JP5620705B2 - Oxygen isotope enrichment method and oxygen isotope enrichment apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、酸素同位体の濃縮方法および酸素同位体の濃縮装置に関するものである。   The present invention relates to an oxygen isotope enrichment method and an oxygen isotope enrichment apparatus.

一般に、酸素同位体を濃縮する方法として光化学反応(以下、光反応)を利用した方法が知られている。
例えば、特許文献1および特許文献2には、オゾン中に含まれる特定の酸素同位体を含むオゾンのアイソトポローグ(isotopologue)の吸収線にレーザを光照射し、所望の酸素同位体(17Oまたは18O)を含むオゾンを選択的に分解することで、酸素同位体を濃縮する方法が開示されている。この光反応は、分子同士の衝突によるエネルギー散逸による非選択的なオゾン分解を避けるため、減圧状態で実施される。
In general, as a method for concentrating oxygen isotopes, a method utilizing a photochemical reaction (hereinafter, photoreaction) is known.
For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2, a laser is irradiated to an absorption line of ozone isotopologue containing a specific oxygen isotope contained in ozone, and a desired oxygen isotope ( 17 O Alternatively, a method for concentrating oxygen isotopes by selectively decomposing ozone containing 18 O) is disclosed. This photoreaction is performed under reduced pressure to avoid non-selective ozonolysis due to energy dissipation due to collisions between molecules.

ところで、このような光反応によってオゾンを分解して精製した酸素分子を、未反応のオゾンから分離するためには、オゾンと酸素の混合ガスを、光反応を行う装置(光反応セル)から、蒸留塔などの分離装置へ移送する必要がある。   By the way, in order to separate the oxygen molecules purified by decomposing ozone by such a photoreaction from unreacted ozone, a mixed gas of ozone and oxygen is taken from an apparatus (photoreaction cell) that performs photoreaction, It is necessary to transfer to a separation device such as a distillation column.

一般的には、移送方法として、(1)圧縮機などを用いた昇圧による移送方法、(2)後段の圧力条件を光反応セルより低圧とした圧力差による移送方法、(3)希釈ガスで光反応生成ガスを昇圧して押し出す移送方法(特許文献3参照)、(4)光反応生成ガスをコンデンサで液化し、液ヘッド(液頭圧)により昇圧して移送する方法(特許文献4参照)が知られている。   Generally, as a transfer method, (1) a transfer method by pressure increase using a compressor or the like, (2) a transfer method by a pressure difference in which the pressure condition of the latter stage is lower than that of the photoreaction cell, and (3) a dilution gas (4) A method of transferring the photoreaction product gas by liquefying it with a condenser and pressurizing it with a liquid head (liquid head pressure) )It has been known.

特開2004−261776号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-261776 特開2006−272090号公報JP 2006-272090 A 特開2008−73656号公報JP 2008-73656 A 特開2008−80200号公報JP 2008-80200 A

しかしながら、蒸留塔などの分離装置への移送方法として上記(1)の方法を採用すると、オゾンが熱に対して不安定な物質であるため、圧縮熱によりオゾンが分解される恐れがある。その結果、不特定のオゾンが分解されて酸素になり、光反応にて選択的に生成された所望の酸素同位体を含む酸素を希釈することとなり、十分に濃縮することができなくなるという不都合がある。   However, when the method (1) is adopted as a transfer method to a separation apparatus such as a distillation column, ozone is a substance unstable to heat, and therefore ozone may be decomposed by compression heat. As a result, unspecified ozone is decomposed into oxygen, and oxygen containing a desired oxygen isotope selectively generated by a photoreaction is diluted, so that it cannot be sufficiently concentrated. is there.

また、上記(2)の方法を採用すると、後段の装置(たとえば蒸留塔)を光反応装置よりも低圧にする必要があるため、装置の運転条件が著しく制限されるという問題がある。   Further, when the method (2) is employed, there is a problem that the operating conditions of the apparatus are remarkably limited because the latter apparatus (for example, the distillation column) needs to be at a lower pressure than the photoreaction apparatus.

また、上記(3)の方法は、光反応完了後に押し出しによって移送を行うのでバッチ操作となる。その結果、連続的に製品を得たい場合には、複数本の光反応セルを用意して、時間差で蒸留塔などの分離装置に供給することが必要になるが、これでは装置コストが嵩むという不都合がある。   The method (3) is a batch operation because the transfer is performed by extrusion after completion of the photoreaction. As a result, when it is desired to obtain products continuously, it is necessary to prepare a plurality of photoreaction cells and supply them to a separation device such as a distillation tower with a time difference, but this increases the device cost. There is an inconvenience.

また、上記(4)の方法は、蒸留塔内にて蒸留成分自身の液ヘッドによる差圧を生じさせて、外部の光反応セルにガスを送る方法である。したがって、この方法でもバッチ運転にのみ適用されることとなり、連続的に製品を得ることができないという問題がある。   The method (4) is a method in which a differential pressure is generated by the liquid head of the distillation component itself in the distillation column, and the gas is sent to an external photoreaction cell. Therefore, this method is also applied only to batch operation, and there is a problem that a product cannot be obtained continuously.

