(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置の制御方法において、該空気液化分離装置から採取する製品酸素ガス量を増減するときに、該製品酸素ガス量の増減に応じて、製品酸素ガス以外の、主熱交換器で冷却されて下部塔下部に導入される原料空気、下部塔底部から抜き出されて上部塔中段に導入される液化空気、下部塔頂部から導出して膨張タービンに導入される中圧窒素ガス、下部塔頂部から導出して凝縮蒸発器に導入される中圧窒素ガス、凝縮蒸発器から導出して下部塔上部に導入される液化窒素、凝縮蒸発器から導出して上部塔上部に導入される液化窒素、上部塔頂部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される低圧の製品窒素ガス、上部塔上部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される廃ガス、の少なくとも１つの流体の流量設定値を設定するにあたり、前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値、又は、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値のいずれかで補正して設定することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法において、製品酸素ガス量を増加させるときに、前記主熱交換器で熱交換を行って冷却される原料空気の主熱交換器出口の温度が規定温度に比べて低い期間に、前記製品酸素ガス量の増加信号に基づいて、
１）前記原料空気の流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、
２）前記下部塔頂部から導出する中圧窒素ガスの流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、
３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、
の少なくともいずれか一つの制御を実施して、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れと製品酸素ガス量の増加による一時的な寒冷過剰とを補償することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法において、製品酸素ガス量を減少させるときに、前記主熱交換器で熱交換を行って冷却される原料空気の主熱交換器出口の温度が規定温度に比べて高い期間に、前記製品酸素ガス量の減少信号に基づいて、
１）前記原料空気の流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、
２）前記下部塔頂部から導出する中圧窒素ガスの流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、
３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、
の少なくともいずれか一つの制御を実施して、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れと製品酸素ガス量の減少による一時的な寒冷不足とを補償することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法において、製品酸素ガス量を増加させるときに、系外に設けた液化酸素貯槽から導出して前記凝縮蒸発器に導入した液化酸素を、前記下部塔の頂部から導出されて前記凝縮蒸発器に導入される窒素ガスと熱交換させて気化させることにより製品酸素ガスの一部とするとともに、
１）前記原料空気の流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、該原料空気量の一時的な増加により生じた液化空気の余剰分を前記下部塔の底部に貯留する制御、
２）前記下部塔から導出される中圧窒素ガスの流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、該中圧窒素ガスの一時的な減少により生じる液化窒素の余剰分を系外に設けた液化窒素貯槽に貯留する制御、
３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、前記上部塔上部に導入する液化窒素の一時的な減少により生じた液化窒素の余剰分を系外に設けた液化窒素貯槽に貯留する制御、
の少なくともいずれか一つの制御を実施することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
【請求項５】
請求項１記載の空気液化分離装置の制御方法において、製品酸素ガス量を減少させるときに、系外に設けた液化窒素貯槽から導出した液化窒素を前記上部塔の上部に供給し、前記凝縮蒸発器で気化できなかった液化酸素を系外に設けた液化酸素貯槽に貯留するとともに、
１）前記原料空気の流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、該原料空気量の一時的な減少により生じた液化空気の不足分を前記下部塔の底部に貯留されている液化空気で補充する制御、
２）前記下部塔から導出される中圧窒素ガスの流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、該中圧窒素ガスの一時的な増加により生じる液化窒素の不足分を前記液化窒素貯槽から補充する制御、
３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、前記上部塔上部に導入する液化窒素の一時的な増加により生じた液化窒素の不足分を系外に設けた液化窒素貯槽から補充する制御、
の少なくともいずれか一つの制御を実施することを特徴とする空気液化分離装置の制御方法。
【請求項６】
圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置における流量調節を行うための制御装置であって、製品酸素ガスの採取量を増減するための信号を発生する製品量増減信号発生手段と、該製品量増減信号発生手段からの信号に基づいて製品酸素ガス以外の、主熱交換器で冷却されて下部塔下部に導入される原料空気、下部塔底部から抜き出されて上部塔中段に導入される液化空気、下部塔頂部から導出して膨張タービンに導入される中圧窒素ガス、下部塔頂部から導出して凝縮蒸発器に導入される中圧窒素ガス、凝縮蒸発器から導出して下部塔上部に導入される液化窒素、凝縮蒸発器から導出して上部塔上部に導入される液化窒素、上部塔頂部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される低圧の製品窒素ガス、上部塔上部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される廃ガス、の少なくとも１つの流体の流量設定値を前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を設定する基本増減値設定手段と、前記流量設定値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値を設定する増加補正値設定手段と、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値を設定する減少補正値設定手段とを備えていることを特徴とする空気液化分離装置の制御装置。
【請求項７】
圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置における流量調節を行うための制御装置であって、製品酸素ガスの採取量を増減するための信号を発生する製品量増減信号発生手段と、該製品量増減信号発生手段からの信号に基づいて製品酸素ガス以外の流体の流量設定値を前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を設定する基本増減値設定手段と、前記流量設定値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値を設定する増加補正値設定手段と、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値を設定する減少補正値設定手段と、製品酸素ガスの採取量を増加するときに発生する製品酸素ガスの不足分に相当する量の液化酸素を系内に導入し、製品酸素ガスの採取量を減少するときに発生する液化酸素の余剰分を系内から抜出して貯留するための液化酸素貯槽と、製品酸素ガスの採取量を増加するときに系内で発生する液化窒素の余剰分を系内から抜出して貯留し、製品酸素ガスの採取量を減少するときに発生する液化酸素の不足分に相当する量の液化窒素を系内に導入するための液化窒素貯槽とを備え、
１）前記基本増減値を、前記増加補正設定手段により得られた増加補正値又は前記減少補正値設定手段により得られた減少補正値で補正した値を用い、前記下部塔頂部から導出する窒素ガスの流量を制御する窒素ガス流量制御手段、
２）前記基本増減値を、前記増加補正設定手段により得られた増加補正値又は前記減少補正値設定手段により得られた減少補正値で補正した値を用い、前記上部塔に導入する液化窒素の流量を制御する液化窒素流量制御手段、
の少なくともいずれか一つを備えていることを特徴とする空気液化分離装置の制御装置。
【請求項８】
前記空気液化分離装置は、製品酸素ガスの採取量の増減によって発生する液化空気量の変動を補償するための液化空気貯槽を、前記下部塔の底部又は下部塔の底部から上部塔に液化空気を供給する経路の途中に設けたことを特徴とする請求項６記載の空気液化分離装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気液化分離装置の制御方法及び制御装置に関し、詳しくは、酸素、窒素やアルゴンのような工業ガスの大量消費ユーザーである製鉄所等における製品生産量の大幅な増減に迅速に対応可能な空気液化分離装置の制御方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素ガスの大量消費ユーザーである製鉄所等において繰り返される大幅な酸素ガスの使用量変動に対応するため、空気液化分離装置に液化酸素貯槽及び液化窒素貯槽を付設して酸素ガス供給量の増減量運転を行う方法が知られている。この運転方法の一例を、図１４に基づいて説明する。
【０００３】
まず、複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置は、下部塔（高圧塔）１、上部塔（低圧塔）２、凝縮蒸発器３を有する複式精留塔と、原料空気を冷却する主熱交換器４と、寒冷を発生する膨張タービン５等の機器を備えており、このような空気液化分離装置に、製品酸素ガスの増減に対応するための設備として液化窒素貯槽６と液化酸素貯槽７とが設けられている。
【０００４】
圧縮、精製、冷却された原料空気（ＡＩＲ）は、主熱交換器４から経路１１を通って下部塔１の下部に導入され、該下部塔１で精留されて塔頂部の窒素ガス（中圧窒素ガス）と塔底部の酸素分が富化した液化空気とに分離する。液化空気は、下部塔底部から経路１２を流れ、過冷器１３、弁１４を通って上部塔２の中段に導入される。
【０００５】
前記中圧窒素ガスは、下部塔頂部から経路１５に抜出された後、一部が経路１６に分岐して凝縮蒸発器３に導入され、残部が経路１７を通って主熱交換器４に入り、経路１８を通ってブロワ１９で昇圧し、アフタークーラー２０で冷却されてから再び主熱交換器４を流れ、主熱交換器４の中間部から抜出されて膨張タービン５に導入される。膨張タービン５で寒冷を発生した低圧の窒素ガスは、経路２１，２２を通って三度主熱交換器４に導入され、経路２３から製品窒素ガス（ＧＮ）として系外に導出される。
【０００６】
