JP2003166782A - 空気分離装置の酸素発生量制御方法 - Google Patents

空気分離装置の酸素発生量制御方法

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JP2003166782A JP2001365561A JP2001365561A JP2003166782A JP 2003166782 A JP2003166782 A JP 2003166782A JP 2001365561 A JP2001365561 A JP 2001365561A JP 2001365561 A JP2001365561 A JP 2001365561A JP 2003166782 A JP2003166782 A JP 2003166782A
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純 吉田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】「寒冷起動」時等において、低温流体側の温度
状態がいかなる場合でも、常に最適な蒸発を自動的に行
って蒸発過程の時間短縮を図って、プラント全体として
時間短縮を実現する内部昇圧式深冷空気分離装置を提供
することにある。 【解決手段】本発明は、液体酸素分離機9の内部の液体
酸素の温度を常時計測し、その状態の酸素蒸発に必要な
条件(温度→圧力)を自動演算して、昇圧空気の供給元で
ある空気昇圧機4の運転圧力を調整する内部昇圧式深冷
空気分離装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素プラントや窒
素発生装置等の内部昇圧式深冷空気分離装置における酸
素等の発生量(流量、圧力)の制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】製品酸素を液体酸素の状態で精留塔から
取り出し、液ポンプ等により、ある程度の圧力まで昇圧
し液体酸素分離器に供給し、より温度の高い高温流体と
熱交換することにより所定の製品酸素を発生させる内部
昇圧式空気分離装置の典型図を図1に示す。
【0003】概略プロセスとして、コールドボックス
(保冷槽)5にて深冷分離される原料空気は、まず原料空
気圧縮機1にて大気状態から所定の圧力まで圧縮され、
吸着塔ユニット3へ送られる。吸着塔ユニット3におい
て、後流側の深冷分離過程で固化し流路閉塞の恐れのあ
るCO2や水分を吸着除去した後、コールドボックス吹
込弁を介して、原料空気としてコールドボックス側へ送
られる。なお、2は、原料空気圧縮機1で圧縮された原
料空気を窒素ガスで冷却する空気前冷却装置である。
【0004】吸着塔ユニット3は複数基の吸着塔から構
成されており、決められた運転サイクルに従い、各々が
吸着、脱圧、再生、加圧が繰り返される。加圧工程で
は、塔内部を再生状態のほぼ大気圧近傍から運転圧(約
4〜5atm)近くまで加圧するが、これには、吸着塔出
口の原料空気自身が使用される。
【0005】吸着塔3から出た原料空気は、コールドボ
ックス(保冷槽)側へ送られるが、(1)精留塔下塔8へ
送られる原料空気、(2)寒冷発生のための膨張タービ
ン6へ送られる原料空気、(3)製品の液体酸素を蒸発
させるための昇圧原料空気、に分流される。これらのう
ち、(1)の原料空気は、保冷槽5内の空気熱交換器1
3により液化点近くまで冷却された状態で、精留塔下塔
8の下部に送り込まれる。(2)の原料空気は、タービ
ンコンプレッサにより昇圧されるか、あるいはそのまま
の圧力で、同じく空気熱交換器13により温度降下し、
保冷槽5の必要寒冷を発生する膨張タービン6にて、大
気圧近くまで膨張し、精留塔上塔7へ原料空気として流
入する。
【0006】保冷槽5内の精留塔7で分離された製品液
体酸素30は、通常、0.03MPa(G)程度の定圧
の飽和液の状態であるが、これを所定の製品圧力に昇圧
するのに、低温の液体の状態で圧縮する液体酸素ポンプ
10が用いられる。液体酸素ポンプ10にて所定の圧力
に加圧された液体酸素は、その飽和温度より更に高い飽