このような背景の下、レーザによる光反応を利用して、連続的に製品を得ることができ、光反応セルから後段の分離装置に送ガスする際に支障が生じない酸素同位体の濃縮方法および酸素同位体の濃縮装置が要望されていたが、有効適切なものが提供されていないのが実情であった。   Under such a background, a method for concentrating oxygen isotopes, in which a product can be continuously obtained by utilizing a photoreaction by a laser and does not cause any trouble when gas is sent from a photoreaction cell to a subsequent separation apparatus. However, there has been a demand for a device for concentrating oxygen and oxygen isotopes, but the actual situation is that an effective and appropriate device has not been provided.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、酸素同位体の濃縮方法であって、原料酸素の一部をオゾン化し、酸素とオゾンが混合された第1混合流体を得るオゾン化工程と、前記第1混合流体と希釈物質を第1蒸留塔に導入して蒸留し、オゾンと前記希釈物質が混合された第2混合流体と、酸素と、に分離する第1蒸留工程と、前記第2混合流体にレーザを照射し、酸素同位体を含むオゾンを選択的に分解し、酸素同位体を含む酸素を発生させ、酸素とオゾンと前記希釈物質が混合された第3混合流体を得る光分解工程と、前記第3混合流体を液溜め部に導入する液溜め部導入工程と、前記液溜め部によって得られる液ヘッド圧によって、前記第3混合流体を第2蒸留塔に導出して蒸留し、オゾンと前記希釈物質からなる第4混合流体と、酸素同位体重成分が濃縮された製品酸素と、に分離する第2蒸留工程と、前記第4混合流体中のオゾンを分解するオゾン分解工程と、オゾンが分解された前記第4混合流体から、前記希釈物質を回収する希釈物質回収工程と、を有することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法である。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is an oxygen isotope enrichment method, wherein an ozonization step is performed in which a part of raw material oxygen is ozonized to obtain a first mixed fluid in which oxygen and ozone are mixed. A first distillation step in which the first mixed fluid and the diluted substance are introduced into a first distillation column and distilled to separate into a second mixed fluid in which ozone and the diluted substance are mixed, and oxygen; The second mixed fluid is irradiated with a laser to selectively decompose ozone containing an oxygen isotope and generate oxygen containing an oxygen isotope to obtain a third mixed fluid in which oxygen, ozone and the diluted substance are mixed. The third mixed fluid is led to the second distillation column by a photolysis step, a liquid reservoir introducing step for introducing the third mixed fluid into the liquid reservoir , and a liquid head pressure obtained by the liquid reservoir. A fourth mixed fluid which is distilled and consists of ozone and the diluted substance From the second distillation step for separating into product oxygen enriched with oxygen isotopic components, the ozone decomposition step for decomposing ozone in the fourth mixed fluid, and the fourth mixed fluid from which ozone has been decomposed, And a dilute substance recovery step of recovering the dilute substance.

請求項2に係る発明は、前記希釈物質回収工程によって回収された前記希釈物質を前記液溜め部に導入する希釈物質導入工程を有することを特徴とする請求項1に記載の酸素同位体の濃縮方法である。 The invention according to claim 2 has a diluted substance introduction step of introducing the diluted substance recovered by the diluted substance recovery step into the liquid reservoir , wherein oxygen isotope enrichment according to claim 1 is provided. Is the method.

請求項3に係る発明は、前記希釈物質が、クリプトン、キセノン、ラドン、または四フッ化炭素であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の酸素同位体の濃縮方法である。   The invention according to claim 3 is the oxygen isotope enrichment method according to claim 1 or 2, wherein the diluted substance is krypton, xenon, radon, or carbon tetrafluoride.

請求項4に係る発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法を実施するための装置であって、原料酸素の一部をオゾン化させるオゾナイザと、前記第1蒸留工程を実施する前記第1蒸留塔と、酸素同位体を含むオゾンを選択的に分解する光反応セルと、前記第3混合流体が導入される前記液溜め部と、前記第2蒸留工程を実施する前記第2蒸留塔と、オゾンを分解するオゾン分解装置と、前記希釈物質回収工程を実施する第3蒸留塔と、を有することを特徴とする酸素同位体の濃縮装置である。 The invention according to claim 4 is an apparatus for carrying out the oxygen isotope enrichment method according to any one of claims 1 to 3, comprising an ozonizer that ozonizes a part of raw material oxygen; The first distillation column for performing the first distillation step, a photoreaction cell for selectively decomposing ozone containing oxygen isotopes, the liquid reservoir into which the third mixed fluid is introduced, and the first An oxygen isotope concentrator comprising: the second distillation column that performs two distillation steps; an ozonolysis device that decomposes ozone; and a third distillation column that performs the diluted substance recovery step. is there.

本発明により、装置の運転条件が著しく制限されることなく、レーザによる光反応を利用して、連続的に酸素同位体を十分に濃縮することができる。   According to the present invention, oxygen isotopes can be sufficiently concentrated continuously by utilizing a photoreaction by a laser without significantly limiting the operating conditions of the apparatus.

本発明の濃縮装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the concentration apparatus of this invention.

以下、本発明を適用した酸素同位体の濃縮方法および酸素同位体の濃縮装置について図面を用いて詳細に説明する。
本実施形態の酸素同位体の濃縮方法は、オゾン化工程と、第1蒸留工程と、光分解工程と、液浸部導入工程(液溜め部導入工程)と、第2蒸留工程と、オゾン分解工程と、希釈物質回収工程と、を有した構成となっている。
Hereinafter, an oxygen isotope enrichment method and an oxygen isotope enrichment apparatus to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
The oxygen isotope enrichment method of the present embodiment includes an ozonization step, a first distillation step, a photolysis step, a liquid immersion portion introduction step (a liquid reservoir introduction step) , a second distillation step, and an ozonolysis. It has a configuration including a process and a diluted substance recovery process.

