JP4467190B2 - 酸素同位体重成分の濃縮方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素の同位体重成分である^１７Ｏ、^１８Ｏを濃縮する方法および装置に関し、詳しくは、これら酸素同位体を、低温蒸留を用いて濃縮する方法および装置に関する。
また、低温蒸留の次に同位体スクランブリングを行って酸素同位体重成分をさらに濃縮する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然の酸素には、^１６Ｏが９９．７５９％（原子％、以下同様）、^１７Ｏが０．０３７％、^１８Ｏが０．２０４％の割合で含まれている。
これらのうち同位体重成分である^１８Ｏは、トレーサーとして農学、生物学、医学などの分野で利用されている。
【０００３】
また、同位体重成分である^１７Ｏは、核磁気モーメントをもつことから酸素化合物の核磁気共鳴による研究などに用いられている。
これら酸素同位体重成分の濃縮方法としては、蒸留、熱拡散、化学交換反応などがあるが、大量かつ低コストに生産する方法としては、蒸留が一般的に用いられており、蒸留法としては、原料として水、ＮＯ、ＣＯを用いる方法がある。
【０００４】
このなかで実績のある方法として挙げられるのは、原料として水を用いる水蒸留法と、原料としてＮＯを用いるＮＯ蒸留法である。
水蒸留法は、Ｄｏｓｔｒｏｖｓｋｙらによって実施された方法が知られており、この方法によって、濃度９８〜９９％の^１８Ｏを年間６ｋｇ、濃度２５％の^１７Ｏを年間１．５ｋｇ程度生産可能であることが報告されている。また、この方法によって得られた^１７Ｏを、熱拡散法によりさらに濃縮することによって、高濃度の^１７Ｏを採取する試みもなされている。
【０００５】
ＮＯ蒸留法は、ＮＯが他の原料に比べて大きい相対揮発度をもつため上記同位体の分離効率が高い利点がある。
窒素の同位体濃縮にはこの方法が広く用いられており、通常、上記酸素同位体重成分は、窒素の同位体濃縮の副生産物として得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、次のような問題があった。
表１および表２に示すように、水素、窒素にも同位体重成分が存在するため、上記水蒸留法およびＮＯ蒸留法では、酸素同位体軽成分（^１６Ｏ）と、水素の同位体重成分とからなる水、または酸素同位体軽成分（^１６Ｏ）と窒素の同位体重成分とからなるＮＯが濃縮される問題がある。
【０００７】
即ち、水蒸留法では、得られる同位体重成分濃縮物に、酸素同位体軽成分（^１６Ｏ）と重水素を含む水（ＨＤ^１６Ｏ等）が混入しやすく、これが酸素同位体重成分を含むＨ_２ ^１７Ｏ、Ｈ_２ ^１８Ｏの濃縮を妨げるため、高濃度の酸素同位体重成分、例えば純度９９％以上のＨ_２ ^１８Ｏを工業的に得るのは難しかった。市販されているＨ_２ ^１８Ｏの純度は９７％程度である。
【０００８】
【表１】

