】
第１塔１の塔底部に達した下降液（以下、各塔の塔底部に溜まった液を塔底部液という）は、経路２３を通して塔１から導出され、上述の第１の返送経路１４において後述の第１の返送液１０７と合流して第１塔蒸発器６の第１流路６ａに導入され、ここで第２流路６ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第１塔導出ガス１０２として上述の第１の導入経路１２を通して蒸発器６から導出される。
【００２４】
蒸発器６から導出された第１塔導出ガス１０２の一部は、経路２４を通して塔１の下部に戻されて塔１内を上昇する上昇ガスとなり、他部は、第２塔フィードガス１０４として導入経路１２を通して後述の第２塔塔頂ガス１０６と合流し第２塔凝縮器７に導入され、ここで凝縮し返送経路１４を通して凝縮器７から導出された後、二分される。二分された凝縮液のうち一方は、第１の返送経路１４を通し弁１４ｖを介して第１の返送液１０７として上記第１塔塔底部液と合流した後、上記第１塔蒸発器６に導入される。返送液１０７の返送は、凝縮器７を液化して導出し、経路１４を流下する凝縮液自身の重量によって行われる。
【００２５】
本実施形態例の方法では、第２塔凝縮器７を経た凝縮液のうち一部を第１の返送液１０７として第１塔蒸発器６に戻し、該返送液は自身の重量（ヘッド圧）で蒸発器６を経由して第１塔１へ導入されるので、第２塔２内の塔頂部の圧力を第１塔１の底部の圧力より低くすることができる。かくして上述の第２塔フィードガス１０４を経路１２、２５を通して第２塔２に送ることができる。
【００２６】
凝縮器７から導出され二分された凝縮液のうち他方は経路２５を通して第２塔還流液１０４として第２塔２上部に供給され、下降液となって第２塔２内の上昇ガスと気液接触しつつ第２塔２の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、上昇ガス中の同位体重成分濃度が減少するとともに、下降液中にはさらに酸素同位体重成分が濃縮される。
【００２７】
重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路２８を通して塔２から導出され、塔頂ガス１０６として上記導入経路１２で第２塔フィードガス１０４と合流する。
【００２８】
酸素同位体重成分が濃縮された濃縮物である第２塔２の塔底部液は、経路２６を通して塔２から導出され、上述の第２の返送経路１５において後述の第２の返送液１１２に合流して第２塔蒸発器８に導入され、ここで気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第２塔導出ガス１０５として上述の第２の導入経路１３を通して蒸発器８から導出される。
【００２９】
蒸発器８から導出された第２塔導出ガス１０５の一部は経路２７を通して塔２の下部に戻されて塔２内を上昇する上昇ガスとなり、他部は、第３塔フィードガス１０８として導入経路１３を通して、後述の第３塔塔頂ガス１１１と合流し、第３塔凝縮器９に導入され、ここで凝縮し、第２の返送経路１５を通して凝縮器９から導出された後、二分される。二分された凝縮液のうち一方は、第２の返送経路１５を通し弁１５ｖを介して第２の返送液１１２として上記第２塔蒸発器８に導入される。返送液１１２の返送は、凝縮器９を液化して導出し、経路１５を流下する凝縮液自身の重量によって行われる。
【００３０】
本実施形態例の方法では、第３塔凝縮器９を経た凝縮液のうち一部を第２の返送液１１２として第２塔蒸発器８に戻し、該返送液は自身の重量（ヘッド圧）で蒸発器８を経由して第２塔２へ導入されるので、第３塔３内の塔頂部の圧力を第２塔２の底部より低くすることができる。かくして、上記の第３塔フィードガス１０８を経路１３、２９を通して第３塔３に送ることができる。
【００３１】
凝縮器９から導出され二分された凝縮液のうち他方は経路２９を通して第３塔還流液１０８として第３塔３上部に供給され、下降液となって第３塔３内の上昇ガスと気液接触しつつ第３塔３の塔底部に到達する。この気液接触の過程において、上昇ガス中の同位体重成分濃度が減少するとともに、下降液中にはさらに酸素同位体重成分が濃縮される。
【００３２】
重成分濃度が減少し塔頂部に達した上昇ガスは、経路３３を通して塔３から導出され、塔頂ガス１１１として上記導入経路１３で第３塔フィードガス１０８と合流する。
【００３３】
酸素同位体重成分が濃縮された濃縮物である第３塔３の塔底部液は、経路３０を通して塔３から導出され、第３塔蒸発器１０に導入され、ここで気化した後、酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第３塔導出ガス１０９として蒸発器１０から導出される。蒸発器１０から導出された第３塔導出ガス１０９は二分され、一方は経路３１を通して塔３の下部に戻されて塔３内を上昇する上昇ガスとなり、他方は、経路３２を通して酸素同位体重成分を濃縮した濃縮物である製品ガス１１０として回収される。
【００３４】
ここで、第２塔、第３塔へのフィードガス１０４、１０８の量の設定について説明する。第２塔フィードガス１０４の流量は、第２塔あるいは第３塔から装置外へ回収される製品（本実施形態例の場合は製品ガス１１０のみ）に同伴される目的成分の流量に対して、第２塔フィードガス１０４に同伴される目的成分の流量が十分な量になるように設定する。詳しくは、［第２塔あるいはは第３塔から装置外へ回収される製品１１０中の目的成分の流量］／［第２塔フィードガス１０４に同伴される目的成分の流量］＝［目的成分の収率］とする時、この目的成分の収率が１％〜１０％以下になるように設定することが望ましい。第２塔フィードガス１０４の量を小さくしすぎると（目的成分の収率を大きくしようとしすぎると）、第２塔および第３塔の蒸留性能が低下する。逆に、第２塔フィードガス１０４の量を大きくしすぎると、第１塔蒸発器６と第２塔凝縮器７の熱交換量の増大に対して蒸留性能はさほど向上しなくなる。
【００３５】
また、第３塔フィードガス１０８の流量は、第３塔から装置外へ回収される製品（本実施形態例の場合は製品ガス１１０のみ）に同伴される目的成分の流量に対して、第３塔フィードガス１０８に同伴される目的成分の流量が十分な量になるように設定する。詳しくは、［第３塔から装置外へ回収される製品１１０に同伴される目的成分の流量］／［第３塔フィードガス１０８に同伴される目的成分の流量］＝［目的成分の収率］が１％〜１０％以下になるように設定することが望ましい。第３塔フィードガス１０８の量を小さくしすぎると（目的成分の収率を大きくしようとしすぎると）、第３塔の蒸留性能が低下する。また、第３塔フィードガス１０８の量を大きくしすぎると、第２塔蒸発器８と第３塔凝縮器９の熱交換量の増大に対して蒸留性能はさほど向上しなくなる。
【００３６】
次に上記各塔の運転制御方法を説明する。ある一つの塔に着目した時、制御可能な部分は以下の４つである。
（１） 第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガス配管にある弁。
（２） 第ｋ＋１塔から第ｋ塔へ戻される液配管の弁。
（３） 蒸発器の熱交換量（温流体の流量、圧力）
（４） 凝縮器の熱交換量（冷流体の流量、圧力）
４つを同時に調節するのは困難なので、基本的に各塔について（１）と（３）を固定し、装置の状態を見ながら（２）と（４）を調節する。
【００３７】
まず（３）蒸発器の熱交換量（温流体の流量、圧力）の調節は次のように行う。蒸発器の熱交換量は、各塔の蒸気負荷が適当な値（計画値）になるように予め調節し設定して以降、制御はしない。蒸留塔内の密度補正空塔速度は、０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以上、３．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以下、好ましくは０．７ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以上、２．２ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ３）０．５以下になるように設定するのが好ましい。