<オゾン化工程>
まず、図1に示すように、原料酸素をオゾナイザ1に導入して原料酸素の一部をオゾン化させる。オゾナイザ1は、オゾンを発生させることができるものであれば、どのようなものを用いてもよく、公知のもので構わない。
このオゾン化工程によって、オゾナイザ1から導出される第1混合流体は、酸素とオゾンが混合された流体となる。
<Ozonization process>
First, as shown in FIG. 1, raw material oxygen is introduced into the ozonizer 1 to partially ozonize the raw material oxygen. Any ozonizer 1 may be used as long as it can generate ozone, and any known one may be used.
By this ozonization process, the first mixed fluid derived from the ozonizer 1 becomes a fluid in which oxygen and ozone are mixed.

<第1蒸留工程>
次に、第1蒸留塔2の中間部に第1混合流体を導入するとともに、バルブ3を操作して、希釈物質を導入して蒸留する。この蒸留により、第1蒸留塔2の塔頂からは不要な酸素が排出され、塔底からは濃縮されたオゾンと希釈物質が混合された第2混合流体が導出される。なお、希釈物質の導入位置は、第1混合流体の導入部より、上方、下方のどちらでもよい。また、第1混合流体と混合して導入することも可能である。
第1蒸留塔2の塔頂から導出された酸素の一部は、第1コンデンサ4に導入されて液化し、第1還流液となって第1蒸留塔2の塔頂に導入される。また、塔底から導出された第2混合流体の一部は、第1リボイラ5に導入されて気化し、第1上昇ガスとして第1蒸留塔2に導入される。
<First distillation step>
Next, the first mixed fluid is introduced into the middle part of the first distillation column 2 and the valve 3 is operated to introduce the diluting substance and perform distillation. By this distillation, unnecessary oxygen is discharged from the top of the first distillation column 2, and a second mixed fluid in which concentrated ozone and a diluted substance are mixed is led out from the bottom of the column. In addition, the introduction position of the diluted substance may be either above or below the introduction part of the first mixed fluid. It is also possible to introduce a mixture with the first mixed fluid.
A part of oxygen derived from the top of the first distillation column 2 is introduced into the first condenser 4 and liquefied, and is introduced into the top of the first distillation column 2 as a first reflux liquid. Further, a part of the second mixed fluid led out from the bottom of the column is introduced into the first reboiler 5 and vaporized, and is introduced into the first distillation column 2 as the first rising gas.

希釈物質は、酸素と分離されたオゾンが、高濃度に濃縮されることで自己分解を起すことを防ぐ目的で導入される。したがって、希釈物質には、オゾンと混合した際にオゾンの爆発下限界を上昇させる性質を有するものを用いるのが好ましく、例えばクリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ラドン(Rn)などの希ガス、またはトリフルオロメタン(CHF)、四フッ化炭素(CF)を用いることが好ましい。 The diluted substance is introduced for the purpose of preventing the ozone separated from the oxygen from being self-decomposed by being concentrated to a high concentration. Therefore, it is preferable to use a substance having the property of increasing the lower explosion limit of ozone when mixed with ozone. For example, a rare gas such as krypton (Kr), xenon (Xe), or radon (Rn) is used. Or trifluoromethane (CHF 3 ) or carbon tetrafluoride (CF 4 ) is preferably used.

<光分解工程>
次に、バルブ6を操作して、第1蒸留塔2の塔底から導出された第2混合流体の残部を光反応セル7に導入する。光反応セル7では、レーザ装置(図示略)によってレーザを光照射し、目的の同位体を酸素分子として濃縮する。
<Photolysis process>
Next, the valve 6 is operated to introduce the remainder of the second mixed fluid derived from the bottom of the first distillation column 2 into the photoreaction cell 7. In the photoreaction cell 7, the laser is irradiated with a laser device (not shown), and the target isotope is concentrated as oxygen molecules.

ここで、オゾンのアイソトポローグ(同位体を含む分子種)には、酸素同位体の種類及びその組み合わせから、161616O、161617O、161716O、161618O、161816O、161717O、171617O、161718O、171618O、161817O、171717O、161818O、181618O、171718O、171817O、171818O、181718O、181818Oの18種類が存在する。 Here, ozone isotopologue (molecular species including isotopes) includes 16 O 16 O 16 O, 16 O 16 O 17 O, 16 O 17 O 16 O, and a combination of oxygen isotopes and combinations thereof. 16 O 16 O 18 O, 16 O 18 O 16 O, 16 O 17 O 17 O, 17 O 16 O 17 O, 16 O 17 O 18 O, 17 O 16 O 18 O, 16 O 18 O 17 O, 17 O 17 O 17 O, 16 O 18 O 18 O, 18 O 16 O 18 O, 17 O 17 O 18 O, 17 O 18 O 17 O, 17 O 18 O 18 O, 18 O 17 O 18 O, 18 O There are 18 types of 18 O 18 O.

そして、これらのオゾンのアイソトポローグのうち、濃縮したい酸素同位体(例えば18O)を含むアイソトポローグの持つ吸収線に対してレーザを光照射することにより、特定のアイソトポローグのオゾン(例えば、161618O、161718O、161818Oなど)を酸素ガスへと分解する。 Of these isotopologues of ozone, laser light is irradiated to the absorption line of the isotopologue containing the oxygen isotope (for example, 18 O) to be enriched, so that the ozone of a specific isotopologue ( For example, 16 O 16 O 18 O, 16 O 17 O 18 O, 16 O 18 O 18 O, etc.) are decomposed into oxygen gas.