【０００９】
【表２】

【００１０】
また、水の蒸発潜熱は比較的大きい（例えば酸素の蒸発潜熱に比べて約６倍大きい）ため、水蒸留装置は比較的大型で、かつ消費エネルギーが大きくなる。このため、水蒸留法は装置コスト、運転コストが大きくなる傾向があった。
【００１１】
また、ＮＯ蒸留法においても、得られる同位体重成分濃縮物に、窒素の同位体重成分と^１６ＯからなるＮＯ（^１５Ｎ^１６Ｏ等）が混入しやすく、高濃度の酸素同位体重成分濃縮物を得るのが難しい問題があった。
【００１２】
さらに、ＮＯは腐食性、毒性ガスであること等の理由により、上記ＮＯ蒸留法では、実施するために多大なコストを要する問題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明方法は、酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏを濃縮した後、同位体スクランブリングを行なって上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重成分の濃縮方法である。
上記同位体スクランブリングとは複数種の同位体分子が存在するとき、各分子がその構成する相手の原子をランダムに変える現象の総称であり、後記する触媒による同位体交換反応はその典型的な例である。
【００１４】
また本発明方法は、前記同位体スクランブリングによって得られた酸素同位体重成分濃縮物を再度低温蒸留することにより、上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さらに高めた濃縮物を得ることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００１５】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分の濃縮方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、さらに同位体スクランブリングを行うことによって、その中の少なくとも一成分の濃度を高めることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００１６】
また本発明方法は、上記方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、再度低温蒸留することにより、少なくとも酸素同位体重成分^１８Ｏ^１８Ｏの濃度をさらに高めることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００１７】
また本発明方法は、上記方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、さらに低温蒸留することにより、酸素同位体重成分^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を高めた酸素同位体重成分濃縮物と、^１７Ｏを含む酸素同位体重成分の濃度を高めた濃縮物とを得ることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００１８】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、触媒反応を利用した同位体交換反応であることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００１９】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物に水素を添加してこれらを反応させることにより前記酸素同位体重成分を高濃度で含有する水を生成させ、この生成水を電気分解することにより酸素同位体重成分を含む酸素と水素に分離することを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２０】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を、無声放電、高周波放電あるいは電磁誘導によるプラズマ中を通過させることにより行なうことを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２１】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物に紫外線を照射し該濃縮物をオゾン化し、これを分解することにより行なうことを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２２】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＦｅＯ、ＣＯ、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ａｇ、Ａｕおよび／またはこれらの混合物との酸化還元反応により行なうことを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２３】
また本発明方法は、前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を１０００℃以上で高温熱処理することにより行う同位体交換反応であることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２４】
また本発明方法は、前記濃縮物と水素との反応が、燃焼器による燃焼であることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２５】
また本発明方法は、前記濃縮物と水素との反応が、該反応系にＡｒなどの不活性ガスを希釈ガスとして供給し該濃縮物および水素を希釈して行なう触媒反応であることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２６】
また本発明方法では、前記濃縮物と前記水素との触媒反応に使用する触媒としては、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｍｎ、およびこれらの金属の酸化物からなる群より選ばれた少なくとも１つを含むものを使用することができる。
さらには、この金属または金属酸化物（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ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ばれた少なくとも１種の触媒を含むものを使用することができる。
【００２７】
また本発明方法は、前記濃縮物と水素との反応により生成した水を冷却し凝縮させ、凝縮水を希釈ガスから分離し、該凝縮水を分離した希釈ガスを前記反応系に返送し循環使用することを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２８】
また本発明方法は、前記電気分解により発生する水素を、前記濃縮物に添加する水素として循環使用することを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００２９】
また本発明方法は、前記電気分解により発生する酸素中の不純物を、触媒反応により酸化除去することを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法である。
【００３０】
該触媒反応に使用する触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｐｄからなる群より選択される少なくとも１種を含むものが好適である。
さらには、この金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等）を前記金属酸化物（Ａｌ酸化物、Ｓｉ酸化物等）に担持させた触媒からなる群より選択される少なくとも１種を含むものが好適である。
【００３１】
本発明の酸素同位体の濃縮装置は、酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏうちの少なくとも１成分を濃縮する少なくとも１つの蒸留塔と、該蒸留塔により得られた酸素同位体重成分濃縮物中における^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏのうちの少なくとも１つの濃度を、同位体スクランブリングによって高める少なくとも１基の同位体スクランブラーを備えていることを特徴とするものである。
【００３２】
また本発明装置は、前記同位体スクランブラーが、前記濃縮物の同位体交換反応を促進する同位体交換反応触媒を備えたものであり、この同位体交換反応触媒が、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種以上を含むものであることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮装置である。
【００３３】
また本発明装置は、前記同位体スクランブラーが、前記濃縮物の同位体交換反応を促進する同位体交換反応触媒を備えたものであり、この同位体交換反応触媒が、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種以上を含むものであることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮装置である。
【００３４】
また本発明装置は、蒸留塔が、規則充填物を充填してなるものであり、該規則充填物が、蒸留塔中で下降液流と上昇ガス流とを接触させる際に、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物質移動が行われる形状を有するもの（自己分配促進型規則充填物）であることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮装置である。
【００３５】
また、本発明装置では、前記蒸留塔内の充填物の比表面積は、３５０ｍ^２／ｍ^３乃至１２００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは５００ｍ^２／ｍ^３乃至７５０ｍ^２／ｍ^３とすることができる。
また、本発明装置では、前記蒸留塔は、複数（ｎ）本の蒸留塔（Ａ_１〜Ａ_ｎ）を備え、塔Ａ_ｋ（ｋ：ｎ−１以下の自然数）の塔底部と塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部が、塔Ａ_ｋからの導出液を塔Ａ_ｋ＋１に送る送液手段を介して導管で接続され、かつ塔Ａ_ｋの下部と塔Ａ_ｋ＋１の塔頂部が、塔Ａ_ｋ＋１からの導出ガスを塔Ａ_ｋに導く導管で接続されたものとすることができる。
また、本発明装置では、前記塔Ａ_１の塔頂部にコンデンサを設け、前記塔Ａ_ｋ＋１の塔底部にリボイラを設けるのが好ましい。
また、本発明では、前記コンデンサの第２流路と前記リボイラの第２流路とを接続する熱媒体流体循環経路を設け、該経路の途中に、空気、窒素、酸素等の熱媒体流体を循環させる循環手段を設けるのが好ましい。
【００３６】
前記循環手段は、低温圧縮機とすることができる。
また前記循環手段は、常温圧縮機とすることもでき、この場合には、該常温圧縮機の入口側の熱媒体流体と、該常温圧縮機の出口側の熱媒体流体との間で熱交換を行わせる熱交喚器を設けるのが好ましい。
【００３７】
また、本発明装置は、前記蒸留塔頂部にプレートフィン型熱交換器式コンデンサを設け、塔内の底部付近にコイル式リボイラまたはプレートフィン型熱交換器式リボイラを設け、該コンデンサの第１流路入口側に蒸留塔塔頂部からの導出ガスの少なくとも一部を該流路内に導入する導管を接続し、出口側には該流路から導出した流体を再度該蒸留塔頂部へ導入する導管を接続し、第２流路には熱媒体流体の循環用導管を接続し、前記コイル式リボイラまたはプレートフィン型熱交換器式リボイラに、前記循環用導管を接続し、該循環用導管に、導管内で熱媒体流体を循環させる循環手段を設けたものとすることもできる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の酸素同位体の濃縮装置の一実施形態を示すもので、ここに示す濃縮装置は、規則充填物１４、１５を充填した充填塔である蒸留塔１１と、蒸留塔１１の塔頂部から導出されたガス（導出ガス）の少なくとも一部を冷却し液化させるコンデンサ１２と、蒸留塔１１の塔底部から導出された液（導出液）の少なくとも一部を加熱し気化させるリボイラ１３と、コンデンサ１２およびリボイラ１３内で前記導出ガスおよび導出液と熱交換する熱媒体流体の貯留槽１８と、熱媒体流体をコンデンサ１２、リボイラ１３を経て循環させる循環経路１９と、循環経路１９内の熱媒体流体を循環させる送風（循環）手段であるブロア（圧縮機）１６と、熱媒体流体用の熱交換器１７を備えたものである。
【００３９】
蒸留塔１１の下部には規則充填物１４が充填され、上部には規則充填物１５が充填されている。
規則充填物１４、１５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。
【００４０】
非自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔１１内を下降する液流と蒸留塔１１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。
【００４１】
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。
【００４２】
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は実開昭５６−２０６２４号公報の第７図に、図３は実開昭５１−４５９３５号公報の第４図にそれぞれ開示されたものである。
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。
【００４３】
自己分配促進型規則充填物は、蒸留塔１１内を下降する液流と蒸留塔１１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。
【００４４】
典型的な自己分配促進型規則充填物の例を図４、図５および図６に示す。図４に示す例は特公昭５７−３６００９号公報の第３図に、図５に示す例は特開昭５４−１６７６１号公報の第１図に、そして図６に示す例は特開昭５４−１５５５４号公報の第３図にそれぞれ開示されたものである。
【００４５】
これらの図に示す例はいずれも、この種の充填物の構成要素である波状薄板の形状を示したもので、厚さ０．１〜０．３ｍｍのアルミニウム等の金属薄板に、直径２〜４ｍｍの小孔（図中符号５３ａ、５４ａ、５５ａ）を一定の規則性を有する配置で穿孔し、これを波形に成形したものである。
【００４６】
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。このような構造の自己分配促進型規則充填物５３においては、波型薄板に設けられた多数の孔５３ａの配置、孔５３ａの大きさ、数等により自己分配促進性能の度合いが異なるため、これらの条件の選択、組み合わせに特徴を有する発明が多数提案されている。
【００４７】
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。
【００４８】
上記波状溝の形成方向は塔軸線に対して１５〜６０°、微小な波型溝（ひだ）５４ｂの形成方向は塔軸線に対して１５〜９０°の範囲に設定するのが好ましい。また、微小波型溝（ひだ）５４ｂの長さと高さは、０．３〜３ｍｍが好ましい。また、符号５４ａは薄板に形成された孔を示す。
【００４９】
さらに図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。また、符号５５ａは薄板に形成された孔を示す。
【００５０】
更に、これら自己分配促進型規則充填物のブロックを蒸留塔に充填するに際しては、該ブロック毎に、あるいは複数個のブロック毎に、ブロックを、塔の断面におけるブロックの載置角度（波型薄板の載置角度）を、所定角度ずつ回転させて積み重ねていくのが好ましく、これにより、均一分配の効果を更に向上させることができる。
【００５１】
この種の充填物における詳細な形状・構造とその特徴及びその充填法の特徴は、上記３つの公報の他にも例えば特開平５８−２６９９７号公報等にも紹介されている。
【００５２】
本発明では、上記２種の規則充填物（非自己分配促進型規則充填物、および自己分配促進型規則充填物）のうち、特に自己分配促進型規則充填物を用いるのが望ましい。
これは、自己分配促進型規則充填物を使用すると、蒸留塔内の下降液、上昇ガスの流れが均一となりやすく、気液接触効率を高めることができるためである。
【００５３】