【００３８】
次に、（１）第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガス配管（経路１２、１３）にある弁１２ｖ、１３ｖを調節する。各塔の塔頂圧力がほぼ等しい場合、第ｋ塔塔底圧力は第ｋ＋１塔塔頂圧力よりも、第ｋ塔の圧力損失分だけ高くなる。したがって、配管の途中に弁を設けた上で、第ｋ塔から第ｋ＋１塔へ供給されるガスの流量を検出し、規定された流量に制御する。この流量は、厳密なものではないので、一旦丁度良い流量（計画値にほぼ等い値）になったら、弁の開度は調節しない。各塔の圧力が一定であれば、この流量はほとんど変化しない。
【００３９】
ついで、（４）凝縮器の熱交換量（冷流体の流量、圧力）を設定する。これは各蒸留塔内の圧力が一定になるように調節する。蒸発器の熱交換量（３）は固定されているので、凝縮器の熱交換量（４）が小さいと、蒸留塔の圧力は上がり続けてしまう。また、逆に凝縮器の熱交換量（４）が大きいと蒸留塔の圧力は下がり続ける。いったん最適値に調節しても、天候によって装置の侵入熱が変化し、圧力は変動する。したがって、各塔の圧力を常に検出しながら凝縮器の熱交換量（４）を制御する必要がある。
【００４０】
ついで（２）第ｋ＋１塔から第ｋ塔へ戻される液配管（経路１４、１５）の弁１４ｖ、１５ｖを調節する。調節弁１４ｖ、１５ｖは、所定の液ヘッドがえられる範囲で比較的塔頂の凝縮器に近い位置に設置する。これは、配管内の液ホールドアップを小さくするためである。この開度は、各蒸留塔の塔底の液面（蒸発器の液面）を検出しながら調節する。この開度が小さすぎて、第ｋ＋１塔から第ｋ塔への戻りが小さくなった場合、（１）ガス配管の弁１２ｖ、１３ｖが固定されているので、第ｋ＋１塔〜第ｎ塔までのプロセス流体のホールドアップがどんどん増えていく。各塔の圧力は（４）凝縮器５、７、９によって一定に保たれているので、ホールドアップの増加は、蒸留塔塔底の液面の上昇につながる。逆に、第ｋ＋１塔から第ｋ塔への戻りが大きくなった場合、蒸留塔塔底の液面は低下する。したがって、（２）液配管の弁は各蒸留塔塔底の液面高さが一定になるように制御しなければならない。なお、調節弁１４ｖ、１５ｖは、所定の液ヘッドがえられる範囲で比較的塔頂の凝縮器に近い位置に設置するが、制御の容易さ、確実さを考慮すると蒸発器に近い位置に設けるのが良い。
【００４１】
本実施形態例の蒸留装置は、第１塔蒸発器６の出口と第２塔凝縮器７の入口とが第１の導入経路１２で接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔凝縮器９の入口とが第２の導入経路１３で接続され、かつ第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されているので、凝縮器７、９を経た凝縮液のうち一部を返送液１０７、１１２として蒸発器６、８に戻すことができる。このため、塔２、３内の圧力を従来に比べ低く設定することができ、各塔内における同位体各成分間の蒸気圧比を大きくし、蒸留性能を向上させることができる。これにより、各塔の充填高さを低くすることができ、液のホールドアップ量を少なくでき、起動時間の短縮を図ることができる。また上記理由により、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を効率良く得ることができる。
【００４２】
また、従来の装置（図１９）では、前段側の塔から後段側の塔への供給経路の全部が液で満たされているのに対して、本実施形態例の装置では返送経路のうち、これら塔の圧力差に相当する液ヘッド分に応じた部分のみが液で満たされる。即ち、後段側の塔から前段側の塔への返送経路のうち、凝縮器７、９にて液化された返送液１０７、１１２を前段側の塔に返送するために必要なこれら塔の圧力差に相当する液ヘッド分に応じた経路部分のみが液で満たされる。このため、液ホールドアップ量が小さくなり、いっそうの装置の起動時間の短縮が可能となる。特に蒸留塔の塔径が小さい場合には、返送経路の配管径が相対的に大きくなるので、本実施形態例の装置と従来装置との間の液ホールドアップの差が大きくなると考えられ、起動時間の点で、本発明装置の優位性がさらに明確となると考えられる。
【００４３】
また、塔１、２、３に規則充填物（自己分配促進型充填物あるいは非分配促進型充填物）を用いることによって、塔内の圧力損失を小さくし、塔内圧を低く設定することができる。このため、各成分間の蒸気圧比を大きくし蒸留効率を高めるとともに、液ホールドアップ量を小さくし、起動時間のさらなる短縮を図ることができる。またこれに伴って運転コスト削減が可能となる。さらには、自己分配型規則充填物の使用により、塔内における気液接触効率を高め、同位体濃縮効率を高めることができる。
【００４４】
上記実施形態例の蒸留装置では、第２塔凝縮器７の出口と第１塔蒸発器６の入口とが第１の返送経路１４で接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔蒸発器８の入口とが第２の返送経路１５で接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限らず、第１の返送経路を、符号１４ａ（破線で示す経路）で示すように第２塔凝縮器７の出口と第１塔１の中間部とを接続するものとし、かつ第２の返送経路を、符号１５ａ（破線で示す経路）で示すように第３塔凝縮器９の出口と第２塔２の中間部とを接続するものとしてもよい。また、塔１、２、３としては、上記充填物を用いた充填塔に限らず、濡れ壁塔を用いることもできる。
【００４５】
図７は、本発明の蒸留装置の第２の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、以下の点で図１に示す蒸留装置と異なる。
（１）第１塔蒸発器６の出口と、第２塔２の塔頂部とが、第１の導入経路３５によって直接接続され、第１塔蒸発器６を経た第２塔フィードガス１０４’を、直接、第２塔２の塔頂部に供給できるようになっている。
（２）第２塔蒸発器８の出口と、第３塔３の塔頂部とが、第２の導入経路３６によって直接接続され、第２塔蒸発器８を経た第３塔フィードガス１０８’を、直接、第３塔３の塔頂部に供給できるようになっている。
（３）第２塔凝縮器７の出口と、第１塔１の塔底部とが、第１の返送経路３７によって接続され、第２塔凝縮器７からの返送液１０７’を第１塔１の塔底部に返送することができるようになっている。
（４）第３塔凝縮器９の出口と、第２塔２の塔底部とが、第２の返送経路３８によって接続され、第３塔凝縮器９からの返送液１１２’を第２塔２の塔底部に返送することができるようになっている。なお、図中破線で示す経路は後記するごとく本実施形態例の装置の変形例である。
【００４６】
以下、図７の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第２の実施形態例を説明する。経路２０を通して、第１塔フィード１０１として第１塔１内に供給された原料酸素ガスは、塔１内における気液接触によって蒸留される。第１塔１内で酸素同位体重成分が濃縮された塔底部液は、経路２３’を通して第１塔蒸発器６に導入され、ここで気化し第１塔導出ガス１０２’として蒸発器６から導出される。導出ガス１０２’の一部は経路３９を通して第１塔１の下部に戻され、他部は、第１の導入経路３５を通して第２塔フィード１０４’として第２塔２の塔頂部に直接、導入される。第２塔２内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１０６として経路２８’を通して第２塔２から導出され、第２塔凝縮器７において凝縮した後、二分され、一方は経路２５’を通して第２塔２上部に還流液として戻され、他方は第１の返送経路３７を通して第１の返送液１０７’として第１塔１の塔底部に返送される。
