バイオ・リファイナリー（再生可能資源であるバイオマスを原料にバイオ燃料や樹脂などを製造するプラントや技術)のシミュレーションソフト"BioSTEAM"の基本的な使い方を解説しています。オリジナルのページはGetting startedです。ソースコードは以下の実行環境で確認しています。

Visual Studio Code バージョン: 1.104.2
拡張機能:Jupyter バージョン 2025.8.0
Python 3.12.10
biosteam 2.52.13
graphviz-14.0.2

では、

さあ、始めよう！

ストリームの初期化

「ストリーム」は物質の流れを、流量と熱力学的状態として定義されます。ストリームを作成する前に、「Thermo(熱)」物性を設定します。あるいは、化学物質の名前を渡すだけで、BioSTEAMが理想的な混合則とUNIFAC活量係数に基づいて、相平衡のための物性パッケージを自動的に作成してくれます。より複雑な物性パッケージは、BioSTEAMの主要な熱力学エンジンである Thermosteam を通じて設定することができます。詳細はThermosteam 101を見てください。ここでのサンプルは、いくつかの良く知られている化学物質からなる単純な流入ストリームを初期化しています。

ストリームの設定

import biosteam as bst
from biosteam import settings
bst.nbtutorial() # Light-mode html diagrams and filter warnings
settings.set_thermo(['Water', 'Methanol'])
feed = bst.Stream(Water=50, Methanol=20)
feed.show()

Stream: s1
phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
flow (kmol/hr): Water     50
                Methanol  20

コストの設定

feed.price = 0.15 # USD/kg
from biosteam import settings
feed.cost # USD/hr

231.24018

プロセスの設定

プロセスの設定には原料および製品の価格、ユーティリティの条件、化学工学プラント費用指数が含まれます。これらはシステムのシミュレーションを行う前に設定しておく必要があります。

化学工学プラント費用指数の設定

settings.CEPCI # デフォルトは2017年の数字

567.5

CEPCIの設定

settings.CEPCI = 603.1 # 2018年の数字

電力関係の設定

電力関係の設定

settings.electricity_price # デフォルトの電力価格 (USD/kWhr)

0.0782

電力料金の設定

settings.electricity_price = 0.065 # 適正に設定できます

冷熱関係の設定

HeatUtility

UtilityAgent オブジェクト

Stream オブジェクト

settings.cooling_agents # 利用可能な冷却媒体の表示

[<UtilityAgent: cooling_water>,
 <UtilityAgent: chilled_water>,
 <UtilityAgent: chilled_brine>,
 <UtilityAgent: propane>,
 <UtilityAgent: propylene>,
 <UtilityAgent: ethylene>]

冷却水の設定

cooling_water = settings.get_cooling_agent('cooling_water')
cooling_water.show() # A UtilityAgent

UtilityAgent: cooling_water
heat_transfer_efficiency: 1.000
heat_transfer_price: 0 USD/kJ
regeneration_price: 0.000488 USD/kmol
T_limit: 325 K
phase: 'l'
T: 305.37 K
P: 101325 Pa
flow (kmol/hr): Water  1

再生水のコスト(USD/kmol)を確認

# Price of regenerating the utility in USD/kmol
cooling_water.regeneration_price

0.00048785

他の冷却方法のコストは熱の輸送量により、単位は USD/kJ

# Other utilities may be priced for amount of heat transfered in USD/kJ
chilled_water = settings.get_cooling_agent('chilled_water')
chilled_water.heat_transfer_price

5e-06

冷却水の温度を変更

cooling_water.T = 302 # Change the temperature of cooling water (K)

選択可能な加熱方法を確認

settings.heating_agents # All available heating agents

[<UtilityAgent: low_pressure_steam>,
 <UtilityAgent: medium_pressure_steam>,
 <UtilityAgent: high_pressure_steam>,
 <UtilityAgent: natural_gas>]

加熱方法を設定

lps = settings.get_heating_agent('low_pressure_steam') # A UtilityAgent
lps.show() # Note that because utility changes phase, T_limit is None

UtilityAgent: low_pressure_steam
heat_transfer_efficiency: 0.950
heat_transfer_price: 0 USD/kJ
regeneration_price: 0.238 USD/kmol
T_limit: None
phase: 'g'
T: 412.19 K
P: 344738 Pa
flow (kmol/hr): Water  1

コストを調整

lps.regeneration_price = 0.20 # Adjust price (USD/kmol)

冷媒の変更

settings.cooling_agents = settings.cooling_agents[:-3]
settings.cooling_agents

[<UtilityAgent: cooling_water>,
 <UtilityAgent: chilled_water>,
 <UtilityAgent: chilled_brine>]

アンモニアを冷媒に追加

# Assume cost from Table 17.1 in Warren D.Seider's
# Product and Process Design Principles Synthesis, Analysis and Evaluation. Wiley (2016)
Ammonia = bst.Chemical('Ammonia') # Load ammonia properties
P = 101325 * 1.2 # Pressure should be above atmospheric
T = Ammonia.Tsat(P) # Temperature should be at the bubble point for latent cooling
ammonia = bst.UtilityAgent(
    'ammonia',
    Ammonia=1,
    P=P,
    T=T,
    phase='l',
    thermo=bst.Thermo([Ammonia]),
    heat_transfer_price=13.17e-6,
)
settings.cooling_agents.append(ammonia)

settings.cooling_agents

settings.heating_agents

機能ユニットの設計要求とコスト

機能ユニットの作成は柔軟にできます。機能ユニットはIDとユニット固有の引数で初期化されます。BioSTEAMには、厳密なモデリングと設計アルゴリズムを備えた基本的なユニット操作が含まれています。以下は、例としてフラッシュ蒸留器モデルを作成する方法です：

