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"の機器ユニットの計算結果(シミュレーション結果)の見方を蒸留塔のモデルを使って解説しています。オリジナルのページはUnit operation results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

機器ユニットの計算結果

設計とモデル化に関するメモ

BioSTEAM には、設計の教科書や文献[1–5] をもとに構成された、幅広い機器モデルとコスト相関式が含まれています。ポンプ、熱交換器、フラッシュ蒸留器、ミキサーセトラー(媒抽出を行いながら2液に比重分離する装置)、蒸留塔などの基本的な機器ユニットは、非常に厳密にモデル化され、設計されています。これらの基本的な機器ユニットは、運転温度と圧力、供給条件、構造材料、分離温度といった設計仕様に基づいて生成できます。これらの設計仕様には、熱交換器の伝熱面積、圧力容器のサイズや板厚、蒸留塔の段数(ステージ数)が含まれますが、これらに限定されているわけではありません。他の単位操作モデルは、分離器(スプリッター)としてモデル化されることが多く、これは「ユニットに流入する各成分の所定の割合が分離される」という意味です。また、これらの装置の購入価格は、サイズ係数との相関を用いて推定されます。この相関式は最終的に、物質の流量を基にした関数として表されます。 BioSTEAMでは、各機器ユニットの設計仕様や要件に基づいて、購入コストの相関や、建設係数を選定します。各機器ユニットの詳細なドキュメントや使用例については、機器ユニットの説明をご参照ください。

蒸留塔モデル

BioSTEAMの機器ユニットモデルがどの様に結果を算出するか、蒸留塔モデルを例に説明します。

蒸留塔モデル

from biosteam import Stream, settings
import biosteam as bst
bst.nbtutorial()

# 最初に使用する物質の物性を設定します
settings.set_thermo(['Water', 'Ethanol'])

# 分離したい供給ストリームの気泡点データをストリームから取得してセットします
feed = Stream('feed', Water=1.08e+03, Ethanol=586)
bp = feed.bubble_point_at_P()
feed.T = bp.T # 供給ストリームfeedの温度をその気泡点温度にセット

# 蒸留塔モデルを生成し、シミュレーションします
# 2成分を「バイナリ蒸留塔」で分離します
# 3つ以上の成分を対象としたい場合は、「ショートカットカラム(簡易蒸留塔)」を使って下さい
# 複雑な蒸留操作を行う場合、「MESHDistillation（メッシュ蒸留塔）」を使用します

D1 = bst.BinaryDistillation(
    'D1', ins=feed,
    outs=('distillate', 'bottoms_product'),
    LHK=('Ethanol', 'Water'), # 軽質成分と重質成分としたい成分を設定します
    y_top=0.79, # 塔頂の軽質成分のモル分率
    x_bot=0.001, # 塔底の軽質成分のモル分率
    k=1.25, # 分離係数、実環流比/最少還流比 
    is_divided=True, # 濃縮部と還元部が分離されているかどうか
)
D1.diagram(format='png')
D1.show()

BinaryDistillation: D1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 354.28 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water    1.08e+03
                    Ethanol  586
outs...
[0] distillate  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0
[1] bottoms_product  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0

bubble_point_at_P()

気泡点(Bubble point)

^[*1]

設計に関する結果design_results

D1.design_results

{}

購入コストpurchase_costs

D1.purchase_costs

{}

熱関係heat_utilities

D1.heat_utilities

{}

電力関係power_utility

D1.power_utility

PowerUtility:
consumption: 0 kW
production: 0 kW
power: 0 kW
cost: 0 USD/hr

design_results

purchase_costs

heat_utilities

power_utility

heat_utilities

熱的ユーティリティ

power_utility

電力ユーティリティ

凝縮器(コンデンサー)

D1.condenser.diagram()
D1.condenser.show()

HXutility: condenser
ins...
[0] vapor  from  BinaryDistillation-D1
    phase: 'g', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow: 0
outs...
[0] to  RefluxDrum-reflux_drum
    phases: ('g', 'l'), T: 298.15 K, P: 101325 Pa
     flow: 0

