JP2001066056A - 空気分離装置の運転制御方法 - Google Patents

空気分離装置の運転制御方法

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JP2001066056A
JP2001066056A JP24276299A JP24276299A JP2001066056A JP 2001066056 A JP2001066056 A JP 2001066056A JP 24276299 A JP24276299 A JP 24276299A JP 24276299 A JP24276299 A JP 24276299A JP 2001066056 A JP2001066056 A JP 2001066056A
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crude argon
flow rate
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Koji Akamatsu
耕二 赤松
Yasusuke Nishihara
庸介 西原
Yuki Hashimoto
祐樹 橋本
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 各製品の純度を維持させ、製品窒素パージ流
量に応じた各製品の生産量を調整する、空気分離装置の
運転制御方法。 【解決手段】 制御対象としての、精留塔上塔4より取
り出す製品酸素純度CV1、製品窒素純度CV2、粗ア
ルゴン塔6より取り出す中間製品粗アルゴン純度CV
3、精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流量CV
4、中間製品粗アルゴン取り出し流量CV5、製品窒素
パージ流量CV6、並びに、操作対象としての、原料空
気流量MV1、精留塔上塔に寒冷として導入する原料空
気流量MV2、製品酸素取り出し流量MV3、窒素還流
量MV4、粗アルゴン還流量MV5、中間製品粗アルゴ
ン取り出し流量MV6の各プロセス状態量のデータを計
算機に取り入れて、CV1〜CV6を各目標値と対比
し、MV1〜MV6を操作する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気を深冷分離し
て酸素、窒素、及びアルゴンを取り出す空気分離装置に
おいて、製品酸素、製品窒素、及び中間製品粗アルゴン
の各製品の純度を所定のレベルに維持したまま、製品窒
素パージ流量に応じた各製品の生産量を速やかに調整す
ることができる運転制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、空気を深冷分離して酸素、窒
素、及びアルゴンを取り出す空気分離装置において、製
品酸素、製品窒素、及び中間製品粗アルゴンの各製品の
純度を目標値の範囲に制御することは、各製品組成間の
干渉が強く、又、操作に対する応答が遅いため、比較的
困難とされている。
【0003】又、空気分離装置の特徴として、それ自体
が独立して運転されることは少なく、多くはその製品が
他プラントの原料や用役等として用いられるものである
ため、他プラントからの需要量見合いで製品生産量を調
整する必要があることから、導入する原料空気流量、及
び製品酸素取り出し流量、製品窒素取り出し流量等を極
力一定に保って運転することもできない。
【0004】従って、従来の運転においては、需要量の
変動に応じた運転条件の変更に伴う製品純度の乱れや、
製品量の不足等の問題の発生をなくすべく、原料空気量
を余剰投入して需要量以上の生産を行い、余剰製品窒素
を未使用のまま大気へパージすることで対応している
が、この運転方法においても、各製品の純度の乱れや、
製品生産量の調整の面での対応が十分であるとは言い難
いのが現状である。
【0005】一方、精留塔上塔において、製品酸素純度
を目標値内に保ったまま製品酸素取り出し流量を変更で
きるように、精留塔内の物質収支、熱収支を考慮し、フ
ィードフォワード制御により原料空気流量、膨張タービ
ン流量、窒素還流量、製品酸素取り出し流量を操作する
方法が提案されている(特開昭50−3692号公
報)。しかしながら、この制御方法では、酸素以外の窒