和温度となる昇圧空気と液体酸素熱交換器14により間
接的に熱交換されて、所定圧力の製品ガスとして蒸発
し、更に空気熱交換器13により常温まで温度回復さ
れ、製品酸素ガスとしてプラントから取り出される。
【0007】この液体酸素ポンプ10で加圧された液体
酸素を蒸発させるための流体が上記(3)の昇圧空気で
ある。昇圧空気は、液体酸素熱交換器14により液体酸
素と熱交換し液化され、精留塔下塔8へ原料空気(液体)
33として連続的に供給される。
【0008】図2には、液体酸素蒸発部9の詳細の一例
を示す。上記システムにおいて、精留塔(上塔)7から
注出された製品液体酸素L(O2)30は、液体酸素ポ
ンプ10で、製品圧よりも少し高い圧力まで加圧され、
液体酸素ドラム9に送られる。液体酸素ドラム9の液相
部分には、製品酸素量ほど蒸発させるための酸素蒸発器
(液体酸素熱交換器)14が備わっており、液体酸素ド
ラム9の内部液相の飽和温度より高い液化温度の状態を
持つ昇圧空気G(空気)31が空気昇圧機4から空気熱
交換器13を経て液体酸素蒸発器14へ導かれる。液体
酸素蒸発器14において、液体酸素側は蒸発され、逆に
昇圧空気側は冷却されて凝縮される。蒸発した酸素は製
品ガスG(O2)として、空気熱交換器13を通り、常
温に回復され製品酸素ガス32として需要側に送られ
る。
【0009】この、内部昇圧式の空気分離プロセスで
は、液体酸素分離器(液体酸素蒸発部)9の内部の液体
酸素を蒸発させるのに、原料空気または原料空気を外部
の昇圧機4を用いて昇圧させた「昇圧空気」が使われ
る。酸素蒸発器(液体酸素熱交換器)14にて凝縮した
昇圧空気は、昇圧空気過冷却器15にて更に冷却され、
サブクールの状態になり、膨張弁16を通して精留塔
(下塔)8の下部に原料空気として使用される。
【0010】一般に、製品酸素ガス圧力、すなはち液体
酸素ドラム9の内部圧力は、圧力検出器17で検出して
昇圧制御弁16を制御することによって、供給する昇圧
空気の流量でPID制御される。昇圧空気側の圧力は空
気昇圧機4の吐出圧力には上限があるため、必然的に、
液体酸素蒸発器14の昇圧空気側の流体の温度は、運転
上あまり変える余地は少ない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記のごとき、内部昇
圧式の中圧酸素(0.03MPa(G)程度以上)を取
り出すプラントでは、プラントの一時停止等において、
液体酸素ドラム内部に液体酸素を滞留させた状態、いわ
ゆる「寒冷待機」の状態となる。この場合、停止時間が
数時間におよぶ場合には、時間が経つにつれて液体酸素
ドラム内部の液体酸素中の窒素成分の蒸発が進み、滞留
液の組成は酸素濃度が上がり、且つ液体温度が定常運転
状態から上昇する。
【0012】このような「寒冷待機」の状態からのプラ
ント再起動においては、液体酸素ドラムの滞留液の温度
が上がっているため、起動直後(昇圧空気送入直後)は昇
圧空気側温度との温度差が狭まり、非常に遅い蒸発速度
からのスタートとならざるを得ない。このため、製品酸
素濃度が定常時濃度より高い状態のガスが徐々に蒸発
し、液体酸素ドラム内部の圧力がなかなか所定の圧力ま
で上昇しにくい。特に大型のプラントでは、運転安定化
のため液体酸素ドラムの容量は大きくとるため、内部滞
留液の組成が完全に元に戻るまでは、非常に時間を要す
傾向にある。
【0013】また、場合によっては、酸素ドラム内部液
温度と、過熱源である昇圧空気の温度が接近し、起動直
後はほとんど酸素ドラムの加圧が進行しない場合もあり
うる。特に、一般に低純度といわれる製品酸素濃度が9
0〜80%O2のプラントでは、この傾向が顕著に現れ
るため、プラント再起動から、所定の製品酸素状態にな
るまで、液体酸素ドラムの蒸発待ち時間に多くの時間が
かかってしまうのが現実である。
【0014】また、この「寒冷起動」の過程では、昇圧
空気側の圧力・流量制御が重要な要素となるため、従来
は十分な蒸発がおこり酸素分離機9の内部の圧力が上昇
するまでは、昇圧空気弁16を手動で適正開度をみつけ
て起動している。この開度は、毎回の起動前の状態によ