【００４７】
第２塔２内で酸素同位体重成分が濃縮された塔底部液は、経路２６’を通して第２塔蒸発器８に導入され、ここで気化し第２塔導出ガス１０５’として蒸発器８から導出される。導出ガス１０５’の一部は経路４０を通して第２塔２の下部に戻され、他部は第２の導入経路３６を通して第３塔フィード１０８’として第３塔３の塔頂部に直接、導入される。第３塔３内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１１１として経路３３’を通して第３塔３から導出され、第３塔凝縮器９において凝縮した後、二分され、一方は経路２９’を通して第３塔３上部に該塔の還流液として導入され、他方は第２の返送経路３８を通して第２の返送液１１２’として第２塔２の塔底部に返送される。
【００４８】
本実施形態例の蒸留装置では、凝縮器７、９を経た凝縮液のうち一部を返送液１０７’、１１２’として該凝縮液自身の重量（ヘッド圧）で前段の塔に戻すことができる。このため、液ポンプを使用する従来法に比して液量は少なくて済み、上述の第１の実施形態例の装置と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また塔底部と塔頂部を接続した形とすることにより少ない全塔長により酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を効率良く得ることができる。
【００４９】
なお、上記実施形態例の蒸留装置では、第１塔蒸発器６の出口と第２塔２の塔頂部とが第１の導入経路３５によって接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔３の塔頂部とが第２の導入経路３６によって接続され、さらに、第２塔凝縮器７の出口と第１塔１の塔底部とが第１の返送経路３７によって接続され、第３塔凝縮器９の出口と第２塔２の塔底部とが第２の返送経路３８によって接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限定されない。例えば、符号３５ａ、３６ａ（破線で示す経路）で示すように、第１および第２の導入経路を、塔２、３の塔頂部でなく中間部に接続することもできるし、符号３７ａ、３８ａで示すように、第１および第２の返送経路を、塔１、２の塔底部でなく塔１、２の中間部に接続することもできる。
【００５０】
図８は、本発明の蒸留装置の第３の実施形態例を示すもので、ここに示す蒸留装置は、以下の点で図７に示す蒸留装置と異なる。
（１）第２塔２の塔頂ガス１０６を第２塔凝縮器７に導く経路２８’と、第１塔１の塔底部とが、第１の返送経路３７’によって接続され、第２塔２の塔頂ガス１０６の一部を、第１塔１の塔底部に返送することができるようになっている。
（２）第３塔３の塔頂ガス１１１を第３塔凝縮器９に導く経路３３’と、第２塔２の塔底部とが、第２の返送経路３８’によって接続され、第３塔３の塔頂ガス１１１の一部を、第２塔２の塔底部に返送することができるようになっている。
（３）第１および第２の返送経路３７’、３８’にそれぞれブロワ４１、４２が設けられている。ブロワ４１、４２としては、常温圧縮機、低温圧縮機を用いることができるが、常温圧縮機を用いる場合は、図９に示すように、返送経路３７’、３８’に熱交換器４１ａ、４２ａを介在させる必要がある。
【００５１】
以下、図８の装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法の第３の実施形態例を説明する。第２塔２内において同位体重成分濃度が減少して塔頂部に達した上昇ガスは、塔頂ガス１０６として経路２８’を通して第２塔２から導出された後、二分される。二分された塔頂ガス１０６のうち一方は第２塔凝縮器７において凝縮した後、第２塔２上部に戻されて該塔の還流液となり、他方は第１の返送経路３７’を通してブロワ４１に至り、ここで昇圧されて第１の返送液１０７”として第１塔１塔底部に返送される。同様に、第３塔３の塔頂部から導出された塔頂ガス１１１は、経路３３’を通して第３塔３から導出された後、二分され、一方は第３塔凝縮器９において凝縮した後、第３塔３上部に戻されて該塔の還流液となり、他方は第２の返送経路３８’を通してブロワ４２に至り、ここで昇圧されて第２の返送液１１２”として第２塔２塔底部に返送される。
【００５２】
本実施形態例の蒸留装置では、各経路ともガス状で供給され液状ではないので上述の第１の実施形態例の装置と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また塔底部と塔頂部、塔頂部と塔底部をそれぞれ連結するので、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。なお、本実施形態例の蒸留装置では、第１塔蒸発器６の出口と第２塔２の塔頂部とが第１の導入経路３５によって接続され、第２塔蒸発器８の出口と第３塔３の塔頂部とが第２の導入経路３６によって接続され、さらに、第２塔凝縮器７の入口と第１塔１の塔底部とが第１の返送経路３７’によって接続され、第３塔凝縮器９の入口と第２塔２の塔底部とが第２の返送経路３８’によって接続されているが、本発明の蒸留装置はこれに限定されない。例えば、符号３５ａ、３６ａ（破線で示す経路）で示すように、第１および第２の導入経路を、塔２、３の塔頂部でなく中間部に接続することもできるし、符号３７’ａ、３８’ａで示すように、第１および第２の返送経路を、塔１、２の塔底部でなく塔１、２の中間部に接続することもできる。
【００５３】
上記各実施形態例では、３つの蒸留塔を有する蒸留装置を示したが、本発明の蒸留装置において、蒸留塔の数はこれに限定されない。図１０に示す蒸留装置は、蒸留塔の数がｎ本とされた蒸留装置である。ここに示す蒸留装置は、ｎ本の蒸留塔Ａ１〜Ａｎと、これら塔Ａ１〜Ａｎの塔頂部付近に設けられた凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、塔Ａ１〜Ａｎの塔底部付近に設けられた蒸発器Ｃ１〜Ｃｎと、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部付近に設けた第ｋ塔蒸発器Ｃｋの出口と第（ｋ＋１）塔の塔頂部とを接続する導入経路Ｄ１〜Ｄｎ−１と、第（ｋ＋１）塔の第（ｋ＋１）塔凝縮器Ｂｋ＋１出口と第ｋ塔の塔底部とを接続する返送経路Ｅ１〜Ｅｎ−１を備えている。蒸留塔の数ｎは、例えば２〜１００とすることができる。
【００５４】
また上記図１０に示す蒸留装置における蒸発器と凝縮器の熱媒体流体の循環系統を図１１に示す。図１１に示すように、各凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、蒸発器Ｃ１〜Ｃｎとは、熱媒体流体用の循環経路８１によって接続されている。この循環経路８１では、貯留槽８２内の熱媒体流体が導出され、ポンプ８３、過冷却器８４の第１流路を経て凝縮器Ｂ１〜Ｂｎに導入された後、過冷却器８４の第２流路を経て熱交換器８５の第１流路に至り、次いでブロア８６、熱交換器８５の第２流路を経て蒸発器Ｃ１〜Ｃｎに導入された後、貯留槽８２に戻されるようになっている。なお過冷却器８４は、熱媒体流体が凝縮器に達する以前に気化するのを防ぐために熱媒体流体を冷却するためのものである。
【００５５】
本発明では、同様に、図１に示す第１の実施形態例の蒸留装置や、図７に示す第２の、そして図８に示す第３の実施形態例の蒸留装置においても、蒸留塔の数は図示例に限定されず、任意に設定することができる。
【００５６】
また、上記各実施形態例では、原料酸素を低温蒸留することによって酸素同位体重成分を濃縮する方法を示したが、本発明はこれに限らず、原料として水を用い、これを上記各実施形態例の蒸留装置によって蒸留し、酸素同位体重成分を含む重酸素水Ｈ２１７Ｏ、Ｈ２１８Ｏ、Ｄ２１７Ｏ、Ｄ２１８Ｏ、ＤＨ１７ＯおよびＤＨ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することにより重酸素水を製造することもできる。この場合においても、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する重酸素水製品を得ることができる。