また、上記充填物の比表面積は３５０ｍ^２／ｍ^３乃至１２００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは５００ｍ^２／ｍ^３乃至７５０ｍ^２／ｍ^３とするのが望ましい。この比表面積が３５０ｍ^２／ｍ^３未満であると気液接触面積が不足し、気液接触効率が低下する。１２００ｍ^２／ｍ^３を越えるとフラッディングを起こすおそれがある。
【００５４】
また、蒸留塔１１内における気液接触を効率よく行わせるために、蒸留塔１１内には、１または複数の液体捕集器および液体分配器（図示略）を設けるのが好ましい。
【００５５】
コンデンサ１２は、蒸留塔１１の塔頂部から導出したガスが導入される第１流路１２ａと、第１流路１２ａ内のガスと熱交換する熱媒体流体が流通する第２流路１２ｂ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。コンデンサ１２としては、向流式または並流式のプレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましく、特に蒸留に必要な熱媒体流体の流量が少なくて済むことから蒸留塔１１の塔外に設ける非浸漬型が好ましい。
【００５６】
リボイラ１３は、蒸留塔１１から導出した液が導入される第１流路１３ａと、第１流路１３ａ内の液と熱交換する熱媒体流体が流通する第２流路１３ｂ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。
リボイラ１３としては、向流式または並流式のプレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。
この場合、リボイラ１３は、蒸留塔１１の塔底部の塔外、塔内のどちらに設けてもよいが、塔外に設ける方が製作容易であるため好ましい。
【００５７】
なお、リボイラ１３に代えて塔底部塔内にコイル式リボイラを設けることもでき、この場合は塔底部液の所要液量の点では有利であるが、伝熱面積、製作性の点で不利となる。
【００５８】
ブロア１６としては、常温圧縮機を用いることができる。
【００５９】
また、熱交換器１７は、上記コンデンサ１２の第２流路１２ｂを経た熱媒体流体が導入される第１流路１７ａと、ブロア１６を経た熱媒体流体が導入される第２流路１７ｂを有し、ブロア１６の入口側の第１流路１７ａ内の熱媒体流体と、出口側の第２流路１７ｂ内の熱媒体流体との間で熱交換を行わせることができるようになっている。熱交換器１７としては、向流式または並流式のプレートフィン型熱交換器を用いるのが好ましい。
【００６０】
以下、上記装置を用いた場合を例として、酸素同位体重成分を含む酸素同位体分子のうち、^１６Ｏ^１７Ｏおよび^１６Ｏ^１８Ｏを濃縮する方法の一例を説明する。
【００６１】
まず、蒸留塔１１の充填物１４が充填された下部と、充填物１５が充填された上部との中間位置に接続されたフィード部である導管２０を通して、原料酸素ガス（フィード１０１）を蒸留塔１１内に供給する。
【００６２】
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。高純度酸素の製造方法としては、既知の高純度酸素製造装置を用いる方法、例えば特公平４−１３６２８号公報、特開昭６４−４１７４８号公報、特開昭６４−４６５６３号公報、特開平３−１７４８８号公報、特公平６−７２７４０号公報等に記載された方法を採用することができる。
【００６３】
上記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のが好ましい。
高純度酸素を使用することにより、本発明の各工程における酸素同位体重成分の濃縮を阻害する成分がなくなり、各工程が良好に行われる。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。
【００６４】
また低温蒸留を用いた高純度酸素製造装置から得られた低温の製品高純度酸素を用いると、原料酸素を寒冷源として利用できるため好ましい。なお原料酸素としては、液化酸素を用いることも可能である。
【００６５】
蒸留塔１１内に供給された原料酸素ガスは、蒸留塔１１内を上昇し充填物１５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。
この過程で、上記成分のうち同位体重成分をふくむもの（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏなど）は、高沸点であるため凝縮しやすく、凝縮液は還流液とともに下降液となって蒸留塔１１内を流下する。
このため、同位体重成分濃度が減少した酸素ガス（^１６Ｏ^１６Ｏ濃縮ガス）が蒸留塔１１の塔頂部に分離される。
【００６６】
濃縮されたガスは、導管２１を通して蒸留塔１１から導出され、その一部は導管２３を通してコンデンサ１２の第１流路１２ａに導入され、ここで第２流路１２ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して凝縮し、還流液１０４として導管２４を通して蒸留塔１１の塔頂部に戻され、蒸留塔１１内を流下する。
導管２１を通して蒸留塔１１から導出された上記濃縮ガスの他部は、導管２２を通して廃ガス１０５として系外に排出される。
【００６７】
蒸留塔１１の塔頂部に導入された還流液は、下降液となって、蒸留塔１１内を上昇する原料酸素ガスと気液接触しつつ流下し、蒸留塔１１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、液化しやすい酸素重成分同位体が濃縮される。
【００６８】
蒸留塔１１の塔底部に集められた液（以下、塔底部液ということがある）は、導管２５を通してリボイラ１３の第１流路１３ａに導入され、ここで第２流路１３ｂ内を流れる熱媒体流体と熱交換して気化した後、導管２６を通してリボイラ１３から導出され、その一部（リボイルガス１０３）が導管２７を通して再び蒸留塔１１の下部に導入され、蒸留塔１１を上昇する上昇ガスとなる。
【００６９】
リボイラ１３の第１流路１３ａから導出されたガスのうち残りの他部は、導管２８を通して、酸素重成分同位体が濃縮した製品ガス１０２として系外に取り出される。
【００７０】
次に、コンデンサ１２の第２流路１２ｂ、リボイラ１３の第２流路１３ｂに流通させる熱媒体流体の流れについて説明する。
【００７１】
熱媒体流体としては、窒素、酸素、空気、および空気液化分離装置の廃ガスのうち少なくとも１つを用いることができる。以下、熱媒体流体として窒素を用いた場合を説明する。
【００７２】
予め液体窒素を充填した貯留槽１８内の窒素はガスの状態で熱媒体流体として導管２９を通して貯留槽１８から導出され、バルブ３０、導管３１、３２を経てリボイラ１３の第２流路１３ｂ内に流入し、第１流路１３ａ内の塔底部液（酸素）と熱交換する。
リボイラ１３を経た窒素は、続いて、導管３３を経てバルブ３４で減圧され、この際、一部が凝縮する。
【００７３】
次いで、この窒素は、導管３５を経てコンデンサ１２の第２流路１２ｂに流入し、第１流路１２ａ内の酸素ガスと熱交換し気化する。
気化した窒素は、導管３６、４０を通して熱交換器１７の第１流路１７ａに導入され、ここで第２流路１７ｂ内の窒素と熱交換し加熱され常温とされた後、ブロア１６に導入され、ここで昇圧される。
【００７４】
ブロア１６で昇圧された窒素は、熱交換器１７の第２流路１７ｂに導入され、ここで第１流路１７ａ内の窒素と熱交換して冷却された後、導管４３を経て上記導管３１に導入され、上記経路で循環する。
【００７５】
上記循環経路１９とは、熱媒体流体である窒素を、コンデンサ１２とリボイラ１３の間で循環させる循環用導管である導管３１、３２、３３、３５、３６、４０、４１、４２、４３からなる経路をいう。
【００７６】
上記方法では、バルブ４４を有する導管４５を通して、例えば貯留槽１８内の液体窒素を上記導管３５に導入し、寒冷源として装置に補給することが可能である。
また循環する窒素の一部を、バルブ３８を備えた導管３７、３９を通して系外に排出することができる。
【００７７】
このように、熱媒体流体を循環使用することによって、熱媒体流体の寒冷を無駄なく利用し、エネルギー損失を最小限に抑え、運転コスト削減を図ることができる。
【００７８】
上記操作においては、蒸留塔１１内の密度補正空塔速度を、０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下、好ましくは０．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、１．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下となるように蒸留を行うのが好ましい。
【００７９】
この密度補正空塔速度が０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２未満であると、気液間の物質移動が小となり、気液接触効率（蒸留効率）が小さくなり、２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２を越えるとフラッディングが起こるおそれがあるため好ましくない。
また、塔内圧力は、０．５乃至５ｂａｒ、好ましくは１．１乃至２．５ｂａｒの範囲とするのが好ましい。
【００８０】
この圧力が０．５ｂａｒ未満であると蒸留操作が減圧蒸留（真空蒸留）となり、ポンプのリーク対策等、装置的配慮が必要となる。また圧力が５ｂａｒを越えると、上記３成分の相対揮発度がさらに１に近くなりこれらが分離しにくくなるため、蒸留塔内の所要充填高さが高くなり不利である。
【００８１】
上記酸素同位体の濃縮方法にあっては、規則充填物を充填してなる蒸留塔を用い、原料酸素の低温蒸留によって、^１６Ｏ^１７Ｏと^１６Ｏ^１８Ｏを濃縮するので、以下に示す効果が得られる。
【００８２】
以上説明したように、本発明の酸素同位体の濃縮方法は、規則充填物を充填してなる蒸留塔を用い、酸素の低温蒸留によって、^１６Ｏ^１７Ｏと^１６Ｏ^１８Ｏを濃縮するので、以下に示す効果が得られる。
【００８３】
（１）原料として他の元素を含まない酸素を用いるため、水蒸留法やＮＯ蒸留法に比べ、得られる濃縮物に、他元素の重成分同位体と^１６Ｏとの化合物が混入することがなく、高濃度の酸素同位体濃縮物を得ることができる。
【００８４】
（２）原料となる酸素の蒸発潜熱が小さい（酸素の蒸発潜熱は水の蒸発潜熱の約１／６である）ため、水蒸留法に比べ、コンデンサ１２およびリボイラ１３の交換熱量を小さくでき、装置のエネルギー消費量を小さくできる。このため、運転コスト削減が可能となる。また熱交換器の小型化が可能となり、装置コストが低減できる。
【００８５】
（３）原料となる酸素が腐食性、毒性のガスでないため、腐食性、毒性のガスであるＮＯを原料として用いるＮＯ蒸留法に比べ、取り扱い、安全性の点で有利である。
【００８６】
（４）規則充填物１４、１５を使用した蒸留塔１１を用いることによって、不規則充填材を用いた場合に比べ液ホールドアップ量の削減が可能となり、装置起動に要する時間を短縮することができる。またこれに伴って起動時に要する動力コスト等を低減し、運転コスト削減が可能となる。
【００８７】
（５）規則充填物の使用により、蒸留塔１１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。
【００８８】
（６）一般に、酸素同位体の分離係数は非常に１に近いため、蒸留塔として棚段蒸留塔を使用する場合には、理論的に数１０００段の塔が必要となり圧力損失が大きくなる。また不規則充填物を用いた場合にも圧力損失が大きくなる。
これに対し、上記実施形態の方法では、圧力損失が小さい規則充填物１４、１５を使用した蒸留塔１１を用いることによって、塔内圧を低く設定することができる。
塔内圧力を低くすることにより^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１７Ｏの相対揮発度、^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１８Ｏの相対揮発度を大きくすることができるため、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏの濃縮効率を高めることができる。
【００８９】
（７）規則充填物１４、１５として、蒸留塔１１内において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を促進しつつ気液接触を行わせる自己分配促進型規則充填物を用いることによって、気液接触効率を高め、酸素同位体の濃縮効率をいっそう向上させることができる。
【００９０】
（８）蒸留塔１１にコンデンサ１２、リボイラ１３を設け、これらコンデンサ１２とリボイラ１３の間で窒素等の熱媒体流体を循環使用することによって、熱媒体流体の寒冷を無駄なく利用し、エネルギー損失を最小限に抑え、運転コスト削減を図ることができる。
【００９１】
また、原料酸素として、低温蒸留を用いた高純度酸素製造装置から得られた低温の製品高純度酸素を用いることによって、この原料酸素を寒冷源として使用でき、装置の運転コストを削減することができる。
【００９２】
また、前処理装置等の不純物除去装置を、酸素同位体濃縮装置の一部として設ける必要がなくなり、装置の簡略化、工程の容易化を図ることができる。
【００９３】
また、原料酸素として、純度９９．９９９％以上の高純度酸素を用いることによって、不純物、例えばアルゴン、メタン等の炭化水素類、クリプトン、キセノン、パーフルオロカーボンなどが製品に混入するのを防ぐことができる。
特に、メタン等の炭化水素類が高濃度に濃縮されるのを防ぎ、発火等の事故を未然に防ぐことができる。
【００９４】
次に、上記プロセスによって蒸留塔１１内で行われる気液接触、蒸留による酸素同位体重成分の濃縮過程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。
【００９５】
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。
【００９６】
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 ＝ Ｊ_ＧＳ ＋ ρ_ＧＳｖ_ＧＳω_ＧＳ
【００９７】
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。
Ｓｈ_ＧＳ（Ｊ_ＧＳ／Ｎ） ＝ Ａ_１Ｒｅ_Ｇ ^Ａ２・Ｓｃ_ＧＳ ^Ａ３
【００９８】
ここで、Ｓｈ、Ｒｅ、Ｓｃは次式でそれぞれ定義される。
Ｓｈ_ＧＳ ＝ Ｎｄ／（ρ_ＧＳＤ_ＧＳΔω_ＧＳ）
Ｒｅ_Ｇ ＝ ρ_ＧＵ_Ｇｄ／μ_Ｇ
Ｓｃ_ＧＳ ＝ μ_ＧＳ／（ρ_ＧＳＤ_ＧＳ）
Ｎ：質量流束［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］
Ｊ：拡散流束［ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）］
ｄ：相当直径［ｍ］
Ｄ：拡散係数［ｍ^２／ｓ］
ρ：密度［ｋｇ／ｍ^３］
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［−］
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３：系によって決まる定数
添え字Ｇ：気相
添え字Ｓ：気液界面
【００９９】
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。
【０１００】
上記モデルについては、Ｊ．Ａ．Ｗｅｓｓｅｌｉｎｇｈ：”Ｎｏｎ−ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ”ＩＣｈｅｍＥ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ａ_ｎｄ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ’９７，ｖｏｌ．１，ｐｐ．１−２１（１９９７）に詳しく記載されている。
【０１０１】
次に、図１に示す濃縮装置を用いた場合を例として、上記式を用い、酸素重成分同位体の濃縮過程のシミュレーションを行った結果を説明する。
【０１０２】
天然の酸素には、３種の同位体（^１６Ｏ、^１７Ｏ、^１８Ｏ）が含まれており、その存在比は、^１６Ｏが９９．７５９％、^１７Ｏが０．０３７％、^１８Ｏが０．２０４％である。
従って、酸素分子としては、^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏの６種があるが、^１７Ｏ、^１８Ｏは存在比が非常に小さいため、表３に示すように、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏの３種の成分の存在比は非常に小さい。
【０１０３】
【表３】