り変化するため、適宜マニュアル操作にて適正な開度を
調整する必要があった。
【0015】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
「寒冷起動」時等において、低温流体側の温度状態がい
かなる場合でも、常に最適な蒸発を自動的に行って蒸発
過程の時間短縮を図って、プラント全体として時間短縮
を実現する内部昇圧式深冷空気分離装置を提供すること
にある。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、
該原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸
着塔ユニットと、該吸着塔ユニットで前処理された空気
を原料とし、深冷分離法にて原料の空気から窒素や酸素
等を分離連続生産する精留塔、および該精留塔から得ら
れる製品となるガスを液体の状態で液ポンプを利用して
所定の圧力まで昇圧し、更に内部に設けられた熱交換器
により高温側流体と熱交換して目的の製品ガス圧力を発
生する液体蒸発部を有するコールドボックスとを備えた
内部昇圧式深冷空気分離装置であって、前記熱交換器に
供給する高温側流体の供給条件を制御する制御手段を設
けたことを特徴とする。
【0017】また、本発明は、前記内部昇圧式深冷空気
分離装置において、更に、前記液体蒸発部内の低温側流
体の温度を計測する温度計と、該温度計で計測された低
温側流体の温度状況に応じて前記高温側流体の供給条件
を計算し、該計算された高温側流体の供給条件を制御目
標値として前記制御手段に出力する計算手段とを備えた
ことを特徴とする。また、本発明は、前記内部昇圧式深
冷空気分離装置において、前記制御手段を、前記高温側
流体の供給条件である供給圧力を制御するように構成し
たことを特徴とする。また、本発明は、前記内部昇圧式
深冷空気分離装置において、更に、前記液体蒸発部内の
低温側流体の温度を計測する温度計と、該温度計で計測
された低温側流体の温度状況に応じて液体ガスの蒸発に
必要な高温側流体の圧力を計算し、該計算された高温側
流体の圧力を制御目標値として前記制御手段に出力する
計算手段とを備えたことを特徴とする。
【0018】また、本発明は、前記内部昇圧式深冷空気
分離装置において、前記制御手段を、前記高温側流体の
供給条件である供給圧力および供給量を制御するように
構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記内部
昇圧式深冷空気分離装置において、更に、前記液体蒸発
部内の低温側流体の温度を計測する温度計と、該温度計
で計測された低温側流体の温度状況に応じて液体ガスの
蒸発に必要な高温側流体の圧力および高温側流体の供給
量を計算し、該計算された高温側流体の圧力および高温
側流体の供給量を制御目標値として前記制御手段に出力
する計算手段とを備えたことを特徴とする。
【0019】また、本発明は、内部昇圧式深冷空気分離
装置であって、液体蒸発部内(液体酸素分離器内部)の
低温側流体(液体酸素)の温度を計測し、そのときの温
度の値から、液体ガスの蒸発に必要な昇圧空気側の飽和
温度に対応する飽和圧力を算出し、少なくともその圧力
の昇圧空気を供給できるように、空気昇圧機側運転圧力
を自動的に制御する機能を持たせることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る内部昇圧式深
冷空気分離装置の実施の形態を図面を用いて説明する。
本発明に係る内部昇圧式空気分離装置の実施の形態は、
図3に示す構成以外は、図1に示す構成と同様とする。
まず、本発明に係る内部昇圧式深冷空気分離装置につい
て説明する。
【0021】即ち、本発明は、原料空気圧縮機1にて大
気から圧縮され、吸着塔ユニット3等にて前処理された
空気を原料とし、深冷分離法にて原料の空気から窒素や
酸素等を分離し連続生産するコールドボックス(保冷
槽)5を有し、製品となる酸素を液体の状態で液体酸素
ポンプ10等を利用し製品圧力まで昇圧する内部昇圧式
深冷空気分離装置に関するものである。
【0022】そして、精留塔上塔7の底部から注出され
