(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリアグリッド上に配置された複数の不規則的或いは規則的なパッキンを含むカラムにおいて液体を回収及び分配するための装置であって、前記装置は、複数の層コレクタ（２００）と該層コレクタ（２００）の下方に配置されるディストリビュータ流出システム（３００）とを備え、前記層コレクタ（２００）のそれぞれは主通路（２０２）と、副通路（２１０）と、前記主通路（２０２）と前記副通路（２１０）とを分離するためのフロースプリッタ（２１２）と、を含み、前記フロースプリッタ（２１２）は複数の液体流出口（２１４）を有し、前記副通路（２１０）は複数の液体流出口（２１６）を有し、かつ前記ディストリビュータ流出システム（３００）は複数の液体流出口（３３２）を有し、それにより前記液体が前記カラムの断面上に均一に分配される、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記層コレクタ（２００）は金属薄板からなる層（２０４）を含み、前記層（２０４）は、前記主通路（２０２）、前記副通路（２１０）、及び前記フロースプリッタ（２１２）とともにユニットを形成し、前記ユニットは、前記層（２０４）、前記主通路（２０２）、前記副通路（２１０）及び前記フロースプリッタ（２１２）を互いに対して所定の角度にて配置することにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記主通路（２０２）から前記副通路（２１０）への液体の流入又は前記副通路（２１０）から前記主通路（２０２）への液体の流入は、前記フロースプリッタ（２１２）に設けられた前記液体流出口（２１４）を通じて行われることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
互いに対して平行に配置された複数の層コレクタ（２００）が物質交換カラムの断面積の全体を覆うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
層コレクタ（２００）の複数の主通路（２０２）は該コレクタ（２００）のリング通路（２４０）によって互いに連結されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記液体流出口（２１６）から副通路（２１０）の外部へ流出し、ディストリビュータ流出システム（３００）内へと流入する液体は流入流沈静要素（３０２）を介することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
副通路（２１０）から液体を流出させる液体流出口（２１６）は、ディストリビュータ流出システム（３００）の側壁（３３０）と堰（３３６）との間に位置するディストリビュータ流出システム（３００）の室内に開口することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
流入流沈静要素（３０２）は、ポット（３０６）の中央に配置される浸漬管（３０４）を有し、該浸漬管（３０４）の断面積は浸漬管の上方に位置する副通路（２１０）の液体流出口（２１６）よりも大きく、前記ポット（３０６）は下方に底（３０８）を有し、上方に開放することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記浸漬管（３０４）は前記ポット（３０６）内に浸漬管の全長（Ｌ３０４）の５０〜９０％だけ突出することを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ポット（３０６）の断面積は浸漬管（３０４）の断面積の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
浸漬管（３０４）及びポット（３０６）は円形の断面を有し、ポット（３０６）の直径（Ｄ３０６）は浸漬管（３０４）の直径の２１／２倍よりも大きく、かつ通路幅（Ｂ３３０）の１／２を越えないことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
篩グリッド（３１２）がポット（３０６）の全断面積を覆って配置されるか、または浸漬管（３０４）とポット（３０６）との間のみに配置されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