素やアルゴン等の製品純度までをも制御することはでき
ないと共に、プロセスモデルが静的なものであるため、
むだ時間等のプロセス動特性の取扱いが難しく、又、フ
ィードバック制御ではないため、モデルに考慮されてい
ない変数の影響を受けた場合に制御性が悪くなるという
欠点がある。
【0006】又、製品酸素取り出し流量が設定値となる
まで該流量に対する原料空気流量の比を一定に保って操
作し、原料空気流量を製品酸素取り出し流量に見合った
所定値に近似させた後、原料空気流量を固定したまま、
製品酸素取り出し流量を操作しながら製品酸素純度を調
整する方法が提案されている(特開昭54−79798
号公報)。しかしながら、この制御方法でも、酸素以外
の窒素やアルゴン等の製品純度までをも制御することは
できないと共に、何らかの外乱によって製品酸素純度が
乱れた場合に対処できないという欠点があり、この欠点
を解消するには、製品酸素取り出し流量に対する原料空
気流量の比を大きくすればよいが、経済的な不利を招く
こととなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前述の従来
技術に鑑みてなされたもので、従って、本発明は、酸
素、窒素、アルゴン等の各組成の相互干渉の影響を考慮
し、製品酸素、製品窒素、及び中間製品粗アルゴンの各
製品の純度を目標値の範囲に安定して維持させたまま、
製品窒素パージ流量に応じた各製品の生産量を速やかに
調整することができる、空気分離装置の運転制御方法を
提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、原料空気を圧
縮し冷却した後、精留塔下塔に導入し精留して窒素と液
体空気とに分離し、該窒素を精留塔上塔に還流液として
導入すると共に、該液体空気を精留塔上塔の前記窒素導
入部より下方部に還流液として導入して、寒冷を導入し
た精留塔上塔で精留して窒素と酸素とに分離し、製品窒
素をパージしつつ製品酸素、製品窒素を取り出す一方、
精留塔上塔から抜き出したアルゴン含有ガスを粗アルゴ
ン塔に導入し、粗アルゴンガスの一部を還流液として循
環させて、粗アルゴン塔で精留して粗アルゴンと酸素と
に分離し中間製品粗アルゴンを取り出す空気分離装置の
運転制御方法であって、制御対象としての下記のCV
1、CV2、CV3、CV4、CV5、及びCV6、並
びに、操作対象としての下記のMV1、MV2、MV
3、MV4、MV5、及びMV6の各プロセス状態量の
データを計算機に取り入れて、CV1〜CV6を予め取
り入れた各目標値と対比し、MV1〜MV6における変
更量を演算算出し、その算出した変更量に基づき、MV
1〜MV6を操作する、空気分離装置の運転制御方法、
を要旨とする。
【0009】CV1;精留塔上塔より取り出す製品酸素
純度 CV2;精留塔上塔より取り出す製品窒素純度 CV3;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
純度 CV4;精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流量 CV5;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
取り出し流量 CV6;精留塔上塔より抜き出す製品窒素パージ流量 MV1;原料空気流量 MV2;精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流量 MV3;精留塔上塔より取り出す製品酸素取り出し流量 MV4;精留塔下塔から精留塔上塔に導入する窒素還流
量 MV5;粗アルゴン塔への粗アルゴン還流量 MV6;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
取り出し流量
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の運転制御方法に用いる空
気分離装置を図面に基づいて説明すると、図1は、空気
分離装置の一実施例を示すプロセスフロー図であり、図
1において、1は空気圧縮機、2は熱交換器、3は膨張
タービン、4は精留塔上塔、5は精留塔下塔、6は粗ア
ルゴン塔、7は精留塔上塔4の底部に設けられた凝縮
器、8は粗アルゴン塔6の頂部に設けられた凝縮器、1