て液体酸素ポンプ10にて所定の圧力に加圧された液体
酸素は、液体酸素ドラム(液体酸素蒸発部)9におい
て、その飽和温度より更に高い飽和温度となる昇圧空気
(高温流体)と液体酸素熱交換器14により間接的に熱
交換されて所定圧力の製品酸素ガスとして蒸発し、更に
空気熱交換器13により常温まで温度回復され、より多
くの製品酸素ガス31としてプラントから取り出される
ことになる。なお、11は、窒素ガスの圧力を上げて吸
着塔ユニット3に送り込むための再生ガス加熱装置であ
る。
【0023】本発明に係る内部昇圧式の中圧酸素ガス
(0.03MPa(G)程度以上)を取り出すプラント
においては、製品酸素を深冷状態で精留分離する精留塔
は、下塔(中圧塔)8と上塔(低圧塔)7から構成さ
れ、両者は主凝縮器40にて互いに熱交換を行う。この
主凝縮器40には下塔8の上部から窒素ガスが供給さ
れ、液化された窒素は下塔8の上部に戻される。
【0024】上記精留塔は、原料空気圧縮機1で圧縮さ
れ、吸着塔ユニット3でCO2や水分等を吸着除去して
熱交換器13により液化点近くまで冷却されて送り込ま
れた原料空気37を窒素ガスと酸素分に富んだ液体空気
に精留分離する下塔8と、下塔の底部より抜き出された
液体空気35および下塔8から抜き出された液体不純窒
素36を過冷却する過冷却器12と、タービンコンプレ
ッサにより昇圧されるか、あるいはそのままの圧力で、
同じく熱交換器13により温度降下し、必要寒冷を発生
する膨張タービン6にて大気圧近くまで膨張して原料空
気38として流入し、主凝縮器40を有し、上記過冷却
器12で過冷却されて送られてきた液体空気および液体
不純窒素を精留して底部から液体酸素30を取り出す上
塔7とを備えて構成される。なお、上塔7の頂部から得
られる窒素ガスは、過冷却器12において、寒冷の一部
を下塔8からの液体空気および液体不純窒素に渡して過
冷却することになる。そして、これら上塔7と下塔8の
圧力関係は、主凝縮器40の温度差で決まる飽和温度に
相当する圧力にて運転される。
【0025】次に、本発明に係る内部昇圧式深冷空気分
離装置の基本の実施の形態について,図3及び図4を用
いて説明する。本発明の基本の実施の形態は、図3に内
部昇圧系の部分の略図として示す如く、内部昇圧用液体
酸素ポンプ10で液体酸素30を加圧して液体酸素ドラ
ム9に送り込み、液体酸素ドラム9内で液体酸素熱交換
器14により昇圧空気と間接的に熱交換させることで所
定の製品酸素圧力を確保する内部昇圧式深冷分離装置で
ある。そして、図3に示す基本の実施の形態において、
図2に示す構成と相違する点は、液体酸素分離器9の液
相部分の温度を常時計測する温度計18と、温度計18
で計測された低温流体(蒸発される側の流体:例えば液
体酸素)34の温度PV(T)を基に、空気昇圧機4の
目標運転圧力SPを計算し、該計算された目標運転圧力
SPで空気昇圧機4を制御するプロセッサー(計算手
段)19とを備えたことにある。
【0026】これによって、温度計18は、液体酸素分
離器9の液相部分34の温度を常時計測する。そして、
プロセッサー(計算手段)19は、図4に示すように、温
度計18で計測された低温流体(例えば液体酸素)側温
度PV(T)に対して、酸素熱交換器14にて蒸発が成
立するための高温流体(例えば昇圧空気)側の供給条件
を自動計算して供給条件の制御目標値を設定する。具体
的には、プロセッサー19は、ステップS41におい
て、計測された低温流体温度PV(T)から、酸素熱交
換器14の想定温度差群ΔT(ΔT=2.0〜4.0
℃)を加算した値を高温流体(昇圧空気)側の想定温度
CV(T)とし、ステップS42において、その昇圧空
気側温度CV(T)に対する昇圧空気の飽和圧力CPを
計算する。飽和圧力CPは、温度の関数f(CV
(T))とし、内部演算させる。ここで求めた飽和圧力
CPは、酸素熱交換器14の部分での昇圧空気の圧力で
あるため、ステップS43において、この値CPに配管
の圧力損失分ΔPを加えた数値を供給源である空気昇圧
機の運転圧力SPを目標値として出力し、空気昇圧機4
の運転圧力を常に最適な状態に制御する。
