酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置
【課題】希釈ガスを不必要に入れてオゾンの濃縮効率を低下させることなく、オゾンが高濃度に濃縮されないような酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置を提供する。
【解決手段】特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、 蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法を採用する。
【解決手段】特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、 蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置に関し、詳しくは、オゾンにレーザ光を照射し、天然存在比の小さな酸素同位体１７Ｏ、１８Ｏを選択的に分離する装置において、非常時に安全に液化オゾンを処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素同位体重成分である１７Ｏや１８Ｏは、成人病の診断等でトレーサーとして利用されている。酸素同位体重成分は自然界における存在比が極めて小さいので、例えば、以下のような手段で濃縮してから使用される。
【０００３】
酸素同位体重成分の濃縮方法には、酸素を分子状態で蒸留し、目的の酸素同位体を含む酸素を濃縮する方法がある（特許文献１参照）。この文献には、蒸留による同位体濃縮の効率を上げるため、蒸留に同位体スクランブリングを組み合わせる方法が記載されている。
【０００４】
この同位体スクランブリングを組み合わせる方法の応用として、例えば、特許文献２および特許文献３には、目的の同位体を含むオゾンの選択的分解による濃縮方法が開示されている。詳述すると、オゾナイザで発生させたオゾンにレーザ光を照射し、分子中に目的の酸素同位体重成分（１７Ｏもしくは１８Ｏ）を含むオゾンを、選択的に分解した後、生成した酸素を未分解のオゾンから分離し、蒸留によって、目的の酸素同位体を、酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、１８Ｏ１８Ｏ）として濃縮する方法である。
【０００５】
特許文献４には、レーザ光の照射で酸素同位体を含む分子を、選択的に分解し濃縮を行う方法が開示されている。この方法は、図２に示すようにレーザ光を照射して選択的に分離する部分（たとえば光反応セル９１）以外に１つの分離手段（たとえば蒸留塔９２）を用いており、以下のような手順で、酸素同位体を濃縮する。
【０００６】
まず、オゾナイザ９３で原料酸素からオゾンを発生させる。これに希釈ガスを加えて蒸留塔９２において未反応の酸素を分離し、蒸留塔９２の下部から希釈ガスとオゾンの混合ガスを導出し、光反応セル９１にフィードする。
【０００７】
次に、光反応セル９１においてオゾンに特定の波長のレーザ光を照射し、目的の酸素同位体重成分を含むオゾンを光解離する。分解により得られた酸素同位体重成分を含む酸素、未反応のオゾン、希釈ガスの混合ガスを蒸留塔９２の中間部に戻し、蒸留塔９２の上部から、酸素同位体重成分が濃縮された製品酸素を取り出す。蒸留塔９２内に残ったオゾンは、オゾン分解装置９４に導入して、酸素に分解する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第００−２７５０９号パンフレット
【特許文献２】特開２００４−２６１７７６号公報
【特許文献３】特開２００５−４０６６８号公報
【特許文献４】特開２００８−８０２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、オゾンは高濃度に濃縮されると自己分解爆発を起こす可能性があることから、オゾンから製品酸素を分離する際に、蒸留塔の塔底にオゾンが高濃度に濃縮されないように希釈ガスが加えられている。したがって、装置の稼働中は塔底にオゾンと希釈ガスの混合液が常に存在することになる。
そして、塔底において局所的にオゾンが濃縮するのを防ぐ方法として、例えば塔底にサーモサイフォン式リボイラを設置し、撹拌する方法がある。
【００１０】
しかし、このような方法では、装置が停止した場合、圧力変動などの要因でオゾンよりも低沸点の希釈ガスが先に蒸発し、オゾンが濃縮する可能性がある。そのため、装置の運転終了後や緊急停止時には、塔底にオゾン混合液が長時間滞留しないように、塔底からオゾン混合液を排出するなどの対処が必要である。
【００１１】
しかしながら、排出の際には、蒸発器を通し気化させることになるが、このときもオゾンのほうが蒸発しにくいため、液中でのオゾンの濃縮が起きやすくなる。
【００１２】
このような濃縮の可能性を考慮すると、塔底にてオゾンが一定濃度を超えないよう、希釈マージンを大きめにとる必要があったが、マージンを大きくとると、濃縮効率を低下させることになり、不都合があった。
【００１３】
このような背景の下、希釈ガスを不必要に入れてオゾンの濃縮効率を低下させることなく、オゾンが高濃度に濃縮されないような酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置が要望されていたが、両立は困難であるとして、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法である。
【００１５】
請求項２に係る発明は、前記希釈ガスが、四フッ化炭素またはキセノンであることを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法である。
