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"で、プロセス・パラメータを動的に変更する方法について説明しています。オリジナルのページはInheriting from Unit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

<< 目次 >>

Unit クラスの継承

装置のコスト計算

各機器の購入価格は、FOB(本船渡し価格)を、基準となるサイズからの指数関数的計算方法をデコレータ構文^[1]を使って計算します。各機器の基準となる代表寸法S(例えば物理的な大きさ、流量、消費電力など)の時のコストを基準に、推定したい装置のサイズをS_newとすると、Sからの比率をn乗し、さらに化学工学プラント費用指数(Chemical Engineering Plant Cost Index、CEPCI)を使った年次のコスト上昇を加味して推定します。推定したい装置の購入コストNew costは計算式で表すと以下のようになります。

\begin{align*} \textit{New cost} & = N \cdot \textit{cost} \left( \frac{CE_{new}}{CE} \right) \left( \frac{S_{new}}{N \cdot S} \right) ^n \\ \end{align*} ここで、

$ N $ : 装置の個数で、 \begin{align*} N & = ceil \left( \frac{S_{new}}{ub} \right) \\ \end{align*}
$ \textit{cost} $ : 基準となるサイズSでの本船渡しの購入価格
$ CE_{new} $ : 推定したい年次のCEPCI
$ CE $ : 基準となる年次のCEPCI
$ S_{new} $ : 推定したい装置のサイズ
$ S $ : 基準となるサイズ
$ \textit{cost} $ : 基準となるサイズSでの本船渡し価格
$ n $ : コスト計算での指数
$ceil $ : 天井関数(切り上げ関数)
$ub $ : 1セットでのサイズの上限

また、消費電力Electricity rateは、 \begin{align*} \textit{Electricity rate} & = kW \left( \frac{S_{new}}{S} \right) \\ \end{align*}

$ kW $ : 基準となるサイズSでの消費電力

他に考慮される設定として

$ \textit{life time} $ : 設備更新されるまでの操業年数

文献^[2]にあるように、最終的な本船渡し(FOB)購入価格は次のよう設計の係数、圧力の係数、材料の係数で補正されます。 \[ C_P = C_{Pb}F_DF_PF_M \] そして、設備設置コストは次のように表されます。 \[ C_{BM} = C_{Pb}(F_{BM} + F_DF_PF_M -1) \] ここで、

$ C_{Pb} $ : ベースライン購入価格(baseline purchase cost)
$ C_P $ : 購入価格(purchase cost)
$ C_{BM} $ : 設備設置コスト(installed_cost)

※ $ C_{BM} $はinstalled equipment costのこと^[3]です。

$ F_{BM} $ : 設置に関する係数(Bare module factor)
$ F_D $ : 購入費用に対する設計の係数(Design factor)
$ F_P $ : 購入費用に対する圧力の係数(Pressure factor)
$ F_M $ : 購入費用に対する材料の係数(Material factor)

例(1)

供給されたサトウキビを裁断するシュレッダーを指数関数的にコスト算出する^[4]ユニットオブジェクトのサブクラス(Shredderクラス)として作成します。以下のような設定を使用します。

化学工学プラント費用指数(Chemical Engineering Plant Cost Index、CEPCI) : 567.3
サイズ : 流量 500,000 kg/hr
購入価格 : $2,500,000
電力消費 : 3,000 kW
指数 : 0.6
$ F_{BM} $ : 設置に関する係数(Bare module factor) : 1.39
装置寿命 : 30 年

このとき、原料の供給量を1,000,000 kg/hrにした時に、2018年の化学工学プラント費用指数(Chemical Engineering Plant Cost Index、CEPCI)603.1での購入価格はいくらか。

新しい Shredder クラスを作成

import biosteam as bst
from biosteam.units.decorators import cost

# 使用する成分の化学的特性を設定
chemicals = bst.Chemicals(['Water', 'Ethanol'])
SugarCane = bst.Chemical.blank('SugarCane', phase_ref='s')
SugarCane.default()
chemicals.append(SugarCane)
bst.settings.set_thermo(chemicals)

# 2018年相当
bst.CE = 603.1

# 基準は kg/hr 単位の流量とします
@cost('Flow rate', units='kg/hr', cost=2.5e6, CE=567.3,
      n=0.6, S=500e3, kW=3000, BM=1.39, lifetime=30)
class Shredder(bst.Unit): pass
# `_run` メソッドのない Units サブクラスは流入ストリーム1、出力ストリーム1で、
# 流出ストリームは流入ストリームがそのまま流出する、となります