また、凝縮蒸発器３に導入された窒素ガスは、該凝縮蒸発器３で液化して液化窒素となり、経路２４に抜出される。経路２４の液化窒素は、一部が経路２５に分岐して下部塔１の還流液となり、残部の液化窒素は、経路２６から過冷器２７、弁２８を通って上部塔２の上部に導入される。
【０００７】
上部塔２に流入した液化空気及び液化窒素は、該上部塔２で精留されて塔頂部の窒素ガス（低圧窒素ガス）と塔底部の液化酸素とに分離する。塔頂部の低圧窒素ガスは、経路２９に抜出されて過冷器２７、１３を通り、経路３０から前記経路２２に合流し、経路２３から製品窒素ガス（ＧＮ）として系外に導出される。
【０００８】
上部塔底部の液化酸素は、経路３１を経て凝縮蒸発器３に流入し、蒸発して酸素ガスとなって経路３２に導出され、一部が経路３３に分岐して上部塔２の上昇ガスとなり、残部の酸素ガスが、経路３４を通って主熱交換器４に流入し、昇温後に経路３５から製品酸素ガスＧＯとして系外に導出される。
【０００９】
このように形成した空気液化分離装置において、製品酸素ガスの需要が、この空気液化分離装置の酸素ガス生産能力を超えて、酸素ガス生産能力量プラスα量となった場合には、図１４に示すように、下部塔１の頂部から経路１５、経路１７を経て主熱交換器４に向かう中圧窒素ガスの流量をβ量減らし（−β）、この減量分を経路１６から凝縮蒸発器３に向かう窒素ガスに加え（＋β）、該凝縮蒸発器３で液化させる。β量増加した液化窒素は、凝縮蒸発器３から経路２４，経路２６を経て液化窒素貯槽６に向かう経路３６に分岐し、弁３７を通って液化窒素貯槽６に貯蔵される。
【００１０】
同時に、液化酸素貯槽７内の液化酸素を、ポンプ３８により経路３９、弁４０を通してα量を凝縮蒸発器３に供給し（＋α）、該凝縮蒸発器３で気化させて酸素ガスとする。これにより、凝縮蒸発器３から経路３２、経路３４、主熱交換器４、経路３５を経て導出する製品酸素量をα量増加させることができる。このとき、上部塔２における上昇ガス量と下降液量は、製品酸素ガス量をα量増量させても変化しないので、製品酸素増量前と同じ状態のままを維持していることになる。
【００１１】
一方、製品酸素ガスの需要が、この空気液化分離装置の酸素生産能力以下となり、製品酸素ガス生産能力量マイナスα量となった場合には、図１５に示すように、下部塔１の頂部から経路１５、経路１７を経て主熱交換器４に向かう中圧窒素ガスの流量をβ量増量し（＋β）、この増量分を経路１６から凝縮蒸発器３に向かう窒素ガスから減量する（−β）。この結果、凝縮蒸発器３で生成する液化窒素がβ量減少するので、液化窒素貯槽６の液化窒素をポンプ４１、経路４２、弁４３を通してβ量供給することにより（＋β）、上部塔２頂部への液化窒素導入量を同じ量に維持する。
【００１２】
このとき、凝縮蒸発器３では、窒素ガス量がβ量減少した分、液化酸素の蒸発量がα量減少するので、経路３２から経路３５を経て導出する製品酸素ガス量がα量減少することになる。そして、凝縮蒸発器３では液化酸素がα量余剰となるので、この余剰の液化酸素α量を凝縮蒸発器３から経路４４に抜出し、過冷器２７、弁４５を通して液化酸素貯槽７に貯蔵する。この場合も、上部塔２における上昇ガス量と下降液量は変化せず、製品酸素減量前と同じ状態のままを維持していることになる。
【００１３】
このように、従来の空気液化分離装置では、液化酸素を液化窒素に転換することにより、あるいは、液化窒素を液化酸素に転換することにより、製品酸素ガスの増減量運転を行うようにしている。すなわち、液化酸素と液化窒素との寒冷振替による製品酸素ガスの増減量運転を行っている。また、下部塔１の塔頂から主熱交換器４へ向かう中圧窒素ガスの増減量を行うことにより、上部塔２の上昇ガス流量と下降液流量とを一定に保つようにしており、これによって製品の収率を低下させることなく短時間で製品酸素ガスの増減量運転を行えるようにしている。
【００１４】
なお、図１５及び図１６において、図１４の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような運転方法において、中圧窒素ガス量の増減が膨張タービン５の流量増減となる場合、主熱交換器４における温流体と冷流体との流量バランスが大きく変化してしまう。例えば、膨張タービン５の流量が減少するとき、即ち製品酸素ガスを増量するときには、主熱交換器４の出口における空気温度は高くなり、膨張タービン５の流量が増加するとき、即ち製品酸素ガスを減量するときには、主熱交換器４の出口における空気温度は低くなる。
【００１６】
また、図１６に示すように、主熱交換器４を出てブロワ１９から膨張タービン５に向かう中圧窒素ガスの経路１８に分岐経路４６を設置し、この分岐経路４６から導出する中圧窒素ガス量を、＋βと−βとに変化させることによって膨張タービン５に向かう窒素ガス量を一定に保つようにした場合においても、凝縮蒸発器３内の液化窒素と液化酸素との潜熱の相違により、製品酸素ガスの増減量αに比べて中圧窒素ガスの増減量βの方が大きくなるので、主熱交換器４における温流体と冷流体との流量比が大きく変わり、その結果、主熱交換器４の出口の空気温度が変化することになる。
【００１７】
そして、主熱交換器４の熱容量が大きいため、温度の変化速度が非常に遅く、安定するのに時間がかかるだけでなく、主熱交換器出口の温度変化が大きく、さらに、一時的に寒冷の過不足が生じるなどの問題があった。
【００１８】
具体的な現象と事例とを挙げると、製品酸素ガス流量を増量する場合、主熱交換器出口の空気温度が規定温度より低い状態、即ち規定温度まで上昇しない状態が暫くの時間続くことになるので、凝縮蒸発器３での液化酸素の蒸発量が低下し、上部塔２の上昇ガスが不足することになる。したがって、この間、上部塔２の上昇ガス流量を一定に保つため、製品酸素ガスを規定流量まで増量できないことになり、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の低下によって液化酸素が過剰となる。通常、製品酸素ガスを３５０００Ｎｍ３／ｈ生産する規模の空気液化分離装置において、製品酸素ガスを１００００Ｎｍ３／ｈ増量して４５０００Ｎｍ３／ｈにする場合、２〜３時間は２０００〜３０００Ｎｍ３／ｈの製品酸素ガスが不足し、２０００〜３０００Ｎｍ３／ｈの液化酸素が過剰となる。
