ShortcutColumn

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"MESHDistillation"の使い方を説明しています。 オリジナルのページはdistillation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

distillation

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

蒸留塔のモデル distillation column クラスの抽象クラス。

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

軽質および重質成分がそれぞれ塔頂およびボトム製品に完全に分離されると仮定した２成分(バイナリ)蒸留塔を構築します。詳細はこちら BinaryDistillation。

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

フェンスキー・アンダーウッド・ギリランド法を用いて、蒸留塔の理論設計および非主要成分の分離を行う多成分蒸留塔を構築します^[1]。塔効率のようなマーフィー効率は、修正オコンネル相関式^[2]に基づいています。塔の直径はトレイ間隔とフラッディング速度から計算されます^[1][3]。購入価格はワレンらのまとめた関係^[4]に基づいています。

• 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 (Sequence(順序付きコレクション)[Stream | str]、省略可)
フィード層で混合される流入ストリーム。
• outs (Sequence(順序付きコレクション)[Stream | str]、省略可)
• [0] 塔頂留出物
• [1] ボトム生成物
• LHK (tuple[str])
軽質成分と重質成分としたい成分。
• y_top (float)
塔頂留出物の軽質成分のモル分率。
• x_bot (float)
ボトムの重質成分のモル分率。
• Lr (float)
塔頂留出成分のリカバリ
• Hr (float)
ボトム流出成分のリカバリ
• k (float)
最小還流比に対する還流比の比率。還流比／最小還流比
• Rmin (float、省略可)
ユーザー指定最小還流比。実際の最少還流比がRminより大きい場合は無視される。デフォルトは0.3。
• product_specification_format=None ("Composition" or "Recovery")
"Composition"の場合はy_top、x_botの指定が必須。"Recovery"の場合はLr、Hrの指定が必須。
• P (float)
運転圧力。デフォルトは101325 Pa。
• vessel_material (str、省略可)
容器の構造材。デフォルトは炭素鋼。
• tray_material (str、省略可)
トレイの構造材。デフォルトは炭素鋼。
• tray_type (str)
トレイのタイプ。シーブトレイ(Sieve)かバルブトレイ(Valve)かバブルキャップトレイ(Bubble cap)。デフォルトはシーブトレイ(Sieve)。
• tray_spacing (float)
トレイ間隔。一般的には152から915 mm。デフォルトは450 mm。
• stage_efficiency (float)
ユーザー指定段効率。指定がない場合はオコンネル相関式^[2]より計算されます。
• velocity_fraction (float)
フラッディング限界速度に対する実速度比。デフォルトは0.8。
• foaming_factor (float)
0と1の間であることが必要。デフォルトは1。
• open_tray_area (float)
トレイの面積に対する有効な面積の比。デフォルトは0.1。
• downcomer_area_fraction (float)
ユーザーが指定するトレイ全体面積に対するダウンカマー面積の比率。指定がない場合はオリバー式^[1]を基に推定します。
• is_divided (float)
分離塔と精留塔が分離型構成である場合はTrue。デフォルトはFalse
• 例

from biosteam.units import ShortcutColumn
from biosteam import Stream, settings
settings.set_thermo(['Water', 'Methanol', 'Glycerol'], cache=True)
feed = Stream('feed', flow=(80, 100, 25))
bp = feed.bubble_point_at_P()
feed.T = bp.T # Feed at bubble point T
D1 = ShortcutColumn('D1', ins=feed,
                    outs=('distillate', 'bottoms_product'),
                    LHK=('Methanol', 'Water'),
                    y_top=0.99, x_bot=0.01, k=2,
                    is_divided=True)
D1.simulate()
# See all results
D1.show(T='degC', P='atm', composition=True)

ShortcutColumn: D1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 76.082 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water     39
                     Methanol  48.8
                     Glycerol  12.2
                     --------  205 kmol/hr
outs...
[0] distillate  
    phase: 'g', T: 64.854 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water     1
                     Methanol  99
                     --------  100 kmol/hr
[1] bottoms_product  
    phase: 'l', T: 100.02 degC, P: 1 atm
    composition (%): Water     75.4
                     Methanol  0.761
                     Glycerol  23.9
                     --------  105 kmol/hr

D1.results()

	Divided Distillation Column	Units	D1
Electricity	Power	kW	0.761
	Cost	USD/hr	0.0595
Cooling water	Duty	kJ/hr	-7.54e+06
	Flow	kmol/hr	5.15e+03
	Cost	USD/hr	2.51
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	1.34e+07
	Flow	kmol/hr	346
	Cost	USD/hr	82.4
Design	Theoretical feed stage		8
	Theoretical stages		16
	Minimum reflux	Ratio	1.06
	Reflux	Ratio	2.12
	Rectifier stage		13
	Stripper stages		26
	Rectifier height	ft	31.7
	Stripper height	ft	50.9
	Rectifier diameter	ft	4.52
	Stripper diameter	ft	3.64
	Rectifier wall thickness	in	0.312
	Stripper wall thickness	in	0.312
	Rectifier weight	lb	6.45e+03
	Stripper weight	lb	7.93e+03
Purchase cost	Rectifier trays	USD	1.52e+04
	Stripper trays	USD	2.01e+04
	Rectifier tower	USD	4.76e+04
	Stripper platform and ladders	USD	1.42e+04
	Stripper tower	USD	5.38e+04
	Rectifier platform and ladders	USD	1.81e+04
	Condenser - Floating head	USD	4.07e+04
	Reflux drum - Horizontal pressure vessel	USD	1.03e+04
	Reflux drum - Platform and ladders	USD	3.02e+03
	Pump - Pump	USD	4.37e+03
	Pump - Motor	USD	379
	Reboiler - Floating head	USD	2.98e+04
Total purchase cost		USD	2.57e+05
Utility cost		USD/hr	84.9

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

MESH（物質収支、平衡、総和、エンタルピー）式を厳密に収束させる蒸留塔を構築します。詳細はこちら MESHDistillation。

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

リボイラー、凝縮器(コンデンサー)なしの吸収塔もしくは分離塔を生成します。 詳細はこちら AdiabaticMultiStageVLEColumn。

参考文献

• [1]
  J.D. Seader, E.J. Henley, D.K. Roper. (2011) Separation Process Principles 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc.
• [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.
• [4]
  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)