シミュレーションの実行

design_results

purchase_costs

utilities

D1.simulate()
D1.diagram(format='png')
D1.show(T='degC', P='atm', composition=True)

BinaryDistillation: D1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 81.125 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water    64.8
                     Ethanol  35.2
                     -------  1.67e+03 kmol/hr
outs...
[0] distillate  
    phase: 'g', T: 78.484 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water    21
                     Ethanol  79
                     -------  741 kmol/hr
[1] bottoms_product  
    phase: 'l', T: 99.64 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water    99.9
                     Ethanol  0.1
                     -------  925 kmol/hr

凝縮器(コンデンサー)の計算結果

D1.condenser.show()

HXutility: condenser
ins...
[0] vapor  from  BinaryDistillation-D1
    phase: 'g', T: 351.72 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water    329
                    Ethanol  1.13e+03
outs...
[0] to  RefluxDrum-reflux_drum
    phases: ('g', 'l'), T: 351.63 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): (g) Water    156
                        Ethanol  585
                    (l) Water    173
                        Ethanol  540

結果design_results

design_results

D1.design_results

{'Theoretical feed stage': 26,
 'Theoretical stages': 31,
 'Minimum reflux': 0.7708366601477002,
 'Reflux': 0.9635458251846253,
 'Rectifier stages': 45.0,
 'Stripper stages': 9.0,
 'Rectifier height': 78.940416,
 'Stripper height': 25.804416,
 'Rectifier diameter': 9.960911054645866,
 'Stripper diameter': 7.836649195211977,
 'Rectifier wall thickness': 0.4375,
 'Stripper wall thickness': 0.375,
 'Rectifier weight': 41839.53745073475,
 'Stripper weight': 12158.22849650827}

コストpurchase_costs

purchase_costs

D1.purchase_costs

{'Rectifier trays': 90196.5633778153,
 'Stripper trays': 19469.130282277605,
 'Rectifier tower': 154208.58287314902,
 'Stripper platform and ladders': 48573.03764079211,
 'Stripper tower': 69659.36129843778,
 'Rectifier platform and ladders': 17028.394866860577,
 'Condenser - Floating head': 65776.36616982374,
 'Reflux drum - Vertical pressure vessel': 40913.03779781813,
 'Reflux drum - Platform and ladders': 10650.872732593733,
 'Pump - Pump': 4526.29514053799,
 'Pump - Motor': 440.8000416276018,
 'Reboiler - Floating head': 65109.223990066734}

熱関係heat_utilities

heat_utilities

D1.heat_utilities

[>cooling_water: -2.84e+07 kJ/hr, 1.94e+04 kmol/hr, 9.45 USD/hr<,
 >low_pressure_steam: 6.26e+07 kJ/hr, 1.62e+03 kmol/hr, 385 USD/hr<]

電力power_utility

power_utility

D1.power_utility

PowerUtility:
consumption: 2.49 kW
production: 0 kW
power: 2.49 kW
cost: 0.195 USD/hr

results()メソッド

results()

