蒸留塔設計

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"の蒸留塔モデルで各構成部品のコスト、段数、直径、重量等、詳細設計をしているクラスの解説をしています。 オリジナルのページはcolumn_design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

蒸留塔設計

compute_purchase_cost_of_trays(N_T, Di)[source]

BioSTEAMのCEPCI(化学工学プラント費用指数)を考慮した全てのトレイの購入価格の合計。[USD]。
  • パラメータ
    • N_T (int) - トレイの枚数。
    • Di (float) - 内径(トレイの直径)[ft]。
  • 計算の概略
    • \( \text{トレイの購入価格[USD]} = N_T * F_{CE} * F_{NT} * C_{BT} \)
    • \( N_T \): トレイの枚数
    • \( F_{CE} \): CE/500（CEPCIによる補正）
    • \( C_{BT} \): トレイ1枚のベース購入価格 = \(412.6985 e^{0.1482 D_i} \)
      • ※ CE が 500の時のトレイ1枚のベース購入価格
    • \( F_{NT} \): トレイのコスト補正係数 \( \begin{cases} 2.25/1.0414^{N_T} & N_T < 20 \\ 1 & \text{その他} \end{cases} \)
  • 注記
    • 購入価格は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。購入価格はBioSTEAMの化学工学プラント費用指数であるbiosteam.CEによって補正されます。

compute_empty_tower_cost(W)[source]

BioSTEAMのCEPCI(化学工学プラント費用指数)を考慮した塔本体(耐圧容器)の購入価格。[USD]。
  • パラメータ
    • W (float) - 重量[lb]。
  • 計算の概略
    • \( \text{塔の購入価格[USD]} = (\frac{CE}{500}) e^{7.2756 + 0.18255*log(W) + 0.02297*log(W)^2} \)
    重量による指数関数になっています。
  • 注記
    • 購入価格は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_plaform_ladder_cost(Di, L)[source]

BioSTEAMのCEPCI(化学工学プラント費用指数)を考慮した基礎(プラットフォーム)とはしごの購入価格。[USD]。
  • パラメータ
    • Di (float) - 内径[ft]。
    • L (float) - 長さ[ft]。
  • 計算の概略
    • \( \text{基礎とはしごの購入価格[USD]} = (\frac{CE}{500}) 300.9 Di^{0.63316} L^{0.80161} \)
    塔の直径、高さ(長さ)による指数関数なっています。
  • 注記
    • 購入価格は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_tower_weight(Di, L, tv, rho_M)[source]

2:1半楕円形鏡板(直径と深さの比率が2:1の半楕円体形状)を想定した、塔の重量。塔内の物質も考慮。[lb]。
  • パラメータ
    • Di (float) - 内径[ft]。
    • L (float) - 長さ[ft]。
    • tv (float) - 壁厚[in]。
    • rho_M (float) - 塔内の物質の密度[lb/in3]。
  • 注記
    • 塔の重量は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_tower_wall_thickness(Po, Di, L, S=15000.0, E=None, M=29.5)[source]

内部圧力および風/地震荷重を考慮した圧力容器の壁厚。[in]。
  • パラメータ
    • Po (float) - 運転時の内圧[psi]。
    • Di (float) - 内径[ft]。
    • L (float) - 高さ[ft]。
    • S (float) - 最大応力[psi]。
    • E (float) - 塔内の物質の密度[lb/in3]。
    • M (float) - 塔内の物質の密度[lb/in3]。
  • 注記
    • 塔の壁厚は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。
    ⚠️
    注意
    この関数は正の内部圧力(真空ではない)にのみ適用されます。
    真空圧力容器には、補強リングやより厚い容器壁が必要となる場合があります。

compute_tray_base_purchase_cost(Di)[source]