【００５７】
図１２および図１３は、本発明の重酸素水の製造方法の他の実施形態例を実施するために用いられる蒸留装置を示すもので、ここに示す装置は、複数の蒸留塔Ａ１〜Ａｎを備えた酸素蒸留用の酸素蒸留塔ユニットＦ１と、複数の蒸留塔Ａ’１〜Ａ’ｎを備えた水蒸留用の水蒸留塔ユニットＦ２と、これらユニットＦ１、Ｆ２間に設けられた水素添加反応装置３００Ａを備えている。蒸留塔ユニットＦ１、Ｆ２には、図１０に示す蒸留装置の構成を採用することができる。
【００５８】
図１３に示す水素添加反応装置３００Ａは、酸素蒸留塔ユニットＦ１を経た濃縮物（酸素ガス）を一時貯留するバッファタンク３４１と、バッファタンク３４１内の酸素ガスを導く経路３４２と、図示せぬ供給源から供給された水素（または重水素）を導く経路３４３と、これら経路３４２、３４３から供給された酸素と水素を反応させる燃焼室３４４と、制御器３４５とを有する燃焼器３００を主たる構成要素とするものである。
【００５９】
燃焼室３４４は、燃焼室３４４内に供給される酸素と水素とを混合し燃焼するバーナ３４４ａと、該酸素・水素混合ガスに着火するヒータ３４４ｂと、反応生成物（水蒸気）を冷却する冷却コイル３４４ｃを備えている。また符号３４４ｄは燃焼室３４４内の反応生成物（水）を弁を介して取り出す取出口を示す。
【００６０】
制御器３４５は、予め設定された値による信号と、経路３４２に設けられた酸素流量検出器３４２ａによって検出された酸素ガス流量に基づく信号により流量調節弁３４２ｂを調節し、経路３４２を通して燃焼室３４４内に供給される酸素ガスの供給量を調節することができるようになっている。また、制御器３４５は、予め設定された値による信号と、経路３４３に設けられた水素流量検出器３４３ａによって検出された水素流量に基づく信号により流量調節弁３４３ｂを調節し、経路３４３を通して燃焼室３４４内に供給される水素の供給量を調節することができるようになっている。なお、符号３４２ｃ、３４３ｃは逆止弁、符号３４２ｄ、３４３ｄは逆火防止器、符号３４４ｅは燃焼室３４４内のごく少量の未反応ガスを弁を介して排出する排出用経路を示す。
【００６１】
以下、上記蒸留装置を用いた場合を例として、本発明の重酸素水の製造方法の一実施形態例を説明する。原料酸素を、酸素蒸留塔ユニットＦ１に供給し、酸素同位体重成分を濃縮した濃縮物である中間製品ガス１１０’を得る。この中間製品ガス１１０’（酸素ガス）を、経路４４、調節弁４４ａを通して水素添加反応装置３００Ａの燃焼器３００に導入する。燃焼器３００に導入された酸素ガスは、バッファタンク３４１を経て経路３４２を通しバーナ３４４ａを介して燃焼室３４４内に導入される。同時に、図示せぬ供給源から供給された水素を経路３４３を通しバーナー３４４ａを介して燃焼室３４４内に供給する。
【００６２】
この際、制御器３４５によって、設定値による信号および酸素流量検出器３４２ａによって検出された酸素ガス流量に基づくフィードバック信号により演算が行われ、その結果の信号により流量調節弁３４２ｂが調節されるとともに、同様に、制御器３４５からの設定値による信号と水素流量検出器３４３ａによって検出された水素流量に基づくフィードバック信号により演算が行われ、その結果の信号により流量調節弁３４３ｂが調節され、水の生成のための化学量論量に近い量の上記酸素と水素がバーナー３４４ａを介して燃焼室３４４内に供給される。
【００６３】
燃焼室３４４に供給される酸素および水素は上記の如くフィードバック制御により常に化学量論量に限りなく近い流量に制御されるが、それでも過剰分として導入されたガスは弁を介して排出用経路３４４ｅから定期的に排出し、このガスが燃焼室３４４内に溜まるのを防ぐ。この排ガス量をさらに減らすために、フィードフォワード制御を併用するなど、より厳密な制御手段を採用することが好ましい。
【００６４】
燃焼室３４４内に供給された上記酸素と水素は、バーナ３４４ａにおいて混合された後、燃焼室３４４内に噴出され、ヒータ３４４ｂにより着火し、これらが反応することにより水が生成する。生成した水は、大部分が冷却コイル３４４ｃによる冷却によって凝縮した後、取出口３４４ｄを通して燃焼室３４４外に導出され、生成水１１３として経路４５を経て水蒸留塔ユニットＦ２に導入される。この生成水１１３は、酸素同位体重成分の濃縮物である中間製品ガス１１０’を原料として得られたものであるため、酸素同位体重成分を多く含む重酸素水となる。
【００６５】
水蒸留塔ユニットＦ２は、酸素蒸留塔ユニットＦ１と同様の構成とされているため、蒸留塔ユニットＦ２内においては、ユニットＦ１における酸素同位体重成分の濃縮過程と同様に、生成水１１３中の重成分、すなわちＨ２１７Ｏ、Ｈ２１８Ｏ、Ｄ２１７Ｏ、Ｄ２１８Ｏ、ＤＨ１７Ｏ、ＤＨ１８Ｏが濃縮され、製品重酸素水１１４として回収される。
【００６６】
本実施形態例の蒸留装置では、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また酸素同位体重成分を高濃度で含有する重酸素水製品を得ることができる。
【００６７】
図１４は、本発明の蒸留装置の他の実施形態例を示すもので、ここに示す装置は、ｎ本の蒸留塔Ａ１〜Ａｎと、これら塔Ａ１〜Ａｎの塔頂部付近に設けられた凝縮器Ｂ１〜Ｂｎと、塔Ａ１〜Ａｎの塔底部付近に設けられた蒸発器Ｃ１〜Ｃｎと、第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部付近に設けた第ｋ塔蒸発器Ｃｋの出口と第（ｋ＋１）塔の塔頂部とを接続する導入経路Ｄ１〜Ｄｎ−１と、第（ｋ＋１）塔の第（ｋ＋１）塔凝縮器Ｂｋ＋１出口と第ｋ塔の塔底部とを接続する返送経路Ｅ１〜Ｅｎ−１と、同位体スクランブラー４７を備えている。
【００６８】
同位体スクランブラー４７は、塔Ａ１〜Ａｈによって濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングによってさらに濃縮するためのもので、入口側が取出経路４８を介して第ｈ塔Ａｈ下部に接続され、出口側が、第ｈ塔Ａｈに対し後段側に隣接する第ｉ塔Ａｉ中間部に返送経路４９を介して接続されている。
【００６９】
同位体スクランブラー４７としては、同位体交換反応触媒を用いるものの他に、酸素分子をいったん別の化合物とし、その後これを分解し酸素分子を得るものがある。同位体スクランブラー４７として、前者のものを用いた場合、酸素同位体重成分濃縮物である塔Ａｈの塔底部ガスを同位体交換反応触媒に接触させることで、濃縮物中において、後述する同位体交換反応を促進し、これにより濃縮物中の重成分酸素分子の濃度をさらに高めることができる。
【００７０】
この場合、同位体スクランブラー４７は、触媒筒（図示略）と、その内部に充填された同位体交換反応触媒を備えている。この同位体交換反応触媒としては、例えばＷ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することができる。また同位体交換反応触媒としては上記の他、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｍｎ酸化物、Ｆｅ酸化物、Ｃｏ酸化物、Ｎｉ酸化物、Ｃｕ酸化物、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｓｎ酸化物、およびＶ酸化物からなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することもできる。また、上記金属単体の触媒と上記金属酸化物触媒とをそれぞれ１種または複数種混在させたものを用いることも出来る。
【００７１】
同位体スクランブラー４７として、後者のものを用いた場合は、酸素同位体重成分濃縮物である塔Ａｈの塔底部ガスをいったん別の化合物（例えば水）に変換し、その後これを分解し酸素分子を得ることによって濃縮物中の重成分酸素分子の濃度をさらに高める。この方法を採用した同位体スクランブラー４７の例を図１５に示す。