【００１９】
一方、製品酸素ガスを減量する場合は、主熱交換器出口の空気温度が規定温度より高い状態が続くので、凝縮蒸発器３での液化酸素の蒸発量が増加し、上部塔２の上昇ガスが過剰となる。したがって、この間は、上部塔２の上昇ガス流量を一定に保つために、製品酸素ガス流量を規定流量まで減量できないことになり、また、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の増加によって液化酸素が不足する状態となる。前記空気液化分離装置の規模において、製品酸素ガスを１００００Ｎｍ３／ｈ減量して２５０００Ｎｍ３／ｈにする場合、２〜３時間は２０００〜３０００Ｎｍ３／ｈの製品酸素ガスが過剰となり、２０００〜３０００Ｎｍ３／ｈの液化酸素が不足する。
【００２０】
そこで本発明は、空気液化分離装置における製品ガス量の増減量運転において、製品ガスの需要量変化に対して、製品純度を維持しつつ、迅速に、かつ、安定して応答できる制御方法及び制御装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の空気液化分離装置の制御方法は、圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置の制御方法において、圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置の制御方法において、該空気液化分離装置から採取する製品酸素ガス量を増減するときに、該製品酸素ガス量の増減に応じて、製品酸素ガス以外の、主熱交換器で冷却されて下部塔下部に導入される原料空気、下部塔底部から抜き出されて上部塔中段に導入される液化空気、下部塔頂部から導出して膨張タービンに導入される中圧窒素ガス、下部塔頂部から導出して凝縮蒸発器に導入される中圧窒素ガス、凝縮蒸発器から導出して下部塔上部に導入される液化窒素、凝縮蒸発器から導出して上部塔上部に導入される液化窒素、上部塔頂部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される低圧の製品窒素ガス、上部塔上部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される廃ガス、の少なくとも１つの流体の流量設定値を設定するにあたり、前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値、又は、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値のいずれかで補正して設定することを特徴としている。
【００２２】
さらに、前記制御方法において、製品酸素ガス量を増加させるときに、前記主熱交換器で熱交換を行って冷却される原料空気の主熱交換器出口の温度が規定温度に比べて低い期間に、前記製品酸素ガス量の増加信号に基づいて、１）前記原料空気の流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、２）前記下部塔頂部から導出する中圧窒素ガスの流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、の少なくともいずれか一つの制御を実施して、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れと製品酸素ガス量の増加による一時的な寒冷過剰とを補償することを特徴としている。
【００２３】
また、製品酸素ガス量を減少させるときに、前記主熱交換器で熱交換を行って冷却される原料空気の主熱交換器出口の温度が規定温度に比べて高い期間に、前記製品酸素ガス量の減少信号に基づいて、１）前記原料空気の流量設定値を、前記基本増減値と前記減少補正値とにより補正して目標値とする制御、２）前記下部塔頂部から導出する中圧窒素ガスの流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記基本増減値と前記増加補正値とにより補正して目標値とする制御、の少なくともいずれか一つの制御を実施して、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れと製品酸素ガス量の減少による一時的な寒冷不足とを補償することを特徴としている。
【００２４】
さらに、前記制御方法において、製品酸素ガス量を増加させるときに、系外に設けた液化酸素貯槽から導出して前記凝縮蒸発器に導入した液化酸素を、前記下部塔の頂部から導出されて前記凝縮蒸発器に導入される窒素ガスと熱交換させて気化させることにより製品酸素ガスの一部とするとともに、１）前記原料空気の流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、該原料空気量の一時的な増加により生じた液化空気の余剰分を前記下部塔の底部に貯留する制御、２）前記下部塔から導出される中圧窒素ガスの流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、該中圧窒素ガスの一時的な減少により生じる液化窒素の余剰分を系外に設けた液化窒素貯槽に貯留する制御、３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、前記上部塔上部に導入する液化窒素の一時的な減少により生じた液化窒素の余剰分を系外に設けた液化窒素貯槽に貯留する制御、の少なくともいずれか一つの制御を実施することを特徴としている。
【００２５】
