JPH04310501A - Self heat formula steam reforming process - Google Patents
Self heat formula steam reforming processInfo
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Abstract
Description
【0001】本発明は、天然ガスのような炭化水素を原
料とするアンモニア製造法に関し、特に、商業的実際に
通例用いられる直火加熱管式一時改質炉を省略すること
により可能となる、燃料ガス所要量を削減して、アンモ
ニア合成ガス、つまり水素と窒素を製造する方法に関す
る。The present invention relates to a process for producing ammonia using a hydrocarbon such as natural gas as a raw material, and in particular, it is possible by omitting the direct-fired heating tube type temporary reforming furnace commonly used in commercial practice. A method for producing ammonia synthesis gas, hydrogen and nitrogen, with reduced fuel gas requirements.
【0002】0002
【従来の技術】アンモニア合成ガスを生成する一次及び
二次改質の従来的工程は技術的にも経済的にも周知であ
る。後者の観点からすると、これら二つの工程は、製造
される単位アンモニア当たりの「原料及び燃料」所要量
を決定するのに律速的な因子であると認識されている。
両工程とも、炭化水素原料とスチームとの吸熱反応のた
めに炭化水素の燃焼による熱を必要とするからである。BACKGROUND OF THE INVENTION Conventional processes for primary and secondary reforming to produce ammonia synthesis gas are well known both technically and economically. From the latter perspective, these two steps are recognized as rate-limiting factors in determining the amount of "feedstock and fuel" required per unit of ammonia produced. This is because both processes require heat from combustion of hydrocarbons due to the endothermic reaction between the hydrocarbon feedstock and steam.
【0003】商業的一次改質器は、含ニッケル触媒充填
の太い管をたくさん有する燃料直火加熱の炉であり、新
鮮な炭化水素原料の概略60容量%が、添加されたスチ
ームと反応して水素と二酸化炭素とへ転化される。この
一次改質ガスは、他には未反応のスチーム及び炭化水素
の残部(メタンとして)を含有する。プロセスの観点か
らすると、この一次改質器は、吸熱接触スチーム改質ゾ
ーンである。[0003] A commercial primary reformer is a fuel-directly heated furnace with many thick tubes filled with nickel-containing catalyst, in which approximately 60% by volume of the fresh hydrocarbon feedstock reacts with the added steam. Converted to hydrogen and carbon dioxide. This primary reformed gas also contains unreacted steam and residual hydrocarbons (as methane). From a process perspective, this primary reformer is an endothermic catalytic steam reforming zone.
【0004】一次改質ガスは、次に二次改質器へ導入さ
れるが、二次改質器は、典型的には、含ニッケル触媒充
填の耐火物内張りの箱であって、外熱の供給手段は有し
ていない。二次改質においては、残りのメタンとスチー
ムとの吸熱反応に対する熱は、一次改質ガスの一部と外
部から供給される空気との燃焼によって供給される。ち
なみに、この空気は最終のアンモニア合成ガスの窒素源
である。プロセスの観点からすると、この二次改質器は
、発熱接触スチーム改質ゾーンであり、時には自己熱式
改質器と称される。[0004] The primary reformed gas is then introduced into a secondary reformer, which is typically a refractory-lined box filled with a nickel-containing catalyst. They do not have a means of supplying. In secondary reforming, heat for the endothermic reaction between the remaining methane and steam is supplied by combustion of a portion of the primary reformed gas with air supplied from the outside. Incidentally, this air is the nitrogen source for the final ammonia synthesis gas. From a process perspective, this secondary reformer is an exothermic catalytic steam reforming zone, sometimes referred to as an autothermal reformer.
【0005】二次改質器からの高温粗合成ガスは、水素
、窒素、一酸化炭素から構成され、その後更に水素、二
酸化炭素、未反応スチーム、残存メタン、及び少量の不
活性ガスへと転化される。商業的には、高温合成ガスは
ボイラーの供給水と熱交換され、二次改質の空気、合成
ガス、及びアンモニア生成物回収に用いられる冷媒それ
ぞれの圧縮に必要なタービン用スチームの熱源となる。[0005] The hot crude synthesis gas from the secondary reformer is composed of hydrogen, nitrogen, and carbon monoxide, and is then further converted to hydrogen, carbon dioxide, unreacted steam, residual methane, and a small amount of inert gas. be done. Commercially, hot syngas is heat exchanged with boiler feed water to provide the heat source for the turbine steam required to compress the secondary reforming air, syngas, and refrigerant used for ammonia product recovery. .