【００７２】
図１５において、同位体スクランブラ−４７は主にアルゴン循環ブロワー８７と、酸化反応触媒を充填した触媒筒８８と、電気分解装置８９と、酸素精製装置９０からなる。触媒筒８８に充填された酸化反応触媒としては、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｕからなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することができる。さらにＰｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ等を、Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ｚｒ酸化物、Ｃｒ酸化物、Ｖ酸化物、Ｃｏ酸化物、Ｍｎ酸化物等に担持させた触媒からなる群より選択された１種または２種以上を含むものを使用することもできる。
【００７３】
アルゴン循環ブロワー８７は、触媒筒８８、冷却器９１、チラー９２を備えたアルゴン循環系統内のガスを循環させるために設けられている。この循環系統内は酸素および水素が共存するため、この循環系統には、爆発範囲を考慮して、該系統内のガスを希釈するアルゴンを供給するアルゴン補給ライン９８が接続されている。なおこの循環系統には、チラー９２の出口における水素濃度を約２％程度に保つために水素ガス補給ライン９７が設けられている。
【００７４】
次に、上記装置を用いた場合を例として、本発明の酸素同位体の濃縮方法の一実施形態を説明する。経路２０を通してフィード１０１を第１塔Ａ１に供給し、以下、塔Ａｈに至る間に上述の過程にしたがって酸素同位体重成分を濃縮し、濃縮物である塔Ａｈの塔底部液を得る。次いで、この塔底部液を、経路４８を通して導出ガス１１５として同位体スクランブラー４７に導入する。
【００７５】
経路４８からアルゴン循環ブロワー８７の吸入側に供給された酸素ガスは、アルゴンおよび水素と混合され、ブロワー８７により約８０〜１００ｋＰａ（ゲージ）まで昇圧され触媒筒８８へ導入される。また前記ブロワ８７の出口で極微量の水素（後記する触媒筒９５で反応除去した分）をライン９７から補給する。触媒筒８８内で水素と酸素が反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）し水が生成し、触媒筒８８出口の組成は水素約２％、水蒸気約０．５％、アルゴン約９７．５％となる。
【００７６】
この混合ガスは冷却器９１およびチラー９２により冷却され、水が貯槽９３に分離される。この水は電気分解装置８９内に設けられたポンプにより電解槽９４（圧力４００ｋＰａゲージ）へ送られて電気分解され、再び、微量の酸素を含んだ水素ガスと、微量の水素を含んだ酸素ガスに分離される。前者の水素ガスは上記アルゴン循環系統に回収される。後者の酸素ガスは触媒筒９５、吸着器９６を備えた酸素精製装置９０により微量の水素、水などが除去され、経路４９を通して導出され、酸素蒸留塔へ戻される。吸着器９６の再生ガスには、酸素同位体重成分が濃縮された酸素ガスのロスを防ぐため、別途超高純度酸素ガス（蒸留塔第１塔フィードガスと同一仕様のガス）を用いる。なお、同位体スクランブラ−戻り酸素ガス１１６の流量は、該酸素ガスが戻される蒸留塔内の上昇ガス量に比べて極めて小さいため、常温のまま蒸留塔内に戻しても蒸留性能にはほとんど影響しない。
【００７７】
同位体スクランブラ−４７の装置全体でみると、ガスの出口は、精製された同位体スクランブラ−戻りガス１１６のライン４９と、吸着器９６の再生のために別途供給された超高純度酸素ガスの放出口しかないため、その他のガスは装置内を循環しており、ガスのロスはほとんどない。したがって、水素ガス、アルゴンガス共に補給ラインから補給される量は極微量である。
【００７８】
同位体スクランブラー４７の触媒筒８８内では、酸化反応触媒により水素と酸素が反応し、水が生成される。例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
２Ｈ２＋ＡＢ→Ｈ２Ａ＋Ｈ２Ｂ
あるいは ２Ｈ２＋ＣＤ→Ｈ２Ｃ＋Ｈ２Ｄ
あるいは ２Ｈ２＋ＡＡ→２Ｈ２Ａ
などの反応により、酸素分子を構成していた原子が水の別々の分子に別れる。ここで得られた反応物（水分子）中の各酸素同位体成分の存在比は、導出ガス１１５中の各同位体成分の存在比によって決まることになる。さらに同位体スクランブラー４７の電気分解装置８９内では、電気分解により水分子が酸素分子と水素分子に分解される。同様にＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
Ｈ２Ａ＋Ｈ２Ｃ→２Ｈ２＋ＡＣ
あるいは Ｈ２Ｂ＋Ｈ２Ｄ→２Ｈ２＋ＢＤ
あるいは ２Ｈ２Ｃ→２Ｈ２＋ＣＣ
などの反応により、水分子が酸素分子と水素分子に分解される。ここで得られた酸素分子を構成する酸素原子の組み合わせは、水分子内に存在する酸素同位体成分の存在比によって確率的に決まる。なお、上記のように複数種の同位体分子が存在する時、各分子がその構成する相手の原子をランダムに変えることを同位体スクランブリングと言い、それを行なう装置を同位体スクランブラーという。
【００７９】
上記同位体スクランブラー４７として同位体交換反応触媒を用いる方法を用いた場合には、同位体スクランブラー４７の触媒筒内において、同位体交換反応触媒により同位体交換反応が行われる。同位体交換反応は、十分に加熱された触媒表面上で、２原子分子における相手原子を他の原子と交換する反応である。即ち、同位体交換反応とは、例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが１６Ｏ、１７Ｏ、１８Ｏのうちいずれかの同位体原子であるとすると、
ＡＢ＋ＣＤ＝ＡＣ＋ＢＤ
あるいは ＡＢ＋ＣＤ＝ＡＤ＋ＢＣ
となる反応である。ある同位体原子に着目すると、十分に時間が経過した後では、分子として相手になる同位体原子は、同位体交換反応を始める前の各同位体成分の存在比によって確率的に決まることになる。従って、同位体スクランブラー４７による同位体交換反応によって得られた反応物（酸素同位体分子）中の各同位体成分の存在比は、導出ガス１１５中の各同位体成分の存在比によって決まることになる。
【００８０】
すなわち、例えば導出ガス１１５中に１６Ｏ１６Ｏ、１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏの成分があり、それぞれのモル分率をＹ１１、Ｙ１２、Ｙ１３、とすると、上記いずれの方法を用いても同位体スクランブラー４７により、酸素分子を構成する酸素原子の組み合わせが、各同位体成分の存在確率によりランダムに変化するため、同位体スクランブリング後の各成分の濃度は、
１６Ｏ１６Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）２ ・・・（ｉ）
１６Ｏ１７Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１２ ・・・（ｉｉ）
１６Ｏ１８Ｏ ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１３ ・・・（ｉｉｉ）
１７Ｏ１７Ｏ ：Ｙ２１２／４ ・・・（ｉｖ）
１７Ｏ１８Ｏ ：Ｙ１２Ｙ１３／２ ・・・（ｖ）
１８Ｏ１８Ｏ ：Ｙ２１３／４ ・・・（ｖｉ）
となる。
【００８１】
この１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏに含まれる１６Ｏの一部が１６Ｏ１６Ｏとなるのに伴って、重成分（１７Ｏおよび１８Ｏ）のみからなる酸素分子（１８Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１７Ｏ１７Ｏ、以下、重成分酸素分子という）の濃度が高められる。
【００８２】