1、12、13、14、15、16、17、18、1
9、20、21、22、23、24、25、26、2
7、28、29、及び30はいずれも導管である。
【0011】図1において、原料となる空気は、導管1
1により空気圧縮機1に導入されて圧縮された後、その
大部分は熱交換器2で液化点近傍まで冷却されて導管1
2により精留塔下塔5の下部に導入される。一方、その
一部は導管13により熱交換器2を経て膨張タービン3
に導入されて、断熱膨張によって冷却された後、寒冷と
して精留塔上塔4の中間部に導入される。
【0012】精留塔下塔5内では、その下部に導入され
た原料空気は、精留されて窒素と液体空気とに分離し、
その窒素は塔頂ガスとして導管14により精留塔上塔4
の底部の凝縮器7に導入され、凝縮器7で液化酸素と熱
交換することによって凝縮せられた後、導管15により
還流液として精留塔下塔5の上部へ戻され、その還流液
との向流接触により塔頂ガスとしての窒素の精留が行わ
れる。その精留された窒素は、精留塔下塔5の上部棚段
により液体窒素として採取され、導管16により精留塔
上塔4の上部に還流液として導入される。尚、採取され
た棚段の液体窒素は、その一部が導管28により製品液
体窒素として取り出される。又、精留塔下塔5の底部か
ら液体空気が抜き出され、導管17により精留塔上塔4
の中間部に還流液として導入される。
【0013】精留塔上塔4内の下部では、凝縮器7での
凝縮熱で蒸気が生成され、導管17により精留塔上塔4
の中間部に導入された還流液等との向流接触により酸素
及びアルゴンの精留が行われ、又、上部では、下部から
の蒸気と導管16により精留塔上塔4の上部に導入され
た還流液との向流接触により窒素及び酸素の精留が行わ
れる。そして、その上部からは導管18により製品ガス
としての窒素が熱交換器2を経て取り出され、下部から
は導管19により製品ガスとしての酸素が熱交換器2を
経て取り出される。その際、その圧力が一定となるよう
に余剰窒素は導管30により抜き出され大気へパージさ
れる。尚、精留塔上塔4の底部に塔底液として溜まった
液体酸素は、その一部が導管27により製品液体酸素と
して取り出される。又、精留塔上塔4の中間部からアル
ゴン含有ガスが抜き出され、導管20により粗アルゴン
塔6の下部に導入される。
【0014】粗アルゴン塔6内では、塔頂ガスとしての
粗アルゴンガスの一部は、導管21により頂部の凝縮器
8に導入され、精留塔下塔5底部から導管22により導
入された液体空気と熱交換することにより凝縮せられた
後、還流液として粗アルゴン塔6の上部へ戻され、その
還流液との向流接触により粗アルゴンと酸素の精留が行
われる。そして、導管23により粗アルゴンの一部が中
間製品ガスとして取り出され、該粗アルゴンは、図示し
ていない精製アルゴン塔へ送られ、不純物を除去された
後、高純度アルゴンとして取り出される。尚、導管25
により前記液体空気の一部、導管24により凝縮器8で
気化した空気の一部、導管26により粗アルゴン塔6塔
底液の一部は、それぞれ精留塔上塔4に戻される。
【0015】以上の空気分離装置において、本発明の運
転制御方法を同じく図1に基づいて説明すると、図1に
おいて、CV1、CV2、CV3、CV4、CV5、及
びCV6は制御対象としてのプロセス状態量のデータ、
MV1、MV2、MV3、MV4、MV5、及びMV6
は操作対象としてのプロセス状態量のデータ、FF1、
FF2、及びFF3は外乱対象としてのプロセス状態量
のデータであり、40は、計算機としての多変数制御装
置である。
【0016】ここで、CV1は、精留塔上塔4から導管
19により取り出す製品酸素をサンプリングしたその純
度としての酸素ガス中の酸素濃度、CV2は、精留塔上
塔4から導管18により取り出す製品窒素をサンプリン
グしたその純度としての窒素ガス中の酸素濃度、CV3
は、粗アルゴン塔6から導管23により取り出す中間製
品粗アルゴンをサンプリングしたその純度としての粗ア
ルゴンガス中の酸素濃度、CV4は、導管13により熱
交換器2及び膨張タービン3を経て精留塔上塔4に寒冷
として導入する原料空気流量、CV5は、粗アルゴン塔
6から導管23により取り出す中間製品粗アルゴン取り
出し流量、CV6は、導管30により大気へパージされ
る製品窒素パージ流量である。
【0017】又、MV1は、導管11により空気分離装