CEPCI(化学工学プラント費用指数)が500のときのトレイ一枚当たりのベース(基準)購入価格。[USD]。
  • パラメータ
    • Di (float) - 内径[ft]。
  • 計算の概略
    • \( \text{トレイ1枚の購入価格} = 412.6985 e^{0.1482 D_i} \)
  • 注記
    • 購入コストは、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_n_trays_factor(N_T)[source]

トレイ数によるトレイの価格にかかる係数。F_NT。
  • パラメータ
    • N_T (int) - トレイの枚数。
  • 計算の概略
    • \( F_{NT} \): トレイのコスト補正係数 \( \begin{cases} 2.25/1.0414^{N_T} & N_T < 20 \\ 1 & \text{その他} \end{cases} \)
  • 注記
    • コスト係数は、Seiderら[1]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_murphree_stage_efficiency(mu, alpha, L, V)[source]

区間マーフリー段効率。E_mv。
  • パラメータ
    • mu (float) - 粘度[mPa*s]。
    • alpha (float) - 相対揮発度[mPa*s]。
    • L (float) - 液体のモル流量。
    • V (float) - 蒸気のモル流量。
  • 注記
    • 段効率は、Dussら[2]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_flow_parameter(L, V, rho_V, rho_L)[source]

流量パラメータ。F_LV。
  • パラメータ
    • L (float) - 液体のモル流量。
    • V (float) - 蒸気のモル流量。
    • rho_V (float) - 蒸気の密度。
    • rho_L (float) - 液体の密度。
  • 注記
    • 流量パラメータは、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_max_capacity_parameter(TS, F_LV)[source]

フラッディングが発生する直前の最大容量パラメータ。C_sbf[m/s]。
  • パラメータ
    • TS (float) - トレイ間隔[mm]。
    • F_LV (float) - 流量パラメータ。
  • 注記
    • 最大容量パラメータは、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_max_vapor_velocity(C_sbf, sigma, rho_L, rho_V, F_F, A_ha)[source]

フラッディングが発生する前の有効断面積を通過する蒸気の最大許容速度。U_f[m/s]。
  • パラメータ
    • C_sfb - 最大容量パラメータ[m/s]
    • sigma - 液体の表面張力 [dyn/cm]
    • rho_L - 液体の密度。
    • rho_V - 蒸気の密度。
    • F_F - フォーミングファクター。
    • A_ha - 開口面積に対する有効面積の比。
  • 注記
    • 最大許容速度は、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_downcomer_area_fraction(F_LV)[source]

有効断面積(の合計)に対するダウンカマー面積の比。A_dn。
  • パラメータ
    • F_LV (float) - 流量パラメータ。
  • 注記
    • ダウンカマー面積の比率は、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_tower_diameter(V_vol, U_f, f, A_dn)[source]

塔の直径。D_T[m]。
  • パラメータ
    • V_vol (float) - 蒸気の単位時間あたりの体積流量[m^3/s]。
    • U_f (float) - フラッディング前の最大上記速度[m/s]。
    • f (float) - 実速度と U_f の比 。
    • A_dn (float) - 有効断面積(の合計)に対するダウンカマー面積の比
  • 注記
    • ダウンカマー面積の比率は、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

compute_tower_height(TS, N_stages, top=True, bottom=True)[source]

塔の重量。D_T[m]。
  • パラメータ
    • TS (float) - トレイ間隔[mm]。
    • N_stages (float) - 段数。
  • 注記
    • ダウンカマー面積の比率は、Greenら[3]に基づいています。詳細はコードを確認してください。

参考文献

  • [1]
    Seider, W. D., Lewin, D. R., Seader, J. D., Widagdo, S., Gani, R., & Ng, M. K. (2017). Product and Process Design Principles. Wiley. Cost Accounting and Capital Cost Estimation (Chapter 16)
  • [2]
    M. Duss, R. Taylor. (2018) Predict Distillation Tray Efficiency. AICHE
  • [3]
    Green, D. W. Distillation. In Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9 ed.; McGraw-Hill Education, 2018.

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