フラッシュ蒸留器モデル

# Specify vapor fraction and isobaric conditions
F1 = bst.Flash('F1', ins=feed, V=0.1, P=101325)
F1.show()

Flash: F1
ins...
[0] s1  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     50
                    Methanol  20
outs...
[0] s2  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0
[1] s3  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0

outs

シミュレーションの実行

simulate

F1.simulate()
F1.show()

Flash: F1
ins...
[0] s1  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     50
                    Methanol  20
outs...
[0] s2  
    phase: 'g', T: 352.84 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     2.59
                    Methanol  4.41
[1] s3  
    phase: 'l', T: 352.84 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     47.4
                    Methanol  15.6

CostWarning（コスト警告）

結果の一覧

DataFrame object

F1.results() # Default returns DataFrame object with units

	Flash	Units	F1
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	5.92e+05
	Flow	kmol/hr	15.3
	Cost	USD/hr	3.06
Design	Vessel type		Horizontal
	Length	ft	6.44
	Diameter	ft	4
	Weight	lb	1.38e+03
	Wall thickness	in	0.312
	Vessel material		Carbon steel
Purchase cost	Horizontal pressure vessel	USD	1.12e+04
	Platform and ladders	USD	3.21e+03
	Heat exchanger - Double pipe	USD	4.3e+03
Total purchase cost		USD	1.87e+04
Utility cost		USD/hr	3.06

熱負荷(Duty)

F1.net_duty # Duty with heat transfer losses [kJ / hr]

591521.1044683229

電力消費量

F1.net_power # Electricity consumption [kW]

0.0

入出力の確認

[F1.feed, F1.vapor, F1.liquid] # Inlet feed and vapor and liquid outlets

[<Stream: s1>, <Stream: s2>, <Stream: s3>]

サブクラス

リサイクルループとプロセス仕様の計算

化学プロセスの設計は簡単な作業ではありません。ここでは、フラッシュ蒸留器を用いた部分的な液体リサイクルを含む、シンプルなリサイクルプロセスの例を紹介します。

フラッシュ蒸留器と混合器(ミキサー)、分離器(スプリッター)を組み合わせたシステムの例

recycle = bst.Stream('liquid_recycle')
feed = bst.Stream('feed', Methanol=100, Water=450)
M1 = bst.Mixer('M1', ins=(recycle, feed))
F1 = bst.Flash('F1',
    ins=M1-0, # -pipe- notation equivalent to M1.outs[0]
    outs=('vapor_product', 'liquid'),
    V=0.1, P=101325
)
S1 = bst.Splitter('S1',
    ins=F1-1, # -pipe- notation equivalent to F1.outs[1]
    outs=(recycle, 'liquid_product'),
    split=0.5 # Split to 0th output stream
)

pipe記法

フローシート

メインフローシート(main flowsheet)

bst.main_flowsheet.diagram()
# Note that empty streams are dashed and the
# width of streams depend on their flow rates (by mass)

System オブジェクト

System

システムを作成

sys = bst.main_flowsheet.create_system('sys')
sys.show()

feed

vapor_product

liquid_product

System: sys
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     450
                    Methanol  100
outs...
[0] vapor_product  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0
[1] liquid_product  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0

System オブジェクトの実行

sys.simulate()
sys.show()

System: sys
Highest convergence error among components in recycle
stream S1-0 after 4 loops:
- flow rate   3.12e-01 kmol/hr (0.57%)
- temperature 3.56e-02 K (0.0099%)
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     450
                    Methanol  100
outs...
[0] vapor_product  
    phase: 'g', T: 359.26 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     53.4
                    Methanol  46.7
[1] liquid_product  
    phase: 'l', T: 359.26 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water     397
                    Methanol  53.6

vapor_product

Highest convergence error among components in ...

System 計算結果

sys.results()

	System	Units	sys
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	6.76e+06
	Flow	kmol/hr	175
	Cost	USD/hr	34.9
Total purchase cost		USD	3.87e+04
Installed equipment cost		USD	1.15e+05
Utility cost		USD/hr	34.9
Material cost		USD/hr	0
Sales		USD/hr	0

レポートの出力

sys.save_report('Example.xlsx')

Stream table

Utilities

esign requirements

Stream table
Utilities
Design requirements

(おまけ)システム図をPNGで保存

bst.main_flowsheet.diagram(file='flowsheet_diagram', format='png')

キャッシュフロー分析がレポートに表示されなかったのは、分析を行うために必要なパラメータ(例：減価償却スケジュール、プラントの寿命、建設スケジュールなど)を含む TEA（Techno-Economic Analysis）オブジェクトが設定されていないためです。 TEAオブジェクトを使用すると、内部収益率(IRR)、最小製品販売価格(MPSP)、最大原料購入価格（MFPP）のような経済指標を計算することも可能になります。技術経済評価(techno-economic analysis:TEA)は、キャッシュフロー分析が非常に広範であるため、チュートリアルの後半で詳しく解説されます。

機器ユニットの作成 →

BioSTEAMの使い方メモ