置に導入する原料空気流量、MV2は、導管13により
熱交換器2及び膨張タービン3を経て精留塔上塔4に寒
冷として導入する原料空気流量、MV3は、精留塔上塔
4から導管19により取り出す製品酸素取り出し流量、
MV4は、精留塔下塔5から導管16により精留塔上塔
4に導入する窒素還流量、MV5は、粗アルゴン塔6に
おいて導管21により還流される粗アルゴン還流量、M
V6は、粗アルゴン塔6から導管23により取り出す中
間製品粗アルゴン取り出し流量である。
【0018】又、FF1は、精留塔下塔5から導管28
により取り出す製品液体窒素取り出し流量、FF2は、
導管11により導入する原料空気温度、FF3は、製品
窒素ユーザーから求められる使用量である。
【0019】本発明の運転制御方法は、制御対象として
の、製品酸素ガス中の酸素濃度CV1、製品窒素ガス中
の酸素濃度CV2、中間製品粗アルゴンガス中の酸素濃
度CV3、精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流
量CV4、中間製品粗アルゴン取り出し流量CV5、及
び、製品窒素パージ流量CV6、並びに、操作対象とし
ての、原料空気流量MV1、精留塔上塔に寒冷として導
入する原料空気流量MV2、製品酸素取り出し流量MV
3、精留塔下塔5から精留塔上塔4に導入する窒素還流
量MV4、粗アルゴン還流量MV5、及び、中間製品粗
アルゴン取り出し流量MV6の各プロセス状態量のデー
タを計算機としての多変数制御装置40に取り入れて、
制御対象としてのCV1、CV2、CV3、CV4、C
V5、及びCV6を予め取り入れた各目標値と対比し、
操作対象としてのMV1、MV2、MV3、MV4、M
V5、及びMV6における変更量を演算算出し、その算
出した変更量に基づき、操作対象としてのMV1、MV
2、MV3、MV4,MV5、及びMV6を操作するも
のである。
【0020】又、本発明において、前記制御対象として
のCV1、CV2、CV3、CV4、CV5、及びCV
6の精度を向上させるために、更に、外乱対象として
の、製品液体窒素取り出し流量FF1、原料空気温度F
F2、及び製品窒素使用量FF3の各プロセス状態量の
データも、前記操作対象MV1、MV2、MV3、MV
4、MV5、及びMV6と同様に取り入れることが好ま
しい。
【0021】本発明において、計算機としての多変数制
御装置は、(1) データ入力部、(2)多変数制御演算部、
及び、(3) 制御演算結果出力部により構成されており、
それによる操作量の演算は、以下の手順でなされる。
【0022】(1) データ入力部 データ入力部において、前記制御対象としてのCV1、
CV2、CV3、CV4、CV5、及びCV6、並び
に、前記操作対象としてのMV1、MV2、MV3、M
V4、MV5、及びMV6、更に好ましくは、外乱対象
としてのFF1、FF2、及びFF3のプロセス状態量
の信号データを取り込む。
【0023】(2) 多変数制御演算部 次いで、多変数制御演算部において、データ入力部より
供給されるプロセス状態量を取り込み、CV1、CV
2、CV3、CV4、CV5、及びCV6における各目
標値と対比して多変数制御演算を行う。尚、ここで、通
常、空気分離装置においては、製品純度、生産量等の制
御は相互干渉があり、応答が遅く、常に他プラントから
の需要変動の影響を受けることは避けられないため、本
発明におけるこの多変数制御演算部としては、目標値変
更、外乱除去、むだ時間の取扱い等に優れている多変数
モデル予測制御演算を織り込んだものであるのが好適で
あり、以下に多変数モデル予測制御演算における一例を
示す。
【0024】プロセス動特性モデル 空気分離装置のプロセス動特性は、前記各操作対象及び
前記各外乱対象より与えられる次式の関数 fn (x) にて
同定される。 CV1 =f1(MV1,MV2,MV3,MV5,MV6,FF1,FF2) CV2 =f2(MV1,MV3,MV4) CV3 =f3(MV1,MV2,MV3,MV5,MV6,FF1) CV4 =f4(MV1,MV2) CV5 =f5(MV1,MV6) CV6 =f6(MV1,MV2,FF1,FF3)
【0025】図2及び図3にプロセス動特性を表す前記
各操作対象及び前記各外乱対象に対する前記各制御対象