【００１６】
請求項３に係る発明は、酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法に用いられる装置であって、原料酸素をオゾン化するオゾナイザと、該オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを蒸留塔に導出する第１配管と、前記オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔と、該蒸留塔にオゾンを希釈するための希釈ガスを導入する第２配管と、前記蒸留塔の回収部からオゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する第３配管と、前記蒸留塔から導出した混合ガスに特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セルと、該光反応セルからの反応後の混合ガスを前記蒸留塔に戻す第４配管と、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラと、該リボイラに供給する前記希釈ガスと同成分の温流体を貯留する液化貯留槽と、該液化貯留槽から蒸留塔へ前記温流体を導入する第５配管と、を有することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、希釈ガスを不必要に入れてオゾンの濃縮効率を低下させることなく、かつ、蒸留塔内でオゾンが高濃度に濃縮されことなく、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の濃縮装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】従来の濃縮装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態である酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置及び濃縮方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
＜酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置＞
本実施形態の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置１は、図１に示すように、原料酸素をオゾン化するオゾナイザ２と、オゾナイザ２で発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔３と、特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セル４と、蒸留塔３の塔底に設けられたリボイラ５と、リボイラ５に供給する温流体を貯留する液化貯留槽６と、を有した構成となっている。
【００２１】
蒸留塔３には、少なくとも、オゾナイザ２で発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを導入する配管１１（第１配管）と、オゾンを希釈するための希釈ガスを導入する配管１２（第２配管）と、オゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する配管１３（第３配管）と、光反応セルからの反応後の混合ガスを蒸留塔３に戻す配管１４（第４配管）と、液化貯留槽６から温流体を導入する配管１５（第５配管）と、が接続されている。
【００２２】
＜酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法＞
次に、本実施形態の濃縮装置を用いた酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法について説明する。本実施形態の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法は、原料酸素をオゾン化する工程と、発生したオゾンと未反応の酸素を分離する工程と、分離されたオゾンにレーザ光を照射し、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する工程と、発生した酸素と未分解のオゾンとを分離する工程と、から概略なる。
【００２３】
＜原料酸素をオゾン化する工程＞
原料酸素をオゾン化するにはオゾナイザ２を用いる。具体的には、圧縮機１８を用いて原料酸素をオゾナイザ２に導入し、オゾンを発生させる。この際、全ての原料酸素がオゾン化するわけではなく、一部のみがオゾン化するにとまる。
【００２４】
＜オゾンと未反応の酸素を分離する工程＞
発生したオゾンと未反応の酸素は、蒸留によって分離される。すなわち、オゾンと未反応の酸素の混合ガスは、配管１１を介して蒸留塔３に導入される。
なお、蒸留塔３には、予め配管１２を介して、オゾンを希釈するための希釈ガスが導入されている。
【００２５】
原料酸素は、不純物が０．１％以下の高純度酸素であることが望ましい。また、希釈ガスは、オゾンが高濃度に濃縮されることを防止する目的で混合するので、不活性な物質が好ましく、沸点がオゾンに近く、液化した際にオゾンと混合しやすい性質を有しているものが好ましい。例えば、四フッ化炭素（ＣＦ４）、キセノン、クリプトンなどが好適である。
【００２６】