また、製品酸素ガス量を減少させるときに、系外に設けた液化窒素貯槽から導出した液化窒素を前記上部塔の上部に供給し、前記凝縮蒸発器で気化できなかった液化酸素を系外に設けた液化酸素貯槽に貯留するとともに、１）前記原料空気の流量設定値を、前記減少補正値により補正して目標値とし、該原料空気量の一時的な減少により生じた液化空気の不足分を前記下部塔の底部に貯留されている液化空気で補充する制御、２）前記下部塔から導出される中圧窒素ガスの流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、該中圧窒素ガスの一時的な増加により生じる液化窒素の不足分を前記液化窒素貯槽から補充する制御、３）前記上部塔上部に導入する液化窒素の流量設定値を、前記増加補正値により補正して目標値とし、前記上部塔上部に導入する液化窒素の一時的な増加により生じた液化窒素の不足分を系外に設けた液化窒素貯槽から補充する制御、の少なくともいずれか一つの制御を実施することを特徴としている。
【００２６】
本発明の空気液化分離装置の第１の制御装置は、圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置における流量調節を行うための制御装置であって、製品酸素ガスの採取量を増減するための信号を発生する製品量増減信号発生手段と、該製品量増減信号発生手段からの信号に基づいて製品酸素ガス以外の、主熱交換器で冷却されて下部塔下部に導入される原料空気、下部塔底部から抜き出されて上部塔中段に導入される液化空気、下部塔頂部から導出して膨張タービンに導入される中圧窒素ガス、下部塔頂部から導出して凝縮蒸発器に導入される中圧窒素ガス、凝縮蒸発器から導出して下部塔上部に導入される液化窒素、凝縮蒸発器から導出して上部塔上部に導入される液化窒素、上部塔頂部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される低圧の製品窒素ガス、上部塔上部から導出した後主熱交換器を経て系外に導出される廃ガス、の少なくとも１つの流体の流量設定値を前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を設定する基本増減値設定手段と、前記流量設定値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値を設定する増加補正値設定手段と、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値を設定する減少補正値設定手段とを備えていることを特徴としている。
【００２７】
さらに、第２の制御装置は、圧縮、精製した後、主熱交換器で熱交換を行って冷却した原料空気を、下部塔、上部塔及び凝縮蒸発器を用いた複式精留による深冷式空気液化分離法によって少なくとも酸素と窒素とを分離する空気液化分離装置における流量調節を行うための制御装置であって、製品酸素ガスの採取量を増減するための信号を発生する製品量増減信号発生手段と、該製品量増減信号発生手段からの信号に基づいて製品酸素ガス以外の流体の流量設定値を前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値を設定する基本増減値設定手段と、前記流量設定値を、急激な増加度で所定の最大補正値に達した後、最初は大きな減少度で減少し、その後徐々に小さくなる減少度で減少して最終的に零となるように変化する増加補正値を設定する増加補正値設定手段と、急激な減少度で所定の最小補正値に達した後、最初は大きな増加度で増加し、その後徐々に小さくなる増加度で増加して最終的に零となるように変化する減少補正値を設定する減少補正値設定手段と、製品酸素ガスの採取量を増加するときに発生する製品酸素ガスの不足分に相当する量の液化酸素を系内に導入し、製品酸素ガスの採取量を減少するときに発生する液化酸素の余剰分を系内から抜出して貯留するための液化酸素貯槽と、製品酸素ガスの採取量を増加するときに系内で発生する液化窒素の余剰分を系内から抜出して貯留し、製品酸素ガスの採取量を減少するときに発生する液化酸素の不足分に相当する量の液化窒素を系内に導入するための液化窒素貯槽とを備え、１）前記基本増減値を、前記増加補正設定手段により得られた増加補正値又は前記減少補正値設定手段により得られた減少補正値で補正した値を用い、前記下部塔頂部から導出する窒素ガスの流量を制御する窒素ガス流量制御手段、２）前記基本増減値を、前記増加補正設定手段により得られた増加補正値又は前記減少補正値設定手段により得られた減少補正値で補正した値を用い、前記上部塔に導入する液化窒素の流量を制御する液化窒素流量制御手段、の１）２）の少なくともいずれか一つを備えていることを特徴としている。
【００２８】
また、前記空気液化分離装置は、製品酸素ガスの採取量の増減によって発生する液化空気量の変動を補償するための液化空気貯槽を、前記下部塔の底部又は下部塔の底部から上部塔に液化空気を供給する経路の途中に設けたことを特徴としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の制御方法及び制御装置を適用した空気液化分離装置の一形態例を示す系統図であって、基本構成は前記図１４に示した空気液化分離装置と同様であるから、図１４の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３０】
従来と同様に、原料空気（ＡＩＲ）は、空気圧縮機で圧縮され、水と炭酸ガスを吸着除去された後、経路１０から主熱交換器４に導入されて所定の温度まで冷却され、経路１１を通って下部塔１の下部に導入される。下部塔１では頂部に中圧窒素ガスが、下部に液化空気がそれぞれ分離し、経路１２に抜出された液化空気は、弁１４で減圧後に上部塔２の中部に導入され、該上部塔２において酸素と窒素とに分離される。
【００３１】
下部塔頂部の中圧窒素ガスは、その一部が経路１７を経て主熱交換器４に戻り、膨張タービン５の制動ブロワー１９で昇圧された後、冷却器２０で常温に冷却され、再度、主熱交換器４で所定温度まで冷却された後、膨張タービン５に導入されて本装置に必要な寒冷を発生する。その後、経路２３から低圧窒素ガスとして採取される。