のステップ応答の一例を示す。尚、図2及び図3におい
て、CV1、CV3は、酸素濃度を百分率(%)で捉え
たときの、CV2は、酸素濃度を百万分率(ppm)で
捉えたときの、CV4は、寒冷としての原料空気流量を
原料空気流量MV1に対する百分率(%)で捉えたとき
の、CV5は、粗アルゴン取り出し流量を原料空気中の
全アルゴン流量に対する百分率(%)で捉えたときの、
CV6、MV4、FF1は、流量をバルブ開度(%)で
捉えたときの、MV1、MV2、MV3、MV6、FF
3は、それぞれの流量を時間当たりの量(Nm3 /h)
で捉えたときの、MV5は、還流量を粗アルゴン塔の上
部と下部の差圧(kPa)で捉えたときの、FF2は、
温度を摂氏(℃)で捉えたときの、それぞれの応答を表
示したものである。
【0026】制御量予測 データ入力部に取り込まれた現時点のプロセス状態量の
データと過去の操作対象、外乱対象、制御対象の値か
ら、プロセス動特性モデルより導かれる制御量予測式を
用いて、現時点を始点とし制御対象における未来の制御
量を予測する。
【0027】操作量の決定 制御対象における予測された制御量予測値をその目標値
に近づけるよう、制御量予測値と目標値との差、操作量
変動量、及びプロセス制約条件(例えば、製品スペッ
ク、操作可能なバルブ開度等)を考慮した最適化問題を
解くことで、操作対象における現時点から未来の操作量
を決定する。
【0028】(3) 制御演算結果出力部 操作対象において、操作量の演算された操作量系列のう
ち、現時点での操作量を次回制御実行時刻まで制御演算
結果出力部に出力する。この演算結果は、制御演算結果
出力部より各操作量のマイナー制御系に対して、その操
作量を目標値として伝達し、各マイナー制御系は制御量
がこの目標値になるように、操作対象を調節する。尚、
操作対象としての流量の調節は、バルブ開度によっても
よいことは勿論である。
【0029】図4は、従来の運転制御方法の実施途中に
本発明の運転制御方法を実施した空気分離装置の運転結
果の一例を、それぞれ製品窒素使用量の変更に対する原
料空気流量、製品窒素パージ流量、及び製品純度の変動
により示したものであり、図4から明らかなように、従
来の運転では、製品窒素使用量の変更に対しても、製品
純度が影響されないように原料空気流量を余剰の状態で
一定に保って運転が行われているため、製品純度は安定
しているものの、製品収率性は低く、又、原料空気余剰
投入による運転コストの上昇を招き、更に、製品純度を
調整するための運転操作が煩雑であると共に、操作に対
する応答が遅かった。これに対して、本発明の運転制御
方法では、製品窒素使用量の変更に対しても製品窒素パ
ージ流量を一定に保つように原料空気流量等を操作する
ことによって、製品窒素生産量と使用量のバランスが自
動調整され、原料空気流量の適性化のもとに運転が行わ
れ、更に、各製品純度が安定しているため、運転上の負
担を軽減し、各製品の収率を高レベルに保つことができ
ることとなる。
【0030】尚、本発明の空気分離装置の運転制御方法
は、図1に示した空気分離装置における場合に限定され
るものではなく、例えば、精留塔下塔から精留塔上塔へ
の還流流路数が追加されているプロセス、原料空気を精
留塔下塔に全て導入し、その中部又は下部からその一部
を抜き出して、膨張タービンに導入した後、精留塔上塔
又は精留塔下塔へ導入するか、或いは、不純窒素ライン
に導入して冷熱を回収するプロセス、膨張タービンから
の寒冷導入の代わりに、酸素又は窒素の液化ガスを寒冷
として精留塔上塔又は精留塔下塔に導入するプロセス、
等についても適用が可能である。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、酸素、窒素、アルゴン
等の各組成の相互干渉の影響を考慮し、製品酸素、製品
窒素、及び中間製品粗アルゴンの各製品の純度を目標値
の範囲に安定して維持させたまま、製品窒素パージ流量
に応じた各製品の生産量を速やかに調整することができ
る、空気分離装置の運転制御方法を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の運転制御方法に用いる空気分離装置
の一実施例を示すプロセスフロー図である。
【図2】 本発明の運転制御方法で用いたプロセス動特
性モデルの一例を示すグラフである。
