專利名稱：重氧同位素成分的濃縮方法及濃縮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重氧同位素成分的濃縮方法及濃縮裝置，具體地說，涉及利
用激光的臭氧光解反應(yīng)對豐度比非常小的重氧同位素成分17o、 18o進行濃 縮的方法及裝置。
本申請基于2006年9月26日在日本申請的日本特愿2006-260894號主
張優(yōu)先權(quán)，在此援用其內(nèi)容。 ，
背景技術(shù)：
重氧同位素成分17o、 18o在成人疾病的診斷等中被用作示蹤劑。由于
重氧同位素成分在自然界中的豐度比非常小，例如通過以下的方法進行濃縮 來使用。
重氧同位素成分的濃縮方法有在分子狀態(tài)下蒸餾氧，對含有目標氧同位 素的氧進行濃縮的方法(參照專利文獻l)。專利文獻1中，為了提高通過
蒸餾進行的同位素濃縮的效率，記載有組合蒸餾與同位素轉(zhuǎn)換(isotope scrambling )而成的方法。
作為組合該同位素轉(zhuǎn)換的方法的應(yīng)用，例如，在專利文獻2和專利文獻 3中，公開了通過含有目標同位素的臭氧的選擇性分解進行的濃縮方法。具 體地說，對臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧照射激光，選擇性地將分子中含有目標重 氧同位素成分(170和/或180)的臭氧分解后，將產(chǎn)生的氧從未分解的臭氧
分離，進行蒸餾，由此將目標氧同位素濃縮為氧分子(16o17o、 16o18o、 17o17o、 17o18o、 180180)。
此外，專利文獻3中公開了為了在照射激光時，穩(wěn)定地分解作為對象的 臭氧，在臭氧中混合氪、氙或氡等稀有氣體，照射激光的方法。通過激光的照射濃縮重氧同位素成分的方法如圖3所示。 在圖3的結(jié)構(gòu)中，具有包括稀釋氣體的回收的至少三座蒸餾塔構(gòu)成的分 離單元。
原料氧被供給到臭氧發(fā)生器1中，在臭氧發(fā)生器1中其一部分變成臭氧， 得到臭氧與未反應(yīng)的氧的混合氣體。將混合氣體與稀釋氣體一起導入到第一
蒸餾塔2中，被分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體。氧從塔頂導出，臭氧和稀 釋氣體從塔底導出。
通過第一蒸餾塔2分離的臭氧及稀釋氣體被導入到光反應(yīng)室3中。在光 反應(yīng)室3中照射特定波長的激光，由此選擇性地分解含有目標重氧同位素成 分(170和/或180)的臭氧，形成含有它們的氧。
分子中含有目標重氧同位素成分的氧、未分解的臭氧和稀釋氣體的混合 氣體通過液化升壓器4液化，加壓后導入到第二蒸餾塔5中。該混合氣體被 分離為目標產(chǎn)品氧、以及臭氧和稀釋氣體，產(chǎn)品氧從塔頂導出。分離的臭氧 和稀釋氣體的混合氣體從塔底抽出，導入到臭氧分解裝置6中，在此將臭氧 分解為氧。從臭氧分解裝置6導出的混合氣體通過第三蒸餾塔7分離為稀釋 氣體和氧。氧排出到體系外，稀釋氣體返回第一蒸餾塔2進行再利用。
專利文獻1:國際公開WO00-27509號
專利文獻2:日本特開2004-261776號7>氺艮
專利文獻3:日本特開2005-40668號7>凈艮
在圖3所示的現(xiàn)有技術(shù)中，使用至少三座蒸餾塔，采取將它們以工序順 序串聯(lián)連接的方式。
通常，蒸餾時有必要在蒸餾塔內(nèi)保持液體(塔藏)。若如上所述串聯(lián)連 接蒸餾塔，則有必要從上游的塔依次積存液體，不能同時起動各塔。因此， 存在直至得到產(chǎn)品花費長時間的問題。
特別是，由于從光反應(yīng)室3得到的每單位時間的氣體量少，可以預(yù)想到 向第二蒸餾塔5的進料變成小流量。在低溫蒸餾時，若不能確保充分的循環(huán) 氣體量則蒸餾塔內(nèi)不冷卻，直至達到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)為止花費時間。為了增加氣體量，也考慮使光反應(yīng)室3大型化，但是由于設(shè)備大型化，還會增加成本，所 以不^f尤選。