蒸留塔３では、酸素が塔上部に濃縮され、オゾン及び希釈ガスが塔底部に濃縮される。塔底部において、オゾン及び希釈ガスが所定の濃度以上になったら、蒸留塔３からオゾンと希釈ガスの混合ガスを導出するとともに、配管１１に設けられたバルブ７を操作することで、オゾナイザ２から蒸留塔３への混合ガスの供給を停止する。
なお、本実施形態では、サーモサイフォン式リボイラ５を採用していることから、蒸留塔３の塔底部に回収部８（気液分離部）が設けられており、ここからオゾンと希釈ガスの混合ガスは導出される。
【００２７】
塔上部に濃縮された酸素は、系外に排出しても良いが、オゾナイザ２に循環させると収率が上がる。なお、塔上部に酸素が残留していると、後述する製品酸素が希釈されてしまうので、オゾナイザ２からの混合ガスの供給が停止されたら、可能な限り蒸留塔３から酸素を排出するのが好ましい。
【００２８】
＜酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する工程＞
蒸留塔３の回収部８から導出されたオゾンと希釈ガスの混合ガスは、配管１３を経由して光反応セル４に導入される。光反応セル４では、レーザ装置１７からの特定の波長のレーザ光を混合ガスに照射し、酸素同位体重成分を含むオゾン（例えば、１６Ｏ１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１６Ｏ１８Ｏなど）を選択的に分解する。これにより、光反応セル４中のガスは、オゾンの光分解で得られた酸素、未分解のオゾン、希釈ガスを含む混合ガスとなる。
【００２９】
光反応セル４では、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に分解しているため、得られた酸素は天然存在比より多くの酸素同位体重成分を含む。すなわち、酸素同位体重成分が酸素として濃縮された状態となる。
ただし、光解離により分解されたオゾンは、酸素同位体重成分（１７Ｏ、１８Ｏ）だけではなく１６Ｏも多く含んでいるので、混合ガス中には、酸素同位体重成分を含まない酸素（１６Ｏ１６Ｏ）も生じている。
【００３０】
＜発生した酸素と未分解のオゾンとを分離する工程＞
発生した酸素同位体重成分を多く含む酸素と、オゾンと、希釈ガスは、再度蒸留によって分離される。具体的には、光反応セル４から導出した混合ガスは、配管１４を介して蒸留塔３の中間部に戻され、分離される。
そして、塔上部からコンデンサ１６を介して、酸素同位体重成分が濃縮された酸素を製品として取り出す。なお、上述のように、蒸留塔３の塔上部には、予め酸素が残留していない状態にしているので、製品酸素は希釈されない。
【００３１】
ところで、蒸留塔３の塔底には、塔底液をガス化して蒸留塔３の上昇ガスを発生するためのリボイラ５が設置されている。本実施形態では、このリボイラ５の熱源となる温流体に、希釈ガスと同成分（例えばＣＦ４）の流体を用いる。
【００３２】
また、リボイラ５の温流体の循環経路には、液化貯留槽６が設けられており、この気相側から導出した温流体を圧縮機１０で圧縮した後に、液化貯留槽６を通し、液槽部分と熱交換して冷却して、リボイラ５に供給する。
【００３３】
リボイラ５では、冷流体である蒸留塔３の塔底部から導出した塔底液（オゾンと希釈ガスとの混合液）と、温流体である希釈ガスとが熱交換される。すなわち、温流体はリボイラ５内で凝縮し、その凝縮熱でオゾンと希釈ガスからなる塔底液を気化する。
塔底液は、ガス化して蒸留塔３に戻され、蒸留塔３内の上昇ガスとなる。また、リボイラ５から出た温流体は、少なくともその一部が液化した状態で液化貯留槽６に戻される。
【００３４】
また、液化貯留槽６の底部と蒸留塔３の塔底部とは配管１５で接続されており、配管１５にはバルブ９が設けられている。
蒸留の運転停止時には、バルブ９を操作することで、液化貯留槽６に常に貯留されている液化された希釈ガスと同成分の温流体を、蒸留塔３の塔底部にオゾンの希釈液として供給する。
【００３５】
リボイラ５内で温流体が液化する条件では、蒸留塔３の塔底部に溜った塔底液より、温流体の方が圧力が高くなければならない。したがって、液化貯留槽６と蒸留塔３を結ぶ配管１５のバルブ９を開くと、その圧力差により蒸留塔３内へ温流体（液化した希釈ガス）が流入する。よって、蒸留塔３への液化希釈ガスの供給には、必ずしも圧縮機を用いなくてよい。例えば、蒸留塔３内が大気圧の場合、温流体の圧力は３０ｋＰａＧ程度に設定されている。
【００３６】
また、蒸留塔３内には、液分配器や圧力発生用の液ヘッド部といった液が溜まる部分があるので、それより上部に温流体が導入されるように配管１５を接続することが好ましい。これにより、塔底液が局所的にオゾン濃度が高まるのを防止するように希釈させることができる。
【００３７】
緊急時や装置停止後は、オゾンが濃縮するのを防ぐために、塔底液を安全に排出する必要がある。排出するときの塔底液のオゾン濃度は低いほど安全性は高くなる。
従来は、運転停止時に、塔底液に新たに希釈ガス等を加えたりはしなかったので、塔底液中の希釈ガスが先に蒸発した場合、オゾン濃度は高まる一方であった。また、オゾン濃度が高まることを恐れて、当初から蒸留塔３に導入する希釈ガスの量を必要以上に多くすることもあったが、これでは濃縮効率が低下せざるを得なかった。
これに対し、本実施形態では、上記の方法を採用した結果、運転停止時に、装置内で最もオゾン濃度が高くなっている蒸留塔３の塔底部に、希釈ガスと同成分である温流体を導入することで、塔底液のオゾン濃度を低下させることができる。これにより、蒸留塔３からオゾン混合液を排出するためオゾン混合液を図示略の蒸発器で気化する際に、オゾンが危険な濃度まで濃縮することを避けることができる。また、蒸留の運転停止時に温流体を導入することでオゾン濃度を低下させるので、通常運転時に過度に希釈ガスを導入する必要がなく、濃縮効率が低下することはない。このため、オゾン濃度が濃縮するのを防ぎつつ、濃縮効率を維持した安全な運転が可能になる。