このオゾンのアイソトポローグの分解には、圧力、温度条件が大きく影響し、圧力が上昇すると、圧力広がりと呼ばれる吸収線の波長幅の広がりが生じ、各アイソトポローグ同士の光吸収線が重なり、選択的に分解することができなくなるという問題がある。
そこで、この吸収線広がりを抑制するため、光反応セルにおけるオゾンの分解は、減圧および低温下で行われる。例えば、光反応セルの圧力、温度条件を10kPa以下、100K以上、250K以下などにすることが好ましい。
以上のように目的のオゾンを分解することで、光反応セル7から導出される流体は、少量の酸素とオゾンと希釈物質が混合された第3混合流体となる。
The decomposition of this ozone isotopologue is greatly affected by pressure and temperature conditions. When the pressure rises, the wavelength width of the absorption line broadens, called pressure broadening, and the light absorption lines between the isotopologues overlap. There is a problem that it cannot be selectively decomposed.
Therefore, in order to suppress this broadening of the absorption line, the decomposition of ozone in the photoreaction cell is performed under reduced pressure and low temperature. For example, the pressure and temperature conditions of the photoreaction cell are preferably 10 kPa or less, 100 K or more, 250 K or less.
By decomposing the target ozone as described above, the fluid derived from the photoreaction cell 7 becomes a third mixed fluid in which a small amount of oxygen, ozone, and a diluted substance are mixed.

<液浸部導入工程(液溜め部導入工程)
次に、バルブ8を操作して、光反応セル7から導出された第3混合流体は、第2コンデンサ9により液化され、直下の液浸部(液溜め部)10に滴下される。なお、液浸部10には、装置の立ち上げ時間を短縮する目的から、装置の立ち上げ段階ですでに一定の液面高さが保たれるように希釈物質が充填されていることが好ましい。
また、装置の運転時においては、液浸部10には、後述するように第3蒸留塔25から回収された希釈物質が導入される。
<Immersion part introduction process (liquid reservoir introduction process) >
Next, by operating the valve 8, the third mixed fluid led out from the photoreaction cell 7 is liquefied by the second condenser 9 and dropped into the liquid immersion part (liquid reservoir part) 10 immediately below. In addition, for the purpose of shortening the apparatus startup time, it is preferable that the liquid immersion unit 10 is filled with a diluting substance so as to maintain a constant liquid level height at the apparatus startup stage. .
Further, during the operation of the apparatus, the diluted substance recovered from the third distillation column 25 is introduced into the liquid immersion unit 10 as described later.

<第2蒸留工程>
次に、液浸部10の塔底から導出した第3混合流体と希釈物質は、第2蒸留塔21に導入され、蒸留される。この蒸留により、第2蒸留塔21の塔頂からは目的となる酸素同位体が濃縮された製品酸素が導出され、塔底からは、オゾンと希釈物質とからなる第4混合流体が導出される。
第2蒸留塔21の塔頂から導出された製品酸素の多くは、製品として回収されるが、一部は、第3コンデンサ22に導入されて液化し、第2還流液として第2蒸留塔21の塔頂に導入される。また、塔底から導出された第4混合流体の一部は、第2リボイラ23に導入されて気化し、第2上昇ガスとして第2蒸留塔21に導入される。
<Second distillation step>
Next, the third mixed fluid and the diluted substance led out from the tower bottom of the liquid immersion unit 10 are introduced into the second distillation tower 21 and distilled. By this distillation, product oxygen enriched with the target oxygen isotope is derived from the top of the second distillation column 21, and a fourth mixed fluid composed of ozone and a diluting substance is derived from the bottom of the column. .
Most of the product oxygen derived from the top of the second distillation column 21 is recovered as a product, but a part is introduced into the third condenser 22 to be liquefied, and the second distillation column 21 is used as the second reflux liquid. It is introduced at the top of the tower. In addition, a part of the fourth mixed fluid led out from the tower bottom is introduced into the second reboiler 23 and vaporized, and is introduced into the second distillation tower 21 as the second rising gas.

<オゾン分解工程>
次に、第2蒸留塔21の塔底から導出された第4混合流体の残部は、オゾン分解触媒24に流通させられ、オゾンは完全に分解される。これにより、オゾン分解後の第4混合流体には、酸素と希釈物質のみが含まれることとなる。
<Ozone decomposition process>
Next, the remainder of the fourth mixed fluid led out from the bottom of the second distillation column 21 is passed through the ozone decomposition catalyst 24, and ozone is completely decomposed. Thereby, only the oxygen and the diluted substance are included in the fourth mixed fluid after the ozonolysis.

<希釈物質回収工程>
次に、オゾン分解後の酸素と希釈物質とのみからなる第4混合流体を、第3蒸留塔25に導入する。第3蒸留塔25の塔頂からは低沸点成分である同位体濃度が低下した酸素が排気ガスとして導出される。第3蒸留塔25の塔頂から導出された排気ガスの一部は、第4コンデンサ26に導入されて液化し、第3還流液として第3蒸留塔25の塔頂に導入される。また、塔底から導出された希釈物質の一部は、第3リボイラ27に導入されて気化し、第3上昇ガスとして第3蒸留塔25に導入される。
また、第3蒸留塔25の塔底から導出された希釈物質の残部は、第1蒸留塔2および液浸部10に循環する。具体的には、第3蒸留塔の塔底から導出された希釈物質は、ポンプ28により昇圧し、バルブ3を操作することで第1蒸留塔2に、バルブ29を操作することで液浸部10に導入する。
<Diluted substance recovery process>
Next, a fourth mixed fluid consisting only of oxygen and diluted substances after ozonolysis is introduced into the third distillation column 25. From the top of the third distillation column 25, oxygen having a reduced isotope concentration, which is a low boiling point component, is led out as exhaust gas. A part of the exhaust gas led out from the top of the third distillation column 25 is introduced into the fourth condenser 26 and liquefied, and is introduced into the top of the third distillation column 25 as a third reflux liquid. A part of the diluted substance led out from the bottom of the column is introduced into the third reboiler 27 and vaporized, and is introduced into the third distillation column 25 as a third rising gas.
Further, the remainder of the diluted substance derived from the bottom of the third distillation column 25 is circulated to the first distillation column 2 and the liquid immersion unit 10. Specifically, the diluted substance derived from the bottom of the third distillation column is pressurized by the pump 28 and the valve 3 is operated to operate the valve 29 and the valve 29 to operate the liquid immersion unit. 10 is introduced.