作為其它的問題，由于光反應(yīng)室3中臭氧的光解在減壓下進行，有必要
在光反應(yīng)室3與第二蒸餾塔5之間設(shè)置液化升壓裝置4。但是，用泵等機械 性地壓縮液化的臭氧從安全性問題方面考慮不太優(yōu)選。
此外，這種蒸餾塔的串聯(lián)連接在整個體系中，有必要在減壓下的環(huán)境下 控制低流量的氣體，計測和閥操作非常困難，可以預(yù)想到難以進行穩(wěn)定的運 轉(zhuǎn)控制。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明的目標在于，在重氧同位素成分的濃縮中，可以使裝置整 體緊湊并降低設(shè)備費用，運轉(zhuǎn)操作安全且可以進行穩(wěn)定的操作。
為了解決上述問題，本發(fā)明的第一方式為重氧同位素成分的濃縮方法， 通過蒸餾濃縮重氧同位素成分，該方法包括
(a )將通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧和氧供給到填充有稀釋氣體的蒸鎦 塔中，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第一蒸餾工序，
(b) 從上述蒸餾塔的塔頂排出氧的工序，
(c) 將上述蒸餾塔減壓的工序，
(d) 從上述蒸餾塔的塔底將臭氧和稀釋氣體的混合氣體導入到光反應(yīng) 室中，照射激光而選擇性地分解含有重氧同位素成分的臭氧的光解工序，
(e) 將工序(d)中得到的含有重氧同位素成分的氧和未分解的臭氧返 回至上述蒸餾塔，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第二蒸餾工序，
(f) 將含有重氧同位素成分的氧通過設(shè)置在上述蒸餾塔的塔頂?shù)睦淠?器液化，作為產(chǎn)品氧取出的工序，
(g) 將未分解的臭氧從上述蒸餾塔導出，通過臭氧分解裝置分解為氧 后，再次返回至上述蒸餾塔內(nèi)的工序，
(h) 分離氧和稀釋氣體的第三蒸餾工序，和(i)將工序(h)中分離的氧排出到體系外的工序； 該方法在同一蒸餾塔內(nèi)實施第一至第三蒸餾工序。序。
此外優(yōu)選上述(d)工序中用于將氣體返回至上述蒸鎦塔的推進力通過 蒸餾塔底部的液頭產(chǎn)生的壓力差得到。
本發(fā)明的第二方式為重氧同位素成分的濃縮裝置，用于實施本發(fā)明的重
氧同位素成分的濃縮方法，該裝置至少包括 從氧產(chǎn)生臭氧的臭氧發(fā)生器；
實施三個上述(a) (e) (h)工序的一座蒸餾塔； 選擇性地分解含有重氧同位素成分的臭氧的光反應(yīng)室；和 臭氧分解裝置。
在本發(fā)明中，優(yōu)選上述蒸餾塔的塔底部的內(nèi)徑小于其它部分的內(nèi)徑。
此外，優(yōu)選在上述蒸餾塔的塔底部設(shè)置氣液分離部。
根據(jù)本發(fā)明，通過一座蒸餾塔依次進行三次蒸餾工序，因此可以使裝置 整體緊湊。此外，為了進行穩(wěn)定的蒸餾而使用的稀釋氣體量也可以減少至 1/3左右。
此外，在蒸餾塔中，通過積存在塔底部的液體的液頭，氣體在光反應(yīng)室 中循環(huán)，因此無需機械性壓縮單元，安全性高。


圖1為表示本發(fā)明的濃縮裝置的一例的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖2為表示本發(fā)明的濃縮裝置的其它例的概略結(jié)構(gòu)圖； 圖3為表示現(xiàn)有的濃縮裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。 符號說明