【０１０４】
このため、このシミュレーションにおいては、存在比の小さい^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏの存在を無視し、原料酸素を、３種の成分（^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ）からなる３成分系として扱った。
【０１０５】
表４は充填物の比表面積を一定（５００ｍ^２／ｍ^３）、製品酸素同位体（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ）の濃度をほぼ一定値に固定して運転圧力を変化させた場合の他の諸元の変化を検討した結果を示すものである。
【０１０６】
表５は塔内圧力、塔径、充填高さ（塔の全高）を一定にして、充填物の比表面積を変化させた場合（５００、７５０、９００ｍ^２／ｍ^３）の他の諸元の変化を比較したものである。
【０１０７】
【表４】

【０１０８】
【表５】

【０１０９】
図７は、上記シミュレーションによって得られたケース１〜５の塔内圧力、塔径、塔の充填高さの関係を示すものである。
図７より、充填物の比表面積が一定の条件で、塔内圧力を上昇させることにより、塔の容積を小さくすることができることがわかる。
【０１１０】
しかし、^１６Ｏ^１７Ｏの濃縮率をほぼ一定にした場合、塔内圧の上昇とともに充填高さが高くなる傾向があり、３〜４ｂａｒ以上では、塔容積を小さくできる効果は少なくなる。
【０１１１】
また、表５より、充填物の比表面積を５００、７５０、９００ｍ^２／ｍ^３とした場合の比較において、塔の充填高さを一定としたときに、濃縮効率の点で充填物比表面積７５０ｍ^２／ｍ^３が有利であることがわかる。
【０１１２】
一方、塔内圧力を低くすることにより、塔径は大きくなるものの、同時に^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１７Ｏの相対揮発度、^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１８Ｏの相対揮発度を大きくすることができるため、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏの濃縮効率を高めることができる。
【０１１３】
図８は、上記シミュレーションによって得られた蒸留塔１１内の上記３成分（^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ）の濃度分布を示すものである。
この図より、上記成分のうち^１６Ｏ^１８Ｏの濃度は、蒸留塔１１の塔頂部から塔底部にかけて徐々に上昇することがわかる。
【０１１４】
これに対し、上記成分のうち^１６Ｏ^１７Ｏの濃度は、蒸留塔１１の塔頂部から塔底部にかけて一旦上昇してピークに達し、その後塔底部に近づくに従い徐々に減少することがわかる。
【０１１５】
このように、１つの蒸留塔を用いて^１６Ｏ^１７Ｏの濃縮を試みる場合には、^１６Ｏ^１７Ｏの濃縮可能な濃度に一定の限界があることがわかる。
このため、^１６Ｏ^１７Ｏの濃度を、例えば１０％以上に高めるには、複数の蒸留塔を用い、１つめの蒸留塔で^１６Ｏ^１７Ｏを濃縮し、得られた濃縮物をさらに２つ目以降の蒸留塔で濃縮する方法が有効であると考えられる。
【０１１６】
図９は、^１６Ｏ^１７Ｏおよび^１６Ｏ^１８Ｏ、特に^１６Ｏ^１７Ｏを高濃度に濃縮するために好適な濃縮装置を示すもので、ここに示す濃縮装置は、３本の蒸留塔（Ａ_１〜Ａ_３）を備えている。
第１塔Ａ_１の塔底部と第２塔Ａ_２の中間部（塔頂部と塔底部との中間位置）は導管５６ａ、５７ａで接続され、第２塔Ａ_２の塔底部と第３塔Ａ_３の中間部は導管５６ｂ、５７ｂで接続されている。また第３塔Ａ_３の塔底部には導管５６ｃが接続され、導管５６ｃ、５７ｃを通して第３塔Ａ_３の塔底部液を系外に導出することができるようになっている。
【０１１７】
また、第１塔Ａ_１の中間部に接続された導管５８は、原料酸素を第１塔Ａ_１内に導入するフィード部である。
また、導管５９ａ、５９ｂは第２塔Ａ_２の塔頂部から導出されたガスを第１塔Ａ_１内に戻すためのもので、導管５９ｂは、上記フィード部である導管５８の接続位置と塔底部との中間位置に接続されている。
【０１１８】
導管５９ｂには、ブロア５９ｃが設けられており、第２塔Ａ_２からの導出ガスを加圧して第１塔Ａ_１内に送ることができるようになっている。
第１乃至第３塔Ａ_１〜Ａ_３の塔頂部付近にはそれぞれコンデンサ６０ａ、６０ｂ、６０ｃが設けられており、塔Ａ_１〜Ａ_３の塔底部付近にはそれぞれリボイラ６１ａ、６１ｂ、６１ｃが設けられている。
【０１１９】
上記濃縮装置を使用する際には、まず原料酸素ガス（１１１）をフィード部である導管５８を通して第１塔Ａ_１に導入し、塔Ａ_１内で蒸留を行い、重成分同位体濃度が高められた塔底部液をリボイラ６１ａで気化させ一部を導管５７ａを通して第２塔Ａ_２の中間部に導入する。
この塔底部液は導管５６ａ’または導管５６ａ”から製品として抜き出してもよい。
【０１２０】
第２塔Ａ_２内に導入したガスを第２塔Ａ_２内で蒸留し、重成分同位体濃度がさらに高められた塔底部液をリボイラ６１ｂ、導管５７ｂを経て第３塔Ａ_３に導入し、ここでさらなる蒸留を行うことによって、重成分同位体濃度がさらに高められた塔底部液を得る。
この塔底部液は導管５６ｂ’または導管５６ｂ”から製品として抜き出してもよい。
【０１２１】
この際、塔内圧力、塔高、塔径、充填物種類等の各種条件を適宜設定することによって、最終段階の蒸留塔Ａ_３の前の蒸留塔である第２塔Ａ_２内において、塔の中間部に^１６Ｏ^１７Ｏの濃度ピークができ、かつ第２塔Ａ_２底部に、^１６Ｏ^１７Ｏ濃度が１％以上、^１６Ｏ^１８Ｏ濃度が９０％以上、残部の大部分が^１６Ｏ^１６Ｏとなる酸素同位体混合物が分離されるようにするのが好ましい。
【０１２２】
また、この際、第２塔Ａ_２の塔頂部付近のガスを導管５９ａ、５９ｂを通し、ブロア５９ｃを用いて加圧した後に第１塔Ａ_１に導入することにより、回収率を高めることができる。即ち第１塔Ａ_１内における同位体濃縮効率を向上させることができる。
【０１２３】
次いで、第３塔Ａ_３の塔底部液をリボイラ６１ｃ、導管５７ｃを経て製品ガス（１２０）として系外に導出する。上記蒸留操作においては、上記各種条件を適宜設定することによって、製品ガス（１２０）中の^１６Ｏ^１８Ｏ濃度を９０％以上に高めることができる。
【０１２４】
また、第３塔Ａ_３の塔頂部のガスを導管５７ｄを通して製品ガス（１１８）として系外に導出する。上記蒸留操作においては、上記各種条件を適宜設定することによって、製品ガス（１１８）中の^１６Ｏ^１７Ｏ濃度を１０％以上に高めることができる。
【０１２５】
図中符号１１１〜１２０は、それぞれ導管５８を通して第１塔Ａ_１に導入する原料酸素ガス（１１１）、第１塔Ａ_１の塔頂部から導出されたガス（１１２）、第１塔Ａ_１の塔頂部から導出されたガスをコンデンサ６０ａで液化した凝縮液（１１３）、リボイラ６１ａを経て導管５７ａを通して第２塔Ａ_２に導入されるガス（１１４）、第２塔Ａ_２の塔頂部から導出され導管５９ｂを通して第１塔Ａ_１に戻されるガス（１１５）、第２塔Ａ_２から導出されコンデンサ６０ｂで液化され再び第２塔Ａ_２に戻される液（１１６）、リボイラ６１ｂを経て導管５７ｂを通して第３塔Ａ_３に導入されるガス（１１７）、第３塔Ａ_３の塔頂部から導出されたガス（１１８）、第３塔Ａ_３の塔頂部から導出されコンデンサ６０ｃで液化され再び第３塔Ａ_３に戻される液（１１９）、リボイラ６１ｃを経て導管５７ｃを通して第３塔Ａ_３から導出されるガス（１２０）を示すものである。
【０１２６】
このように、蒸留塔を３つの蒸留塔、すなわち第１乃至第３の塔Ａ_１乃至Ａ_３で構成することによって、第１塔Ａ_１で濃縮した酸素同位体を第２塔Ａ_２、第３塔Ａ_３で更に濃縮することができる。
【０１２７】
従って、１つの蒸留塔を用いる場合に比べ、同位体濃縮率がより高い濃縮物、すなわち^１６Ｏ^１７Ｏの濃度を例えば１０％以上に高めた濃縮物（製品ガス１１８）と、^１６Ｏ^１８Ｏの濃度を例えば９０％以上に高めた濃縮物（製品ガス１２０）を得ることができる。
【０１２８】
また^１６Ｏ^１８Ｏを製品として採取する場合は、第１塔Ａ_１および第２塔Ａ_２の塔底部から製品を抜き出すこともできる。
また、^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１７Ｏの相対揮発度は、^１６Ｏ^１６Ｏに対する^１６Ｏ^１８Ｏの相対揮発度よりも小さいため、^１６Ｏ^１７Ｏは^１６Ｏ^１８Ｏよりも濃縮し難いが、第１乃至第３の塔Ａ_１乃至Ａ_３を使用し複数段階の濃縮を行うことにより、^１６Ｏ^１７Ｏの濃縮倍率を十分に高くすることができる。
【０１２９】
なお、上記装置では蒸留塔の数を３としたが、本発明はこれに限定されず、複数（ｎ）本の蒸留塔（Ａ_１〜Ａ_ｎ）を備え、塔Ａ_ｋ（ｋ：ｎ−１以下の自然数）の塔底部と塔Ａ_ｋ＋１の中間部を、塔Ａ_ｋの塔底部液を塔Ａ_ｋ＋１に導く導管で接続したものとすることができる。蒸留塔の数は、例えば２〜１００とすることができる。
【０１３０】
また、表４、表５に示す条件では、１本の蒸留塔の充填高さが数１００ｍとかなりの高さになるため、実際に装置を設計する場合には、蒸留塔を数１０〜１００ｍの充填高さの複数の塔に分割しこれらを連設することによって装置のコンパクト化を図る。
【０１３１】
図１０は、上記蒸留塔の分割を行った場合の濃縮装置の例を示すものである。
図１０に示す装置は、４つの蒸留塔（第１塔Ｂ_１〜第４塔Ｂ_４）を備え、塔Ｂ_ｋ（ｋ：３以下の自然数）の塔底部と塔Ｂ_ｋ＋１の塔頂部が、それぞれ塔Ｂ_ｋからの導出液を塔Ｂ_ｋ＋１に送る送液ポンプなどの送液手段６２ａ〜６２ｃを介して導管６３ａ〜６３ｃで直列に接続され、かつ塔Ｂ_ｋの下部と塔Ｂ_ｋ＋１の塔頂部がそれぞれ塔Ｂ_ｋ＋１からの導出ガスを塔Ｂ_ｋに導く導管６４ａ〜６４ｃで接続され、第１塔Ｂ_１の塔頂部付近にコンデンサ６５が設けられ、第４塔Ｂ_４の塔底部付近にリボイラ６６が設けられている。
【０１３２】
また、符号６９で示す循環経路は、図１に示す循環経路１９と同様に、熱媒体流体貯留槽７１から導出された熱媒体流体、例えば窒素ガスを、リボイラ６６、コンデンサ６５、熱交換器７３の第１流路７３ａ、循環手段であるブロア７２、熱交換器７３の第２流路７３ｂを通して循環させることができるようになっている。
なお、上記第１流路７３ａはブロア７２の入口側経路に相当し、第２流路７３ｂは出口側形路に相当する。
【０１３３】
ブロア７２としては、常温圧縮機と低温圧縮機のいずれをも用いることができる。なお、ブロア７２として低温圧縮機を用いる場合には、熱交換器７３は不要である。
【０１３４】
上記装置を使用する際には、原料ガスをフィード部である導管６７、導管６４ａを通して第１塔Ｂ_１に導入し、ここで蒸留を行った後、塔頂部に分離されたガスの一部を取り出し、他部をコンデンサ６５により液化し第１塔Ｂ_１内に戻すとともに、塔底部液を導管６３ａを通して第２塔Ｂ_２に導入する。
【０１３５】
次に、第２塔Ｂ_２内で得られた塔頂部ガスを導管６４ａを通して第１塔Ｂ_１に戻すとともに、第２塔Ｂ_２塔底部液を導管６３ｂを通して第３塔Ｂ_３に導入する。
【０１３６】
次に、第３塔Ｂ_３内で得られた塔頂部ガスを導管６４ｂを通して第２塔Ｂ_２に戻すとともに、第３塔Ｂ_３塔底部液を導管６３ｃを通して第４塔Ｂ_４に導入する。
【０１３７】
次に、第４塔Ｂ_４内で得られた塔頂部ガスを導管６４ｃを通して第３塔Ｂ_３に戻すとともに、第４塔Ｂ_４塔底部液を導管６３ｄを通してリボイラ６６を通して気化させた後、導管６８を通して系外に導出する。
【０１３８】
なお、上記装置では、原料ガスのフィード部である導管６７を、導管６４ａに接続したが、これに限らず、フィード部となる導管を、原料ガス中の同位体濃度等の条件に応じて導管６４ｂ、６４ｃに接続してもよい。また各塔の中間部に接続してもよい。
また、第１塔Ｂ_１塔頂部ガスの導出経路７０、またはガス戻し経路である導管６４ａ、６４ｂ、６４ｃにブロアを介在させることにより、各塔内の圧力を下げた運転を行うことができる。また減圧運転（真空運転）も可能である。
【０１３９】
これにより、各成分の相対揮発度が高められ収率が向上する。また同位体分離効率が高まり、塔の高さを低くすることが可能となる。
【０１４０】
このように複数本の蒸留塔を使用することにより、塔の高さを低くし、装置全体をコンパクトに構成することができ、設備コスト削減を可能とすることができる。
【０１４１】
なお、図１０に示す装置は、４つの蒸留塔を備えたものとしたが、これに限らず、複数（ｎ）本の蒸留塔（Ｂ_１〜Ｂ_ｎ）を備え、塔Ｂ_ｋ（ｋ：ｎ−１以下の自然数）の塔底部と塔Ｂ_ｋ＋１の塔頂部がそれぞれ塔Ｂ_ｋからの導出液を塔Ｂ_ｋ＋１に送る送液手段を介して導管で接続され、かつ塔Ｂ_ｋの下部と塔Ｂ_ｋ＋１の塔頂部がそれぞれ塔Ｂ_ｋ＋１からの導出ガスを塔Ｂ_ｋに導く導管で接続されたものとしてもよい。蒸留塔の数は、例えば２〜１００とすることができる。
【０１４２】
また、この場合にも、塔Ｂ_１の塔頂部にコンデンサを設け、Ｂ_ｋの塔底部にリボイラを設ける。
また、上述の図１に示す濃縮装置では、ブロア１６として常温圧縮機を例示し、熱交換器１７を設けたが、図１１に示すように、符号８６で示すブロアとして、低温圧縮機を用いる場合には、熱交換器１７を不要とすることができる。
【０１４３】
図１１に示す濃縮装置では、循環経路８１が、貯留槽１８中の液体窒素等の熱媒体流体をコンデンサ１２の第２流路１２ｂに導入する導管８２と、第２流路１２ｂ内の液またはガスをブロア８６を経てリボイラ１３の第２流路１３ｂに導入する導管８３と、第２流路１３ｂ内の液またはガスをバルブ８４を経て導管８２内に導入する導管８５を有する。
【０１４４】
この装置では、循環経路８１内を循環する熱媒体流体が低温圧縮機であるブロア８６によって冷却されるため、熱交換器１７が不要となる。
【０１４５】
また、図１２は、図１に示す濃縮装置において、蒸留塔１１の外部に設けられたリボイラ１３に代えて、蒸留塔１１の塔底部内部に、熱媒体流体が流通するコイル式リボイラ９１を設けた濃縮装置を示すものである。
【０１４６】
コイル式リボイラ９１は、蒸留塔１１の塔底部液を熱媒体流体との熱交換により加熱し、その一部を気化させることができるようになっている。
ここに示す濃縮装置においても、循環経路９２が、熱媒体流体をコイル式リボイラ９１とコンデンサ１２の第２流路１２ｂの間で循環させることができるようなっていることは図１に示す装置の場合と同様である。
【０１４７】
（実施例１）
図９に示す濃縮装置を用いた酸素重成分同位体濃縮のコンピュータシミュレーションを行った。コンデンサ６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、リボイラ６１ａ、６１ｂ、６１ｃとしては、プレートフィン型熱交換器を使用する場合を想定した。
【０１４８】
各塔の諸元を表６に示す。また、各塔のコンデンサ、リボイラの諸元を表７に示す。
また、符号１１１〜１２０に示す液またはガスの各成分の濃度、圧力、流量を表８に示す。
また図１３〜１５は、第１ないし第３塔Ａ_１〜Ａ３の高さ方向における上記３種の成分（^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ）の濃度分布を示すものである。
【０１４９】
【表６】