少なくともポット（３０６）と浸漬管（３０４）とが重なり合う部分においてポット（３０６）と浸漬管（３０４）との間にガイドブレードグリッド（３１４）が配置されることを特徴とする請求項８または９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカラムにおいて液体を回収及び分配するための装置に関する。カラム内においてキャリアグリッド上に多数の不規則あるいは規則パッキンが配置され、キャリアグリッドの下方に液体を回収及び分配するための装置が置かれる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の物質交換カラムにおいては、パッキンすなわち充填体がキャリアグリッドによって支持され、液体はこのキャリアグリッドを通じて滴下し、捕集、混合されて再分配または液体の除去のために移送される。
【０００３】
応用分野としては、流体系における吸着及び脱着、蒸留及び精留、触媒層における反応などの物質分離技術がある。ここ数年では不規則充填体または特定の構造を有するパッキンまたは規則パッキンを物質交換カラムにおいて用いることが一般的であった。充填体の有効性は逆流液にてその表面を均一に濡らすことと、断面にわたって液−気相の質量比が一定であることに非常に大きく依存している。
【０００４】
液体の流出量及び分配が不均一であり、濡れが不均一となるような場合、充填体層の内部において例として通過流などの形で分配不良（不完全な分配）が生じる。これにより物質交換カラムの効率及び機能は大幅に制限されてしまう。このため、下方に流れる液体をカラム断面にわたってできるだけ均一に分配する目的でパッキン区画の上に液体ディストリビュータが配置される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような物質交換カラムにおいて必要とされる均一な液体の分配の実現を目的とした多くの液体コレクタ及びディストリビュータが知られているが、これらはいずれもコスト及び手間のかかるものである。該ディストリビュータの例としては、ボミオ（Ｐ．Ｂｏｍｉｏ）等により記載される（Ｃｈｅｍ．Ｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．４３，ｎｏ．１１／１２，１９９１参照）ようなものがあり、記載中、管ディストリビュータ、要素ディストリビュータ、または通過ディストリビュータとして示されている。これらの液体ディストリビュータは水平方向のディストリビュータ通路を有する。ディストリビュータ通路は一般にディストリビュータ通路に対して直交するように延びる１以上の主通路により供給を受ける。ディストリビュータ通路は管ディストリビュータでは上側において閉鎖されるが、要素ディストリビュータまたは通過ディストリビュータでは上方に開口する。要素ディストリビュータまたは通過ディストリビュータは所定の通路充填レベルにて動作する。特殊な流出要素を介して流出要素の下方に置かれるパッキン区画上に滴下する液量を、ディストリビュータに作用する静水圧により調整する。液体の充填された高さは液体のロードの２乗にほぼ比例して大きくなる。上記した従来のディストリビュータではカラム断面の大部分を通路が占めるため、特定の組成の液体を大量に含むことになる。このことは、分配される液体の組成の迅速な変化について、ディストリビュータ、ひいてはカラム全体に影響する。これらの公知のコレクタ及びディストリビュータ装置の動作原理の説明においては問題点もまた示されている。
【０００６】
このパッキン区画から流出する液体は液体コレクタによって捕集される。液体は更に液体コレクタから管またはシャフト構造を介してディストリビュータの主通路または副通路に流れる。この供給はほぼ中央に配置される比較的大きな流入部または複数の比較的大きな流入部を介して行われる。この構成により生じる、上記液体の乱流及び流れ速度はこの種のディストリビュータ流入部においては非常に大きい。このためプレディストリビュータ通路または流入流沈静要素などの適当な手段を主通路に配置しなければならない。液体の移送は閉鎖式または開放式の構成において一段階または多段階で行われるが、液体は常に重力の向きに流れる。ここで、ディストリビュータ通路の長手方向の流れによって液体の不均一な分配が生じるという問題が生じる。通路上で液体流入部と液体流出部とがどの程度離れているかに応じて流出口を通じて流れる液体の流出速度は異なる。
