稳定同位素浓缩装置及稳定同位素浓缩方法与流程

本发明涉及对包含稳定同位素原子的稳定同位素进行浓缩的稳定同位素浓缩装置及稳定同位素浓缩方法。

背景技术：

1、稳定同位素是为了在有机化学及生物化学领域中得到与有机物或生物物质的各种反应、结构和功能有关的信息而被使用。具体而言，稳定同位素作为自然科学或医疗领域的示踪剂而被用于nmr分析中，并且被用于利用了反应速度因同位素置换而变化的速度论同位素效果的制药及有机合成中，并且还被用于利用了光谱学性质差异的红外和拉曼光谱法等中。

2、作为用于分离稳定同位素的方法，例如有热扩散分离法、离心分离法、激光分离法、化学交换分离法和蒸馏分离法等各种方法。在这些方法之中，蒸馏分离法适合于轻元素的同位素的大量生产。因此，例如作为工业性的氧稳定同位素分离方法，采用水的蒸馏分离、氧的蒸馏分离等方法。

3、例如，专利文献1公开了组合氧蒸馏和水蒸馏而成的重氧水的制造方法及制造装置。如专利文献1所公开的那样，期望的同位素重成分(包含17o或18o的氧分子)的浓度减少的氧气和水蒸气从蒸馏塔的塔顶排出到体系外。由于这些物质都是无害的物质，因此氧气被散发到大气中，水蒸气作为排水被进行处理。

4、但是，用作示踪剂的稳定同位素以及在有机合成及制药中使用的稳定同位素要求为95～99％以上的高浓度。由于18o的天然存在比为约2000ppm，因此在如专利文献1所记载的用蒸馏分离法进行高浓度浓缩时，产生大量的排气及排液。然而，如专利文献1所记载的那样，在这些排气及排液为无害的氧或水的情况下，在环境负荷等方面不会成为问题。

5、另外，作为用于浓缩碳稳定同位素的方法，也可以举出蒸馏分离一氧化碳、甲烷、四氟化碳等的方法。例如，专利文献2公开了用于浓缩13co的一氧化碳稳定同位素浓缩装置及浓缩方法。

6、即使在使用专利文献2所公开的技术来浓缩碳稳定同位素的情况下，也与上述专利文献1的情况同样，13co的浓度比天然存在比减少的co气体从第一蒸馏塔的塔顶大量排放到体系外(以下，有时将从稳定同位素浓缩装置排出的期望的稳定同位素的浓度比天然存在比减少的排气或排液称为“同位素减损气体”或“同位素减损液”)。在该情况下，由于一氧化碳具有可燃性和毒性，因此不能直接排放到大气中，需要实施除害处理。

7、作为除害处理的工业性方法，例如可以举出利用火炬烟囱的方法、使用利用催化反应的氧化处理的方法等。

8、例如，专利文献3公开了一氧化碳去除单元及去除方法，其作为利用催化反应的氧化处理的方法而通过催化反应来将一氧化碳转换为二氧化碳。

9、上述任何方法都通过使一氧化碳氧化而转换为二氧化碳。其结果将大量的二氧化碳排放到大气中，会带来环境负荷。

10、另外，对于上述除害处理而言，即使在通过蒸馏分离甲烷来浓缩碳稳定同位素的情况下，与上述同样，也会将大量的二氧化碳排放到大气中。

11、此外，在四氟化碳的情况下，没有可燃性和毒性，不需要实施除害处理，但由于四氟化碳的全球变暖系数非常大，为约7400，因此也存在对环境的负荷变得更大这种问题。全球变暖系数是几个表示环境负荷的指标之一。

12、另外，关于其他的稳定同位素，如以下说明的那样，也考虑产生与上述同样的问题点。

13、例如，作为用于浓缩氮稳定同位素的方法，可以举出一氧化氮蒸馏。该方法是同时得到氮同位素和氧同位素的便利性高的方法。如非专利文献1所记载的那样，已知在美国存在同时生产95％以上的高浓度的氧和氮的重成分的设备。然而，一氧化氮作为氮氧化物被认为是引起酸雨和光化学烟雾的原因，具有毒性。因此，与一氧化碳同样，由于不能直接排放到大气中，因此需要利用氨接触还原法等进行除害处理。

14、专利文献1：日本专利第4327287号公报

15、专利文献2：日本专利公开2018-164884号公报

16、专利文献3：日本专利第4309162号公报

17、非专利文献1：磯村昌平，殿岡康彦，嘉悦早人，「一酸化窒素低温蒸留法による窒素および酸素同位体の分離(radioisotopes：36巻2号)」，公益社団法人日本アイソトープ協会，1987年2月15日，p57－63(矶村昌平，殿冈康彦，嘉悦早人，《利用一氧化氮低温蒸馏法分离氮及氧同位素(radioisotopes:36卷2号)”，公益社团法人日本同位素协会，1987年2月15日，p57-63)

技术实现思路

1、本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供一种能够降低具有毒性和可燃性的物质或在大气中产生环境负荷的物质的排出量且能够降低原料的使用量的稳定同位素浓缩装置及稳定同位素浓缩方法。