【００３８】
また、リボイラ５の温流体は、塔底液よりも圧力が高いので、特に圧縮機等を用いることなく、温流体を蒸留塔３内に導入することができる。また、オゾンは、蒸留塔３内においては液体中に濃縮されるので、液化した状態の希釈ガスを蒸留塔３内に入れることによって、塔内の液の分配部や圧力発生による液溜まりなどにおいて、部分的にオゾンが濃縮されることも防ぐことができる。
【００３９】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば上記実施形態では、サーモサイフォン式リボイラについて説明したが、これに限定されずサーモサイフォン式を採用しないのであれば、リボイラから光反応セルに直接オゾンと希釈ガスの混合ガスを導出しても構わない。
【００４０】
以下、具体例を示す。図１に示す構成の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置を用いて、蒸留の運転停止時の蒸留塔の塔底液に含まれるオゾン濃度を計算した。
原料酸素には、天然存在比（１６Ｏ＝９９．７５９％（原子％、以下同様）、１７Ｏ＝０．０３７％、１８Ｏ＝０．２０４％）のものを使用し、蒸留塔に導入する希釈ガスとして四フッ化炭素を用いた。また、リボイラの温流体も蒸留塔に導入する希釈ガスと同成分となるように、四フッ化炭素を用いた。
【００４１】
酸素導体重成分を含む酸素の濃縮方法は、実施形態の通り、原料酸素をオゾナイザに導入し、オゾナイザでオゾン化した後、四フッ化炭素が予め導入されている蒸留塔に導入した。その後、蒸留塔からオゾンと四フッ化炭素の混合ガスを導出し、光反応セルにおいてレーザ光を照射することで、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に分解し、反応後の混合ガスを蒸留塔に導入し、蒸留塔上部から製品酸素を取り出した。
【００４２】
このときガスの供給などが停止するような不具合が生じた場合、蒸留装置が停止し、塔内の液は塔底に滞留することになる。ここで、塔底の液体は装置への侵入熱により、少しずつ蒸発することになるが、オゾンより蒸発しやすい四フッ化炭素が先に蒸発し、液中にオゾンが濃縮していくため、運転中は安全な濃度に保たれていたオゾンが、自己分解するような高濃度になる可能性がある。このため、塔内の液を排出する必要があるが、このときも液体オゾンの混合液を蒸発器で蒸発することになるため、蒸発しにくいオゾンが濃縮し、爆発する危険が発生する。
【００４３】
これを防ぐため、リボイラの温流体として使用している四フッ化炭素を蒸留塔内に供給し、塔底液のオゾン濃度を低下させる。温流体の四フッ化炭素はオゾン混合液より圧力が高いので、バルブを開放するだけで塔へ液体を供給できる。塔底のガスオゾン濃度が１０％の場合は、塔底のオゾン駅の濃度が１５．６％であるので、安全な濃度（例えば、５％）となるように四フッ化炭素を供給する。この後、この混合液を排出すれば、蒸発器でのオゾン濃縮も防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置、２・・・オゾナイザ、３・・・蒸留塔、４・・・光反応セル、５・・・リボイラ、６・・・液化貯留層、７，９・・・バルブ、８・・・回収部、１０、１８・・・圧縮機、１１・・・第１配管、１２・・・第２配管、１３・・・第３配管、１４・・・第４配管、１５・・・第５配管、１６・・・コンデンサ、１７・・・レーザ装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置に関し、詳しくは、オゾンにレーザ光を照射し、天然存在比の小さな酸素同位体１７Ｏ、１８Ｏを選択的に分離する装置において、非常時に安全に液化オゾンを処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素同位体重成分である１７Ｏや１８Ｏは、成人病の診断等でトレーサーとして利用されている。酸素同位体重成分は自然界における存在比が極めて小さいので、例えば、以下のような手段で濃縮してから使用される。
【０００３】
酸素同位体重成分の濃縮方法には、酸素を分子状態で蒸留し、目的の酸素同位体を含む酸素を濃縮する方法がある（特許文献１参照）。この文献には、蒸留による同位体濃縮の効率を上げるため、蒸留に同位体スクランブリングを組み合わせる方法が記載されている。
【０００４】
この同位体スクランブリングを組み合わせる方法の応用として、例えば、特許文献２および特許文献３には、目的の同位体を含むオゾンの選択的分解による濃縮方法が開示されている。詳述すると、オゾナイザで発生させたオゾンにレーザ光を照射し、分子中に目的の酸素同位体重成分（１７Ｏもしくは１８Ｏ）を含むオゾンを、選択的に分解した後、生成した酸素を未分解のオゾンから分離し、蒸留によって、目的の酸素同位体を、酸素分子（１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１８Ｏ、１７Ｏ１７Ｏ、１７Ｏ１８Ｏ、１８Ｏ１８Ｏ）として濃縮する方法である。
【０００５】
特許文献４には、レーザ光の照射で酸素同位体を含む分子を、選択的に分解し濃縮を行う方法が開示されている。この方法は、図２に示すようにレーザ光を照射して選択的に分離する部分（たとえば光反応セル９１）以外に１つの分離手段（たとえば蒸留塔９２）を用いており、以下のような手順で、酸素同位体を濃縮する。
【０００６】