同位体スクランブラー４７によって重成分酸素分子の濃度が高められた反応物は、同位体スクランブラー戻りガス１１６として経路４９を通して塔Ａｉに供給され、以下、塔Ａｉ〜Ａｎを経る。重成分酸素分子は高沸点であり濃縮しやすいため、この過程において、酸素同位体重成分の濃度がさらに高められる。
【００８３】
上記実施形態例の酸素同位体の濃縮方法では、上述の第１の実施形態例と同様に、起動時間の短縮を図ることができる。また、塔Ａ１〜Ａｈによって得られた酸素同位体重成分濃縮物を同位体スクランブラー４７に供給し、同位体スクランブラー４７における同位体スクランブリングによって、濃縮物中の重成分酸素分子（１８Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１７Ｏ１７Ｏ）濃度を高め、この濃縮物を塔Ａｉ〜Ａｎに供給し、酸素同位体重成分の濃度をさらに高めるので、酸素同位体重成分を高濃度で含有する製品を得ることができる。
【００８４】
なお、図示例の装置では、同位体スクランブラー４７の出口側経路４９が、第ｉ塔Ａｉに接続された構成とした。このように、同位体スクランブラー４７の出口側経路４９が接続される塔は、入口側経路４８が接続される第ｈ塔Ａｈよりも下流側（後段側）のものであることが望ましいが、本発明ではこれに限らず、出口側経路４９が接続される塔が、入口側経路４８が接続される塔、またはこの塔よりも上流側（前段側）のものであってもよい。
【００８５】
すなわち、同位体スクランブラー４７はカスケードに構成した「複数の蒸留塔から構成される装置」のどの部分にも組み込むことが可能である。例えば、第ｋ塔（蒸留塔、コンデンサー、リボイラー、配管などを含む）の任意の場所からガスを抜き出し、同位体スクランブラーで処理し、第ｊ塔（蒸留塔、コンデンサー、リボイラー、配管などを含む）の任意の場所に戻すことも可能である。ここで、ｋとｊの大小関係は自由で、また、ｋ＝ｊの場合もあり得る。ただし、同位体スクランブリングを効果的に行うために、蒸留装置からガスを抜き出す位置は、１６Ｏ１８Ｏが最も濃縮されている位置が望ましく、また、同位体スクランブリングの後に蒸留塔に戻す位置は、抜き出す位置における１８Ｏ１８Ｏの濃度よりも、同位体スクランブリング後のガスの１８Ｏ１８Ｏの濃度の方が大きいので、抜き出した場所よりも後段（１８Ｏ１８Ｏがより濃縮された位置）であることが望ましい。
【００８６】
また、本発明では、上記最終塔Ａｎから導出された酸素を、前記水素添加反応装置３００Ａに供給して水に変換することによって、重酸素水を得ることもできる。
【００８７】
次に、上記各蒸留装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行う場合についてコンピュータシミュレーションを行った結果について説明する。本発明の蒸留塔の設計に採用した蒸留理論およびこのシミュレーションに採用した蒸留理論は、物質移動に関する速度論的モデルを用いており、いわゆるＨ．Ｅ．Ｔ．Ｐ（Ｈｅｉｇｈｔ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｔｏ ａ Ｔｈｅｏｒｉｔｉｃａｌ Ｐｌａｔｅ）あるいは平衡段モデルは用いていない。
【００８８】
この速度論的モデルを用いた蒸留理論において、質量流束Ｎは、拡散流束Ｊと対流項ρｖを用いて次のように表される。
Ｎ ＝ ＪＧＳ ＋ ρＧＳｖＧＳωＧＳ
また、物質移動に関する相関式として次のものを掲げることができる。
ＳｈＧＳ（ＪＧＳ／Ｎ） ＝ Ａ１ＲｅＧＡ２・ＳｃＧＳＡ３
ここで、Ｓｈ、Ｒｅ、Ｓｃは次式でそれぞれ定義される。
ＳｈＧＳ ＝ Ｎｄ／（ρＧＳＤＧＳΔωＧＳ）
ＲｅＧ ＝ ρＧＵＧｄ／μＧ
ＳｃＧＳ ＝ μＧＳ／（ρＧＳＤＧＳ）
Ｎ：質量流束［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］
Ｊ：拡散流束［ｋｇ／（ｍ２・ｓ）］
ｄ：相当直径［ｍ］
Ｄ：拡散係数［ｍ２／ｓ］
ρ：密度［ｋｇ／ｍ３］
ｖ：速度［ｍ／ｓ］
ω：濃度［ｋｇ／ｋｇ］
Ｓｈ：シャーウッド数［−］
Ｒｅ：レイノルズ数［−］
Ｓｃ：シュミット数［−］
添え字Ｇ：気相 添え字Ｓ：気液界面
【００８９】
この速度論的なモデルの良さは、多成分系における中間成分の物質移動を正確に予測できること、平衡段モデルによって計算を行った場合に起こるマーフリー効率やＨ．Ｅ．Ｔ．Ｐが負の値をとるような非現実的な結果とならないことなどにある。上記モデルについては、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｓｅｌｉｎｇｈ： ’Ｎｏｎ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ’ ＩＣｈｅｍＥ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ａｎｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ’９７， ｖｏｌ．１， ｐｐ．１−２１ （１９９７）に詳しく記載されている。
【００９０】
［実施例１］
上記モデルを用いて、図１に示す蒸留装置を用いて酸素同位体の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を、表２に示す。なお装置仕様を表１に示す。
【００９１】
［従来例１］
図１９に示す従来の蒸留装置を用いて酸素同位体の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を表２に併せて示す。この従来装置は、第１塔ないし第３塔の塔径、充填高さを実施例１の装置と同じ値と想定した。またフィード量、製品量、還流比なども実施例１の場合と同様の値とした。
【００９２】
【表１】
【００９３】
【表２】
【００９４】
表２より、図１の装置を用いた実施例１の方法では、従来装置を用いた従来例１の方法に比べ、製品の１６Ｏ１８Ｏ濃度を高めることができることがわかる。これは、実施例１の場合には、従来例１に比べ塔内圧力を低くすることができ、このため塔内において各成分間の蒸気圧比が大きくなり蒸留性能が向上するためであると考えられる。
【００９５】
また表２より、実施例１では、装置の起動時間の短縮が可能となることがわかる。これは、次の理由によるものであると考えられる。従来例１では、第１塔と第２塔との間、および第２塔と第３塔との間の液体供給経路である配管のほとんどの部分が液で満たされるのに対し、実施例１では、第２塔から第１塔、第３塔から第２塔への液体供給経路である配管（返送経路１４、１５）内が液で満たされるのが第１塔と第２塔との間、第２塔と第３塔との間の塔底、塔頂の圧力差に相当する液ヘッド分に応じたわずかな部分のみとなる為である。このため、実施例１では、液ホールドアップ量が小さくなり、装置の起動時間の短縮が可能となる。
【００９６】
実施例１と従来例１を比較すると、液体供給配管内の１６Ｏ１８Ｏ成分の液ホールドアップは、実施例１の方が従来例１に比べ圧倒的に優れた結果が得られた。特に塔径がこれら実施例１、従来例１よりも小さい場合には、液体供給配管径が相対的に大きくなると考えられるため本発明の装置と従来装置との間の装置全体の液ホールドアップの差が大きくなると考えられ、起動時間の点で、本発明装置の優位性がさらに明確となると考えられる。また、酸素同位体の濃縮を、実施例１で用いた規則充填物に代えて不規則充填物を用いた蒸留塔を使用して行う場合には、実施例１に比べ、１６Ｏ１８Ｏ成分の液ホールドアップ量は、およそ３倍以上となると考えられる。これは、規則充填物の場合、液ホールドアップ量が充填層の体積の２〜３％となるのに対し、不規則充填物の場合には１０〜２０％となると考えられるためである。このように、規則充填物を用いた場合には、液ホールドアップ量を小さくできることから、起動時間の大幅な短縮を図ることができる。
【００９７】
また、本実施例１の方法は液ポンプを使用していないため、それを運転するための動力が不要である。液ポンプを用いないことによるその他の効果として以下のことがある。