本実施形態では、光反応によってオゾンが分解して精製された、目的の酸素同位体を含む酸素分子が混合された第3混合流体を、第2蒸留塔21とは別に設けた液浸部10に滴下して導入している。そして、この液浸部10の液ヘッドを用いて、第3混合流体を第2蒸留塔21に導入している。すなわち、本実施形態では、目的の同位体の酸素分子を、未反応のオゾンから分解するために第2蒸留塔21に移送する際に、圧縮機などを用いることなく移送することができる。
また、第2蒸留塔21の運転条件を光反応セル7より低圧にするなどということもなく、運転条件の制約もない。
また、第2蒸留塔21とは別に設けられた液浸部10の液ヘッドを用いて導入しているので、連続的な製品を精製することもできる。
In the present embodiment, the liquid immersion unit 10 provided separately from the second distillation column 21 with the third mixed fluid mixed with oxygen molecules containing the target oxygen isotope purified by decomposing ozone by photoreaction. It is dripped and introduced. Then, the third mixed fluid is introduced into the second distillation column 21 using the liquid head of the liquid immersion unit 10. That is, in the present embodiment, oxygen molecules of the target isotope can be transferred without using a compressor or the like when transferring to the second distillation column 21 to decompose from unreacted ozone.
In addition, the operating conditions of the second distillation column 21 are not made lower than those of the photoreaction cell 7, and there are no restrictions on the operating conditions.
Moreover, since it introduce | transduces using the liquid head of the immersion part 10 provided separately from the 2nd distillation column 21, a continuous product can also be refine | purified.

また、本実施形態では、液浸部10には第3混合流体のみならず、希釈物質も導入されている。これにより、光反応セル7から導出される第3混合流体の流量が少量であっても、液浸部10に希釈物質を導入することで所望の液ヘッドを得ることができるので、装置の立ち上げ時間を短縮することもできる。   In the present embodiment, not only the third mixed fluid but also a diluted substance is introduced into the liquid immersion unit 10. As a result, even if the flow rate of the third mixed fluid derived from the photoreaction cell 7 is small, a desired liquid head can be obtained by introducing the diluted substance into the liquid immersion unit 10, so that the apparatus can be The raising time can also be shortened.

以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが、本発明は下記実施例に何ら制限されるものではない。
本実施例では、図1に示した酸素同位体の濃縮装置を用いて、製品酸素を製造するシミュレーションを行っており、以下では、特に、液浸部で所望の液ヘッドを得るために必要な液面高さを中心に検討する。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in more detail, this invention is not restrict | limited to the following Example at all.
In this embodiment, a simulation for producing product oxygen is performed using the oxygen isotope concentrator shown in FIG. 1. In the following, it is necessary to obtain a desired liquid head particularly in the liquid immersion portion. Consider the liquid level.

まず、原料酸素をオゾナイザに導入して原料酸素の一部をオゾン化させる。その後、希釈物質であるCFとともに第1蒸留塔に導入し、第1蒸留塔の塔底からCFとオゾンの混合流体を得る。
その後、この混合流体を光反応セルに導入して、目的の酸素同位体(本実施例では17O)を含む同位体オゾン(161617O)のみを分解する。このオゾンの分解の際には、下記式(1)に示す反応が起きている。
First, raw material oxygen is introduced into an ozonizer so that a part of the raw material oxygen is ozonized. Thereafter, CF 4 which is a diluted substance is introduced into the first distillation column, and a mixed fluid of CF 4 and ozone is obtained from the bottom of the first distillation column.
Then, by introducing the mixed fluid into the photoreaction cell, decomposing only isotopic ozone (16 O 16 O 17 O) comprising (in 17 O in this example) an oxygen isotope of interest. During the decomposition of ozone, a reaction represented by the following formula (1) occurs.

Figure 0005620705
Figure 0005620705

光反応セルの圧力・温度条件は、オゾンの非選択的分解を抑制するために、低温・減圧条件とし、具体的には、10kPa、−100℃の条件とする。
なお、第1蒸留塔は、ガス輸送の際に配管圧力損失が生じることを加味し、光反応セルと同じ、またはやや高い圧力で運転する。
The pressure and temperature conditions of the photoreaction cell are low temperature and reduced pressure conditions to suppress non-selective decomposition of ozone, specifically, 10 kPa and −100 ° C.
Note that the first distillation column is operated at the same or slightly higher pressure as the photoreaction cell, taking into account that pipe pressure loss occurs during gas transportation.