まず、オゾナイザ９３で原料酸素からオゾンを発生させる。これに希釈ガスを加えて蒸留塔９２において未反応の酸素を分離し、蒸留塔９２の下部から希釈ガスとオゾンの混合ガスを導出し、光反応セル９１にフィードする。
【０００７】
次に、光反応セル９１においてオゾンに特定の波長のレーザ光を照射し、目的の酸素同位体重成分を含むオゾンを光解離する。分解により得られた酸素同位体重成分を含む酸素、未反応のオゾン、希釈ガスの混合ガスを蒸留塔９２の中間部に戻し、蒸留塔９２の上部から、酸素同位体重成分が濃縮された製品酸素を取り出す。蒸留塔９２内に残ったオゾンは、オゾン分解装置９４に導入して、酸素に分解する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第００−２７５０９号パンフレット
【特許文献２】特開２００４−２６１７７６号公報
【特許文献３】特開２００５−４０６６８号公報
【特許文献４】特開２００８−８０２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、オゾンは高濃度に濃縮されると自己分解爆発を起こす可能性があることから、オゾンから製品酸素を分離する際に、蒸留塔の塔底にオゾンが高濃度に濃縮されないように希釈ガスが加えられている。したがって、装置の稼働中は塔底にオゾンと希釈ガスの混合液が常に存在することになる。
そして、塔底において局所的にオゾンが濃縮するのを防ぐ方法として、例えば塔底にサーモサイフォン式リボイラを設置し、撹拌する方法がある。
【００１０】
しかし、このような方法では、装置が停止した場合、圧力変動などの要因でオゾンよりも低沸点の希釈ガスが先に蒸発し、オゾンが濃縮する可能性がある。そのため、装置の運転終了後や緊急停止時には、塔底にオゾン混合液が長時間滞留しないように、塔底からオゾン混合液を排出するなどの対処が必要である。
【００１１】
しかしながら、排出の際には、蒸発器を通し気化させることになるが、このときもオゾンのほうが蒸発しにくいため、液中でのオゾンの濃縮が起きやすくなる。
【００１２】
このような濃縮の可能性を考慮すると、塔底にてオゾンが一定濃度を超えないよう、希釈マージンを大きめにとる必要があったが、マージンを大きくとると、濃縮効率を低下させることになり、不都合があった。
【００１３】
このような背景の下、希釈ガスを不必要に入れてオゾンの濃縮効率を低下させることなく、オゾンが高濃度に濃縮されないような酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法及び濃縮装置が要望されていたが、両立は困難であるとして、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法である。
【００１５】
請求項２に係る発明は、前記希釈ガスが、四フッ化炭素またはキセノンであることを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法である。
【００１６】
請求項３に係る発明は、酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法に用いられる装置であって、原料酸素をオゾン化するオゾナイザと、該オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを蒸留塔に導出する第１配管と、前記オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔と、該蒸留塔にオゾンを希釈するための希釈ガスを導入する第２配管と、前記蒸留塔の回収部からオゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する第３配管と、前記蒸留塔から導出した混合ガスに特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セルと、該光反応セルからの反応後の混合ガスを前記蒸留塔に戻す第４配管と、前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラと、該リボイラに供給する前記希釈ガスと同成分の温流体を貯留する液化貯留槽と、該液化貯留槽から蒸留塔へ前記温流体を導入する第５配管と、を有することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、希釈ガスを不必要に入れてオゾンの濃縮効率を低下させることなく、かつ、蒸留塔内でオゾンが高濃度に濃縮されことなく、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の濃縮装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】従来の濃縮装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態である酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置及び濃縮方法について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
＜酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置＞