### Shreadder クラスを試します ###

# 画面表示の流量単位を kg/hr にします
bst.Stream.display_units.flow = 'kg/hr'

feed = bst.Stream(SugarCane=1e6, units='kg/hr')
shredder = Shredder(ins=feed)
shredder.simulate()

shredder.show()
shredder.results()

Shredder: U1
ins...
[0] s1  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kg/hr): SugarCane  1e+06
outs...
[0] s2  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kg/hr): SugarCane  1e+06

	Shredder	Units	U1
Electricity	Power	kW	6e+03
Electricity	Cost	USD/hr	469
Design	Flow rate	kg/hr	1e+06
Purchase cost	Shredder	USD	4.03e+06
Total purchase cost		USD	4.03e+06
Utility cost		USD	469

基準となる設定は、costデコレータで設定します。costデコレータは定義が cost (basis=None, ID=None, CE, cost=None, S=1.0, lb=None, ub=None, kW=None, BM=1.0, units=None, f=None, annual=None, condition=None, magnituden=None ) で、最初のbasisのところに基準となる物理量が何かを設定します。ここでは'流量'としておきます。後は先程の設定を記述しています。また、今回のクラスは実際の動作は特に何もしない設定ですので、中身はありません。流出ストリームは流入ストリームがそのまま流出する設定です。

なお、各コスト計算値の関係を確認しておくと、New costにあたる購入価格は、先程の式に当てはめてみると

2.5e6 * (603.1 / 567.3) * pow((1e+06 / 500e3),0.6)

4028418.2146237493

shredder.installed_cost

5599501.318327011

4028418.2146237493 * 1.39

5599501.318327011

{}

shredder.F_D

{}

shredder.F_P

{}

shredder.F_M

{}

{}

baseline_purchase_cost

installed_cost

purchase_cost

Cost Items

コストの設定は、cost_itemsという名前の辞書型配列に格納されています。

Shredder.cost_items

{'Shredder': <CostItem: Flow rate (kg/hr)>}

Cost Itemsの内容

Shredder.cost_items['Shredder']

CostItem: Flow rate (kg/hr)
 S     5e+05
 CE    567
 cost  2.5e+06
 n     0.6
 kW    3e+03

cost

装置寿命と設置コストの係数

Shredder._default_equipment_lifetime

{'Shredder': 30}

設定の変更

Shredder.cost_items['Shredder'].cost = 3e6 # 基準価格の変更
# 以下でも同じです
# Shredder.cost_items['Shredder']['cost'] = 3e6
shredder.simulate()
shredder.results()

	Shredder	Units	U1
Electricity	Power	kW	6e+03
Electricity	Cost	USD/hr	469
Design	Flow rate	kg/hr	1e+06
Purchase cost	Shredder	USD	4.83e+06
Total purchase cost		USD	4.83e+06
Utility cost		USD	469

上限サイズの変更

Shredder.cost_items['Shredder'].ub = 6e5 # 上限サイズの変更
shredder.simulate()
shredder.results()

	Shredder	Units	U1
Electricity	Power	kW	6e+03
Electricity	Cost	USD/hr	469
Design	Flow rate	kg/hr	1e+06
Purchase cost	Shredder (x2)	USD	6.38e+06
Total purchase cost		USD	6.38e+06
Utility cost		USD	469

例(2)

コストデコレータを使って装置の機能を追加することもできます。次の例では、フラッシュタンクに攪拌機を以下の指数関数的サイズアップの係数^[5]で追加しています。

化学工学プラント費用指数 : 522
サイズ : 流量 252,891 kg/hr
購入価格 : $90,000
電力消費 : 170 kW
指数 : 0.5
$ F_{BM} $ : 1.5
耐用年数：設置されているプラントの操業年数と同じ

機能追加によるコスト追加

@cost('Flow rate', 'Agitator', units='kg/hr',
      cost=90e3, S=252891, kW=170, CE=522, n=0.5, BM=1.5)
class FlashWithAgitator(bst.Flash):

    def _design(self):
        super()._design()
        self._decorated_design()

    def _cost(self):
        # Run flash cost algorithm
        super()._cost()

        # Run decorated cost algorithm
        self._decorated_cost()

# Test
F1 = FlashWithAgitator('F1', bst.Stream('feed', Water=800, Ethanol=500, T=350),
                       V=0.5, P=101325)
F1.simulate()
F1.results()