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】このような使用法があ
るにかかわらず、二次改質器出口ガスの熱を反応器/熱
交換器一体型の装置を用いて別に一次改質用に使用し、
従って従来的直火加熱管式改質炉の大きさを最小化する
ことが工業技術者の長い間の夢であった。理想的には、
一次改質炉の熱必要量が十分に二次改質器へ伝達され、
発熱改質工程からの熱利用可能量と吸熱改質工程の熱必
要量との間の収支がとれるならば、炉は省略することが
可能である。このような熱収支を採用すると、二次改質
器における燃焼量が相当程度多くなり、従って過剰空気
使用量を増加させなければならない。その結果、最終合
成ガスの所望の水素/窒素比を達成するためには、過剰
の窒素を下流で除去する必要が生じる。[Problem to be Solved by the Invention] Regardless of such usage, the heat of the secondary reformer outlet gas is used separately for primary reforming using an integrated reactor/heat exchanger device. death,
Therefore, it has long been a dream of industrial engineers to minimize the size of conventional direct-fired tube reforming furnaces. Ideally,
The heat requirement of the primary reformer is sufficiently transferred to the secondary reformer,
The furnace can be omitted if a balance can be struck between the heat availability from the exothermic reforming step and the heat requirement of the endothermic reforming step. If such a heat balance is adopted, the amount of combustion in the secondary reformer increases considerably, and therefore the amount of excess air used must be increased. As a result, excess nitrogen must be removed downstream to achieve the desired hydrogen/nitrogen ratio of the final synthesis gas.
【0007】この使用法のために提唱された反応器/熱
交換器一体型の装置は、管板に各管端を固定した1回通
過型の管を多数有する高温熱交換器であった。直火加熱
管型炉に比較して相当程度安価ではあるけれども、上記
の高温設計を行うと製作費が高くつくことになる。恐ら
くもっと重要なことは、上に記載の熱収支上の問題に起
因する、最終合成ガス中の大量の過剰窒素のために、ア
ンモニア プラントの合成部の前あるいはその中で不
経済な程大きな窒素除去システムを作る必要があること
である。The combined reactor/heat exchanger system proposed for this use was a high temperature heat exchanger having a number of single-pass tubes with each tube end secured to a tube sheet. Although it is considerably cheaper than a direct-fire heating tube furnace, the above-mentioned high-temperature design results in high manufacturing costs. Perhaps more importantly, due to the large excess nitrogen in the final synthesis gas due to the heat balance problems described above, uneconomically large amounts of nitrogen must be removed before or within the synthesis section of the ammonia plant. It is necessary to create a removal system.
【0008】極く最近ではあるが、米国特許第2,57
9,843号明細書に示される一般型の、一端が開放さ
れたバヨネット(bayonet)管式反応器/熱交換
器一体型装置が、一回通過型の熱交換器に比較して簡単
な設計であることから、一次改質器用に考慮されるよう
になった。一端が開放されたバヨネット管を使用するア
ンモニア合成ガス製造用の既知の設計においては、上記
の熱収支の問題があることから、従来的な加熱管式改質
炉をなくすることが妨げられている。[0008] Very recently, US Patent No. 2,57
The general type of open-ended bayonet tubular reactor/heat exchanger unit shown in US Pat. No. 9,843 is a simple design compared to single-pass heat exchangers. Therefore, it has been considered for use in primary reformers. In known designs for ammonia synthesis gas production using bayonet tubes open at one end, the heat balance problems mentioned above prevent the elimination of traditional heated tube reformers. There is.
【0009】従って、本発明の目的は、アンモニア合成
ガスを製造するに際し、転化のための全熱量が発熱改質
工程から供給されるという条件下にて発熱接触改質から
の熱を吸熱改質工程に使用することである。It is therefore an object of the present invention to convert the heat from exothermic catalytic reforming into endothermic reforming in the production of ammonia synthesis gas under the condition that the total heat for conversion is supplied from the exothermic reforming step. It is used in the process.