【０１５０】
【表７】

【０１５１】
【表８】

【０１５２】
図１３ないし図１５に示すように、上記シミュレーションにおいては、第１塔Ａ_１の塔底部液の^１６Ｏ^１８Ｏ濃度は１９．１％、^１６Ｏ^１７Ｏ濃度は０．７９９％となるという結果が得られた。
【０１５３】
この塔底部液の一部を第２塔Ａ２の中間部に供給し蒸留を行った際には、第２塔Ａ_２の塔底部液中の^１６Ｏ^１８Ｏ濃度は９４．２％、^１６Ｏ^１７Ｏ濃度は２．３４％まで高まるという結果が得られた。
【０１５４】
続いて、この塔底部液を第３塔Ａ_３の中間部に供給し蒸留を行った際には、第３塔Ａ_３の塔底部には９８．５％という高濃度の^１６Ｏ^１８Ｏを含む液が得られ、塔頂部には１２．１％という高濃度の^１６Ｏ^１７Ｏを含むガスが分離されるという結果が得られた。
【０１５５】
上記シミュレーションの結果により、上記仕様の装置によって、フィード流量２．８６ｍｏｌ／ｓに対して、濃度１２．１％の^１６Ｏ^１７Ｏを０．０００８４４ｍｏｌ／ｓ（年間生産量で０．８８トン）、濃度９８．５％の^１６Ｏ^１８Ｏを０．００７６０ｍｏｌ／ｓ（同８．１トン）生産することができることが明らかとなった。
【０１５６】
以上説明したように、本発明の酸素同位体の濃縮方法は、規則充填物を充填してなる蒸留塔を用い、原料酸素の低温蒸留によって、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏを濃縮するので、以下に示す効果が得られる。
【０１５７】
（１）原料として他の元素を含まない酸素を用いるため、水蒸留法やＮＯ蒸留法に比べ、得られる濃縮物に、他元素の同位体重成分と^１６Ｏとの化合物が混入することがなく、高濃度の酸素同位体濃縮物を得ることができる。
【０１５８】
（２）原料となる酸素の蒸発潜熱が小さい（酸素の蒸発潜熱は水の蒸発潜熱の約１／６である）ため、水蒸留法などに比べ、蒸留塔、熱交換器（リボイラ、コンデンサ等）などの小型化が可能であり、装置コストおよび運転コスト削減を図ることができる。
【０１５９】
（３）原料となる酸素が腐食性、毒性のガスでないため、腐食性および毒性をもつガスであるＮＯを原料として用いるＮＯ蒸留法などに比べ、原料の取り扱いが容易であり、かつ安全性の点で有利である。
【０１６０】
（４）規則充填物を使用した蒸留塔を用いることによって、液ホールドアップ量の削減が可能となり、装置起動に要する時間を短縮することができる。またこれに伴って運転コスト削減が可能となる。
【０１６１】
（５）規則充填物の使用により、蒸留塔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。
【０１６２】
（６）圧力損失が小さい規則充填物の使用によって、塔内圧を低く設定することができる。このため、各成分の相対揮発度が比較的大きい条件で蒸留を行うことができ、同位体重成分を含む酸素分子（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏなど）の濃縮効率を高めることができる。
【０１６３】
（７）規則充填物として、蒸留塔内において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を促進しつつ気液接触を行わせる自己分配促進型規則充填物を用いることによって、気液接触効率を高め、酸素同位体の濃縮効率をいっそう向上させることができる。
【０１６４】
（８）蒸留塔にコンデンサ、リボイラを設け、これらコンデンサとリボイラの間で熱媒体流体を循環使用することによって、熱媒体流体の寒冷を無駄なく利用し、エネルギー損失を最小限に抑え、運転コスト削減を図ることができる。
【０１６５】
（９）複数の蒸留塔を使用することによって、１つの塔で濃縮した酸素同位体を他の塔で更に濃縮することができる。従って、１つの蒸留塔を用いる場合に比べ、同位体濃縮率がより高い濃縮物を得ることができる。特に、^１６Ｏ^１７Ｏの濃縮倍率を十分に高くすることが可能となる。
【０１６６】
さらに、１つの蒸留塔を分割して直列に接続することにより、蒸留塔の高さを低く設定し、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【０１６７】
図１６は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置の他の実施形態を示すもので、ここに示す濃縮装置は、酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏ）を濃縮する第１蒸留塔２０１と、蒸留塔２０１により得られた濃縮物中における重成分のみからなる酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ、以下、重成分酸素分子という）の濃度を同位体交換反応によって高める同位体スクランブラーである同位体交換反応器２０３と、該同位体交換反応器２０３によって重成分酸素分子濃度を高めた濃縮物を低温蒸留することにより酸素同位体重成分を含む酸素分子をさらに濃縮する第２蒸留塔２０２を備えて構成されている。
【０１６８】
第１および第２蒸留塔２０１、２０２の内部には、規則充填物２０６が充填されている。
規則充填物２０６としては、上述の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。
【０１６９】
また蒸留塔２０１、２０２内における気液接触を効率よく行わせるためには、各蒸留塔２０１、２０２内に、１または複数の液体捕集器および液体分配器（図示略）を設ける必要がある。
【０１７０】
図１６において、蒸留塔２０１、２０２の塔頂部付近には、それぞれ蒸留塔２０１、２０２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コンデンサ５、７が設けられ、塔底部付近には、蒸留塔２０１、２０２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リボイラ６、８が設けられている。
【０１７１】
コンデンサ５、７は、蒸留塔２０１、２０２の塔頂部から導出したガスが導入される第１流路５ａ、７ａと、熱媒体流体が流通する第２流路５ｂ、７ｂ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。
【０１７２】
コンデンサ５、７としては、プレートフィン型熱交換器、あるいは直管式の熱交換器を用いるのが好ましく、蒸留に必要な熱媒体流体の量が少なくて済むことから蒸留塔の外部に設ける非浸漬型が好ましい。
【０１７３】
リボイラ６、８は、蒸留塔２０１、２０２から導出した液が導入される第１流路６ａ、８ａと、熱媒体流体が流通する第２流路６ｂ、８ｂ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。
リボイラ６、８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。
【０１７４】
なお、リボイラ６、８は、蒸留塔２０１、２０２の外部、内部のどちらに設けてもよいが、図示した装置のように、外部に設ける方が製作容易であるため好ましい。内部に設ける場合には、後述するコイル式のものを用いることができる。
【０１７５】
同位体交換反応器２０３は、外容器（図示略）と、その内部に充填された同位体交換反応触媒（図示略）を有するもので、この同位体交換反応触媒としては、例えばタングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）、および金（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。
【０１７６】
同位体交換反応器２０３は、蒸留塔２０１により得られた酸素同位体重成分濃縮物を反応器内部に導入し上記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高めることができるようになっている。
【０１７７】
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。
【０１７８】
コンデンサ５の第２流路５ｂと、リボイラ６の第２流路６ｂとは、図１に示す循環経路１９と同様の循環経路（図示略）によって接続されており、この循環経路内に熱媒体流体を循環させることによって、第１流路５ａ、６ａ内の液またはガスを気化または液化させることができるようになっている。
【０１７９】
同様に、コンデンサ７の第２流路７ｂと、リボイラ８の第２流路８ｂとは、循環経路１９と同様の循環経路（図示略）によって接続されている。
【０１８０】
以下、図１６に示す装置を用いた場合を例として、本発明の濃縮方法の他の実施形態を詳細に説明する。
【０１８１】
まず、第１蒸留塔２０１に接続されたフィード部である導管２２０を通して、原料酸素ガスを第１蒸留塔フィード２１１として蒸留塔２０１内に供給する。
第１蒸留塔２０１内に供給された原料酸素ガスは、蒸留塔２０１内を上昇し充填物２０６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（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏ）は、高沸点であるため凝縮しやすく、凝縮液は還流液とともに下降液となって蒸留塔２０１内を流下する。
【０１８２】
このため、同位体重成分濃度が減少した酸素ガス（^１６Ｏ^１６Ｏ濃縮ガス）が蒸留塔１の塔頂部に濃縮される。
濃縮されたガスは、導管２２１を通して蒸留塔２０１から導出され、その一部はコンデンサ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、還流液として蒸留塔２０１の塔頂部に戻される。
導管２２１を通して蒸留塔２０１から導出された上記濃縮ガスのうち残りの他部は、導管２２２を通して廃ガス２１３として系外に排出される。
【０１８３】
第１蒸留塔２０１の塔頂部に導入された還流液は、蒸留塔２０１内を上昇する原料酸素ガスと気液接触しつつ規則充填物２０６の表面を下降液となって流下し、蒸留塔２０１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（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏ）が濃縮される。
【０１８４】
第１蒸留塔２０１の塔底部に集められた液（以下、塔底部液ということがある）は、導管２２３を通して蒸留塔２０１から導出され、リボイラ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、リボイラ６から導出され、一部はリボイルガスとして再び蒸留塔２０１の下部に戻され、蒸留塔２０１内を上昇する上昇ガスとなる。
【０１８５】
リボイラ６の第１流路６ａを経たガスのうち残りの他部は、導管２２４を通して酸素同位体重成分が濃縮した濃縮物である第１蒸留塔導出ガス２１２として同位体交換反応器２０３内に導入される。
【０１８６】
第１蒸留塔導出ガス２１２が導入される同位体スクランブラー、即ち同位体交換反応器２０３内では、同位体交換反応器２０３内に充填された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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
従って、同位体交換反応器２０３による同位体交換反応によって得られた反応物（酸素分子）中の各同位体成分の存在比は、第１蒸留塔導出ガス２１２中の各同位体成分の存在比によって決まることになる。
【０１９０】
以下、このことをさらに詳細に説明する。
導出ガス２１２中に^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏの成分があり、それぞれのモル分率をＹ１１、Ｙ１２、Ｙ１３、とすると、同位体スクランブラーにより、各成分の酸素分子が相手の酸素原子をランダムに変えるので、同位体スクランブリング後の各成分の濃度は、
^１６Ｏ^１６Ｏ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）２ ・・・（ｉ）
^１６Ｏ^１７Ｏ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１２ ・・・（ｉｉ）
^１６Ｏ^１８Ｏ：（Ｙ１１＋Ｙ１２／２＋Ｙ１３／２）Ｙ１３ ・・・（ｉｉｉ）
^１７Ｏ^１７Ｏ：Ｙ１２２／４ ・・・（ｉｖ）
^１７Ｏ^１８Ｏ：Ｙ１２Ｙ１３／２ ・・・（ｖ）
^１８Ｏ^１８Ｏ：Ｙ１３２／４ ・・・（ｖｉ）
となる。なおこれら成分濃度の合計は１になる。
【０１９１】
上記のように複数種の同位体からなる分子が存在する時、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。上記実施形態は、触媒を使用した同位体交換器を同位体スクランブラーとして使用した例である。
【０１９２】
上記同位体交換反応によって、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏから重成分酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ）が構成され、上記第１蒸留塔導出ガス２１２中の重成分酸素分子の濃度が高まる。
【０１９３】
このようにして重成分酸素分子の濃度が高められたガスは、導管２２５を通して第２蒸留塔フィード２１４として第２蒸留塔２０２内に供給され、上昇ガスとなって蒸留塔２０２内を上昇し、充填物２０６の表面を流下する下降液（還流液）と気液接触しつつ蒸留塔２０２の塔頂部に到達する。一方、下降液は蒸留塔２０２の塔底部に到達する。
【０１９４】
この気液接触の過程において、上記同位体交換反応により生成した重成分酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ）は下降液中に濃縮され、かつ同位体交換反応により生成した^１６Ｏ^１６Ｏは上昇ガス中に濃縮される。
【０１９５】
第２蒸留塔２０２の塔底部液は導管２２６を通して蒸留塔２０２から導出され、リボイラ８で気化後、二分され、その一部は導管２２７を通して製品となる導出ガス２１５として系外に導出される。
【０１９６】
蒸留塔２０２から導出されリボイラ８で気化した塔底部液気化ガスのうち残りの他部は、上昇ガスとして再び蒸留塔２０２の下部に戻される。
第２蒸留塔２０２内に導入された該リボイルガスは、蒸留塔２０２内を上昇し、上記フィードガスと同様、充填物２０６を通過する際に上記下降液と気液接触し蒸留される。
【０１９７】
塔頂部に分離されたガスは、導管２２８を通して蒸留塔２０２から導出され、その一部はコンデンサ７を経て還流液として蒸留塔２０２の塔頂部に戻される。
【０１９８】
導管２２８を通して蒸留塔２から導出された上記分離ガスのうち残りの他部は、導管２２９、ブロワー２２９ａを経て戻りガス２１６として第１蒸留塔２０１内に戻される。
【０１９９】
上記第１および第２蒸留塔２０１、２０２を用いた蒸留操作においては、操作圧力は０．５〜５ｂａｒ、好ましくは１．１〜２．５ｂａｒ、さらに好ましくは１．１〜１．８ｂａｒとするのが好適である。