（１）装置・機器コストが低減される。
（２）液ポンプのメンテナンスに伴う、バックアップ用液ポンプとの切り換えなどがないため、装置を連続的に安定運転できる。
（３）液ポンプの運転コストが削減出来る。
（４）液ポンプによる侵入熱を削減することにより、寒冷補給（窒素サイクルなど）のための運転コストが削減出来る。
一方、各塔の凝縮器および蒸発器の熱交換量は、従来例よりも本実施例の方が大きく、運転コストの面では不利である。これは、本発明では、従来装置で第１塔から第２塔、第２塔から第３塔へフィードしていた液体をいったん蒸発器でガス化し、その後、凝縮器で液化しているためであり、また、従来装置で第２塔から第１塔、第３塔から第２塔へ戻していたガスをいったん凝縮器で液化し、その後蒸発器でガス化しているためである。この点が本発明における、液ポンプが不要、蒸留塔塔頂圧力の低下の利点を得るための代償であるが、上記液ポンプを採用した従来法と比較すればこのデメリットはメリットに比較してはるかに小さい。
【００９８】
［実施例２］
表４は、図１に示す蒸留装置を使用し、原料として水を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。なお装置仕様を表３に示す。
【００９９】
［従来例２］
図１９に示す従来の蒸留装置を使用し、原料として水を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を表４に併せて示す。この従来例２では、第１塔ないし第３塔の塔径、充填高さ、フィード量、製品量、還流比などを実施例２の場合と同様の値とした。
【０１００】
【表３】
【０１０１】
【表４】
【０１０２】
表４より、図１の装置を用いた実施例２の方法では、従来装置を用いた従来例２の方法に比べ、製品のＨ２１８Ｏ濃度を高めることができることがわかる。また、実施例２では、液ホールドアップ量が小さくなり、装置の起動時間の短縮が可能となることがわかる。
【０１０３】
［実施例３］
表７は、図１２に示す蒸留装置を用いて重酸素水の製造を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。酸素蒸留塔ユニットＦ１は、１０本の蒸留塔を有し、水蒸留塔ユニットＦ２は、５本の蒸留塔を有するものとした。なお酸素蒸留塔ユニットＦ１の装置仕様を表５に、水蒸留塔ユニットＦ２の装置仕様を表６に示す。
【０１０４】
【表５】
【０１０５】
【表６】
【０１０６】
【表７】
【０１０７】
表７より、実施例３によれば、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を９７％以上に濃縮した重酸素水を得ることができることがわかる。この実施例３では、年間約６０ｋｇの生産量が得られ、装置の起動時間は、酸素濃縮用の蒸留塔ユニットＦ１と、水蒸留用の蒸留塔ユニットＦ２を併せて約１４０日となることがわかる。この実施例３のように、水蒸留を利用して酸素同位体重成分（１８Ｏ）の濃縮を行った例としては、ＵＳ ｐａｔｅｎｔ ５０５７２２５に記載されているように、Ｔｈｏｄｅ， Ｓｍｉｔｈ，Ａｎｄ Ｗａｌｋｉｎｇ： ＣＡｎａｄ．Ｊ．Ｒｅｓ．２２，１２７（１９４４）に報告されたものがあり、この例では、３本の蒸留塔からなるカスケードプロセスにより、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を１．３％まで濃縮した水１５０ｇが得られたことが報告されている。この従来例では、起動に要した時間は１２０日間とされており、生産性を考慮すると、実施例３では、従来に比べ起動時間の大幅な短縮が可能となることがわかる。
【０１０８】
［実施例４］
表９は、図１４に示す蒸留装置を用いて酸素同位体重成分（１８Ｏ）の濃縮を行う場合のシミュレーションを行った結果を示すものである。また図１６は、各塔内における各同位体成分の濃度分布を示すものである。蒸留塔の数（ｎ）は１０とし、同位体スクランブラー４７は第６塔と第７塔の間に設置することを想定した。なお装置仕様を表８に示す。表中、同位体スクランブラー供給ガスとは、経路４８を通して同位体スクランブラー４７に供給される導出ガス１１５を指し、同位体スクランブラー戻りガスとは、同位体スクランブラー４７から導出され、経路４９を通して塔Ａｉに供給される同位体スクランブラー戻りガス１１６を指す。
【０１０９】
【表８】
【０１１０】
【表９】
【０１１１】
表９より、実施例４によれば、酸素同位体重成分（１８Ｏ）を９７％以上に濃縮した濃縮物を得ることができることがわかる。この実施例４では、年間約１２ｋｇの生産量が得られ、装置の起動時間は、７３日となることがわかる。
【０１１２】
本実施形態例で示した装置では、製品ガスに同伴される１８Ｏ１８Ｏの流量は、
［製品ガス流量］×［製品ガス中１８Ｏ１８Ｏ濃度］＝１×１０−５（ｍｏｌ／ｓ）×０．９４１＝９．４×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）
である。一方、フィードガスに同伴され装置内に供給される１８Ｏ１８Ｏの流量は、
［フィードガス流量］×［フィードガス中１８Ｏ１８Ｏ濃度］＝０．３（ｍｏｌ／ｓ）×４．２×１０−６＝１．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）であり、製品ガスに同伴される１８Ｏ１８Ｏの流量よりもはるかに小さい。本実施形態例において同位体スクランブラーは、上記１８Ｏ１８Ｏの不足分を補うために設けられている。すなわち、蒸留塔内で１６Ｏ１８Ｏが高濃度（４５％以上であることが望ましい）に濃縮された酸素ガスを同位体スクランブラーで処理することにより、新たに１８Ｏ１８Ｏを生成させ、それを再び蒸留塔に戻すことによって、フィードガスで供給された１８Ｏ１８Ｏの量よりも多くの１８Ｏ１８Ｏを製品として採取することができる。本実施形態例では表９からわかるように、同位体スクランブラ−によって以下の式に示す量の１８Ｏ１８Ｏが生成されている。
［同位体スクランブラ−処理量］×〔［１８Ｏ１８Ｏ出口濃度］−［１８Ｏ１８Ｏ入口濃度］〕 ＝６．０×１０−４×［０．１７７−０．１６２］ ＝９．０×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）
【０１１３】
これを、フィードガスによって供給される１８Ｏ１８Ｏ、１．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）と合わせると、蒸留塔に供給されるトータルの１８Ｏ１８Ｏは１０．３×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）となるため、製品によって上記９．４×１０−６（ｍｏｌ／ｓ）の１８Ｏ１８Ｏを採取することが可能になる。仮に、同位体スクランブラーを設けなかった場合には、フィードガス量を最低でも（９．４×１０−６）／（１．３×１０−６）＝７．２倍以上にしなければならず、それに伴い、塔径の大きな蒸留塔が必要となる。これはホールドアップ、起動時間の観点から好ましくない。すなわち本実施形態例で示した装置では、同位体スクランブラ−を設けることにより、従来よりも塔径の小さな装置で、酸素同位体重成分が濃縮された製品を採取することができる。
【０１１４】
［実施例５］
表１０は図１の装置と全く同じプロセスを採用して蒸留塔の本数を１６塔に増やした装置により、酸素安定同位体の蒸留をシミュレーションによって行った結果を示したものである。この蒸留装置の仕様を表１１に示す。
【０１１５】
【表１０】
【０１１６】
【表１１】
【０１１７】
本実施例は中間成分である１６Ｏ１７Ｏを濃縮した製品を得ることを目的として、蒸留塔のトータルの高さを高くしたケースである。図１７は塔内の各酸素同位体の組成分布を示したもので、該実施例では第１０塔〜第１２塔付近に１６Ｏ１７Ｏのピークが出現するので、これらの塔の少なくとも１個所から液またはガスを採取することにより１６Ｏ１７Ｏ濃縮製品を得ることが出来る。この実施例では第１１塔の塔底（リボイラー出口）からガスを製品ガス１として採取した。また第１６塔の塔底部から導出されたガスを製品ガス２として採取した。この例では、製品１の１６Ｏ１７Ｏの濃度は５０％程度であるが、さらに蒸留塔のトータルの高さを大きくすれば、より濃縮された１６Ｏ１７Ｏを得ることが出来る。