【0010】0010
【課題を解決するための手段】本発明によれば、従来の
実施法とは異なるのであるが、アンモニア合成ガスは、
スチームと酸化剤と一緒に新規炭化水素の大部分を発熱
接触スチーム改質ゾーンへ導入し、そしてここから第一
改質ガスを抜き出すことによって製造される。残りの小
部分の新規炭化水素は、吸熱接触スチーム改質ゾーンに
てスチームと反応させられ、ここから第二改質ガスが抜
き出され、その後でこれは第一改質ガスと合流させられ
る。得られた合流ガスは、次に吸熱接触スチーム改質ゾ
ーンにて反応物と間接的に熱交換され、熱を放出し、そ
の後に粗アンモニア合成ガスとして回収される。According to the present invention, unlike conventional practices, ammonia synthesis gas is
It is produced by introducing a bulk of the fresh hydrocarbon along with steam and oxidizer into an exothermic catalytic steam reforming zone and withdrawing a first reformed gas therefrom. The remaining small portion of fresh hydrocarbons is reacted with steam in an endothermic catalytic steam reforming zone from which a second reformate gas is withdrawn, after which it is combined with the first reformate gas. The resulting combined gas is then indirectly heat exchanged with the reactants in an endothermic catalytic steam reforming zone to release heat and subsequently recovered as crude ammonia synthesis gas.
【0011】発熱接触スチーム改質ゾーンは、22〜7
0バールの圧力で断熱的に運転され、便利には既知の二
次改質器構造で実施することを得る。もっとも二次とい
う名前は、本発明のプロセスでは誤称ではあるが。好ま
しくは、新鮮な炭化水素原料の55〜85容量%が、ス
チームと酸化剤と一緒に発熱接触スチーム改質ゾーンへ
導入されるが、本明細書では以降はこれらのガスを一緒
にして第一混合供給ガスと称することにする。この第一
混合供給ガスのスチームと炭化水素とが先ず一緒にされ
て、450°〜650℃の温度に予熱されるのが好まし
い。空気が酸化剤として選択される場合は、第一混合供
給ガスのスチーム:C1の比は1.5と3.5との間が
好ましい。酸素富化空気が酸化剤として選択される場合
は、酸素が酸化剤の25〜40容量%(乾量基準)を占
めるのが好ましく、第一混合供給ガスのスチーム:C1
の比は2.5と3.5との間が好ましい。空気富化用の
酸素は、中規模の冷凍プラント、膜分離装置、又は圧力
スイング吸着装置によって供給することができる。空気
を使用するかあるいは酸素富化空気を使用するかの選択
は、主に経済上の問題であり、酸素プラントの規模及び
コスト、用役のコスト、及びアンモニアプラントのエネ
ルギーシステムと全生産設備の用役のシステムとの統合
の程度によって支配される。どちらに選択するにせよ、
酸化剤は、発熱接触スチーム改質ゾーンへ導入される前
に480°〜720℃に予熱されるのが好ましい。[0011] The exothermic catalytic steam reforming zone consists of 22 to 7
It is operated adiabatically at a pressure of 0 bar and conveniently can be implemented in known secondary reformer configurations. Although the name quadratic is a misnomer for the process of the present invention. Preferably, 55-85% by volume of the fresh hydrocarbon feedstock is introduced into the exothermic catalytic steam reforming zone together with steam and oxidizer, although hereinafter these gases are combined into the first This will be referred to as mixed supply gas. Preferably, the first mixed feed gas steam and hydrocarbon are first combined and preheated to a temperature of 450° to 650°C. If air is selected as the oxidizing agent, the steam:C1 ratio of the first mixed feed gas is preferably between 1.5 and 3.5. If oxygen-enriched air is selected as the oxidizing agent, it is preferred that oxygen accounts for 25 to 40% by volume (dry basis) of the oxidizing agent, and the steam of the first mixed feed gas: C1
The ratio is preferably between 2.5 and 3.5. Oxygen for air enrichment can be supplied by medium-scale refrigeration plants, membrane separation units, or pressure swing adsorption units. The choice between using air or oxygen-enriched air is primarily an economic question, considering the size and cost of the oxygen plant, the cost of utilities, and the cost of the ammonia plant's energy system and overall production equipment. Governed by the degree of integration with the utility system. Whichever you choose,
Preferably, the oxidizing agent is preheated to 480° to 720°C before being introduced into the exothermic catalytic steam reforming zone.