また、蒸留塔２０１、２０２内の密度補正空塔速度は、０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下、好ましくは０．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、１．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下となるようにするのが望ましい。
【０２００】
この密度補正空塔速度が０．５ｍｌ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２未満であると、気液間の物質移動が小となり、気液接触効率（蒸留効率）が小となる。また密度補正空塔速度が２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２を越えるとフラッディングが起こりやすくなるため好ましくない。
【０２０１】
またコンデンサ５の第２流路５ｂ、リボイラ６の第２流路６ｂに流通させる熱媒体流体としては、窒素、酸素、空気あるいは空気液化分離装置の廃ガスを用いることができる。
【０２０２】
上記方法にあっては、図１に示す装置を用いた濃縮方法と同様に、次の効果を得ることができる。
【０２０３】
（１）原料として他の元素を含まない酸素を用いるため、高濃度の酸素同位体濃縮物を得ることができる。
【０２０４】
（２）原料となる酸素の蒸発潜熱が小さいため、水蒸留法などに比べ、蒸留塔、熱交換器などの小型化が可能であり、装置コストおよび運転コスト削減を図ることができる。
【０２０５】
（３）原料となる酸素が腐食性、毒性のガスでないため、原料の取り扱いが容易であり、かつ安全性の点で有利である。
【０２０６】
（４）規則充填物を使用した蒸留塔を用いることによって、液ホールドアップ量の削減が可能となり、装置起動に要する時間を短縮することができる。またこれに伴って運転コスト削減が可能となる。
【０２０７】
（５）規則充填物の使用により、蒸留塔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。
【０２０８】
（６）圧力損失が小さい規則充填物の使用によって、各成分の相対揮発度が比較的大きい条件で蒸留を行うことができ、同位体重成分を含む酸素分子の濃縮効率を高めることができる。
【０２０９】
（７）規則充填物として、自己分配促進型規則充填物を用いることによって、気液接触効率を高め、酸素同位体の濃縮効率をいっそう向上させることができる。
【０２１０】
（８）蒸留塔にコンデンサ、リボイラを設け、これらコンデンサとリボイラの間で熱媒体流体を循環使用することによって、熱媒体流体の寒冷を無駄なく利用し、エネルギー損失を最小限に抑え、運転コスト削減を図ることができる。
【０２１１】
（９）複数の蒸留塔を使用することによって、同位体濃縮率がより高い濃縮物を得ることができる。また蒸留塔の高さを低く設定し、装置全体をコンパクトに構成することができる。
本実施形態の方法では、これらの効果に加えて、次の効果を得ることができる。
【０２１２】
（１０）酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏ）を濃縮した後、濃縮物中における重成分酸素分子（重成分のみからなる酸素分子：^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ）の濃度を、同位体交換反応によって高めるので、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。
これに対し、酸素蒸留法のみを用いる方法では、濃縮される同位体重成分含有酸素分子の大部分が^１６Ｏ^１７Ｏまたは^１６Ｏ^１８Ｏとなるため、^１７Ｏ、^１８Ｏ原子の比率に着目すれば、５０％以下に抑えられる。
【０２１３】
（１１）同位体スクランブリングを、前記濃縮物の同位体交換反応を促進する同位体交換反応触媒を備えた同位体交換反応器２０３を用いて行うことによって、装置構成を簡略化し設備コストを低く抑えることができる。
【０２１４】
図１７は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置のさらに他の実施形態を示すもので、ここに示す装置は、第２蒸留塔２０２の後段に同位体交換反応器２０７が設けられ、さらにその後段に第３蒸留塔２０４が設けられている点で上記図１６に示す装置と異なる。
同位体交換反応器２０７は、上記同位体交換反応器２０３と同様の構成とすることができる。
【０２１５】
第３蒸留塔２０４は、第１および第２蒸留塔２０１、２０２と同様に、内部に規則充填物２０６を充填することができる。
【０２１６】
上記充填物２０６の比表面積は３５０ｍ^２／ｍ^３乃至１２００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは５００ｍ^２／３ｍ乃至７５０ｍ^２／３ｍとするのが望ましい。この比表面積が３５０ｍ^２／ｍ^３未満であると気液接触面積が小さくなり気液接触効率が低下する。１２００ｍ^２／ｍ^３を越えるとフラッディングを起こしやすくなるため好ましくない。
【０２１７】
第３蒸留塔２０４の塔頂部付近には第１および第２流路９ａ、９ｂを有するコンデンサ９が設けられ、塔底部付近には第１および第２流路１０Ａ_１０ｂを有するリボイラ１０が設けられている。コンデンサ９の第２流路９ｂと、リボイラ１０の第２流路１０ｂとは、上記循環経路１９と同様の構成の熱媒体流体用循環経路（図示略）によって接続されている。
【０２１８】
上記装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行うには、まず、上述の過程に従って、第１蒸留塔２０１を経た第１蒸留塔導出ガス２１２を、同位体交換反応器２０３内に導入し、ここで濃縮物中の重成分酸素分子の濃度を同位体交換反応によって高め、これを第２蒸留塔２内に導入し、ここでさらに蒸留を行う。
【０２１９】
次いで、第２蒸留塔２の塔底部液をリボイラ８にて気化させ、その一部を第２蒸留塔２内に戻し、他部を導出ガス２１５として導管２３０を通して同位体交換反応器２０７内に導入する。
【０２２０】
同位体交換反応器２０７内においては、導出ガス２１５は前記同位体交換反応触媒に接触し、前記同位体交換反応により重成分酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ、特に^１８Ｏ^１８Ｏおよび^１７Ｏ^１８Ｏ）の濃度がさらに高まる。
【０２２１】
同位体交換反応器２０７によって重成分酸素分子（特に^１８Ｏ^１８Ｏおよび^１７Ｏ^１８Ｏ）の濃度が高められたガスは、導管２３１を通して第３蒸留塔フィード２１７として第３蒸留塔２０４内に供給され、第３蒸留塔２０４内での気液接触により蒸留される。この気液接触の過程において、下降液中にはさらに酸素同位体重成分（特に^１８Ｏ^１８Ｏ）が濃縮される。
【０２２２】
この塔底部液は導管２３２を通して蒸留塔２０４から導出され、リボイラ１０に導入されて気化して導出され、その一部は、導管２３５を通して製品となる導出ガス２１８として系外に導出される。
【０２２３】
第３蒸留塔２０４の塔底部液のリボイラ１０により気化したガスのうち残りの他部は、蒸留塔２０４の下部に戻される。
第３蒸留塔２０４内に導入されたガスは、蒸留塔２０４内を上昇し、充填物２０６を通過する際に上記下降液と気液接触し蒸留される。
【０２２４】
塔頂部に分離されたガスは、導管２３３を通して蒸留塔２０４から導出され、その一部はコンデンサ９を経て還流液として蒸留塔２０４の塔頂部に戻される。
【０２２５】
上記分離ガスのうち残りの他部は、導管２３４を通して廃ガス２１９として系外に排出される。なお廃ガス２１９は蒸留塔２０２へ戻してもよい（図１７中、破線で表示）。
上記第３蒸留塔２０４を用いた蒸留操作においては、操作圧力は０．５〜５ｂａｒ、好ましくは１．１〜２．５ｂａｒ、さらに好ましくは１．１〜２．０ｂａｒとするのが好適である。
【０２２６】
また蒸留塔２０４内の密度補正空塔速度は、０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下、好ましくは０．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以上、１．８ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２以下となるようにするのが好ましい。
【０２２７】
この密度補正空塔速度が０．５ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２未満であると、気液間の物質移動が小となり、気液接触効率（蒸留効率）が小となる。また密度補正空塔速度が２．０ｍ／ｓ（ｋｇ／ｍ^３）^１／２を越えるとフラッディングが起こりやすくなるため好ましくない。
【０２２８】
上記実施形態の方法では、第１蒸留塔２０１、同位体交換反応器２０３、第２蒸留塔２０２を経た導出ガス２１５中の重成分酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ）の濃度を、同位体交換反応器２０７を用いてさらに高め、得られた濃縮物（第３蒸留塔フィード２１７）を第３蒸留塔２０４内で蒸留することにより、フィード２１７中の酸素同位体重成分（特に^１８Ｏ^１８Ｏ）濃度を高めるので、酸素同位体重成分（特に^１８Ｏ^１８Ｏ）をより高濃度で含有する製品を得ることができる。
【０２２９】
特に、第３蒸留塔２０４にフィードされる濃縮物が、分離係数の大きい^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏが濃縮されたものとなるため、蒸留塔２０４の高さを低く設定できる。
【０２３０】
図１８は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置の他の実施形態を示すもので、ここに示す装置は、第３蒸留塔２０４の後段に、第４蒸留塔２０５を設けた点で図１７に示す装置と異なる。
【０２３１】
各蒸留塔２０１、２０２、２０４、および同位体交換反応器２０３、２０７は、図１７で示したものと同様の構成とすることができる。
なお、各蒸留塔２０１、２０２、２０４、２０５には、図１７に示したものと同様のコンデンサ、リボイラ（図示略）が設けられている。また図１８においては導管の一部を省略して図示した。
【０２３２】
第４蒸留塔２０５は、第１ないし第３蒸留塔と同様、内部に規則充填物２０６を充填した構成とすることができる。
【０２３３】
上記装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行うには、上述の過程に従って、第１蒸留塔２０１内において酸素同位体重成分の濃縮を行い、得られた第１蒸留塔導出ガス２１２を同位体交換反応器２０３内に導入し、重成分酸素分子の濃度を同位体交換反応によって高め、同位体交換反応器２０３を経た第２蒸留塔フィード２１４を第２蒸留塔２０２内に導入し、導出ガス２１５中の重成分酸素分子（特に^１８Ｏ^１８Ｏおよび^１７Ｏ^１８Ｏ）の濃度を同位体交換反応器２０７によって高め、得られた第３蒸留塔フィード２１７を第３蒸留塔２０４内に供給する。
【０２３４】
この際、塔内圧力、還流比、塔高、塔径、充填物種類等の各種条件を適宜設定することによって、第３蒸留塔２０４内において、塔の中間部（塔頂部と塔底部の中間位置）に^１７Ｏ^１８Ｏの最大濃度が出現する、すなわち該中間部に^１７Ｏ^１８Ｏの濃度ピークができるようにするのが好ましい。
【０２３５】
これによって、第３蒸留塔２０４の塔底部において^１６Ｏ^１８Ｏの濃度が低く抑えられ^１７Ｏ^１８Ｏの濃度が高められる。また第３蒸留塔２０４の底部に^１８Ｏ^１８Ｏが高い回収率で回収される。
【０２３６】
このように第３蒸留塔２０４の運転条件を設定することにより、第３蒸留塔２０４において塔底部に^１８Ｏを高濃度に濃縮するとともに、塔頂部に^１７Ｏを高濃度に濃縮することができる。
【０２３７】
次いで、第３蒸留塔２０４の底部において重成分酸素分子（特に^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏ）が濃縮された導出ガス２１８を、第４蒸留塔２０５内に導入する。
【０２３８】
第４蒸留塔２０５においては、蒸留により、特に^１８Ｏ^１８Ｏの濃度が高められた濃縮液が塔底部に集められ、導出液は、リボイラ（図示せず）で気化後、その一部は導出ガス（製品ガス）２０９として系外に導出される。また他の一部は再び蒸留塔２０５下部に導入され、上昇ガスとなる。
また、塔頂部に分離されたガスは、導出ガス２１０として系外に導出される。
【０２３９】
本実施形態の方法では、第１蒸留塔２０１、同位体交換反応器２０３、第２蒸留塔２０２、同位体交換反応器２０７、第３蒸留塔２０４を経た導出ガス２１８中の重成分酸素分子（^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏなど）の濃度を、第４蒸留塔２０５を用いてさらに高めることができる。
【０２４０】
このため、^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を例えば９９％以上に高めた導出ガス２０９を得ることができる。また^１７Ｏ^１８Ｏの濃度を例えば１０％以上に高めた導出ガス２１０を得ることができる。
【０２４１】
また、第４蒸留塔２０５にフィードされる濃縮物が、分離係数が大きい^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏが濃縮されたものとなるため、蒸留塔２０５の高さを低く設定できる。
また、本発明の装置は上記構成に限定されるものでなく、上記蒸留塔２０１、２０２、２０４、２０５は、図１０に示すように複数に分割することもできる。
【０２４２】
本発明で用いられる同位体スクランブラーとしては、図１９に示すものも使用可能である。
【０２４３】
ここに示す同位体スクランブラー３００は、同位体交換反応を、触媒による水素添加後、得られた生成水を電気分解することによって行うものであり、この同位体スクランブラーの前段に位置する蒸留塔からの導出ガスと水素とを反応させて水を生成させる反応系となる触媒塔３０２と、生成した水を凝縮させ回収する冷却器３０８と、冷却器３０８において回収された生成水を貯留する水貯槽３１１ａ、３１１ｂと、上記生成水を電気分解する電気分解器３２０と、電気分解により得られた酸素中の不純物を酸化する酸素精製器３２７と、酸化された不純物を除去するトラップ３２８を備えている。
【０２４４】
触媒塔３０２としては、塔内に水素・酸素反応触媒を充填したものを使用することができる。この触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＭｎからなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む触媒を用いるのが好適である。
また、上記金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ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酸化物からなる群より選択された１種または２種以上に担持させた触媒を用いることもできる。