【００３２】
一方、経路１５から経路１６に分岐した中圧窒素ガスは、凝縮蒸発器３に導入され、ここで、液化酸素と熱交換することによって液化窒素となる。ここで生成した液化窒素は、経路２４に導出された後、一部は下部塔１の還流液として経路２５により下部塔１に戻される。残りの液化窒素は、経路２６を経て上部塔２の還流液として弁２８で減圧後に上部塔２の上部に導入される。
【００３３】
上部塔２では、酸素と窒素とが分離され、下部から酸素が、頂部から窒素がそれぞれ採取される。上部塔２の下部から経路３１により液化酸素が導出されて凝縮蒸発器３に導入され、ここで前記中圧窒素ガスと熱交換して気化され、経路３２から導出される。経路３２からの酸素ガスの一部は、製品酸素ガスＧＯとして経路３４から主熱交換器４を戻り、経路３５から採取される。一方、経路３２から経路３３に分岐した残りの酸素ガスは、上部塔２の上昇ガスとして上部塔２の下部に導入される。
【００３４】
また、上部塔２の頂部から経路２９に導出された窒素ガスは、前記膨張タービン５を出た低圧の窒素ガスと合流して主熱交換器４を戻り、経路２３から取出される。さらに、本形態例では、廃ガスＷＧは、上部塔上部から経路４７に抜出され、過冷器２７，１３を通ってさらに主熱交換器４を通り、経路４８から導出されている。
【００３５】
次に、該空気液化分離装置に付設された液化窒素貯槽６と液化酸素貯槽７とを用いて製品酸素ガスの増減量運転を行う場合を説明する。まず、液化窒素貯槽６の液化窒素は、製品酸素ガスの減量時には、液化窒素ポンプ４１から経路４２を通して上部塔２の上部に供給される。一方、製品酸素ガスの増量時には、下部塔１の頂部から凝縮蒸発器３に送る中圧窒素ガスを増量し、該凝縮蒸発器３で液化された液化窒素の増量分が経路２６から経路３６に分岐して液化窒素貯槽６に導入される。
【００３６】
また、液化酸素貯槽７の液化酸素は、製品酸素ガスの増量時には、該液化酸素貯槽７から液化酸素ポンプ３８を経て経路３９から凝縮蒸発器３あるいは上部塔２の下部に供給され、凝縮蒸発器３で気化した後、製品酸素ＧＯとして経路３４、経路３５を経て採取される。一方、製品酸素ガスの減量時には、凝縮蒸発器３で気化できなかった液化酸素が経路４４を経て液化酸素貯槽７に導入される。
【００３７】
このような空気液化分離装置の運転制御において、製品酸素ガスの増減量運転を行う場合の制御器として、図１に示すように、原料空気の経路１０に原料空気流量調節計５１を、製品酸素ガスの経路３５に製品酸素ガス流量調節計５２を、低圧窒素ガスの経路２３に低圧窒素ガス流量調節計５３を、膨張タービン５の入口部に膨張タービン流量調節計５４を、上部塔２に供給される還流液化窒素の経路の弁２８部分に還流液化窒素流量調節計５５を、上部塔２にに供給される液化空気の弁１４部分に液化空気流量調節計５６を、液化酸素貯槽７に液化酸素を送り出す経路の弁４５部分に送出液化酸素流量調節計５７を、液化窒素貯槽６に液化窒素を送り出す経路の弁３７部分に送出液化窒素流量調節計５８を、液化窒素貯槽６から上部塔２に液化窒素を注入する経路の弁４３部分に注入液化窒素流量調節計５９を、液化酸素貯槽７から凝縮蒸発器３に液化酸素を注入する経路の弁４０部分に注入液化酸素流量調節計６０を、さらに、廃ガスの経路４８に上部塔２の頂部の圧力を制御するための上部塔塔頂圧力調節計６１をそれぞれ設け、これらの各制御器によって各流体の流量を調節することにより、製品酸素ガスの需要変動に対応した流量制御、圧力制御を行うようにしている。
【００３８】
基本的な制御は、製品酸素ガスを増減するときに、該製品酸素ガス量の増減に応じて流量を増減すべき製品酸素ガス以外の流体、例えば原料空気や中圧窒素ガス等の流量設定値を、前記製品酸素ガスの増減量に比例させて直線的に増減させる基本増減値によって行う。そして、本発明では、この基本増減値に加えて、増減補正値を用いることにより、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れや、一時的な寒冷の過不足を補償するようにしている。
【００３９】
製品酸素ガスの増量運転を行う場合、具体的には、次の三つのケースの運転制御のいずれか少なくとも一つを行うことにより、主熱交換器出口における原料空気の温度変化の遅れと一時的な寒冷過剰とを補償する。
【００４０】
ケース１
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて低い期間、空気流量調節計５１の流量設定値を、製品酸素ガスの増量信号に応じて、図２に示すように、急激な増加度Ｅで所定の最大補正値Ｒｍａｘに達した後、最初は大きな減少度ＤＬで減少し、その後徐々に小さくなる減少度ＤＳで減少して最終的に零となるように変化する増加補正値を加えた設定値とする。このようにして原料空気の流量を制御することにより、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の不足を補って上部塔２の上昇ガス流量を一定にするとともに、下部塔１における液化空気の余剰分を下部塔１の底部又は下部塔の底部から上部塔に液化空気を供給する経路１２の途中に貯留することによって寒冷の一時的な過剰を処理し、上部塔２の下降液流量を一定にする。
【００４１】
ケース２
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて低い期間、膨張タービン流量調節計５４の流量設定値を、製品酸素ガスの増量信号に応じて、図３に示すように、急激な減少度Ｄで所定の最小補正値Ｒｍｉｎに達した後、最初は大きな増加度ＥＬで増加し、その後徐々に小さくなる増加度ＥＳで増加して最終的に零となるように変化する減少補正値を加えた設定値とする。このように膨張タービン５の流量を制御することにより、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の不足を補って上部塔２の上昇ガス流量を一定にするとともに、送出液化窒素流量調節計５８の流量設定値を、図２に示す増加補正値を加えた設定値とし、膨張タービン流量の一時的な減量に伴って凝縮蒸発器３から導出される液化窒素の余剰分を液化窒素貯槽６に貯えて寒冷過剰を処理することにより、上部塔２及び下部塔１の下降液流量を一定にする。