【０００７】
急速なロード変化に関する物質交換カラムのこうした難点は液体コレクタ及び液体ディストリビュータに起因するものであることが認識されている。特に重要なのは、パッキング区画間に配置され、カラム断面の全体にわたってできるだけ均一な逆流液の分配を与えることを目的としたディストリビュータ及びコレクタである。例として、ディストリビュータ内の充填物のレベルが高くなる、あるいは低くなる場合に新たな静的状態に達するまでに長い時間を要する。この原因は新たな静的状態に達する前に多量の液体の濃度が変化させられなければならないことにあると見られている。
【０００８】
更に、逆流液がコレクタにおいて捕集された後にその全体を完全に混合し、次いで複数回の新たな分配すなわち再分配、及び滴下点における精密分配を行うための従来の装置は構造的に非常に複雑であり、高価である点は認識されなければならない。
【０００９】
流入部、主通路、及び副通路を通じた全逆流液の、頻繁に用いられる多段階式粗分配は液体の分配不良につながる多くの要因を含む。誤動作の要因としては、例として、液体の連続的な加速及び減速による不均一な流れ及び組み立て時の水平の調整が不十分であることがある。
【００１０】
従来の装置では、複数回にわたって大容量の液体を充分に加速及び減速するうえで装置の高さを大きくする必要がある。このため従来の装置は比較的大きな構造上の高さを有する。
【００１１】
更に、粗分配用の装置では気体や蒸気の流れが極めて不均一となり、カラム全体の効率に影響を及ぼす。
物質交換カラムの構造的な高さを小さくするために下方に滴下して捕集される液体を混合するための機構を省略することが可能であることが従来技術から更に知られる。カラムにおいて液体の回収及び再分配のための装置が米国特許第５，４６４，５７３号に述べられている。ここで開示される装置では、捕集される液体を混合するための機構は省略されており、液体の不均一な分布が生じた場合には液体の均一化及びこれに伴う流れが水平面において生じるという大きな問題がある。従来のディストリビュータ装置の液体分配における、先に述べたような乱流の影響は捕集及び前分配段階を省略することによって更に大きなものとなり、ディストリビュータからの液体の流れが不均一になる。
【００１２】
したがって本発明の目的は、物質交換カラムにおいて気体及び液体を回収及び分配するための装置であって、カラム断面にわたって非常に均一な液体の流れを可能とするとともに構造的な高さが小さく、更に作動時のロード変化に速やかに適応することを可能とする装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に基づく装置では、液体コレクタ、気体または蒸気ディストリビュータのそれぞれと液体ディストリビュータとを１つの装置として組み合わせる。
【００１４】
本発明に基づいて改変されたコレクタによって捕集される逆流液は、組成を均一化するために意図的に一緒にされて混合されるものではないが、コレクタ内において液体が非常に均一に直接分配されるため、装置の高さが小さい場合でも流体力学的均一化が実現される点において本発明の目的が達成されていることが見出された。
【００１５】
空間的に距離を隔てて配置されるとともに互いに似た構成を有する液体流出口において、流出口の上に置かれる液体の流れの方向、速度、及び表面の高さが等しい場合に流体力学的均一化が実現される。
【００１６】
均一化流の強さ及び流体力学的均一化に関与する液体の量は、コレクタ及びディストリビュータ装置の上方に置かれるパッキング区画の端部における流体力学的分配不良によって影響される。コレクタ及びディストリビュータ装置は、水平方向の均一化流によって逆流液の新たな分配が何ら影響を及ぼされることのないように均一化流を流すためのフロースプリッタを有する。装置の構成は、好ましくは、液体が回収位置から最も近傍に位置する滴下点に低い流速にて流れるようなものとなっている。
【００１７】
本発明の利点としては、不必要な乱流が低減されることにより高い分配性を有する非常に均一な流体力学的流出液流が得られる点、及び小さな構造的な高さで大きな滴下点密度が実現される点がある。必要とされる均一化流は従来のコレクタ及びディストリビュータの構成における流れと比較して大幅に小さい。
【００１８】
更に、ホールドアップはディストリビュータ段階の数が少なくなっていることにより従来のコレクタ及びディストリビュータ装置と比較して減っており、水平方向の液体輸送も大幅に減っている。したがってディストリビュータ通路のための通路幅を小さくすることが可能である。