【0012】二次改質器のように、上記発熱接触スチー
ム改質ゾーンは、自己熱式に働く。しかし、従来のシス
テムと異なって、全改質所要量の大部分は、このゾーン
で行われ、自己熱スチーム改質条件は、好ましくは90
0°〜1100℃の温度において、水素、酸化炭素、窒
素、及び1.0容量%(乾量基準) 未満の残留炭化
水素、すなわちメタン含有の第一改質ガスを生成するよ
うに選択される。Like the secondary reformer, the exothermic catalytic steam reforming zone operates in an autothermal manner. However, unlike conventional systems, the majority of the total reforming requirements occur in this zone, and the autothermal steam reforming conditions are preferably 90
selected to produce a first reformate gas containing hydrogen, carbon oxides, nitrogen, and less than 1.0% by volume (dry basis) residual hydrocarbons, i.e. methane, at temperatures between 0° and 1100°C; .
【0013】前記吸熱接触スチーム改質ゾーンも、22
〜70バールの圧力で運転されるが、後記のように、触
媒管の壁を通して第一改質ガスによって加熱される。こ
のゾーンは、垂直型の反応器/熱交換器一体型装置で、
触媒充填のバヨネット管を有し、ガスの出口がその下端
にある装置内に具現化されるのが好ましい。スチームと
一緒の新鮮な炭化水素供給ガスの残りの小部分は、本明
細書では以降第二混合供給ガスと称するが、これも45
0°〜650℃の温度に予熱され、次に吸熱接触スチー
ム改質ゾーンへ導入され、典型的には825°〜102
5℃の温度で反応され、水素、酸化炭素、及び4.0容
量%(乾量基準)未満の残留炭化水素、すなわちメタン
含有の第二改質ガスを生成する。好ましくは、第二混合
供給ガスのスチーム:C1の比は4.0と5.0との間
である。[0013] The endothermic catalytic steam reforming zone also includes 22
It operates at a pressure of ~70 bar, but is heated by the first reformate gas through the walls of the catalyst tube, as described below. This zone is a vertical reactor/heat exchanger integrated device.
Preferably, it is embodied in a device with a bayonet tube filled with catalyst, the outlet of the gas being at its lower end. The remaining small portion of the fresh hydrocarbon feed gas along with the steam, hereinafter referred to as the second mixed feed gas, is also 45
It is preheated to a temperature between 0° and 650°C and then introduced into an endothermic catalytic steam reforming zone, typically between 825° and 102°C.
The reaction is carried out at a temperature of 5° C. to produce a second reformed gas containing hydrogen, carbon oxides, and less than 4.0% by volume (dry basis) residual hydrocarbons, ie, methane. Preferably, the steam:C1 ratio of the second mixed feed gas is between 4.0 and 5.0.
【0014】吸熱改質ゾーンに対する熱要求量の全部を
供給するために、第一及び第二混合供給ガスは合流させ
られて、次に吸熱接触スチーム改質ゾーン内で第二混合
供給ガスと間接的な熱交換をさせられ、そこから粗アン
モニア合成ガスとして抜き出される。To provide all of the heat demand for the endothermic reforming zone, the first and second mixed feed gases are combined and then indirectly combined with the second mixed feed gas in the endothermic catalytic steam reforming zone. The crude ammonia synthesis gas is extracted from it as crude ammonia synthesis gas.