	蒸留塔	単位	D1
Electricity (電力関係)	Power(電力)	kW	2.49
Electricity (電力関係)	Cost(コスト)	USD/hr	0.195
Cooling water (冷却水)	Duty(熱負荷)	kJ/hr	-2.84e+07
	Flow(流量)	kmol/hr	1.94e+04
	Cost(コスト)	USD/hr	9.45
Low pressure steamr (低圧蒸気)	Duty(熱負荷)	kJ/hr	6.26e+07
	Flow(流量)	kmol/hr	1.62e+03
	Cost(コスト)	USD/hr	385
Design(設計)	Theoretical feed stage(理論供給段)		26
	Theoretical stages(理論段)		31
	Minimum reflux(最少還流比)	Ratio	0.771
	Reflux(還流比)	Ratio	0.964
	Rectifier stage(精留部の段数)		45
	Stripper stages(脱留部の段数)		9
	Rectifier height(精留部の高さ)	ft	78.9
	Stripper height(脱留部の高さ)	ft	25.8
	Rectifier diameter(精留部の直径)	ft	9.96
	Stripper diameter(脱留部の直径)	ft	7.84
	Rectifier wall thickness(精留部の肉厚)	in	0.438
	Stripper wall thickness(脱留部の肉厚)	in	0.375
	Rectifier weight(精留部質量)	lb	4.18e+04
	Stripper weight(脱留部質量)	lb	1.22e+04
Purchase cost (購入コスト)	Rectifier trays(精留部トレー)	USD	9.02e+04
	Stripper trays(脱留部トレー)	USD	1.95e+04
	Rectifier tower(精留塔)	USD	1.54e+05
	Stripper platform and ladders (脱留部足場およびはしご)	USD	4.86e+04
	Stripper tower(脱留塔)	USD	6.97e+04
	Rectifier platform and ladders (精留部足場およびはしご)	USD	1.7e+04
	Condenser - Floating head (凝縮器 - 浮動ヘッド型)	USD	6.58e+04
	Reflux drum - Vertical pressure vessel (リフラックスドラム - 縦型圧力容器)	USD	4.09e+04
	Reflux drum - Platform and ladders (リフラックスドラム足場およびはしご)	USD	1.07e+04
	Pump - Pump(ポンプ本体)	USD	4.53e+03
	Pump - Motor(ポンプモーター)	USD	441
	Reboiler - Floating head (浮動ヘッド型リボイラ)	USD	6.51e+04
購入コスト(合計)		USD	5.87e+05
ランニングコスト		USD/hr	395

単位系

_units

D1._units

{'Minimum reflux': 'Ratio',
 'Reflux': 'Ratio',
 'Rectifier height': 'ft',
 'Rectifier diameter': 'ft',
 'Rectifier wall thickness': 'in',
 'Rectifier weight': 'lb',
 'Stripper height': 'ft',
 'Stripper diameter': 'ft',
 'Stripper wall thickness': 'in',
 'Stripper weight': 'lb',
 'Height': 'ft',
 'Diameter': 'ft',
 'Wall thickness': 'in',
 'Weight': 'lb'}

単位を変更して結果を取得

rectifier_height = D1.get_design_result('Rectifier height', 'meter')
round(rectifier_height)

凝縮器(コンデンサー)の結果

D1.condenser.diagram()
D1.condenser.show()

HXutility: condenser
ins...
[0] vapor  from  BinaryDistillation-D1
    phase: 'g', T: 351.72 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water    329
                    Ethanol  1.13e+03
outs...
[0] to  RefluxDrum-reflux_drum
    phases: ('g', 'l'), T: 351.63 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): (g) Water    156
                        Ethanol  585
                    (l) Water    173
                        Ethanol  540

リボイラーの結果

D1.reboiler.diagram()
D1.reboiler.show()

HXutility: reboiler
ins...
[0] from  Pump-pump
    phase: 'l', T: 370.63 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water    2.36e+03
                    Ethanol  19.6
outs...
[0] to  PhaseSplitter-bottoms_split
    phases: ('g', 'l'), T: 372.79 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): (g) Water    1.44e+03
                        Ethanol  18.7
                    (l) Water    924
                        Ethanol  0.925

マッケーブ・シール図

from matplotlib import pyplot as plt
D1.plot_stages()
plt.show()

参考文献

Seider, W. D.; Lewin, D. R.; Seader, J. D.; Widagdo, S.; Gani, R.; Ng, M. K. Cost Accounting and Capital Cost Estimation. In Product and Process Design Principles; Wiley, 2017; pp 426−485.
Svrcek, W. Y.; Monnery, W. D. Design Two-Phase Separators Within the Right Limits. In Chemical Engineering Progress (CEP); The American Institute of Chemical Engineers, 1993; pp 53−60.
Apostolakou, A. A.; Kookos, I. K.; Marazioti, C.; Angelopoulos, K. C. Techno-Economic Analysis of a Biodiesel Production Process from Vegetable Oils. Fuel Process. Technol. 2009, 90, 1023−1031.
Green, D. W. Distillation. In Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9 ed.; McGraw-Hill Education, 2018.
Duss, M.; Taylor, R. Predict Distillation Tray Efficiency. Chem. Eng. Prog. 2018, 24−30.

参考文献(今回追加したもの)

気泡点と露点の違いとは？分かりやすく解説!

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BioSTEAMの使い方メモ