【００１９】
ロード変化の際の性能の向上はコレクタ及びディストリビュータ装置内における液体の滞留時間が短いこと及び静的流体内容物が減っていることによるものである。
【００２０】
更なる利点としては、従来のコレクタ及びディストリビュータ装置と比較して装置の全重量が軽減されている点、並びにコスト及び機構の複雑さが低減されている点がある。
【００２１】
カラムの構造的な高さを小さくする代りに、既存のカラムにおいて、従来のコレクタ及びディストリビュータを本発明に基づく新規なものに置き換えた後に更なるパッキンを配設する場合にセパレータ段階の数を増やすことが可能である。
【００２２】
尚、本発明の一態様に基づけば、カラムにおいて液体を回収及び分配するための装置であって、少なくとも１つの層コレクタと該層コレクタの下方に配置されるディストリビュータ流出システムとを備える装置が提供される。層コレクタのそれぞれは副通路を含み、液体流出口が組み合わせて設けられることにより、分配されるべき液体の流体力学的均一化が行われる。
【００２３】
この場合、層コレクタにおいてフロースプリッタが副通路から主通路を分離し、液体流出口はフロースプリッタに部分的に導入されるように構成することが可能である。
【００２４】
更に、層コレクタは、主通路、副通路、及びフロースプリッタとともに、互いに対して所定の角度にて面要素が配置された、平板状の材料から形成されるユニットを構成することが可能である。
【００２５】
更に、副通路への液体の流入が主通路の外部において上方または下方から液体流出口を通じて行われるようにフロースプリッタを構成することが可能である。
また、互いに対して平行に配置された複数の層コレクタが物質交換カラムの断面積の全体を覆うように構成することも可能である。
【００２６】
層コレクタの複数の主通路は該コレクタのリング通路によって互いに連結されることが可能である。
液体流出口から副通路の外部へ流出し、ディストリビュータ流出システム内へと流入する液体が流入流沈静要素を介して流れるように構成することが可能である。
【００２７】
また、副通路から液体を流出させる液体流出口が、ディストリビュータ流出システムの側壁と堰との間に位置するディストリビュータ流出システムの室内に開口するように構成することも可能である。
【００２８】
流入流沈静要素がポットの中央に配置される浸漬管を有する場合、浸漬管の断面積が浸漬管の上方に位置する副通路の液体流出口よりも大きくなるように構成することが可能である。
【００２９】
浸漬管は小さい肉厚を有するポット内に浸漬管の全長の５０〜９０％だけ突出するように配置することが可能である。
この場合、ポットの断面積は浸漬管の断面積の少なくとも２倍であることが好ましい。
【００３０】
浸漬管及びポットが円形の断面を有する場合、ポットの直径は浸漬管の直径の２1/2倍よりも大きく、通路幅の１／２を越えないことが好ましい。
また、ポットは下方に底を有し、上方に開放することが好ましい。
【００３１】
更に、ポットの全断面積を覆うように、または浸漬管とポットとの間のみに篩グリッドを配置することが可能である。
また、少なくともポットと浸漬管とが重なり合う部分においてポットと浸漬管との間にガイドブレードグリッドを配置することも可能である。
【００３２】
以下に本発明を更なる詳細とともに図面に示された実施形態を参照しながら説明する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の構成を、図１〜７に基づいて詳細に説明する。
図１は、従来のリディストリビュータステーション１０（即ち、コレクタ−ディストリビュータ装置）を概略図にて示したものである。図中、カラムの円筒状壁部１２、上部パッキン床１４、下部パッキン床１６、及び上部パッキン床１４と下部パッキン床１６との間に配置されたリディストリビュータステーションが示されている。リディストリビュータステーションはコレクタ装置２０とこれとは全く別のディストリビュータ装置３０とからなる。液体は、コレクタ装置２０からプレディストリビュータ３２またはディストリビュータ３４のほぼ中央に位置する流入口へと少なくとも１本の長尺状をなすとともに下方に向けられた下降管２６を通じて流れる。液体は次に１以上のディストリビュータ段階により下部パッキン床１６上に均一に分配される。
【００３４】