本実施形態の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置１は、図１に示すように、原料酸素をオゾン化するオゾナイザ２と、オゾナイザ２で発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔３と、特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セル４と、蒸留塔３の塔底に設けられたリボイラ５と、リボイラ５に供給する温流体を貯留する液化貯留槽６と、を有した構成となっている。
【００２１】
蒸留塔３には、少なくとも、オゾナイザ２で発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを導入する配管１１（第１配管）と、オゾンを希釈するための希釈ガスを導入する配管１２（第２配管）と、オゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する配管１３（第３配管）と、光反応セルからの反応後の混合ガスを蒸留塔３に戻す配管１４（第４配管）と、液化貯留槽６から温流体を導入する配管１５（第５配管）と、が接続されている。
【００２２】
＜酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法＞
次に、本実施形態の濃縮装置を用いた酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法について説明する。本実施形態の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法は、原料酸素をオゾン化する工程と、発生したオゾンと未反応の酸素を分離する工程と、分離されたオゾンにレーザ光を照射し、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する工程と、発生した酸素と未分解のオゾンとを分離する工程と、から概略なる。
【００２３】
＜原料酸素をオゾン化する工程＞
原料酸素をオゾン化するにはオゾナイザ２を用いる。具体的には、圧縮機１８を用いて原料酸素をオゾナイザ２に導入し、オゾンを発生させる。この際、全ての原料酸素がオゾン化するわけではなく、一部のみがオゾン化するにとまる。
【００２４】
＜オゾンと未反応の酸素を分離する工程＞
発生したオゾンと未反応の酸素は、蒸留によって分離される。すなわち、オゾンと未反応の酸素の混合ガスは、配管１１を介して蒸留塔３に導入される。
なお、蒸留塔３には、予め配管１２を介して、オゾンを希釈するための希釈ガスが導入されている。
【００２５】
原料酸素は、不純物が０．１％以下の高純度酸素であることが望ましい。また、希釈ガスは、オゾンが高濃度に濃縮されることを防止する目的で混合するので、不活性な物質が好ましく、沸点がオゾンに近く、液化した際にオゾンと混合しやすい性質を有しているものが好ましい。例えば、四フッ化炭素（ＣＦ４）、キセノン、クリプトンなどが好適である。
【００２６】
蒸留塔３では、酸素が塔上部に濃縮され、オゾン及び希釈ガスが塔底部に濃縮される。塔底部において、オゾン及び希釈ガスが所定の濃度以上になったら、蒸留塔３からオゾンと希釈ガスの混合ガスを導出するとともに、配管１１に設けられたバルブ７を操作することで、オゾナイザ２から蒸留塔３への混合ガスの供給を停止する。
なお、本実施形態では、サーモサイフォン式リボイラ５を採用していることから、蒸留塔３の塔底部に回収部８（気液分離部）が設けられており、ここからオゾンと希釈ガスの混合ガスは導出される。
【００２７】
塔上部に濃縮された酸素は、系外に排出しても良いが、オゾナイザ２に循環させると収率が上がる。なお、塔上部に酸素が残留していると、後述する製品酸素が希釈されてしまうので、オゾナイザ２からの混合ガスの供給が停止されたら、可能な限り蒸留塔３から酸素を排出するのが好ましい。
【００２８】
＜酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する工程＞
蒸留塔３の回収部８から導出されたオゾンと希釈ガスの混合ガスは、配管１３を経由して光反応セル４に導入される。光反応セル４では、レーザ装置１７からの特定の波長のレーザ光を混合ガスに照射し、酸素同位体重成分を含むオゾン（例えば、１６Ｏ１６Ｏ１７Ｏ、１６Ｏ１６Ｏ１８Ｏなど）を選択的に分解する。これにより、光反応セル４中のガスは、オゾンの光分解で得られた酸素、未分解のオゾン、希釈ガスを含む混合ガスとなる。
【００２９】
光反応セル４では、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に分解しているため、得られた酸素は天然存在比より多くの酸素同位体重成分を含む。すなわち、酸素同位体重成分が酸素として濃縮された状態となる。
ただし、光解離により分解されたオゾンは、酸素同位体重成分（１７Ｏ、１８Ｏ）だけではなく１６Ｏも多く含んでいるので、混合ガス中には、酸素同位体重成分を含まない酸素（１６Ｏ１６Ｏ）も生じている。
【００３０】
＜発生した酸素と未分解のオゾンとを分離する工程＞
発生した酸素同位体重成分を多く含む酸素と、オゾンと、希釈ガスは、再度蒸留によって分離される。具体的には、光反応セル４から導出した混合ガスは、配管１４を介して蒸留塔３の中間部に戻され、分離される。
そして、塔上部からコンデンサ１６を介して、酸素同位体重成分が濃縮された酸素を製品として取り出す。なお、上述のように、蒸留塔３の塔上部には、予め酸素が残留していない状態にしているので、製品酸素は希釈されない。
【００３１】
ところで、蒸留塔３の塔底には、塔底液をガス化して蒸留塔３の上昇ガスを発生するためのリボイラ５が設置されている。本実施形態では、このリボイラ５の熱源となる温流体に、希釈ガスと同成分（例えばＣＦ４）の流体を用いる。
【００３２】