また、第2蒸留塔は、圧力140kPaの条件で運転する。このように大気圧以上に設定することにより、第2蒸留塔から製品酸素を抜き出す際に、圧縮機などの動力を使用する必要がなくなる。   The second distillation column is operated under a pressure of 140 kPa. By setting the atmospheric pressure or higher in this way, it is not necessary to use power such as a compressor when extracting product oxygen from the second distillation column.

また、光反応セルから第2蒸留塔に導出される第3混合流体の流量は、第2蒸留塔と光反応セルにおける酸素の物質収支から算出することができる。すなわち、光反応セルから導出される酸素量と第2蒸留塔の塔頂から導出される酸素量との間には下記式(2)に示す関係がある。   The flow rate of the third mixed fluid led out from the photoreaction cell to the second distillation column can be calculated from the mass balance of oxygen in the second distillation column and the photoreaction cell. That is, there is a relationship represented by the following formula (2) between the amount of oxygen derived from the photoreaction cell and the amount of oxygen derived from the top of the second distillation column.

Figure 0005620705
Figure 0005620705

ここで、光反応セル導出流体中の酸素体積比をXO2,2、光反応セル導出流体の総量をQ、第2蒸留塔塔頂導出流体中の酸素体積比をXO2,3、第2蒸留塔塔頂導出流体の総量をQとして、式(2)を書き換えると、下記式(3)となる。なお、Xi,jやQにおける添字iは物質名で、jはプロセス上の位置であり、j=1は、光反応セル導入時点を、j=2は、光反応セル導出時点を、j=3は、第2蒸留塔塔頂導出時点を指している。 Here, the oxygen volume ratio in the photoreaction cell discharge fluid is X O2,2 , the total amount of the photoreaction cell discharge fluid is Q 2 , the oxygen volume ratio in the second distillation column top discharge fluid is X O2,3 , Rewriting equation (2) with Q 3 as the total amount of fluid derived from the top of the two distillation towers, the following equation (3) is obtained. Note that the subscript i in X i, j and Q j is the substance name, j is the position on the process, j = 1 is the time when the photoreaction cell is introduced, j = 2 is the time when the photoreaction cell is derived, j = 3 indicates the time when the second distillation column top is derived.

Figure 0005620705
Figure 0005620705

仮に、本装置で酸素同位体17Oを10atom%含む、H 17Oを年間5kg生産するとした場合、第2蒸留塔の塔頂から導出される製品酸素の体積流量XO2,3・Qは、0.0056L/min(0℃、1atm)となる。
なお、酸素中の酸素同位体17O濃度は、製品酸素の生産量とは無関係であり、光反応過程におけるオゾンアイソトポローグの選択性に依存する。
If it is assumed that 5 kg of H 2 17 O containing 10 atom% of the oxygen isotope 17 O is produced annually in this apparatus, the volume flow rate X O2,3 · Q 3 of product oxygen derived from the top of the second distillation column Is 0.0056 L / min (0 ° C., 1 atm).
The oxygen isotope 17 O concentration in oxygen is independent of the production amount of product oxygen, and depends on the selectivity of ozone isotopologue in the photoreaction process.

また、光反応セル内におけるオゾン濃度は高ければ高いほど望ましいが、その分安全上の取扱いが難しくなる。ここでは、光反応セル導入流体中のオゾン濃度XO3,1= 0.15、光反応セル導入流体中の希釈物質濃度XCF4,1=0.85とする。
このときの光反応セル導入口における全オゾンに対する特定オゾンアイソトポローグの濃度比Yを算出する。
Further, the higher the ozone concentration in the photoreaction cell, the better, but the handling in safety becomes difficult accordingly. Here, it is assumed that the ozone concentration X O3,1 = 0.15 in the photoreaction cell introduction fluid and the diluted substance concentration XCF4,1 = 0.85 in the photoreaction cell introduction fluid.
At this time, the concentration ratio Y of the specific ozone isotopologue to the total ozone at the photoreaction cell inlet is calculated.

まず原料酸素として、同位体組成比が表1の純酸素ガスを使用する。これをオゾナイザに流通させ、オゾンを発生させる。このときオゾン生成時の同位体効果はほぼ無視できるものとする。すなわちアイソトポローグ161617Oのオゾン中の存在比は、分解された各酸素原子が結合する確率を算出すればよく、表2の通りになる。Y667をオゾン中の161617Oの存在比とすると、Y667=0.014である。 First, pure oxygen gas having an isotope composition ratio of Table 1 is used as raw material oxygen. This is distributed to an ozonizer to generate ozone. At this time, it is assumed that the isotope effect during ozone generation is almost negligible. That is, the abundance ratio of isotopologue 16 O 16 O 17 O in ozone may be calculated as the probability that each decomposed oxygen atom is bonded, as shown in Table 2. When Y 667 is the abundance ratio of 16 O 16 O 17 O in ozone, Y 667 = 0.014.

Figure 0005620705
Figure 0005620705

Figure 0005620705
Figure 0005620705

161617Oのレーザによる分解反応の分解率は、光反応セル7の光路長、あるいはレーザの光強度を調整することにより任意の値に調整可能である。ここでは、オゾンアイソトポローグの161617O成分が、光反応セルの導出口において分解率Z=0.80まで分解されるとし、そのときの光反応セル導出流体中の酸素発生量XO2,2・QO2,2は、下記式(4)に示す関係がある。 The decomposition rate of the decomposition reaction of 16 O 16 O 17 O by the laser can be adjusted to an arbitrary value by adjusting the optical path length of the photoreaction cell 7 or the light intensity of the laser. Here, it is assumed that the 16 O 16 O 17 O component of the ozone isotopologue is decomposed to the decomposition rate Z = 0.80 at the outlet of the photoreaction cell, and the amount of oxygen generated in the photoreaction cell outlet fluid at that time X O2,2 · Q O2,2 has a relationship represented by the following formula (4).