【0015】上記粗アンモニア合成ガスは、典型的には
、565℃〜735℃の温度で回収されるのでガス中の
顕熱を、新鮮な炭化水素供給ガスと間接熱交換で回収す
るのが好ましい。この際該炭化水素は予熱されることに
なる。[0015] Since the crude ammonia synthesis gas is typically recovered at a temperature of 565°C to 735°C, the sensible heat in the gas is preferably recovered by indirect heat exchange with fresh hydrocarbon feed gas. . At this time, the hydrocarbon will be preheated.
【0016】さて、図面を参照する。ライン 1の新
鮮な炭化水素供給ガスは、好ましくは水で飽和されたも
のであるが、ライン2のスチームと一緒にされ、供給原
料/流出反応物熱交換器3において予熱される。ライン
4の中の新鮮な炭化水素供給ガスの大部分は、それぞれ
ライン5及び6にて導入される追加スチーム及び酸化剤
と一緒にされて、第一混合供給ガスとなり、ライン7を
経て発熱接触スチーム改質器8へ導入され、ここで反応
し、第一改質ガスを生成し、これはライン9を経て回収
される。Now, reference is made to the drawings. Fresh hydrocarbon feed gas in line 1, preferably saturated with water, is combined with steam in line 2 and preheated in feed/effluent reactant heat exchanger 3. The majority of the fresh hydrocarbon feed gas in line 4 is combined with additional steam and oxidizer introduced in lines 5 and 6, respectively, to form a first mixed feed gas that is passed through line 7 to exothermic contact. It is introduced into a steam reformer 8 where it reacts to produce a first reformed gas, which is recovered via line 9.
【0017】ライン10の中の新鮮な供給ガスの小部分
は、ライン11からの追加スチームと一緒にされて、第
二混合供給ガスとなり、ライン12を経て吸熱接触スチ
ーム改質ゾーンを構成する改質−熱交換器13の触媒管
側へ導入される。触媒は、一端が開放されている管に、
図示されていない金網で支持されている。触媒管の底の
出口から回収される第二改質ガスは、ライン9中の第一
改質ガスと一緒にされる。一緒にされたガスは、触媒管
内の第二混合供給ガスと間接熱交換を行い冷却され、ラ
イン15を経て粗アンモニア合成ガスとして改質−熱交
換器13のシェル側から回収される。この粗アンモニア
合成ガスは次に供給原料/流出反応物熱交換器3 に
おいて更に冷却され、ライン16を経て回収され、更に
熱回収されて、アンモニア製造のための既知の工程で処
理される。A small portion of the fresh feed gas in line 10 is combined with additional steam from line 11 to form a second mixed feed gas which is passed through line 12 to the reformer constituting the endothermic catalytic steam reforming zone. The catalytic converter is introduced into the catalyst tube side of the heat exchanger 13. The catalyst is placed in a tube that is open at one end.
It is supported by a wire mesh (not shown). The second reformate gas recovered from the outlet at the bottom of the catalyst tube is combined with the first reformate gas in line 9. The combined gas is cooled by indirect heat exchange with the second mixed feed gas in the catalyst tube and is recovered from the shell side of the reformer-heat exchanger 13 via line 15 as crude ammonia synthesis gas. This crude ammonia synthesis gas is then further cooled in feed/effluent reactant heat exchanger 3 and recovered via line 16 for further heat recovery and processing in known processes for ammonia production.
【0018】以下の表1及び表2は、発熱接触スチーム
改質器8において空気又は酸素富化空気を酸化剤として
使用する、それぞれ別の設計に対する適切な操作条件及
び流れの組成の例を説明的に示すものである。Tables 1 and 2 below illustrate examples of suitable operating conditions and stream compositions for alternative designs using air or oxygen-enriched air as the oxidizing agent in the exothermic catalytic steam reformer 8. This is what is shown.
【表1】[Table 1]
【表2】[Table 2]
【図1】図1は、本発明の方法を示す概略系統図である
。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the method of the invention.