【０１１８】
本実施例においてフィードは９９．９９９％以上に精製した酸素を第１塔に供給する。フィード中の１６Ｏ１７Ｏは７３８ｐｐｍ、１６Ｏ１８Ｏは４０７０ｐｐｍである。製品ガス１は第１１塔塔底から採取する。この製品ガス１２を通常の使用形態である水にするために水素添加装置で処理すれば１７Ｏ濃度が約２５％の重酸素水が得られる。製品ガス２は第１６塔塔底から採取する。これを水素添加装置で処理すれば１８Ｏ濃度が約４８％の重酸素水が得られる。
【０１１９】
１７Ｏ濃縮製品が不要で、１６Ｏ１８Ｏ濃縮ガスである製品ガスのみが必要な場合は、蒸留のトータルの高さはこの例よりもはるかに小さくて済む。その場合には、１６Ｏ１７Ｏのピーク時の組成は１％程度になる。即ち、図１７の１６Ｏ１８Ｏの組成分布に注目すると、第１塔から第６塔付近までは、組成の傾きが小さくなっており、１６Ｏ１７Ｏを高濃度に濃縮するために、本実施例では１６Ｏ１８Ｏ成分にとっては必要以上にトータルの高さを大きくしている。即ち、トータルの充てん高さを大きくすれば、本発明の装置で中間成分の濃縮が可能であることがわかる。
【符号の説明】
【０１２０】
１、２、３、Ａ１〜Ａｎ・・・蒸留塔
５、７、９、・・・凝縮器
６、８、１０・・・蒸発器
１１・・・規則充填物
１２、１３、３５、３６、Ｄ１〜Ｄｎ−１・・・導入経路
１４、１５、３７、３８、３７’、３８’、Ｅ１〜Ｅｎ−１・・・返送経路
４１、４２・・・ブロワ
４７・・・同位体スクランブラー
５１、５２・・・非自己分配促進型規則充填物
５３、５４、５５・・・自己分配促進型規則充填物
３００Ａ…水素添加反応装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カスケードに構成した複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）を用いて、複数成分よりなる気体又は液体を蒸留分離する装置であって、
第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設け、該返送経路に、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口からの凝縮液を、凝縮液自身の自重で第ｋ塔へ返送するための弁を設けたことを特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
酸素同位体重成分を含む原料酸素を、複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）で構成するカスケードプロセスにより濃縮するに際し、
第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔塔底部付近に設けた蒸発器出口のガスの少なくとも一部を、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは塔頂部付近に設けた凝縮器入口あるいは該塔の中間部に供給し、且つ、第（ｋ＋１）塔の塔頂部または該塔の凝縮器出口の液体の少なくとも一部を、返送液として凝縮液自身の自重で第ｋ塔の蒸発器入口あるいは塔底部あるいは塔の中間部に返送することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【請求項３】
請求項２の濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を更に高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【請求項４】
請求項２の濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得、該濃縮物をさらに請求項２の方法によって前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を更に高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【請求項１】
カスケードに構成した複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）を用いて、複数成分よりなる気体又は液体を蒸留分離する装置であって、
第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔底部付近に設けた蒸発器の出口と、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは該塔頂部付近に設けた凝縮器の入口または該塔の中間部とを連結する導入経路と、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口と、第ｋ塔の塔底部付近に設けた蒸発器の入口あるいは該塔の塔底部または該塔の中間部とを連結する返送経路を設け、該返送経路に、第（ｋ＋１）塔の凝縮器出口からの凝縮液を、凝縮液自身の自重で第ｋ塔へ返送するための弁を設けたことを特徴とする蒸留装置。
【請求項２】
酸素同位体重成分を含む原料酸素を、複数の蒸留塔（第１塔〜第ｎ塔）で構成するカスケードプロセスにより濃縮するに際し、
第ｋ塔（１≦ｋ≦（ｎ−１））の塔底部あるいは該塔塔底部付近に設けた蒸発器出口のガスの少なくとも一部を、第（ｋ＋１）塔の塔頂部あるいは塔頂部付近に設けた凝縮器入口あるいは該塔の中間部に供給し、且つ、第（ｋ＋１）塔の塔頂部または該塔の凝縮器出口の液体の少なくとも一部を、返送液として凝縮液自身の自重で第ｋ塔の蒸発器入口あるいは塔底部あるいは塔の中間部に返送することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、および１８Ｏ１８Ｏのうち少なくとも一種を濃縮することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【請求項３】
請求項２の濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を更に高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【請求項４】
請求項２の濃縮方法により濃縮した酸素同位体濃縮物を、酸素同位体スクランブリングに供し、前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を高めた濃縮物を得、該濃縮物をさらに請求項２の方法によって前記酸素同位体重成分を含む酸素分子の少なくとも一種の濃度を更に高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−１１０７５９（Ｐ２０１０−１１０７５９Ａ）
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９８４７７（Ｐ２００９−２９８４７７）
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【分割の表示】特願平１１−２９０２５９の分割
【原出願日】平成１１年１０月１２日（１９９９．１０．１２）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２８日（２００９．１２．２８）
【分割の表示】特願平１１−２９０２５９の分割
【原出願日】平成１１年１０月１２日（１９９９．１０．１２）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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