11壓縮機，12臭氧發(fā)生器，13蒸餾塔，14光反應(yīng)室，15臭氧分解 裝置，16冷凝器，17再沸器，18激光裝置，19旁通閥，20產(chǎn)品液化貯
7槽，21氣液分離器
具體實施例方式
圖1為表示用于實施本發(fā)明的濃縮方法的濃縮裝置的一例的圖。
圖1所示的重氧同位素成分的濃縮裝置大致由壓縮機11、臭氧發(fā)生器
12、 1座蒸餾塔13、光反應(yīng)室14、臭氧分解裝置15構(gòu)成。蒸餾塔13中，
在塔頂設(shè)置有冷凝器16,在塔底設(shè)置有再沸器17。
本發(fā)明的特征在于用1座蒸餾^荅13實施三個蒸餾工序。 第一蒸餾工序中濃縮臭氧，第二蒸餾工序中濃縮目標同位素，第三蒸餾
工序中分離不含有目標同位素的氧和稀釋氣體。 (第一蒸餾工序臭氧濃縮) 將原料氧用壓縮機11壓縮，導入到臭氧發(fā)生器12中產(chǎn)生臭氧。 使臭氧與未反應(yīng)的氧的混合氣體進料到蒸餾塔13中。此時，為了確保
蒸餾的安全性和穩(wěn)定性，蒸餾塔13中預(yù)先導入稀釋氣體(氪、氙或氟利昂
類)。通過在冷凝器16和再沸器17中流動適當溫度條件的流體(例如液氮)，
在蒸餾塔13內(nèi)產(chǎn)生下降液和上升氣體。
如杲在蒸餾塔13的塔頂氧被濃縮起來，則緩慢地排出塔頂?shù)难鯕?。雖
然導出的氧可以排出到體系外，但是若循環(huán)到臭氧發(fā)生器12的上游側(cè)，則
收率提高。
如果蒸餾塔13的塔底的臭氧濃度達到規(guī)定的濃度(百分之幾 百分之 十左右)，則停止來自臭氧發(fā)生器12的混合氣體的向蒸餾塔13的進料。
繼續(xù)蒸餾的同時將殘留在蒸餾塔13內(nèi)的氧氣排出到體系外。排出氣體 中稀釋氣體的濃度緩慢升高。稀釋氣體在臭氧發(fā)生器12中反應(yīng)時，為了防 止反應(yīng)性產(chǎn)物的產(chǎn)生，排出氣體不循環(huán)到臭氧發(fā)生器12中。但是，可以將 該排出氣體貯藏在體系外，在第 一蒸餾工序的初期階段直接進料到蒸餾塔 13中。通過這種方法可以有效利用氧和稀釋氣體。
測定蒸餾塔13的塔頂?shù)臍怏w濃度，繼續(xù)第一蒸鎦工序直至塔頂無氧。
8若在塔內(nèi)殘留氧，則由于在第二蒸餾工序中產(chǎn)品氧被稀釋，因此盡可能地排 出氧。
若氧被充分地排出，則蒸餾塔13的塔頂變成富稀釋氣體的狀態(tài)。
(第二蒸餾工序產(chǎn)品氧的采取)
如果排出氧結(jié)束，則使向冷凝器16的冷卻流體(液氮)的溫度降低， 使蒸餾塔13內(nèi)為減壓(負壓)。此時認為塔內(nèi)為全回流。
如果蒸餾塔13內(nèi)減壓至規(guī)定的壓力，則將來自再沸器17的上升氣體(臭 氧與稀釋氣體的混合氣體)的一部分導入到光反應(yīng)室14中。在光反應(yīng)室14 中，照射來自激光裝置18的特定波長的激光，僅分解含有目標重氧同位素 成分(例如180)的同位素臭氧(例如,16o16o18o、 16o17o18o、 160180180 等)，將目標同位素濃縮為氧分子。
此時的光反應(yīng)室14內(nèi)的壓力為了抑制臭氧的分子碰撞，優(yōu)選為13kPa 以下。對壓力的下限值不特別限定，只要是可以實施本發(fā)明的值即可。
來自再沸器17的上升氣體的殘留部分通過旁通閥19返回蒸餾塔13。
使光反應(yīng)后的氣體(氧與未分解的臭氧的混合氣體)從光反應(yīng)室14返 回至蒸餾塔13。對返回至蒸餾塔13的位置不特別限定，但是優(yōu)選為塔下部。
連續(xù)地進行來自再沸器17的上升氣體向光反應(yīng)室14的供給和向蒸餾塔 13的返回以及來自光反應(yīng)室14的反應(yīng)后的氣體向蒸餾》荅13的返回來進行 第二蒸餾工序。隨著該工序的進行，重氧同位素成分的含量高的氧緩慢積存 在蒸餾i荅13的^^頂。該氧在冷凝器16中冷卻，作為回流液返回至蒸餾^荅 13,進行循環(huán)。