図２は、本発明に基づいた小型コレクタ−ディストリビュータ装置１２３を備えたリディストリビュータステーション１００を示した概略図である。図に示された構成は、図１と同様のカラムの円筒状壁部１２、上部及び下部パッキン床１４，１６を備える。図１と比較して上部パッキン床と下部パッキン床との間の間隔が小さくなっていることが明白である。
【００３５】
図３は、小型コレクタ−ディストリビュータ装置１２３の部分を示したものである。コレクタ−ディストリビュータ装置は一体形成された副通路２１０を有する層コレクタ２００と、層コレクタ２００の下方に配置され、好ましくはリング通路３４０を有するディストリビュータ流出システム３００とからなる。
【００３６】
層コレクタ２００の主通路２０２は互いに対して平行に配置されるとともに異なる長さを有しカラムの円筒状壁部にまで達する。層コレクタ２００のいわゆる層２０４は金属薄板であり、主通路２０２の上縁部においてカラム垂直軸から偏向して折曲または固定されている。薄板の突出部分は、主通路２０２間をカバーすることにより上部パッキン床１４からコレクタの主通路２０２に滴下する液体を移送する。層２０４は上縁部において所定の傾斜にて下方に若干折曲され、回収した液体を隣接する主通路に流す。コレクタの各主通路２０２は、例として傾斜または水平部分を有するとともに液流規制開口を備えた金属薄板または部分であるフロースプリッタ２１２を有する。フロースプリッタ２１２は副通路２１０の構成要素であり、副通路を主通路から分離する。液体は主通路２０２から副通路２１０へ液流を規制する液体流出口２１４を介して流入する。液体は別の液体流出口２１６を介して副通路２１０から流出し、ディストリビュータ流出システム３００に流入する。
【００３７】
異なる副通路２１０から流出する液体量が異なる場合、ディストリビュータ通路３３０内においてやはり流体力学的均一化が行われる。リング通路３４０をこれを介して全てのディストリビュータ通路３３０が互いに連結されるように好ましく配置することが可能である。ここで液体は連通管の原理に基づき均一に分配される。ディストリビュータ通路３３０は液流を規制する液体流出口３３２を有する流出システムを備える。液体はこれらの液体流出口３３２を通じて下部パッキン床上に均一に分配される。
【００３８】
層コレクタ２００はフロースプリッタ２１２によって副通路２１０から分けられる。ここで云うフロースプリッタとは特定の方向に流れる媒体を異なる方向の２つの部分的な流れ、例えば、引き続き水平方向に流れる流れと垂直方向の成分を有する流れとに分割するための要素である。フロースプリッタ２１２は、動作時において、先に捕集され主通路２０２に滞留またはこれを流れる液体の液面下に位置するように好ましくは配置される。フロースプリッタ２１２により垂直方向における流れに対する抵抗が生じる。これにより２つの流れ断面が生じる。上側の主通路２０２では液体は水平方向に移送され、下側の通路、即ち、副通路２１０では液体流出口２１６の方向への流れのみが生じる。液体流出口２１６の直上での分配不良による水平方向の流速の低下によって分配性能は大幅に向上する。
【００３９】
図４は、小型コレクタ−ディストリビュータ装置１２３の一変形例の部分を示したものである。小型コレクタ−ディストリビュータ装置１２３は一体形成された副通路２１０及びリング通路２４０を有する層コレクタ２００と、層コレクタの下方に配置されるディストリビュータ流出システム３００とからなる。層コレクタ２００の主通路２０２は水平かつ互いに対して平行に配置されるとともに異なる長さを有し、カラムの円筒状壁部の内側に配置されるリング通路２４０に達する。これによりコレクタの主通路２０２は全てリング通路２４０に連結され、互いに対して連結される。リング通路２４０により全主通路２０２内の液量が所定のレベルに均一化される。
【００４０】
図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、主通路２０２、フロースプリッタ２１２、及び副通路２１０の異なる実施形態を拡大図にて示したものである。液体は液流を規制する液体流出口２１６を介して副通路２１０から流出する。液体流出口２１６は、従来の底部口２１６ａ、側部口２１６ｂ、または排出管２１６ｃを備えた側部口として実施することが可能である（図５（ｃ）参照）。流出口はその下方に配置される開放型ディストリビュータ流出システムに液体を流す。液体流出口２１６とディストリビュータ流出システムとの間には流入流沈静要素３０２を配置することが有利であるがこれは必ずしも必要な要素ではない（図６も参照）。流入流沈静要素はディストリビュータ通路への液体の流入によって生じる好ましくない強い乱流を防止するものである。流入流沈静要素３０２は副通路２１０の液体流出口２１６の直下に配置される。