【0027】このように、プロセッサー19は、空気昇
圧機4の運転圧力SPを、低温流体(例えば液体酸素)
側の温度PV(T)から随時演算した、最適な吐出圧力
に制御することにより、例えば「寒冷起動」時等におい
て、低温流体側の温度状態がいかなる場合でも、常に最
適な蒸発を自動的に行うことができ、起動時における手
動操作を無くすことができると共に蒸発過程の時間短縮
を実現することができる。
【0028】更に、プロセッサー19は、温度計18で
計測された低温流体(例えば液体酸素)側温度PV
(T)に対して、酸素熱交換器14にて蒸発が成立する
ための高温流体(例えば昇圧空気)側の供給条件とし
て、供給圧力および供給量を自動計算して供給圧力およ
び供給量の制御目標値を設定する。高温流体側の供給圧
力については、上述したように、温度計18で計測され
た低温流体(例えば液体酸素)側温度PV(T)に応じ
て、供給源である空気昇圧機の運転圧力SPを算出して
制御目標値として設定し、空気昇圧機4の運転圧力を常
に最適な状態に制御する。更に、高温流体側の供給量に
ついても、温度計18で計測された低温流体側温度PV
(T)に応じて算出し、該算出された供給量を目標値と
して設定し、該設定された制御目標値になるように昇圧
制御弁16を制御してもよい。しかし、昇圧制御弁16
を、圧力計17で計測される製品ガス圧力によって自動
制御する場合には、自動的に圧力計17で計測される製
品ガス圧力に応じて制御するか、温度計18で計測され
た低温流体側温度PV(T)に応じて制御するかを選択
する必要がある。例えば、寒冷起動時においては、昇圧
制御弁16を、温度計18で計測された低温流体側温度
PV(T)に応じて制御し、定常運転時には圧力計17
で計測される製品ガス圧力によって制御すればよい。そ
して、圧力計17で計測される製品ガス圧力をプロセッ
サー(計算手段)19に入力することによって、プロセッ
サー19は、圧力計17で計測される製品ガス圧力およ
び温度計18で計測された低温流体側温度PV(T)に
応じて昇圧制御弁16を自動制御することが可能とな
る。
【0029】特に、一つの低純度のプラントの実施例と
して、定常時には、低温流体の温度PV(T)が約−1
64℃で、圧力が0.03MPa(G)程度で、O2
80%程度、N2が15%程度であるが、寒冷起動時に
おいては停止時間が数時間におよぶ関係で、時間が経つ
につれて液体酸素ドラム9の内部の低温流体中の例えば
窒素成分の蒸発が進み、滞留液の組成はO2が90%程
度、N2が8%程度となり、酸素濃度が上がり、且つ低
温液体の温度がPV(T)が約−161℃程度と定常運
転状態から上昇してしまうことになる。
【0030】そこで、このような「寒冷待機」の状態か
らのプラント再起動において、図4に示すように、低温
流体との温度差ΔT(=2.0〜4.0℃)を作るべ
く、高温流体(例えば昇圧空気)側の温度CV(T)が
−159〜−157℃程度になるように空気昇圧機4の
吐出圧力SPを増大させるように制御することによっ
て、O2の蒸発を促進して液体酸素ドラム9の内部圧力
を早期に所定の圧力まで上昇させ、早期に定常状態にす
ることが可能となる。
【0031】なお、製品酸素ガス圧力、すなはち液体酸
素ドラム9の内部圧力(0.03MPa(G)程度以
上)は、圧力検出器17で検出して昇圧制御弁16を制
御することによって、供給する昇圧空気の流量でPID
制御されることになる。
【0032】以上説明したように、一般に低純度といわ
れる製品酸素濃度が90〜80%O 2の大型のプラント
において、運転安定化のため液体酸素ドラム9の容量は
大きくとったとしても、内部滞留液の組成が完全に元に
戻るまでの蒸発過程の時間(液体酸素ドラムの蒸発待ち
時間)を短縮することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、「寒冷起動」時等にお
いて、低温流体側の温度状態がいかなる場合でも、常に
最適な蒸発を自動的に行って蒸発過程の時間短縮を図っ
て、プラント全体として時間短縮を可能にした内部昇圧