また、リボイラ５の温流体の循環経路には、液化貯留槽６が設けられており、この気相側から導出した温流体を圧縮機１０で圧縮した後に、液化貯留槽６を通し、液槽部分と熱交換して冷却して、リボイラ５に供給する。
【００３３】
リボイラ５では、冷流体である蒸留塔３の塔底部から導出した塔底液（オゾンと希釈ガスとの混合液）と、温流体である希釈ガスとが熱交換される。すなわち、温流体はリボイラ５内で凝縮し、その凝縮熱でオゾンと希釈ガスからなる塔底液を気化する。
塔底液は、ガス化して蒸留塔３に戻され、蒸留塔３内の上昇ガスとなる。また、リボイラ５から出た温流体は、少なくともその一部が液化した状態で液化貯留槽６に戻される。
【００３４】
また、液化貯留槽６の底部と蒸留塔３の塔底部とは配管１５で接続されており、配管１５にはバルブ９が設けられている。
蒸留の運転停止時には、バルブ９を操作することで、液化貯留槽６に常に貯留されている液化された希釈ガスと同成分の温流体を、蒸留塔３の塔底部にオゾンの希釈液として供給する。
【００３５】
リボイラ５内で温流体が液化する条件では、蒸留塔３の塔底部に溜った塔底液より、温流体の方が圧力が高くなければならない。したがって、液化貯留槽６と蒸留塔３を結ぶ配管１５のバルブ９を開くと、その圧力差により蒸留塔３内へ温流体（液化した希釈ガス）が流入する。よって、蒸留塔３への液化希釈ガスの供給には、必ずしも圧縮機を用いなくてよい。例えば、蒸留塔３内が大気圧の場合、温流体の圧力は３０ｋＰａＧ程度に設定されている。
【００３６】
また、蒸留塔３内には、液分配器や圧力発生用の液ヘッド部といった液が溜まる部分があるので、それより上部に温流体が導入されるように配管１５を接続することが好ましい。これにより、塔底液が局所的にオゾン濃度が高まるのを防止するように希釈させることができる。
【００３７】
緊急時や装置停止後は、オゾンが濃縮するのを防ぐために、塔底液を安全に排出する必要がある。排出するときの塔底液のオゾン濃度は低いほど安全性は高くなる。
従来は、運転停止時に、塔底液に新たに希釈ガス等を加えたりはしなかったので、塔底液中の希釈ガスが先に蒸発した場合、オゾン濃度は高まる一方であった。また、オゾン濃度が高まることを恐れて、当初から蒸留塔３に導入する希釈ガスの量を必要以上に多くすることもあったが、これでは濃縮効率が低下せざるを得なかった。
これに対し、本実施形態では、上記の方法を採用した結果、運転停止時に、装置内で最もオゾン濃度が高くなっている蒸留塔３の塔底部に、希釈ガスと同成分である温流体を導入することで、塔底液のオゾン濃度を低下させることができる。これにより、蒸留塔３からオゾン混合液を排出するためオゾン混合液を図示略の蒸発器で気化する際に、オゾンが危険な濃度まで濃縮することを避けることができる。また、蒸留の運転停止時に温流体を導入することでオゾン濃度を低下させるので、通常運転時に過度に希釈ガスを導入する必要がなく、濃縮効率が低下することはない。このため、オゾン濃度が濃縮するのを防ぎつつ、濃縮効率を維持した安全な運転が可能になる。
【００３８】
また、リボイラ５の温流体は、塔底液よりも圧力が高いので、特に圧縮機等を用いることなく、温流体を蒸留塔３内に導入することができる。また、オゾンは、蒸留塔３内においては液体中に濃縮されるので、液化した状態の希釈ガスを蒸留塔３内に入れることによって、塔内の液の分配部や圧力発生による液溜まりなどにおいて、部分的にオゾンが濃縮されることも防ぐことができる。
【００３９】
以上、本発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば上記実施形態では、サーモサイフォン式リボイラについて説明したが、これに限定されずサーモサイフォン式を採用しないのであれば、リボイラから光反応セルに直接オゾンと希釈ガスの混合ガスを導出しても構わない。
【００４０】
以下、具体例を示す。図１に示す構成の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置を用いて、蒸留の運転停止時の蒸留塔の塔底液に含まれるオゾン濃度を計算した。
原料酸素には、天然存在比（１６Ｏ＝９９．７５９％（原子％、以下同様）、１７Ｏ＝０．０３７％、１８Ｏ＝０．２０４％）のものを使用し、蒸留塔に導入する希釈ガスとして四フッ化炭素を用いた。また、リボイラの温流体も蒸留塔に導入する希釈ガスと同成分となるように、四フッ化炭素を用いた。
【００４１】
酸素導体重成分を含む酸素の濃縮方法は、実施形態の通り、原料酸素をオゾナイザに導入し、オゾナイザでオゾン化した後、四フッ化炭素が予め導入されている蒸留塔に導入した。その後、蒸留塔からオゾンと四フッ化炭素の混合ガスを導出し、光反応セルにおいてレーザ光を照射することで、酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に分解し、反応後の混合ガスを蒸留塔に導入し、蒸留塔上部から製品酸素を取り出した。
【００４２】
このときガスの供給などが停止するような不具合が生じた場合、蒸留装置が停止し、塔内の液は塔底に滞留することになる。ここで、塔底の液体は装置への侵入熱により、少しずつ蒸発することになるが、オゾンより蒸発しやすい四フッ化炭素が先に蒸発し、液中にオゾンが濃縮していくため、運転中は安全な濃度に保たれていたオゾンが、自己分解するような高濃度になる可能性がある。このため、塔内の液を排出する必要があるが、このときも液体オゾンの混合液を蒸発器で蒸発することになるため、蒸発しにくいオゾンが濃縮し、爆発する危険が発生する。
【００４３】
