冷却水塔

11月 15, 2025

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"の冷却水塔モデルの使い方について解説しています。システム内の'cooling_water(冷却水)'による冷却水の流量を集約し、設備コストと電力を計算します。オリジナルのページはCoolingTower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

冷却水塔

class CoolingTower( ID='', agent=None ) [source]

システム内の'cooling_water(冷却水)'による冷却水の流量を集約し、Humbirdらの文献^[1]と同様に設備コストと電力を計算する冷却水塔を作成します。

パラメータ

ID (str、省略可) - 一意の識別子(ID)。
ins

[0] 冷却水(循環水)
[1] 補給水
[2] 薬品類

outs

[0] 冷却水(循環水)
[1] ブローダウン水
[2] 蒸発水分量

import biosteam as bst
from biorefineries import cane
bst.nbtutorial() # Ignore warnings and reset local BioSTEAM preferences

chemicals = cane.create_sugarcane_chemicals()
chemicals.define_group(
    name='Fiber',
    IDs=['Cellulose', 'Hemicellulose', 'Lignin'],
    composition=[0.4704 , 0.2775, 0.2520],
    wt=True, # Composition is given as weight
)
bst.settings.set_thermo(chemicals)
dilute_ethanol = bst.Stream('dilute_ethanol', Water=1390, Ethanol=590)
bagasse = bst.Stream('bagasse', Water=0.4, Fiber=0.6, total_flow=8e4, units='kg/hr')
with bst.System('sys') as sys:
    D1 = bst.BinaryDistillation('D1', ins=dilute_ethanol, Lr=0.999, Hr=0.89,
    							 k=1.25, LHK=('Ethanol', 'Water'))
    CT = bst.CoolingTower('CT')
sys.simulate()
CT.show(T='degC',P='kPa',flow='kg/hr')

CoolingTower: CT
ins...
[0] -  
    phase: 'l', T: 32.222 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  1.96e+04
[1] cooling_tower_makeup_water  
    phase: 'l', T: 32.222 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  215
[2] cooling_tower_chemicals  
    phase: 'l', T: 32.222 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  0.00494
outs...
[0] -  
    phase: 'l', T: 51.667 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  1.96e+04
[1] cooling_tower_blowdown  
    phase: 'l', T: 51.667 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  19.6
[2] cooling_tower_evaporation  
    phase: 'g', T: 51.667 degC, P: 101.325 kPa
    flow (kmol/hr): Water  196

冷却水1.96e+04kmol/hr(=3.53e+05kg/hr)の温度が約32℃から52℃に上昇することで熱を吸収できる計算になっている、ということですね。冷却水塔から供給される冷却水は夏場も考慮して32～33℃に設定されているようです。

さらに、ブローダウンが19.6kmol/hr、蒸発量が196kmol/hrという結果になっています。ブローダウンとは、濃縮した冷却水(循環水)を定期的に捨てて、きれいな水を補給すること^[2]だそうです。ここでは、冷却水(循環水)の0.1%になっています。また、蒸発量は、冷却塔で冷却水(循環水)を冷却させるために必要な蒸発量で、その分、冷却水(循環水)が減っていきます。冷却水(循環水)の1%になっていました。その合計がins[1]のcooling_tower_makeup_waterという関係になっているようです。薬品類(cooling_tower_chemicals)は冷却水(循環水)の約4.5ppmになっていました。

results()の方も確認しておきます。results()の方は上から、電気使用量が89kW、電動ポンプの消費分ですね。冷却負荷が2.87e+07kJ/hrで冷却水がその分、加熱されて温度が上昇してる、ということだと思います。流量は、先程の冷却水量と同じですが符号がマイナスになっています。コストもマイナスとなっています。

構成部品は、冷却塔とウォーターポンプの２つの想定です。

CT.results()

	Cooling tower	Units	CT
Electricity	Power	kW	89
Electricity	Cost	USD/hr	6.96
Cooling water	Duty	kJ/hr	2.87e+07
	Flow	kmol/hr	-1.96e+04
	Cost	USD/hr	-9.55
Design	Flow rate	kmol/hr	1.96e+04
Purchase cost	Cooling tower	USD	1.36e+05
Purchase cost	Cooling water pump	USD	1.87e+04
Total purchase cost		USD	1.55e+05
Utility cost		USD/hr	-2.6

注記

蒸留塔モデルとの関係ですが、図でシステムを確認すると、見た目では冷却水塔 CT と、蒸留塔 D1 は接続されていません。

蒸留塔側のheat_utilityesを調べてみると、

D1.heat_utilities

[<cooling_water: -2.87e+07 kJ/hr, 1.96e+04 kmol/hr, 9.55 USD/hr>,
 <low_pressure_steam: 7.32e+07 kJ/hr, 1.89e+03 kmol/hr, 450 USD/hr>]

となっていて、冷却水塔側は

CT.heat_utilities

[<cooling_water: 2.87e+07 kJ/hr, -1.96e+04 kmol/hr, -9.55 USD/hr>]

で、一致していることが確認できます。これは、CT 生成時にシステム内の他の機器ユニットのheat_utilityesの冷媒が'cooling_water'となっているheat_utilityesを集約しているためです(_load_utility_agents())。

_units : dict [str, str] = {}

計算結果である辞書型配列 design_results の値の単位。

Flow rate : kmol/hr

_load_utility_agents()

システム内の他の機器ユニットのheat_utilityesの冷媒が'cooling_water'となっているheat_utilityesを集約

_design()

流量：集約した冷却要求の必要流量 [kmol/hr]
薬品類(cooling_tower_chemicals)：集約した冷却要求の必要流量の約4.5ppm [kmol/hr]
蒸発量：集約した冷却要求の必要流量の1% [kmol/hr]
ブローダウン量：集約した冷却要求の必要流量の0.1% [kmol/hr]
補給水量：蒸発量とブローダウン量の合計 [kmol/hr]

BioSTEAMの使い方メモ

冷却水塔

冷却水塔

class CoolingTower( ID='', agent=None ) [source]

_units : dict [str, str] = {}

_load_utility_agents()

_design()

参考文献

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