	Flash with agitator	Units	F1
Electricity	Power	kW	25.2
Electricity	Cost	USD/hr	1.97
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	2.82e+07
	Flow	kmol/hr	728
	Cost	USD/hr	173
Design	Vessel type		Vertical
	Length	ft	12.5
	Diameter	ft	8.5
	Weight	lbr	8.14e+03
	Wall thickness	in	0.438
	Flow rate	kg/hr	3.74e+04
	Vessel material	kmol/hr	Carbon steel
Purchase cost	Vertical pressure vessel	USD	4.47e+04
	Platform and ladders	USD	1.27e+04
	Agitator	USD	4e+04
	Heat exchanger - Floating head	USD	3.65e+04
Total purchase cost		USD	1.34e+05
Utility cost		USD	175

付随設備

一つの装置には複数の付随設備を持つものもあります。付随設備を追加するためには、auxiliary_unit_namesに名前を追加し、auxiliaryメソッドを使ってそれらをインスタンス化します。次の例では、混合槽、ポンプ、熱交換機からなる新しい装置を作ってみます。

加熱槽

import biosteam as bst

# 使用する成分の化学的特性を設定
chemicals = bst.Chemicals(['Water'])
bst.settings.set_thermo(chemicals)

class HeatedTank(bst.Unit):
    # auxiliary unit names に構成要素を記載
    auxiliary_unit_names = ('mix_tank', 'pump', 'heat_exchanger')

    def _init(self, T):
        pump = self.auxiliary(
            'pump', # 付随設備の名前
            bst.Pump, # 付随装置の種類
            ins=self.ins, # 付随装置の流入ストリーム(親クラスと同じ)
        )
        heat_exchanger = self.auxiliary(
            'heat_exchanger', # 名前
            bst.HXutility, # 種類
            ins=pump.outlet, # ポンプの流出ストリームを流入させる
            T=T, #: 熱交換器の追加設定 (温度 [K])
        )
        self.auxiliary(
            'mix_tank', # 名前
            bst.MixTank, # 種類
            ins=heat_exchanger.outlet, # 熱交換器の流出ストリームを流入させる
            outs=self.outs, # 流出ストリーム (親クラスと同じ)
        )

    def _run(self):
        # 構成要素の _run()メソッドを実行
        self.pump._run()
        self.heat_exchanger._run()
        self.mix_tank._run()

    def _design(self):
        # 構成要素の_design()メソッドを実行し、設計緒元を計算
        self.pump._design()
        self.heat_exchanger._design()
        self.mix_tank._design()

    def _cost(self):
        # 構成要素の_cost()メソッドを実行し、コストを計算
        self.pump._cost()
        self.heat_exchanger._cost()
        self.mix_tank._cost()

feed = bst.Stream('feed', Water=200)
HT1 = HeatedTank('HT1', ins=feed, T=310)
HT1.simulate()
HT1.diagram(format='png')
HT1.show()
HT1.results()

HeatedTank: HT1
ins...
[0] feed  
    phase: 'l', T: 298.15 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water  200
outs...
[0] s1  
    phase: 'l', T: 310 K, P: 101325 Pa
    flow (kmol/hr): Water  200

	Heated tank	Units	HT1
Electricity	Power	kW	0.736
Electricity	Cost	USD/hr	0.0575
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	1.88e+05
	Flow	kmol/hr	4.86
	Cost	USD/hr	1.15
Purchase cost	Mix tank - Tank	USD	2.89e+04
	Pump - Pump	USD	4.37e+03
	Pump - Motor	USD	273
	Heat exchanger - Double pipe	USD	3.61e+03
Total purchase cost		USD	3.71e+04
Utility cost		USD	1.21

ポンプはポンプ本体とモーターから構成されているので、Purchase costは４つの要素からできています。また、付随設備のユーティリティとコストは自動的に親ユニットに追加されます。

また、付随設備は図として表示する際に何も指定しないとそれぞれ表示されますが、auxiliaries=0とすることで表示させないようにすることもできます。

表示の無効化

HT1.diagram(auxiliaries=0, format='png')

参考文献

[1]

Pythonのデコレータについて
[2]

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)
[3]

Updated installed equipment cost formulation #59
[4]

Huang, H., Long, S. & Singh, V. Techno-economic analysis of biodiesel and ethanol co-production from lipid-producing sugarcane. Biofuels, Bioprod. Bioref. 10, 299–315 (2016).(https://doi.org/10.1002/bbb.1640)
[5]

Humbird, D., Davis, R., Tao, L., Kinchin, C., Hsu, D., Aden, A., Dudgeon, D. (2011). Process Design and Economics for Biochemical Conversion of Lignocellulosic Biomass to Ethanol: Dilute-Acid Pretreatment and Enzymatic Hydrolysis of Corn Stover (No. NREL/TP-5100-47764, 1013269)