【０２４５】
触媒塔３０２は、水素と酸素の反応を１５０℃以下の温度条件で行うことができるように構成するのが好ましい。１５０℃を越える温度では、上記酸化物自体に含まれる酸素と前記濃縮物中の酸素との交換反応が起きやすくなるため好ましくない。
【０２４６】
酸素精製器３２７としては、酸素を含まない触媒、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｐｄからなる触媒を備えたものを使用すると、製品中に触媒由来の酸素が混入するのを防ぐことができるため好ましい。
【０２４７】
また触媒としては、上記酸素を含まない触媒を上記金属酸化物上に担持させたものを使用することもできる。
【０２４８】
トラップ３２８としては、吸着式トラップ、コールドトラップなどを用いることができる。
【０２４９】
ここに示す同位体スクランブラー３００を使用するには、まず、前段の蒸留塔から導出されたガス（以下、濃縮物という）を、導管３０１を通して循環ブロワー３１５の吸入側に導入し、さらに導管３０５、３０６を経て触媒塔３０２に導入するとともに、後述する電気分解工程により生成した水素を導管３０４、３０６を通して触媒塔３０２内に供給する。また必要に応じ導管３０３、３０６を通して、図示せぬ供給源から供給された水素を触媒塔３０２内に補給することもできる。
【０２５０】
触媒塔３０２への水素供給量は、導管３０１に設けられた流量計（図示略）によって測定された上記濃縮物の流量に応じて適宜設定される。水素供給量の調節は、図示せぬ制御部によって、導管３０３、３０４に設けられた調節弁を開閉することによって行われる。
また同時に、希釈ガスが導管３１４、３１６より導管３０５を通して触媒塔３０２に導入される。この希釈ガスは、触媒塔３０２内に導入されるガスの成分濃度を爆発限界値以下にするとともに、触媒塔３０２内の温度を低温（例えば１５０℃以下、好ましくは１００℃以下）に保つためのもので、アルゴンなどの不活性ガスが使用可能である。
【０２５１】
導管３１６より補給する希釈ガスの供給量は、触媒塔３０２内に導入されるガス成分の濃度、温度などに応じて適宜設定される。
【０２５２】
導管３０１を通して触媒塔３０２内に導入された上記濃縮物は、導管３０３を通して導入された水素と反応し、これによって水が生成する。
【０２５３】
触媒塔３０２内で生成した水蒸気（生成水）は導管３０７を通して冷却器３０８に導入され、ここで冷凍機３０９から供給されたチラーにより冷却され凝縮し導管３１０を経て水貯槽３１１ａ、３１１ｂ内に貯留される。生成水の冷却は、生成水の温度が１０℃以下となるまで行うのが好適である。
【０２５４】
一方、冷却器３０８には熱交換部と凝縮水分離部が設けられており、該凝縮水分離部において生成水が分離された希釈ガスは、導管３１２、３１４を経て循環ブロワー３１５により上記導管３０５、３０６を通して触媒塔３０２内に返送されて循環使用される。また必要に応じて希釈ガスが導管３１６を通して導管３０５内に補給される。
【０２５５】
水貯槽３１１ａ、３１１ｂに貯留された生成水は、導管３１７を通して電気分解器３２０に導入され、ここで電気分解される。電気分解器３２０では、陽極室３２０ａにおいて分解生成物である酸素が生成し、陰極室３２０ｂにおいて分解生成物である水素が生成する。
【０２５６】
陰極室３２０ｂから導出された水素は、冷却器３２１で冷却され、循環ブロワー３２２により上記導管３０４、３０６を経て触媒塔３０２に導入される。触媒塔３０２に導入された水素は前記濃縮物に添加される水素として循環使用される。
【０２５７】
陽極室３２０ａから導出された酸素は、導管３２３を経て冷却器３２４で冷却され、ブロワー３２６により昇圧された後、酸素精製器３２７に導入される。
【０２５８】
酸素精製器３２７においては、陽極室３２０ａから導出された酸素中の不純物、例えば水素、一酸化炭素が酸化され、水、二酸化炭素などとなる。酸素精製器３２７内の温度は、３００℃程度とするのが好ましい。
【０２５９】
酸素精製器３２７内において酸化された不純物はトラップ３２８において除去される。
トラップ３２８を経た酸素は、導管３２９を通し、この同位体スクランブラー３００の後段に位置する蒸留塔に導入される。
なお陰極室３２０ｂにおいて生成した水素中に水蒸気が混入した場合、この水蒸気は冷却器３２１において前記冷凍機３０９から供給されたチラーなどにより冷却され凝縮し電気分解器３２０内に戻される。
【０２６０】
また陽極室３２０ａにおいて生成した酸素中に水蒸気が混入した場合、この水蒸気は冷却器３２４において前記冷凍機３０９から供給されたチラーなどにより冷却され凝縮し導管３２５を通して電気分解器３２０内に戻される。
【０２６１】
本実施形態の方法は、上記濃縮物を触媒塔３０２において水素と反応させ一旦水とすることによって、一分子あたりに含まれる酸素原子数を一つとする、すなわち酸素を原子ごとに分離した後に、電気分解器３２０において単体酸素に戻すものであるため、上述の同位体スクランブリング（同位体交換反応）が確実に行われ、各成分の濃度は、確実に上記式（ｉ）〜（ｖｉ）で示した値となる。
このため、重成分酸素分子の濃度を確実に高めることができる。
【０２６２】
また、本実施形態の方法は、濃縮物を一旦水とし、次いでこの水を電気分解する方法である。これら水の生成反応および水の電気分解反応は反応速度が高いため、生産効率を高めることが可能となる。
【０２６３】
なお上記電気分解器３２０として、陽極室３２０ａおよび陰極室３２０ｂにおいて高圧の酸素および水素ガスを生成させることができるものを用いた場合には、ブロワー３２２、３２６は不要である。
【０２６４】
上記方法は、濃縮物を希釈ガスにより希釈した後、触媒反応により水素と反応させることにより水を生成させたが、本発明ではこれに限らず、次に示すように燃焼器を用いて上記水素を上記濃縮物の存在下で燃焼させることにより水を生成させることもできる。
【０２６５】
図２０は、燃焼器を用いて上記濃縮物を水素と反応させて水を生成する同位体スクランブラーの例の主要部を示すものである。
【０２６６】
ここに示す同位体スクランブラー４００は、前段に位置する蒸留塔を経た濃縮物（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導管３４２と、図示せぬ供給源から供給された水素（重水素を含む）を導く導管３４３と、これら導管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４０１を主たる構成要素とするものである。
【０２６７】
燃焼器４０１の後段には、図１９に示すものと同様の水貯槽３１１ａ、３１１ｂ、冷却器３２１、電気分解器３２０、冷却器３２４、酸素精製器３２７、トラップ３２８が設けられている。
【０２６８】
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。
【０２６９】
制御器３４５は、予め設定された値による信号と、導管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、導管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。
【０２７０】
また、制御器３４５は、予め設定された値による信号と、導管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、導管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。
【０２７１】
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導管を示す。
【０２７２】
以下、上記同位体スクランブラー４００を前記同位体交換反応器２０３および／または同位体交換反応器２０７に代えて用いた場合の濃縮方法について説明する。
【０２７３】
前段に位置する蒸留塔から導出された導出ガスは、導管３３０、調節弁３３０ａを通して同位体スクランブラー４００の燃焼器４０１に導入される。
燃焼器４０１に導入された酸素ガスは、バッファタンク３４１を経て導管３４２を通して燃焼室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導管３４３を通して燃焼室３４４内に供給する。
【０２７４】
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燃焼室３４４内に供給される。
【０２７５】
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導管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。
【０２７６】
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。
【０２７７】
燃焼室３４４内に供給された上記酸素と水素はバーナー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。
【０２７８】
生成した水は、大部分が冷却コイル３４４ｃにより凝縮した後、取出口３４４ｄを通して燃焼室３４４外に導出され、導管３３１を通して水貯槽３１１ａまたは水貯槽３１１ｂに供給され貯留される。
【０２７９】
水貯槽３１１ａ、３１１ｂより導出した生成水は、電気分解器３２０に送られ、以下、前記図１９に示す同位体スクランブラー３００を用いるプロセスと同様にして同位体スクランブリングが行われる。
【０２８０】
上記燃焼器４０１を用いる方法は、同位体スクランブラー３００を用いる方法に比べて希釈ガスの循環系がないため、装置が簡素となる。
なお、燃焼器４０１に供給する水素は、上記同位体スクランブラー３００を用いる方法と同様に、循環使用する。
【０２８１】
また、同位体スクランブリングは、高温熱処理法によって行うこともできる。この場合には、上記濃縮物を１０００℃以上に熱した高温の石英管等の内部に通し、熱処理することにより上記同位体スクランブリング（同位体交換反応）を行う。
また、同位体スクランブリングは、酸化還元反応を利用して行うこともできる。この方法では、酸化還元反応時における酸素分圧、反応温度などの条件を適宜設定することによって、酸化還元反応を制御する。
【０２８２】
この方法では、濃縮物（Ｏ_２）を金属、金属酸化物などの被酸化物と反応させ、一旦酸化物とした後、これを還元して酸素を生成させる。これにより同位体スクランブリングが行われる。
【０２８３】
例えば、金属、金属酸化物などの被酸化物（Ｍｎ_３Ｏ_４、Ａｇ、Ａｕ）を下記の式に示されるように前記濃縮物（Ｏ_２）と反応させて酸化物（ＭｎＯ_２、Ａｇ_２Ｏ、Ａｕ_２Ｏ_３）とした後、この酸化物を還元し、酸素を生成させる方法が採用できる。
Ｍｎ_３Ｏ_４＋ Ｏ_２ ＝ ３ＭｎＯ_２
４Ａｇ ＋ Ｏ_２ ＝ ２Ａｇ_２Ｏ
４Ａｕ ＋ ３Ｏ_２ ＝ ２Ａｕ_２Ｏ_３
【０２８４】
また、被酸化物としてＣｕ_２Ｏ、ＦｅＯ、ＣＯを用い、濃縮物（Ｏ_２）を、下記のようにＣｕ_２Ｏ、ＦｅＯ、ＣＯと反応させ、酸化物（ＣｕＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣＯ_２）を得た後、この酸化物を還元し酸素を生成させる方法を採ることもできる。
Ｃｕ_２Ｏ ＋ ０．５Ｏ_２ ＝ ２ＣｕＯ
２ＦｅＯ ＋ ２Ｏ_２ ＝ ２Ｆｅ_２Ｏ_３
ＣＯ ＋ ０．５Ｏ_２ ＝ ＣＯ_２
【０２８５】
さらには、下記のように過酸化物（ＢａＯ_２）を利用した酸化還元反応を利用することもできる。
ＢａＯ ＋ ０．５Ｏ_２ ＝ ＢａＯ_２
【０２８６】
この反応においては、温度によって酸素平衡圧力が異なる。例えば６５０℃前後の温度条件においては左辺から右辺へ反応が進み、８００℃前後の温度条件においては右辺から左辺へ反応が進む。
この際、温度および酸素圧力を適当な値に設定し反応を制御することによって、右辺から左辺の反応、および左辺から右辺への反応のいずれをも利用することが可能である。
【０２８７】
また上記被酸化物としては、ＢａＯのほかに、ＳｒＯ、ＣａＯ、これらの混合物などを用いることができる。
なお、上記被酸化物としては、上記ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＦｅＯ、ＣＯ、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ａｇ、Ａｕのうち２種以上の混合物を用いることもできる。
【０２８８】
このように、酸素同位体重成分濃縮物により被酸化物を酸化した後、得られた酸化物を還元することにより同位体スクランブリングを行うことによって、反応の速度を高め、生産効率を高めることができる。
【０２８９】
また、同位体スクランブリングは、上記濃縮物に、無声放電、高周波放電、あるいは電磁誘導により酸素プラズマを発生させて行うこともできる。この方法では、プラズマにより酸素イオンまたはラジカルが発生するため、濃縮物中の酸素分子と他の酸素分子との間で同位体スクランブリング（同位体交換）が行われる。
【０２９０】
また、同位体スクランブリングは、濃縮物の一部を一旦オゾンに変換した後、再び酸素に分解する方法を採ることもできる。オゾン化の方法としては、紫外線照射、無声放電が好適である。
【０２９１】
なお、本発明の酸素同位体の濃縮方法では、図１７または図１８に示す装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行うにあたり、第２蒸留塔２０２からの導出ガス２１５を直接第３蒸留塔２０４または第４蒸留塔２０５に供給することも可能である。
【０２９２】
なお本実施形態では同位体重成分を含む酸素分子（^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏ）のすべてを濃縮する場合に限らず、これら６種のうち少なくとも１種を濃縮すればよい。
【０２９３】
次に、図１７および図１８に示す装置を用いて酸素同位体重成分の濃縮を行った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。
本シミュレーションでは、上述の速度論的モデルを利用した。
【０２９４】
（実施例２）
上記モデルを用いて図１７に示す装置のプロセスを運転する場合のシミュレーションを行った結果を表１０ないし表１２、および図２１ないし図２３に示す。装置仕様を表９に示す。
【０２９５】
表１０ないし表１２は、各工程で得られるガスまたは液の圧力、流量、および同位体成分濃度を示すものである。
【０２９６】
図２１ないし図２３は、それぞれ第１ないし第３蒸留塔２０１、２０２、２０４内における各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【０２９７】
このシミュレーションにおいて、酸素は６つの同位体成分（^１６Ｏ^１６Ｏ、^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、^１８Ｏ^１８Ｏ）からなるものとした。
【０２９８】
【表９】