【００４２】
ケース３
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて低い期間、還流液化窒素流量調節計５５の流量設定値を、図３に示した減少補正値を加えた設定値とし、上部塔２の上昇ガス流量の減少に合わせて塔頂からの下降液流量も減少させ、上部塔２の上昇ガスと下降液との流量比の乱れを抑えるとともに、送出液化窒素流量調節計５８の流量設定値を、図２に示す増加補正値を加えた設定値とし、還流液化窒素流量の一時的な減量に伴う液化窒素の余剰分を液化窒素貯槽６に貯えて寒冷過剰を処理することにより、下部塔１の下降液流量を一定にする。
【００４３】
また、製品酸素ガスの減量運転を行う場合は、上記増量の場合とは逆の制御補償を加えることにより、主熱交換器５の出口における原料空気の温度変化の遅れと一時的な寒冷不足とを補償することができる。
【００４４】
ケース１
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて高い期間、空気流量調節計５１の流量設定値を、図３に示す減少補正値を加えた設定値とし、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の増加を抑えて上部塔２の上昇ガス流量を一定にするとともに、液化空気の不足分を下部塔１の塔底等に貯えてある液化空気を用いて補うことによって寒冷の一時的な不足を処理し、上部塔２の下降液流量を一定にする。
【００４５】
ケース２
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて高い期間、低圧窒素ガス流量調節計５３の流量設定値を、図２に示す増加補正値を加えた設定値とし、凝縮蒸発器３における液化酸素の蒸発量の増加を抑えて上部塔２の上昇ガス流量を一定にするとともに、還流液化窒素流量調節計５５の設定値を、図３に示す減少補正値を加えた設定値とし、凝縮蒸発器３における液化窒素の生成量減少に対して下部塔１の下降液流量を一定にし、さらに、注入液化窒素流量調節計５９の設定値を、図２に増加補正値を加えた設定値とし、上部塔２の還流液化窒素の減少分を補って寒冷不足を処理し、上部塔２の下降液流量を一定にする。
【００４６】
ケース３
主熱交換器４の出口における原料空気温度が規定温度に比べて高い期間、注入液化窒素流量調節計５９の設定値を、図２に示す増加補正値を加えた設定値とし、寒冷不足を処理し、上部塔２の上昇ガス流量の増加に合わせて上部塔２の塔頂からの下降液流量を増加させ、上部塔２における上昇ガスと下降液との流量比の乱れを抑える。
【００４７】
なお、ケース３の運転制御は、上部塔２における上昇ガス及び下降液の流量を常時一定にさせるという他のケースの思想とは異なり、上部塔２の上昇ガス流量の変化に合わせて下降液流量も同じ方向に変化させ、上部塔２の上昇ガスと下降液との流量比を大きく崩さないという思想に基づいたものである。
【００４８】
また、以上の説明は、製品として酸素及び窒素の採取に限って説明したが、アルゴンを採取する空気液化分離装置にも適用できることはいうまでもない。
【００４９】
【実施例】
図４に系統図を示す構成の空気液化分離装置を使用して定格運転時と酸素増量運転時とにおけるシミュレーションを行った。この空気液化分離装置は、図１に示した下部塔１、上部塔２、凝縮蒸発器３を有するとともに、液化窒素貯槽６及び液化酸素貯槽７を付設した空気液化分離装置に、粗アルゴン塔７１、粗アルゴン凝縮器７２を加えた３塔式の空気液化分離装置であって、粗アルゴン塔７１は、塔下部において上部塔２の中段とアルゴン原料ガスを上部塔２から粗アルゴン塔７１に供給する経路７３と、粗アルゴン塔７１の塔底液を上部塔２に戻す経路７４とが設けられ、塔上部には、粗アルゴンガスを導出する経路７５と、粗アルゴン凝縮器７２で液化した液化アルゴンを粗アルゴン塔７１に戻す経路７６とが設けられている。
【００５０】
また、粗アルゴン凝縮器７２には、前記経路７５に導出した粗アルゴンガスの一部を粗アルゴン凝縮器７２に導入する経路７７と、液化アルゴンを粗アルゴン塔７１に戻す前記経路７６と、下部塔１の下部から抜出した液化空気を粗アルゴン凝縮器７２に導入する経路７８と、該粗アルゴン凝縮器７２で気化した空気を導出する経路７９とが設けられている。
【００５１】
前記経路７５に導出した粗アルゴンガスＡｒは、一部が前記経路７７に分岐し、残部の粗アルゴンガスが経路８０から主熱交換器４を通り、経路８１、粗アルゴン流量調節計８２を経て採取される。また、経路７９の空気は、上部塔２の中段に導入される。
【００５２】
なお、その他の構成は、凝縮蒸発器３が上部塔２の底部に一体的に設けられているなど、一部に相違点はあるが、前記図１に示した空気液化分離装置と略同様に形成されているので、図１に示した装置の構成要素と同一乃至略同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
本実施例装置において、原料空気の条件は、圧力約５．５ｂａｒ（５５０ｋＰａ）、温度１５℃、流量１６７０００Ｎｍ３／ｈである。定格運転時（ＭＯＤＥ１）及び製品酸素ガス増量運転時（ＭＯＤＥ２）における定常時の主要プロセス値を表１に示す。表１において、ＭＯＤＥ２における上部塔２の上昇ガス流量は、膨張タービン５の流量を減量させることによってＭＯＤＥ１と同じ量に保たれており、ＭＯＤＥ２における上部塔２の下降液流量は、余剰の液化窒素を液化窒素貯槽６に導出することにより、ＭＯＤＥ１と同じ量に保たれている。また、ＭＯＤＥ２における膨張タービン５の流量は、ＭＯＤＥ１の約４０％に減量されているため、ＭＯＤＥ２の主熱交換器４の出口における空気温度は、ＭＯＤＥ１に比べて３Ｋ低くなっている。なお、粗アルゴン関係の各部の流量は一定に維持しているため、表１では省略する。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