【図3】 本発明の運転制御方法で用いたプロセス動特
性モデルの一例を示すグラフである。
【図4】 従来の運転制御方法の実施途中に本発明の運
転制御方法を実施した空気分離装置の運転結果の一例を
示すグラフである。
【符号の説明】
1;空気圧縮機 2;熱交換器 3;膨張タービン 4;精留塔上塔 5;精留塔下塔 6;粗アルゴン塔 7、8;凝縮器 11、12、13、14、15、16、17、18、1
9、20、21、22、23、24、25、26、2
7、28、29、30;導管 40;計算機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G05B 13/04 G05B 13/04 (72)発明者 橋本 祐樹 岡山県倉敷市潮通三丁目10番地 三菱化学 株式会社水島事業所内 Fターム(参考) 4D047 AA08 AB01 AB02 AB04 DA04 DA06 EA00 EA04 5H004 GA07 GA15 GA16 GA21 GA34 GB02 HA02 HA04 HA16 HB01 HB02 HB04 JA17 JA22 JA23 KA54 KA71 KB33 KB39 KC27 KC45 9A001 BB06 HH34 JJ73 LL09

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原料空気を圧縮し冷却した後、精留塔下
    塔に導入し精留して窒素と液体空気とに分離し、該窒素
    を精留塔上塔に還流液として導入すると共に、該液体空
    気を精留塔上塔の前記窒素導入部より下方部に還流液と
    して導入して、寒冷を導入した精留塔上塔で精留して窒
    素と酸素とに分離し、製品窒素をパージしつつ製品酸
    素、製品窒素を取り出す一方、精留塔上塔から抜き出し
    たアルゴン含有ガスを粗アルゴン塔に導入し、粗アルゴ
    ンガスの一部を還流液として循環させて、粗アルゴン塔
    で精留して粗アルゴンと酸素とに分離し中間製品粗アル
    ゴンを取り出す空気分離装置の運転制御方法であって、
    制御対象としての下記のCV1、CV2、CV3、CV
    4、CV5、及びCV6、並びに、操作対象としての下
    記のMV1、MV2、MV3、MV4、MV5、及びM
    V6の各プロセス状態量のデータを計算機に取り入れ
    て、CV1〜CV6を予め取り入れた各目標値と対比
    し、MV1〜MV6における変更量を演算算出し、その
    算出した変更量に基づき、MV1〜MV6を操作するこ
    とを特徴とする空気分離装置の運転制御方法。 CV1;精留塔上塔より取り出す製品酸素純度 CV2;精留塔上塔より取り出す製品窒素純度 CV3;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
    純度 CV4;精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流量 CV5;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
    取り出し流量 CV6;精留塔上塔より抜き出す製品窒素パージ流量 MV1;原料空気流量 MV2;精留塔上塔に寒冷として導入する原料空気流量 MV3;精留塔上塔より取り出す製品酸素取り出し流量 MV4;精留塔下塔から精留塔上塔に導入する窒素還流
    量 MV5;粗アルゴン塔への粗アルゴン還流量 MV6;粗アルゴン塔より取り出す中間製品粗アルゴン
    取り出し流量
  2. 【請求項2】 精留塔下塔より一部の窒素を製品液体窒
    素として取り出すと共に、更に、外乱対象としての下記
    のFF1、FF2、及びFF3の各プロセス状態量のデ
    ータを計算機に取り入れる請求項1に記載の空気分離装
    置の運転制御方法。 FF1;精留塔下塔より取り出す製品液体窒素取り出し
    流量 FF2;原料空気温度 FF3;製品窒素使用量
  3. 【請求項3】 プロセス状態量の変更量を多変数モデル
    予測制御演算により算出する請求項1又は2に記載の空
    気分離装置の運転制御方法。
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