式深冷空気分離装置を実現することができる効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の内部昇圧式深冷空気分離装置の回路構成
例を示す図である。
【図2】従来の酸素蒸発部の回路構成例を示す図であ
る。
【図3】本発明に係る内部昇圧式深冷空気分離装置の実
施の形態である酸素蒸発部における回路構成例を示す図
である。
【図4】本発明に係るプロセッサーにおいて計算・制御
するフローを示す図である。
【符号の説明】
1…原料空気圧縮機、2…前冷却装置、3…吸着塔ユニ
ット、4…空気昇圧機、5…コールドボックス(保冷
槽)、6…膨張タービン、7…精留塔(上塔)、8…精留
塔(上塔)、9…液体酸素ドラム(液体酸素蒸発部、液体
酸素分離器)、10…内部昇圧用液体酸素ポンプ、11
…再生ガス過熱装置、12…過冷却器、13…空気熱交
換器、14…液体酸素熱交器(酸素蒸発器)、15…昇
圧空気過冷却器、16…昇圧制御弁、17…圧力計、1
8…温度計、19…プロセッサー(計算手段)、30…製
品液体酸素、33…原料空気(液体)、34…低温流
体。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原料空気を圧縮する原料空気圧縮機と、該
    原料空気圧縮機で圧縮された原料空気を前処理する吸着
    塔ユニットと、該吸着塔ユニットで前処理された空気を
    原料とし、深冷分離法にて原料の空気から窒素や酸素等
    を分離連続生産する精留塔、および該精留塔から得られ
    る製品となるガスを液体の状態で液ポンプを利用して所
    定の圧力まで昇圧し、更に内部に設けられた熱交換器に
    より高温側流体と熱交換して目的の製品ガス圧力を発生
    する液体蒸発部を有するコールドボックスとを備えた内
    部昇圧式深冷空気分離装置であって、 前記熱交換器に供給する高温側流体の供給条件を制御す
    る制御手段を設けたことを特徴とする内部昇圧式深冷空
    気分離装置。
  2. 【請求項2】更に、前記液体蒸発部内の低温側流体の温
    度を計測する温度計と、該温度計で計測された低温側流
    体の温度状況に応じて前記高温側流体の供給条件を計算
    し、該計算された高温側流体の供給条件を制御目標値と
    して前記制御手段に出力する計算手段とを備えたことを
    特徴とする請求項1記載の内部昇圧式深冷空気分離装
    置。
  3. 【請求項3】前記制御手段を、前記高温側流体の供給条
    件である供給圧力を制御するように構成したことを特徴
    とする請求項1記載の内部昇圧式深冷空気分離装置。
  4. 【請求項4】更に、前記液体蒸発部内の低温側流体の温
    度を計測する温度計と、該温度計で計測された低温側流
    体の温度状況に応じて液体ガスの蒸発に必要な高温側流
    体の圧力を計算し、該計算された高温側流体の圧力を制
    御目標値として前記制御手段に出力する計算手段とを備
    えたことを特徴とする請求項3記載の内部昇圧式深冷空
    気分離装置。
  5. 【請求項5】前記制御手段を、前記高温側流体の供給条
    件である供給圧力および供給量を制御するように構成し
    たことを特徴とする請求項1記載の内部昇圧式深冷空気
    分離装置。
  6. 【請求項6】更に、前記液体蒸発部内の低温側流体の温
    度を計測する温度計と、該温度計で計測された低温側流
    体の温度状況に応じて液体ガスの蒸発に必要な高温側流
    体の圧力および高温側流体の供給量を計算し、該計算さ
    れた高温側流体の圧力および高温側流体の供給量を制御
    目標値として前記制御手段に出力する計算手段とを備え
    たことを特徴とする請求項5記載の内部昇圧式深冷空気
    分離装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105486033A (zh) * 2015-12-11 2016-04-13 武汉钢铁(集团)公司 一种空分装置的冷开车系统

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