多重効用蒸発装置

11月 23, 2025

”BioSTEAM”の多重効用蒸発装置モデルの使い方について説明しています。オリジナルのページはMultiEffectEvaporator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

多重効用蒸発装置

classMultiEffectEvaporator(*ID='', ins=None, outs =(), thermo=None, **kwargs* ) [source]

複数の蒸発缶を備えた、多重効用蒸発装置^[1]のモデルです。各蒸発缶にはそれぞれの圧力をリスト形式で指定します。最初の蒸発器では、全体の蒸発分率を満たすように蒸気分率を調整します。 2番目以降の蒸発器はすべて熱負荷ゼロとします。最後の蒸発器から出てくる蒸気は凝縮されます。後段での逆流を防ぐため、すべての液流はポンプで圧送されます。蒸発した液体は最終的にすべて再凝縮される。コストは必要な伝熱面積に基づいて算出される。真空システムは空気漏れ量に基づいて設計される。空気漏れ量は、滞留時間tau と各蒸発器への流量によって決まる体積に基づいて決定されます。

パラメータ

ID (str、省略可) - 他で使われていない、一意の識別子(ID)。IDが指定されていない場合は、自動的に一意のIDが付与されます。
ins (シーケンス(順序付きコレクション)[Stream | str]、省略可) - 流入ストリーム。
outs (シーケンス(順序付きコレクション)[Stream | str]、省略可) -

[0] 固体分の多い流体(ストリーム)。
[1] 凝縮液流(ストリーム)。

P(タプル[float]) - 各蒸発缶の圧力[Pa]。
V(float) - V_definitionで指定された蒸発モル分率（全体または第１段）。
V_definition (str、省略可) -

'Overall’全体の蒸発モル分率を指定する場合。
’First-effect’第１段の蒸発モル分率を指定する場合。

第１段での蒸気分率を指定した場合の糖化液の凝縮。

import biosteam as bst
bst.nbtutorial() # Ignore warnings and reset local BioSTEAM preferences
bst.process_tools.default()
from biorefineries.cellulosic import create_cellulosic_ethanol_chemicals
bst.settings.set_thermo(create_cellulosic_ethanol_chemicals())
feed = bst.Stream('feed', Water=1000, Glucose=100,
                  AceticAcid=0.5, HMF=0.1, Furfural=0.1,
                  units='kg/hr')
E1 = bst.MultiEffectEvaporator('E1', ins=feed, outs=('solids', 'liquid'),
                               V=0.1, V_definition='First-effect',
                               P=(101325, 73581, 50892, 32777, 20000))
E1.simulate()
E1.show()

MultiEffectEvaporator: E1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water       55.5
                    AceticAcid  0.00833
                    Furfural    0.00104
                    HMF         0.000793
                    Glucose     0.555
outs...
[0] solids  
    phase: 'l', T: 333.21 K, P: 20000 Pa
    flow (kmol/hr): Water       20.5
                    AceticAcid  0.00181
                    Furfural    5.29e-05
                    HMF         0.000793
                    Glucose     0.555
[1] liquid  
    phase: 'l', T: 352.11 K, P: 20000 Pa
    flow (kmol/hr): Water       35
                    AceticAcid  0.00651
                    Furfural    0.000988

E1.results()

	Multi-effect evaporator	Units	E1
Electricity	Power	kW	5.72
Electricity	Cost	USD/hr	0.447
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	5.83e+05
	Flow	kmol/hr	15.1
	Cost	USD/hr	3.58
Cooling water	Duty	kJ/hr	-3.5e+05
	Flow	kmol/hr	239
	Cost	USD/hr	0.117
Design	Area	m^2	11
Design	Volume	m^3	3.51
Purchase cost	Evaporators (x5)	USD	9.56e+03
	Condenser - Double pipe	USD	5.36e+03
	Vacuum system - Liquid-ring pump, one stage water seal	USD	1.07e+04
Total purchase cost		USD	2.56e+04
Utility cost		USD/hr	4.15

全体での蒸気分率を指定した場合の糖化液の凝縮。

E1 = bst.MultiEffectEvaporator('E1', ins=feed, outs=('solids', 'liquid'),
                               V=0.1, V_definition='Overall',
                               P=(101325, 73581, 50892, 32777, 20000))
E1.simulate()
E1.show()

MultiEffectEvaporator: E1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water       55.5
                    AceticAcid  0.00833
                    Furfural    0.00104
                    HMF         0.000793
                    Glucose     0.555
outs...
[0] solids  
    phase: 'l', T: 354.91 K, P: 50892 Pa
    flow (kmol/hr): Water       50
                    AceticAcid  0.0069
                    Furfural    0.000577
                    HMF         0.000793
                    Glucose     0.555
[1] liquid  
    phase: 'l', T: 361.12 K, P: 50892 Pa
    flow (kmol/hr): Water       5.55
                    AceticAcid  0.00143
                    Furfural    0.000464

E1.results()

	Multi-effect evaporator	Units	E1
Electricity	Power	kW	5.72
Electricity	Cost	USD/hr	0.447
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	3.84e+05
	Flow	kmol/hr	9.94
	Cost	USD/hr	2.36
Cooling water	Duty	kJ/hr	-1.15e+05
	Flow	kmol/hr	78.8
	Cost	USD/hr	0.0384
Design	Area	m^2	1.62
Design	Volume	m^3	3.07
Purchase cost	Evaporators (x3)	USD	2.74e+03
	Condenser - Double pipe	USD	3.9e+03
	Vacuum system - Liquid-ring pump, one stage water seal	USD	1.08e+04
Total purchase cost		USD	1.07e+04
Utility cost		USD/hr	2.85

全体での蒸気分率を指定した場合の方が、必要な面積も小さく、蒸発缶の数も少ない様子。

_units : dict [str, str] = {}

計算結果である辞書型配列 design_results の値の単位。

Area : m^2
Volume : m^3

_F_BM_default

構成部品の設置コストを計算するための係数\( F_{BM} \)

蒸発缶 Evaporators : 2.45
減圧装置 Vacuum system : 1.0
凝縮器 Condenser : 3.17

参考文献

[1]

医薬原薬の製造【第28回】

BioSTEAMの使い方メモ