其中，蒸餾塔13與光反應(yīng)室14之間的氣體循環(huán)優(yōu)選利用積存在蒸鎦塔 13的塔底部的下降液的液頭(液壓頭)進行。通過液泵、壓縮機進行的送 氣由于有可能分解臭氧，所以不優(yōu)選。此時，若使塔底部的內(nèi)徑小于蒸餾塔 13的其它部分的內(nèi)徑，則可以以少量的液體產(chǎn)生壓力差。
此外，再沸器17采用熱虹吸式時，需要氣液分離部。減小塔底部的液 體積存部的內(nèi)徑時，如圖2所示，還可以在蒸餾塔13的底部設(shè)置氣液分離器21。在第二蒸餾工序中，如果用冷凝器16液化的回流液的氧濃度變?yōu)楦邼舛?，則將回流液的一部分貯存在產(chǎn)品液化貯槽20。省略產(chǎn)品液化貯槽20時， 也可以將冷凝器16兼用作貯槽，直接抽出液體氧。如果產(chǎn)品液化貯槽20中積存濃縮有目標重氧同位素成分的氧(產(chǎn)品 氧)，則關(guān)閉向產(chǎn)品液化貯槽20的管路。對產(chǎn)品液化貯槽20進行加溫取出 產(chǎn)品氧氣。此時，蒸餾塔13內(nèi)塔頂部為富稀釋氣體。 (第三蒸餾工序氧與稀釋氣體的分離)通過第二蒸餾工序殘留在蒸餾塔13內(nèi)的臭氧為目標重氧同位素成分減 少的臭氧。從而，進入到將濃縮在塔底部的臭氧分解為氧并排出到體系外的 第三蒸餾工序。在第二蒸餾工序中，如果關(guān)閉向產(chǎn)品液化貯槽20的管路，則停止向光 反應(yīng)室14的氣體供給，關(guān)閉旁通閥19,將來自再沸器17的上升氣體的全 部量導入到臭氧分解裝置15中。將臭氧非選擇性地分解為氧，得到的氧返 回蒸餾塔13作為上升氣體。在第三蒸餾工序中，氧被濃縮在塔頂，稀釋氣體被濃縮在塔底。在塔頂 濃縮的氧作為廢棄氧被排出到體系外。若氧被排出則由于蒸餾塔內(nèi)幾乎僅為稀釋氣體，因此返回到第 一蒸餾工序。用作稀釋氣體的稀有氣體(氪或氙)或氟利昂類由于昂貴，并且氟利昂 類的大氣排放在環(huán)境保護方面也成為問題，優(yōu)選重復使用。在上述實施方式中，為了不降低蒸餾塔13的分離性能，與蒸餾塔13和 光反應(yīng)室14之間的循環(huán)氣體管路不同地另外設(shè)置可調(diào)整氣體量的旁通管路 (旁通閥19)，可以保持蒸餾所需的上升氣體量。因此，可以根據(jù)光反應(yīng) 室14中的臭氧的反應(yīng)量來改變流動到光反應(yīng)室14的氣體流量，可以進行有 效且穩(wěn)定的蒸餾。10而且，本發(fā)明的方法為僅在第二蒸餾工序中形成得到產(chǎn)品氧的間歇處 理，但僅用l座蒸餾塔完成，不僅可以使設(shè)備成本廉價，而且還可以使稀釋 氣體用量為約1/3。此外，可以縮短起動時蒸餾塔的冷卻所需的時間，大幅 縮短起動時間。實施例使用圖1所示結(jié)構(gòu)的濃縮裝置濃縮170,計算了一年間制造0.5kg(H2(D 換算)的工藝。原料氧使用天然豐度比(160=99.759%(原子％、以下相同)、 17O=0.037%、 18O=0.204%)的氧。在光反應(yīng)室分解的目標同位素臭氧(isotopomer)選擇160160170。用于分解該臭氧的同位素的激光的波長使用992nm。激光的輸出功率為 3W，吸收截面積為3.0xl(T23cm2。光反應(yīng)室的壓力為13kPa,溫度為200K， 光路長為30m,室內(nèi)的滯留時間為1800秒，光的利用效率為0.05,與目標 同位素臭氧的分解同時產(chǎn)生的其它同位素臭氧的選擇性分解量相對于目標 同位素1為3.3。此時，產(chǎn)品氧中被濃縮的170為7.8atom%。產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，在重氧同位素成分的濃縮中，可以使裝置整體緊湊并降低 設(shè)備費用，可以進行運轉(zhuǎn)操作安全且穩(wěn)定的操作。由此，本發(fā)明在產(chǎn)業(yè)上是 有用的。