Figure 0005620705
Figure 0005620705

ここで式中の係数1.5はオゾン1分子の分解につき酸素分子が1.5個発生するという意味であり、(1)式に示したオゾン分解反応によって生じる原子状酸素1個が、オゾン1個を分解すると仮定した場合に量論式より求まる。
以上より、上記式(3)及び、上記式(4)より、Q=2.21L/min(0℃、1atm)が求まる。
Here, a coefficient of 1.5 in the formula means that 1.5 oxygen molecules are generated per ozone molecule decomposition, and one atomic oxygen generated by the ozonolysis reaction shown in the equation (1) is ozone. When one piece is assumed to be decomposed, it is obtained from the stoichiometric formula.
From the above, Q 1 = 2.21 L / min (0 ° C., 1 atm) is obtained from the above formula (3) and the above formula (4).

ところで、光反応セルから第2蒸留塔に流体を輸送するためには少なくとも液浸部において塔圧力140kPa以上の差圧を生じる液ヘッドを得る必要がある。配管とバルブによる圧力損失分をこれに加え、ここでは190kPaの差圧分の液ヘッドを立てるとする。   By the way, in order to transport the fluid from the photoreaction cell to the second distillation column, it is necessary to obtain a liquid head that generates a differential pressure of 140 kPa or higher in the column at least in the liquid immersion part. The pressure loss due to the piping and the valve is added to this, and here, a liquid head corresponding to a differential pressure of 190 kPa is set up.

まず、圧力190kPaにおけるオゾン混合液の液密度Pを算出する。
CFの190kPaにおける気液平衡下での液密度は、PCF4=1550.9kg/mである。また、オゾンの液密度は、A. G. Streng, Table of ozone properties, J. Chem. Eng. Data, 1961, 6(3), p.431-436に記載された推算式より計算するとPO3=1373.9kg/mとなる。
First, the liquid density P of the ozone mixed solution at a pressure of 190 kPa is calculated.
The liquid density of CF 4 under a vapor-liquid equilibrium at 190 kPa is P CF4 = 1550.9 kg / m 3 . Further, the liquid density of ozone is calculated from the estimation formula described in AG Streng, Table of ozone properties, J. Chem. Eng. Data, 1961, 6 (3), p.431-436, P O3 = 1373. 9 kg / m 3 .

液浸部における酸素は光反応セル内で生成された酸素しか含まないため微量であり、液密度にはほとんど影響しないため無視する。したがって、オゾン混合液の密度Pは1524.3kg/mとなる。 Oxygen in the liquid immersion part is negligible because it contains only oxygen generated in the photoreaction cell and has little effect on the liquid density. Therefore, the density P of the ozone mixture is 1524.3 kg / m 3 .

ここで、液浸部における液密度が均一であると仮定とすると、必要な液面高さhは、h=12.72mとなる。液浸部の実際の液面高さは、上記の液面高さhに設計上必要な安全率を持たせて決定する。
このように液浸部を設計することで、十分な液ヘッドを得ることができるので、光反応セルから導出された目的となる酸素同位体を含む酸素と、オゾンと、CFとからなる混合流体を、圧縮機などを用いることなく、第2蒸留塔に導入することができる。
Here, assuming that the liquid density in the liquid immersion part is uniform, the required liquid level height h is h = 12.72 m. The actual liquid level of the liquid immersion part is determined by giving the above-described liquid level height h a safety factor necessary for design.
Since a sufficient liquid head can be obtained by designing the liquid immersion part in this way, a mixture of oxygen containing the target oxygen isotope derived from the photoreaction cell, ozone, and CF 4 is used. The fluid can be introduced into the second distillation column without using a compressor or the like.

なお、液浸部の管を15Aステンレス鋼管とし、内径18.4mmとすると、前述の液ヘッドを得るために最低限必要な液容量Vは3.38Lとなり、これをガス体積に換算すると1400.6L(0℃、1atm)となる。
したがって、液浸部に必要なヘッド高さhがたまるまでの時間tは、下記式(5)に示すように、約10.6時間となる。
If the liquid immersion tube is a 15A stainless steel tube with an inner diameter of 18.4 mm, the minimum liquid volume V required to obtain the liquid head is 3.38 L, which is 1400. 6L (0 ° C., 1 atm).
Therefore, the time t until the head height h necessary for the liquid immersion portion is accumulated is about 10.6 hours as shown in the following formula (5).

Figure 0005620705
Figure 0005620705

実際の装置では冷却時の管収縮にともなう応力を分散させる目的で管にベント部分を加えたりするなど、より管の長さを長くする方向の設計を行うため、液がたまるまでの時間はさらに長くなる。
したがって、装置の立ち上げ段階から、液浸部にヘッド高さhまでCFを導入しておけば、上記待ち時間tを待つ必要がなくなり、装置立ち上げ時間を短縮できる。
In actual equipment, the pipe length is further increased, such as adding a vent to the pipe in order to disperse the stress caused by the pipe shrinkage during cooling. become longer.
Therefore, if CF 4 is introduced to the liquid immersion part up to the head height h from the start-up stage of the apparatus, there is no need to wait for the waiting time t, and the apparatus start-up time can be shortened.