【０２９９】
【表１０】

【０３００】
【表１１】

【０３０１】
【表１２】

【０３０２】
（実施例３）
上記モデルを用いて図１８の装置のプロセスを運転する場合のシミュレーションを行った結果を表１４ないし表１８、および図２４ないし図２７に示す。
【０３０３】
各蒸留塔の仕様及びリボイラー／コンデンサーの熱量、運転圧力、密度補正空塔速度を表１３に示した。
【０３０４】
表１４ないし表１７は、各工程で得られるガスまたは液の圧力、流量、および同位体各成分の濃度を示すものである。
【０３０５】
表１８は第４蒸留塔２０５のフィードガスの組成、塔頂および塔底より導出される製品ガスの圧力、流量、組成濃度を示す。また第４蒸留塔２０５で得られる製品の原子比率を表１８に併せて示す。
【０３０６】
図２４ないし図２７は、それぞれ第１ないし第４蒸留塔２０１、２０２、２０４、２０５内における各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【０３０７】
【表１３】

【０３０８】
【表１４】

【０３０９】
【表１５】

【０３１０】
【表１６】

【０３１１】
【表１７】

【０３１２】
【表１８】

【０３１３】
図２６に示すように、第３蒸留塔２０４においては、塔の中間部に^１７Ｏ^１８Ｏの濃度ピークが出現している。
【０３１４】
（比較例１）
比較のため、同位体交換反応を行なわずに酸素同位体重成分の濃縮を試みた場合について上記モデルを用いてコンピュータシミュレーションを行った結果を表１９および表２０に示す。
【０３１５】
この例では、同位体交換反応器２０３を備えていないこと以外は図１６に示すものと同様の装置を用いることを想定した。装置仕様は、実施例２（表２）に準じて定めた。
【０３１６】
【表１９】

【０３１７】
【表２０】

【０３１８】
（比較例２）
また、１本の蒸留塔を用いて原料酸素の同位体の濃縮を試みた結果（蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布）を図８に示した。
【０３１９】
表１０〜表１２、図２１〜図２３より、図１７に示す装置を用いることを想定した実施例２においては、第３蒸留塔２０４からの導出ガス２１８として、重成分酸素分子である^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を９９％以上に高めた濃縮物を得ることができることがわかる。
【０３２０】
また同位体交換を行った場合に得られる第２蒸留塔導出ガス２１５（表１１）と、同位体交換を行わない比較例１および比較例２で得られる濃縮物との比較から、同位体交換を行うことにより酸素同位体重成分、特に^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を高めることができることがわかる。
【０３２１】
また、表１４〜表１８、図２４〜図２７より、図１８に示す装置を用い、第３蒸留塔２０４の中間部に^１７Ｏ^１８Ｏの濃度ピークができるように蒸留操作を行うことを想定した実施例３においては、第４蒸留塔２０５の塔底導出ガス２０９として、^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を９９．５％にまで高めた濃縮物を得ることができることがわかる。
【０３２２】
また、この塔底導出ガス２０９の流量９．３４×１０^−４ｍｏｌ／ｓで決まる^１８Ｏ^１８Ｏの収率は４７．５％と十分に高い値であり、^１８Ｏ^１８Ｏを高収率で回収することができることがわかる。
【０３２３】
上記^１８Ｏ^１８Ｏ（純度９９．５％）の生産量は、年間約１０００ｋｇに相当することから、工業生産を行うための生産量として十分な量が得られることがわかる。
【０３２４】
また実施例３においては、塔頂導出ガス２１０として、^１７Ｏ^１８Ｏの濃度を１０％以上に高めた濃縮物を得ることができる。
【０３２５】
従来の水蒸留法によってＨ_２ ^１７Ｏを濃縮分離した場合、Ｈ_２ ^１７Ｏの濃縮は１％乃至３％程度が限度であるため、実施例３の方法では、^１７Ｏの濃縮率を著しく高めることができることがわかる。
【０３２６】
導出ガス２０９の流量は７．０３×１０^−５ｍｏｌ／ｓで、^１７Ｏ^１８Ｏ濃度が１０．３％と十分に高い値であり、高い収率で^１７Ｏ^１８Ｏを回収できることがわかる。
【０３２７】
上記^１７Ｏ^１８Ｏ（純度１０．３％）の生産量は、年間約７７．５ｋｇに相当することから、工業生産を行うための生産量として十分な量が得られることがわかる。
【０３２８】
以上説明したように、本発明にあっては、以下に示す効果を得ることができる。
【０３２９】
（１）原料として他の元素を含まない酸素を用いるため、高濃度の酸素同位体濃縮物を得ることができる。
【０３３０】
（２）原料となる酸素の蒸発潜熱が小さいため、水蒸留法などに比べ、蒸留塔、熱交換器などの小型化が可能であり、装置コストおよび運転コスト削減を図ることができる。
【０３３１】
（３）原料となる酸素が腐食性、毒性のガスでないため、原料の取り扱いが容易であり、かつ安全性の点で有利である。
【０３３２】
（４）規則充填物を使用した蒸留塔を用いることによって、液ホールドアップ量の削減が可能となり、装置起動に要する時間を短縮することができる。またこれに伴って運転コスト削減が可能となる。
【０３３３】
（５）規則充填物の使用により、蒸留塔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。
【０３３４】
（６）圧力損失が小さい規則充填物の使用によって、各成分の相対揮発度が比較的大きい条件で蒸留を行うことができ、同位体重成分を含む酸素分子の濃縮効率を高めることができる。
【０３３５】
（７）規則充填物として、自己分配促進型規則充填物を用いることによって、気液接触効率を高め、酸素同位体の濃縮効率をいっそう向上させることができる。
【０３３６】
（８）蒸留塔にコンデンサ、リボイラを設け、これらコンデンサとリボイラの間で熱媒体流体を循環使用することによって、熱媒体流体の寒冷を無駄なく利用し、エネルギー損失を最小限に抑え、運転コスト削減を図ることができる。
【０３３７】
（９）複数の蒸留塔を使用することによって、同位体濃縮率がより高い濃縮物を得ることができる。また蒸留塔の高さを低く設定し、装置全体をコンパクトに構成することができる。
【０３３８】
（１０）酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子（^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏ）を濃縮した後、濃縮物中における重成分酸素分子（重成分のみからなる酸素分子：^１８Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１７Ｏ^１７Ｏ）の濃度を、同位体交換反応によって高めることによって、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。
【０３３９】
（１１）同位体スクランブリングを、酸素同位体重成分濃縮物に水素を添加してこれらを反応させることにより酸素同位体重成分を高濃度で含有する水を生成させ、この生成水を電気分解することにより酸素同位体重成分を含む酸素と水素に分離することにより行うことによって、反応の速度を高め、生産効率を高めることができる。
【０３４０】
（１２）酸素同位体重成分濃縮物にｓｄより被酸化物を酸化した後、得られた酸化物を還元することにより同位体スクランブリングを行うことによって、反応の速度を高め、生産効率を高めることができる。
【０３４１】
本発明の酸素同位体重成分の濃縮方法および装置は、トレーサーなどとして用いられる酸素同位体重成分である^１７Ｏ、^１８Ｏを濃縮するために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の酸素同位体の濃縮装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】 図２は、第１図に示す濃縮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】 図３は、第１図に示す濃縮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】 図４は、第１図に示す濃縮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】 図５は、第１図に示す濃縮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】 図６は、第１図に示す濃縮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７】 図７は、第１図に示す濃縮装置を用いた場合を例として、蒸留操作をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図８】 図８は、第１図に示す濃縮装置を用いた場合を例として、蒸留操作をシミュレートした結果を示すグラフである。
【図９】 図９は、本発明の酸素同位体の濃縮装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１０】 図１０は、本発明の酸素同位体の濃縮装置に用いられる蒸留塔の例を示す概略構成図である。
【図１１】 図１１は、本発明の酸素同位体の濃縮装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１２】 図１２は、本発明の酸素同位体の濃縮装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】 図１３は、図９に示す濃縮装置を用いた場合を例として、蒸留操作をシミュレートした結果を示すグラフであり、第１塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図１４】 図１４は、図９に示す濃縮装置を用いた場合を例として、蒸留操作をシミュレートした結果を示すグラフであり、第２塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図１５】 図１５は、図９に示す濃縮装置を用いた場合を例として、蒸留操作をシミュレートした結果を示すグラフであり、第３塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図１６】 図１６は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１７】 図１７は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１８】 図１８は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１９】 図１９は、本発明の濃縮装置に用いられる同位体スクランブラーの一例を示す概略構成図である。
【図２０】 図２０は、本発明の酸素同位体重成分の濃縮装置に用いられる同位体スクランブラーの他の例の主要部を示す概略構成図である。
【図２１】 図２１は、図１７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、第１蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２２】 図２２は、図１７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、第２蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２３】 図２３は、図１７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、第３蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２４】 図２４は、図１７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、第１蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２５】 図２５は、図１８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、第２蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２６】 図２６は、図１８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、第３蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。
【図２７】 図２７は、図１８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、第４蒸留塔内の各同位体成分の濃度分布を示すものである。

Claims (20)

1. 酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏを濃縮した後、同位体スクランブリングを行なって上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重成分の濃縮方法。
2. 前記同位体スクランブリングによって得られた酸素同位体重成分濃縮物を再度低温蒸留することにより、上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さらに高めた濃縮物を得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の濃縮方法。
3. 請求項２に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、さらに同位体スクランブリングを行うことによって、その中の少なくとも一成分の濃度を高めることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法。
4. 請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、再度低温蒸留することにより、少なくとも酸素同位体重成分^１８Ｏ^１８Ｏの濃度をさらに高めることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法。
5. 請求項２または請求項４に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法によって得られた酸素同位体重成分濃縮物を、さらに低温蒸留することにより、酸素同位体重成分^１８Ｏ^１８Ｏの濃度を高めた酸素同位体重成分濃縮物と、^１７Ｏを含む酸素同位体重成分の濃度を高めた濃縮物とを得ることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮方法。
6. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、触媒反応を利用した同位体交換反応であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
7. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物に水素を添加してこれらを反応させることにより前記酸素同位体重成分を高濃度で含有する水を生成させ、この生成水を電気分解することにより酸素同位体重成分を含む酸素と水素に分離することにより行われることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
8. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を、無声放電、高周波放電あるいは電磁誘導によるプラズマ中を通過させることにより行なわれることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
9. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物に紫外線を照射し該濃縮物をオゾン化し、これを分解することにより行なわれることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
10. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を、ＢａＯ、ＳｒＯ、ＣａＯ、Ｃｕ２Ｏ、ＦｅＯ、ＣＯ、Ｍｎ３Ｏ４、Ａｇ、Ａｕおよび／またはこれらの混合物との酸化還元反応により行われることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
11. 前記酸素同位体重成分を濃縮する同位体スクランブリングが、前記酸素同位体重成分濃縮物を１０００℃以上で高温熱処理することにより行われる同位体交換反応であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
12. 前記濃縮物と水素との反応が、燃焼器による燃焼であることを特徴とする請求項７に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
13. 前記濃縮物と水素との反応が、該反応系に希釈ガスを供給し該濃縮物および水素を希釈して行なう触媒反応であることを特徴とする請求項７に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
14. 前記濃縮物と水素との反応により生成した水を冷却し凝縮させ、凝縮水を希釈ガスから分離し、該凝縮水を分離した希釈ガスを前記反応系に返送し循環使用することを特徴とする請求項１３に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
15. 前記電気分解により発生する水素を、前記濃縮物に添加する水素として循環使用することを特徴とする請求項７に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
16. 前記電気分解により発生する酸素中の不純物を、触媒反応により酸化除去することを特徴とする請求項７に記載の酸素同位体重成分の濃縮方法。
17. 酸素同位体重成分を含む原料酸素を低温蒸留することにより、酸素同位体重成分を含む酸素分子^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏのうちの少なくとも１成分を濃縮する少なくとも１つの蒸留塔と、該蒸留塔により得られた酸素同位体重成分濃縮物中における^１６Ｏ^１７Ｏ、^１６Ｏ^１８Ｏ、^１７Ｏ^１７Ｏ、^１７Ｏ^１８Ｏ、および^１８Ｏ^１８Ｏのうちの少なくとも１つの濃度を、同位体スクランブリングによって高める少なくとも１基の同位体スクランブラーを備えていることを特徴とする酸素同位体重成分の濃縮装置。
18. 前記同位体スクランブラーは、前記濃縮物の同位体交換反応を促進する同位体交換反応触媒を備えたものであり、この同位体交換反応触媒が、タングステン、タンタル、パラジウム、ロジウム、白金、および金からなる群より選択された１種または２種以上を含むものであることを特徴とする請求項１７に記載の酸素同位体重成分の濃縮装置。
19. 前記同位体スクランブラーは、前記濃縮物の同位体交換反応を促進する同位体交換反応触媒を備えたものであり、この同位体交換反応触媒が、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種以上を含むものであることを特徴とする請求項１７に記載の酸素同位体重成分の濃縮装置。
20. 蒸留塔が、規則充填物を充填してなるものであり、該規則充填物が、蒸留塔中で下降液流と上昇ガス流とを接触させる際に、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物質移動が行われる形状を有するもの（自己分配促進型規則充填物）であることを特徴とする請求項１７に記載の酸素同位体重成分の濃縮装置。

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