これを防ぐため、リボイラの温流体として使用している四フッ化炭素を蒸留塔内に供給し、塔底液のオゾン濃度を低下させる。温流体の四フッ化炭素はオゾン混合液より圧力が高いので、バルブを開放するだけで塔へ液体を供給できる。塔底のガスオゾン濃度が１０％の場合は、塔底のオゾン駅の濃度が１５．６％であるので、安全な濃度（例えば、５％）となるように四フッ化炭素を供給する。この後、この混合液を排出すれば、蒸発器でのオゾン濃縮も防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置、２・・・オゾナイザ、３・・・蒸留塔、４・・・光反応セル、５・・・リボイラ、６・・・液化貯留層、７，９・・・バルブ、８・・・回収部、１０、１８・・・圧縮機、１１・・・第１配管、１２・・・第２配管、１３・・・第３配管、１４・・・第４配管、１５・・・第５配管、１６・・・コンデンサ、１７・・・レーザ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、
蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、
前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、
蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法。
【請求項２】
前記希釈ガスが、四フッ化炭素またはキセノンであることを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法。
【請求項３】
酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法に用いられる装置であって、
原料酸素をオゾン化するオゾナイザと、
該オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを蒸留塔に導出する第１配管と、
前記オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔と、
該蒸留塔にオゾンを希釈するための希釈ガスを導入する第２配管と、
前記蒸留塔の回収部からオゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する第３配管と、
前記蒸留塔から導出した混合ガスに特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セルと、
該光反応セルからの反応後の混合ガスを前記蒸留塔に戻す第４配管と、
前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラと、
該リボイラに供給する前記希釈ガスと同成分の温流体を貯留する液化貯留槽と、
該液化貯留槽から蒸留塔へ前記温流体を導入する第５配管と、を有することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置。
【請求項１】
特定の波長のレーザ光を照射することで酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解することにより、酸素同位体重成分を含む酸素を濃縮する方法であって、
蒸留塔にオゾンの濃縮を防止するための希釈ガスを導入するとともに、
前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラの温流体として、前記希釈ガスと同成分の流体を用い、
蒸留の運転停止時に、液化された前記温流体を、前記蒸留塔の塔底部にオゾンの希釈液として供給することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法。
【請求項２】
前記希釈ガスが、四フッ化炭素またはキセノンであることを特徴とする請求項１に記載の酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法。
【請求項３】
酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮方法に用いられる装置であって、
原料酸素をオゾン化するオゾナイザと、
該オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素との混合ガスを蒸留塔に導出する第１配管と、
前記オゾナイザで発生したオゾンと未反応の酸素とを分離する蒸留塔と、
該蒸留塔にオゾンを希釈するための希釈ガスを導入する第２配管と、
前記蒸留塔の回収部からオゾンと希釈ガスとの混合ガスを光反応セルに導出する第３配管と、
前記蒸留塔から導出した混合ガスに特定の波長のレーザ光を照射して酸素同位体重成分を含むオゾンを選択的に酸素に分解する光反応セルと、
該光反応セルからの反応後の混合ガスを前記蒸留塔に戻す第４配管と、
前記蒸留塔の塔底に設けられたリボイラと、
該リボイラに供給する前記希釈ガスと同成分の温流体を貯留する液化貯留槽と、
該液化貯留槽から蒸留塔へ前記温流体を導入する第５配管と、を有することを特徴とする酸素同位体重成分を含む酸素の濃縮装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１６１３８３（Ｐ２０１１−１６１３８３Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７８３７（Ｐ２０１０−２７８３７）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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