【００４１】
図６は、流入流沈静要素３０２の一実施形態の詳細を示したものである。流入流沈静要素３０２は好ましくは円形の断面を有する肉厚の小さい浸漬管３０４を有する。浸漬管３０４の内径は浸漬管の上方に位置する副通路の液体流出口の内径よりも大きい。浸漬管３０４は小さい肉厚を有するポット３０６内に例として浸漬管の全長Ｌ３０４の５０％〜９０％だけ突出する。ポット３０６の直径Ｄ３０６は浸漬管３０４の直径の２１／２倍よりも大きく、好ましくは通路幅Ｂ３３０の１／２を越えない。ポット３０６は上方に開口し、底３０８は閉鎖している。ポット３０６のジャケット面３１０は上縁部においてのみ完全に閉鎖または穿孔される。浸漬管３０４とポット３０６との間に篩グリッド３１２及びガイドブレードグリッド３１４の少なくとも一方を配置することが可能である。液体は浸漬管３０４に流入し、ここからポット３０６内に流入する。底３０８は下方に流れる液体の方向を逆転させる。大きな乱流は篩グリッド３１２を通じて速やかに消失する小さな流れに分けられる。これにより上方に向けられた液流は比較的弱くて均一なウェル流に近いものとなる。ガイドブレードグリッド３１４は液流の方向を一様とするうえで有効である。ここで液体はポット３０６の縁を越えてディストリビュータ通路３３０に流入する。
【００４２】
図７は、ディストリビュータ流出システム３００の一実施形態の部分を示したものである。肉厚の小さいディストリビュータ通路３３０は内部に管３３４が配置されるとともに垂直に配置されたプロテクタを有する。プロテクタはフロースプリッタとして機能し、ディストリビュータ通路３３０を２個の室にほぼ分割する。液体は副通路または流入流沈静要素から幅Ｂ１を有する第１の室内に流入する。第１の室は、堰３３６と、例としてディストリビュータ通路３３０の図中右側に示された側壁と、によって形成される。液体はこの領域で水平方向に均一に分配され、高さＨを有する液流規制開口を通じて幅Ｂ２を有する第２の室に流入し、管３３４へと流れる。管３３４は液体流出口３３２を有し、液体はこれを通じて管３３４の下方に配置されるパッキン床に流れ落ちる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に基づく装置により、物質交換カラムにおいてカラム断面にわたって非常に均一な液体の流れを得ることが可能である。更に、従来の装置と比較して装置の構造的な高さを小さくすることが可能であり、その場合においても作動時のロード変化に速やかに適応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】別々のコレクタ及びディストリビュータ装置を備えたパッキンカラムの従来の構成を示す概略図。
【図２】本発明に基づくコレクタ及びディストリビュータを備えたパッキンカラムを示す概略図。
【図３】液体コレクタ及びディストリビュータからなる本発明に基づくリディストリビュータステーションを示す部分上方斜視図。
【図４】本発明に基づくコレクタ−ディストリビュータ装置の更なる実施形態を示す部分上方斜視図。
【図５】（ａ）層コレクタの主通路及び副通路の一実施例、（ｂ）層コレクタの主通路及び副通路の別の一実施例、（ｃ）層コレクタの主通路及び副通路の更なる別の一実施例。
【図６】流入流沈静要素の実施形態を示す部分拡大斜視図。
【図７】ディストリビュータ流出システムの実施形態を示す部分拡大斜視図。
【符号の説明】
２００…層コレクタ、２０２…主通路、２１０…副通路、２１２・・・フロースプリッタ、２１４，２１６，３３２…液体流出口、２４０・・・リング通路、３００・・・ディストリビュータ流出システム、３０２・・・流入流沈静要素、３０４・・・浸漬管、３０６・・・ポット、３１２・・・篩グリッド、３１４・・・ガイドブレードグリッド、３３０・・・ディストリビュータ流通システムの側壁、３３６・・・ディストリビュータ流通システムの堰。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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