第2蒸留塔に導入した後は、実施形態と同様に、蒸留により、第2蒸留塔の塔頂から製品酸素を抽出し、塔底からは、オゾンとCFとからなる第4混合流体を導出する。そして、第4混合流体の一部は、オゾン分解触媒を流通し、これによりオゾンは完全に分解する。その後、第4混合流体を第3蒸留塔に導入し、塔頂からは、酸素を排気ガスとして導出し、塔底からはCFを導出する。この第3蒸留塔の塔底から導出されたCFは、ポンプによって昇圧して、第1蒸留塔および液浸部に還流する。 After the introduction into the second distillation column, product oxygen is extracted from the top of the second distillation column by distillation as in the embodiment, and a fourth mixed fluid composed of ozone and CF 4 is extracted from the bottom of the column. To derive. And a part of 4th mixed fluid distribute | circulates an ozone decomposition catalyst, and, thereby, ozone decomposes | disassembles completely. Thereafter, the fourth mixed fluid is introduced into the third distillation column, oxygen is led out as exhaust gas from the top, and CF 4 is led out from the bottom. CF 4 led out from the bottom of the third distillation column is pressurized by a pump and refluxed to the first distillation column and the liquid immersion part.

1・・・オゾナイザ、2・・・第1蒸留塔、7・・・光反応セル、10・・・液浸部、21・・・第2蒸留塔、24・・・オゾン分解装置、25・・・第3蒸留塔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ozonizer, 2 ... 1st distillation tower, 7 ... Photoreaction cell, 10 ... Liquid immersion part, 21 ... 2nd distillation tower, 24 ... Ozone decomposition apparatus, 25. ..Third distillation tower

Claims (4)

酸素同位体の濃縮方法であって、
原料酸素の一部をオゾン化し、酸素とオゾンが混合された第1混合流体を得るオゾン化工程と、
前記第1混合流体と希釈物質を第1蒸留塔に導入して蒸留し、オゾンと前記希釈物質が混合された第2混合流体と、酸素と、に分離する第1蒸留工程と、
前記第2混合流体にレーザを照射し、酸素同位体を含むオゾンを選択的に分解し、酸素同位体を含む酸素を発生させ、酸素とオゾンと前記希釈物質が混合された第3混合流体を得る光分解工程と、
前記第3混合流体を液溜め部に導入する液溜め部導入工程と、
前記液溜め部によって得られる液ヘッド圧によって、前記第3混合流体を第2蒸留塔に導出して蒸留し、オゾンと前記希釈物質からなる第4混合流体と、酸素同位体重成分が濃縮された製品酸素と、に分離する第2蒸留工程と、
前記第4混合流体中のオゾンを分解するオゾン分解工程と、
オゾンが分解された前記第4混合流体から、前記希釈物質を回収する希釈物質回収工程と、
を有することを特徴とする酸素同位体の濃縮方法。
An oxygen isotope enrichment method comprising:
Ozonization step of obtaining a first mixed fluid in which part of raw material oxygen is ozonized and oxygen and ozone are mixed;
A first distillation step in which the first mixed fluid and the diluting substance are introduced into a first distillation column to be distilled, and separated into ozone, a second mixed fluid in which the diluting substance is mixed, and oxygen;
The second mixed fluid is irradiated with a laser, ozone containing oxygen isotopes is selectively decomposed, oxygen containing oxygen isotopes is generated, and a third mixed fluid in which oxygen, ozone and the diluent are mixed is produced. A photolysis process to obtain;
A liquid reservoir introducing step of introducing the third mixed fluid into the liquid reservoir ;
Due to the liquid head pressure obtained by the liquid reservoir , the third mixed fluid was led to the second distillation column and distilled to concentrate the fourth mixed fluid composed of ozone and the diluted substance, and the oxygen isotope component. A second distillation step for separating into product oxygen;
An ozonolysis step of decomposing ozone in the fourth mixed fluid;
A diluted substance recovery step of recovering the diluted substance from the fourth mixed fluid in which ozone is decomposed;
A method for concentrating oxygen isotopes, comprising:
前記希釈物質回収工程によって回収された前記希釈物質を前記液溜め部に導入する希釈物質導入工程を有することを特徴とする請求項1に記載の酸素同位体の濃縮方法。 The method for concentrating oxygen isotopes according to claim 1, further comprising a diluting substance introducing step of introducing the diluting substance collected in the diluting substance collecting step into the liquid reservoir . 前記希釈物質が、クリプトン、キセノン、ラドン、または四フッ化炭素であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の酸素同位体の濃縮方法。   The oxygen isotope enrichment method according to claim 1 or 2, wherein the diluted substance is krypton, xenon, radon, or carbon tetrafluoride. 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の酸素同位体の濃縮方法を実施するための装置であって、
原料酸素の一部をオゾン化させるオゾナイザと、
前記第1蒸留工程を実施する前記第1蒸留塔と、
酸素同位体を含むオゾンを選択的に分解する光反応セルと、
前記第3混合流体が導入される前記液溜め部と、
前記第2蒸留工程を実施する前記第2蒸留塔と、
オゾンを分解するオゾン分解装置と、
前記希釈物質回収工程を実施する第3蒸留塔と、を有することを特徴とする酸素同位体の濃縮装置。
An apparatus for carrying out the oxygen isotope enrichment method according to any one of claims 1 to 3,
An ozonizer that ozonizes part of the raw material oxygen;
The first distillation column for performing the first distillation step;
A photoreaction cell for selectively decomposing ozone containing oxygen isotopes;
The liquid reservoir into which the third mixed fluid is introduced;
The second distillation column for performing the second distillation step;
An ozonolysis device that decomposes ozone;
And a third distillation column for carrying out the diluted substance recovery step.
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