權(quán)利要求
1、一種重氧同位素成分的濃縮方法，通過蒸餾濃縮重氧同位素成分，其中，該方法包括(a)將通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧和氧供給到填充有稀釋氣體的蒸餾塔中，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第一蒸餾工序，(b)從所述蒸餾塔的塔頂排出氧的工序，(c)將所述蒸餾塔減壓的工序，(d)從所述蒸餾塔的塔底將臭氧和稀釋氣體的混合氣體導入到光反應(yīng)室中，照射激光而選擇性地分解含有重氧同位素成分的臭氧的光解工序，(e)將(d)工序中得到的含有重氧同位素成分的氧和未分解的臭氧返回至所述蒸餾塔，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第二蒸餾工序，(f)將含有重氧同位素成分的氧通過設(shè)置在所述蒸餾塔的塔頂?shù)睦淠饕夯?，作為產(chǎn)品氧取出的工序，(g)將未分解的臭氧從所述蒸餾塔導出，通過臭氧分解裝置分解為氧后，再次返回至所述蒸餾塔內(nèi)的工序，(h)分離氧和稀釋氣體的第三蒸餾工序，和(i)將(h)工序中分離的氧排出到體系外的工序；該方法在同一蒸餾塔內(nèi)實施第一至第三蒸餾工序。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重氧同位素成分的濃縮方法，其中，通過改 變所述冷凝器的運轉(zhuǎn)條件來進行所述(c)工序。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重氧同位素成分的濃縮方法，其中，所述(d) 工序中用于將氣體返回至所述蒸餾塔的推進力通過蒸餾塔底部的液頭產(chǎn)生 的壓力差得到。
4、 一種重氧同位素成分的濃縮裝置，其中，該裝置用于實施權(quán)利要求 1 ~3中任意一項所述的重氧同位素成分的濃縮方法，該裝置至少包括從氧產(chǎn)生臭氧的臭氧發(fā)生器；實施三個所述(a) (e) (h)工序的一座蒸餾塔； 選擇性地分解含有重氧同位素成分的臭氧的光反應(yīng)室；和 臭氧分解裝置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的重氧同位素成分的濃縮裝置，其中，所述蒸 餾塔的塔底部的內(nèi)徑小于其它部分的內(nèi)徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的重氧同位素成分的濃縮裝置，其中，在 所述蒸餾塔的塔底部設(shè)置氣液分離部。
全文摘要
本發(fā)明的重氧同位素成分的濃縮方法包括將通過臭氧發(fā)生器12產(chǎn)生的臭氧和氧供給到填充有稀釋氣體的蒸餾塔13中，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第一蒸餾工序；從所述蒸餾塔的塔底將臭氧與稀釋氣體的混合氣體導入到光反應(yīng)室14中，照射激光而選擇性地分解含有重氧同位素成分的臭氧的光解工序；將含有重氧同位素成分的氧和未分解的臭氧返回至所述蒸餾塔，并分離為氧、以及臭氧和稀釋氣體的第二蒸餾工序；將含有重氧同位素成分的氧通過設(shè)置在所述蒸餾塔的塔頂?shù)睦淠?6液化，作為產(chǎn)品氧取出的工序；以及分離氧和稀釋氣體的第三蒸餾工序。本發(fā)明的重氧同位素成分的濃縮方法在一座蒸餾塔13內(nèi)實施第一至第三蒸餾工序。
文檔編號C01B13/00GK101516476SQ20078003546
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者奈良范久, 川上浩, 木原均, 神邊貴史 申請人:大陽日酸株式會社