Claims (6)
ンモニア合成ガスを製造する方法において、a) ス
チーム、新鮮な炭化水素供給ガスの大部分、及び空気と
酸素富化空気とから成る群から選択される酸化剤を含有
する第一混合供給ガスを、発熱接触スチーム改質ゾーン
へ導入し、そこから乾量基準で1.0容量%未満の残留
炭化水素を含有する第一改質ガスを抜き出すこと、 b) スチーム、及び新鮮な炭化水素供給ガスの残余
の小部分を含有する第二混合供給ガスを、吸熱接触スチ
ーム改質ゾーンへ導入し、そこから乾量基準で4.0容
量%未満の残留炭化水素を含有する第二改質ガスを抜き
出すこと、 c) 第一及び第二混合供給ガスを一緒にし、この一
緒にしたガスを、吸熱接触スチーム改質ゾーン内で第二
混合ガスと間接的に熱交換して冷却し、かくして吸熱接
触スチーム改質ゾーンで必要とされる熱量の全てを供給
すること、及び d) 得られた一緒にされ、冷却されたガスを粗アン
モニア合成ガスとして回収すること、を包含するアンモ
ニア合成ガス製造法。1. A method for producing crude ammonia synthesis gas from fresh hydrocarbon feed gas, comprising: a) steam, a majority of fresh hydrocarbon feed gas, and air and oxygen-enriched air; introducing a first mixed feed gas containing an oxidizing agent to an exothermic catalytic steam reforming zone and withdrawing therefrom a first reformed gas containing less than 1.0% by volume residual hydrocarbons on a dry basis; b) introducing a second mixed feed gas containing steam and a small portion of the remainder of fresh hydrocarbon feed gas into an endothermic catalytic steam reforming zone from which less than 4.0% by volume on a dry basis withdrawing a second reformed gas containing residual hydrocarbons; c) combining the first and second mixed feed gases and indirectly communicating the combined gas with a second mixed gas in an endothermic contact steam reforming zone; d) recovering the resulting combined and cooled gas as crude ammonia synthesis gas; A method for producing ammonia synthesis gas comprising:
記大部分が、新鮮な炭化水素供給ガスの55〜85容量
%であることを特徴とする請求項1記載の方法。2. The method of claim 1, wherein said majority of said fresh hydrocarbon feed gas is 55 to 85% by volume of fresh hydrocarbon feed gas.
0°と650℃の間の温度に予熱されることを特徴とす
る請求項2記載の方法。3. The fresh hydrocarbon feed gas comprises 45
3. A method according to claim 2, characterized in that it is preheated to a temperature between 0[deg.] and 650[deg.]C.
粗アンモニア合成ガスと間接熱交換されて予熱されるこ
とを特徴とする請求項3記載の方法。4. The fresh hydrocarbon feed gas comprises:
4. The method according to claim 3, wherein the preheating is performed by indirect heat exchange with crude ammonia synthesis gas.
温度に予熱された空気であり、第一混合供給ガスのスチ
ーム:C1の比が1.5と3.5の間であり、第二混合
供給ガスのスチーム:C1の比が4.0と5.0の間で
あることを特徴とする請求項1又は3のいずれかに記載
の方法。5. The oxidizing agent is air preheated to a temperature between 480° and 720° C., and the steam:C1 ratio of the first mixed feed gas is between 1.5 and 3.5. 4. A method as claimed in claim 1 or 3, characterized in that the steam:C1 ratio of the second mixed feed gas is between 4.0 and 5.0.
間の温度に予熱された酸素富化空気であり、第一混合供
給ガスのスチーム:C1の比が2.5と4.5の間であ
り、第二混合供給ガスのスチーム:C1の比が4.0と
5.0の間であることを特徴とする請求項1又は3のい
ずれかに記載の方法。6. The oxidizing agent is oxygen-enriched air preheated to a temperature between 480° and 720° C. and the steam:C1 ratio of the first mixed feed gas is between 2.5 and 4.5. 4. A method according to claim 1, wherein the steam:C1 ratio of the second mixed feed gas is between 4.0 and 5.0.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15083291A JPH04310501A (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Self heat formula steam reforming process |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP15083291A JPH04310501A (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Self heat formula steam reforming process |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH04310501A true JPH04310501A (en) | 1992-11-02 |
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ID=15505363
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JP15083291A Pending JPH04310501A (en) | 1991-04-03 | 1991-04-03 | Self heat formula steam reforming process |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH04310501A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1991
- 1991-04-03 JP JP15083291A patent/JPH04310501A/en active Pending
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