2、本发明人为了解决上述问题而反复进行了深入的研究。其结果发现在浓缩包含稳定同位素原子的稳定同位素时，通过同位素交换反应来将期望的稳定同位素的浓度比天然存在比下降的同位素减损气体或同位素减损液再生为接近天然存在比的浓度，从而能够将它们作为原料再利用。由此，发现能够降低在大气中产生环境负荷的物质的排出量的同时降低原料的使用量，从而完成了本发明。

3、即，本发明提供以下的稳定同位素浓缩装置及稳定同位素浓缩方法。

4、(1)一种稳定同位素浓缩装置，通过蒸馏来浓缩包含稳定同位素原子的稳定同位素，其特征在于，具备：

5、蒸馏塔组，级联连接有多个蒸馏塔；

6、原料供给线路，向所述蒸馏塔组中的一个蒸馏塔供给原料；

7、产品导出线路，从所述蒸馏塔组中的位于比所述一个蒸馏塔靠二次侧的其他蒸馏塔导出产品；

8、同位素减损流体抽出线路，从所述蒸馏塔组中的所述一个蒸馏塔或位于比所述一个蒸馏塔靠一次侧的其他蒸馏塔，抽出期望的稳定同位素分子的浓度比天然存在比下降的同位素减损气体或同位素减损液；

9、同位素交换反应器，通过使从所述同位素减损流体抽出线路导入的所述同位素减损气体或所述同位素减损液与具有与所述稳定同位素相同的稳定同位素原子的其他物质进行同位素交换反应，从而以使所述同位素减损气体或所述同位素减损液中的所述稳定同位素分子的浓度接近天然存在比的方式对所述同位素减损气体或所述同位素减损液进行再生，生成同位素再生气体或同位素再生液；以及

10、同位素再生流体送回线路，将在所述同位素交换反应器中再生的所述同位素再生气体或所述同位素再生液再供给到所述一个蒸馏塔中。

11、(2)根据(1)所述的稳定同位素浓缩装置，其特征在于，所述同位素交换反应器中的所述同位素交换反应为催化加热反应、放电反应、离子交换法或光化学反应中的任一种。

12、(3)一种稳定同位素浓缩方法，通过蒸馏来浓缩包含稳定同位素原子的稳定同位素，其特征在于，

13、包括再供给工序，所述再供给工序通过将从级联连接有多个蒸馏塔的蒸馏塔组中的一个蒸馏塔或位于比所述一个蒸馏塔靠一次侧的其他蒸馏塔中抽出的期望的稳定同位素分子的浓度比天然存在比下降的同位素减损气体或同位素减损液与具有与所述稳定同位素相同的稳定同位素原子的其他物质进行同位素交换反应，从而以使所述同位素减损气体或所述同位素减损液中的所述稳定同位素分子的浓度接近天然存在比的方式生成同位素再生气体或同位素再生液，并且向所述一个蒸馏塔再供给所述同位素再生气体或所述同位素再生液。

14、(4)根据(3)所述的稳定同位素浓缩方法，其特征在于，所述同位素交换反应为催化加热反应、放电反应、离子交换法或光化学反应中的任一种。

15、本发明所涉及的稳定同位素浓缩装置具备同位素交换反应器，该同位素交换反应器通过使从一个蒸馏塔或位于比一个蒸馏塔靠一次侧的其他蒸馏塔抽出的期望的稳定同位素分子的浓度比天然存在比下降的同位素减损气体或同位素减损液与具有与稳定同位素相同的稳定同位素原子的其他物质进行同位素交换反应，从而以使同位素减损气体或同位素减损液中的稳定同位素分子的浓度接近天然存在比的方式进行再生，生成同位素再生气体或同位素再生液。

16、根据本发明的稳定同位素浓缩装置，具备上述同位素交换反应器，因此能够降低包含具有毒性和可燃性的物质或在大气中产生环境负荷的物质的同位素减损气体或同位素减损液的排出量，并且能够将这些物质作为原料再利用。

17、因此，由于能够降低稳定同位素浓缩工艺中的环境负荷的同时降低原料的使用量，因此能够维持良好的工艺环境的同时，以低成本高效地得到包含期望的浓度的稳定同位素分子的高纯度的稳定同位素。

18、另外，本发明所涉及的稳定同位素浓缩方法具备再供给工序，该再供给工序通过使从一个蒸馏塔或位于比所述一个蒸馏塔靠一次侧的其他蒸馏塔中抽出的期望的稳定同位素分子的浓度比天然存在比下降的同位素减损气体或同位素减损液与具有与稳定同位素相同的稳定同位素原子的其他物质进行同位素交换反应，从而以使同位素减损气体或同位素减损液中的稳定同位素分子的浓度接近天然存在比的方式进行再生，生成同位素再生气体或同位素再生液，并且向一个蒸馏塔再供给同位素再生气体或同位素再生液。

19、本发明的稳定同位素浓缩方法由于具备进行上述同位素交换反应的再供给工序，因此能够降低稳定同位素浓缩工艺中的环境负荷的同时降低原料的使用量。因此，能够维持良好的工艺环境的同时，以低成本高效地得到包含期望的浓度的稳定同位素分子的高纯度的稳定同位素。