この装置において、ＭＯＤＥ１の状態で２時間運転した時点でＭＯＤＥ２の目標値に向かって変更を要する全ての調節計設定値を直線的に１０分間で変更した。その後、ＭＯＤＥ２の状態で６時間運転してから、元のＭＯＤＥ１へ１０分間で戻す運転を行った。このときの各部の状態を、前記ケース１の方法を使用して行った場合と従来の方法とで行った場合とについてそれぞれシミュレーションを行った。
【００５６】
製品酸素ガスの流量は、図５に示すように、増減量開始時点から１０分間で流量を増減し、膨張タービン流量も、図６に示すように、増減量開始時点から１０分間で流量を増減した。
【００５７】
まず、従来の方法において、原料空気の流量を、図７の破線Ａに示すように一定のままとすると、図８の破線Ａに示すように、主熱交換器の熱容量の問題で生じる空気出口温度変化の遅れが発生することにより、図９の破線Ａに示すように、凝縮蒸発器における液化酸素の蒸発量が数時間の間、規定量に到達していない。したがって、上部塔の上昇ガス流量は、図１０の破線Ａに示すように変動し、その結果、製品酸素ガス純度（酸素濃度）は、図１１の破線Ａに示すように大きく低下し、粗アルゴン中の酸素濃度及び窒素濃度も、図１２及び図１３の破線Ａに示すように大きく変化する結果となった。
【００５８】
一方、主熱交換器の熱容量の問題で生じる空気出口温度変化の遅れを制御補償したケース１の方法で運転した場合は、空気流量を図７の実線Ｂで示すように補正しているため、図８の実線Ｂで示すように、主熱交換器の空気出口温度変化は従来とほとんど変わりがないものの、凝縮蒸発器での液化酸素の蒸発量は、図９の実線Ｂで示すように、１０分間でほぼ規定量に到達している。その結果、上部塔の上昇ガス流量は、図１０の実線Ｂに示すように略一定となり、製品の純度変化も、図１１、図１２及び図１３の実線Ｂにそれぞれ示すように許容範囲内に抑えられている。
【００５９】
また、製品酸素ガスを減量する場合、すなわち、ＭＯＤＥ２からＭＯＤＥ１への移行（各図において８時間目以降）も、原料空気の流量を図７の実線Ｂに示すように制御した結果、図９及び図１０の実線Ｂに示すように、凝縮蒸発器における液化酸素の蒸発量及び上部塔の上昇ガス流量が略一定となり、図１１〜図１３の実線Ｂに示すように、製品純度の変化も小さくなっていることがわかる。
【００６０】
なお、ここには示されていないが、ケース２、ケース３の運転方法についても、従来の方法に比べ有効であることをシミュレーションにより確認している。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液化酸素と液化窒素との寒冷振替による製品酸素ガスの需要変動に対して、主熱交換器出口における空気温度の追従の遅れにより生じる乱れを抑制し、製品純度を損なわずに迅速に応答することができる。特に、実施例で示したように、製品酸素ガスの需要変動が約１０分で製品量の３０％も変化するようなスピードが要求される場合に有効である。また、原料空気流量に対し、本発明を適用すると、主熱交換器出口の原料空気温度変化の遅れにより生じる一時的な上部塔上昇ガス流量の変動を抑えることができる。さらに、下部塔塔頂から導出される窒素ガスに対して本発明を適用すると、前記空気温度変化の遅れにより生じる一時的な上部塔上昇ガス流量の変動と同じ方向に上部塔塔頂へ供給する下降液流量を変更させ、上部塔の上昇ガス流量と下降液流量との流量比の崩れを抑えることができる。また、上部塔に供給される液化窒素流量に対して本発明を適用すると、空気温度変化の遅れにより生じる一時的な寒冷の過不足分を適切に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の制御方法及び制御装置を適用した空気液化分離装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】  増加補正値の一例を示す図である。
【図３】  減少補正値の一例を示す図である。
【図４】  実施例で使用した空気液化分離装置を示す系統図である。
【図５】  製品酸素ガス流量の変化を示す図である。
【図６】  膨張タービン流量の変化を示す図である。
【図７】  原料空気流量の変化を示す図である。
【図８】  主熱交換器の出口空気温度の変化を示す図である。
【図９】  凝縮蒸発器の液化酸素蒸発量の変化を示す図である。
【図１０】  上部塔の上昇ガス流量の変化を示す図である。
【図１１】  製品酸素ガスの酸素濃度の変化を示す図である。
【図１２】  粗アルゴン中の酸素濃度の変化を示す図である。
【図１３】  粗アルゴン中の窒素濃度の変化を示す図である。
【図１４】  液化酸素貯槽及び液化窒素貯槽を付設した従来の空気液化分離装置の一例を示すもので、製品酸素ガス増量時の状態を説明した系統図である。
【図１５】  同じく製品酸素ガス減量時の状態を説明した系統図である。
【図１６】  従来の空気液化分離装置の他の構成例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…下部塔、２…上部塔、３…凝縮蒸発器、４…主熱交換器、５…膨張タービン、６…液化窒素貯槽、７…液化酸素貯槽、５１…原料空気流量調節計、５２…製品酸素ガス流量調節計、５３…低圧窒素ガス流量調節計、５４…膨張タービン流量調節計、５５…還流液化窒素流量調節計、５６…液化空気流量調節計、５７…送出液化酸素流量調節計、５８…送出液化窒素流量調節計、５９…注入液化窒素流量調節計、６０…注入液化酸素流量調節計、６１…上部塔塔頂圧力調節計、７１…粗アルゴン塔、７２…粗アルゴン凝縮器、８２…粗アルゴン流量調節計
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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