Автоматизація процесу ректифікації у виробництві етилового спирту

Abstract

Мелько В.Я., Фединець В.О. (керівник).«Автоматизація процесу ректифікації у виробництві етилового спирту».Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. Розширена анотація Ректифікація у виробництвіетилового спирту — цебагатоетапнийпроцес теплового розділення, якийґрунтується на послідовномувипаровуванні та конденсаціїкомпонентівсуміші. Завдякицьому методу вдаєтьсяефективновідокремитиетиловий спирт від води та супутніхдомішок, щоутворюютьсяпід час спиртового бродіння [1]. Процес ректифікації здійснюється у спеціальних колонах, де створюється температурний градієнт: тепло подається знизу, а охолодження — зверху. Завдяки різниці температур кипіння води (100?°C) й етилового спирту(78?°C) , спиртові пари піднімаються вгору колони, де вони конденсуються й збираються у вигляді очищеного продукту. Такий метод забезпечує отримання етилового спирту високої чистоти, який широко використовується в харчовій, хімічній та фармацевтичній промисловості [2]. Завдяки ректифікації вдається не лише відокремити воду, а й ефективно усунути леткі домішки, такі як сивушні олії, метанол та альдегіди. У результаті отримують етиловий спирт високої концентрації — до 96,6% об’ємних, відомий як ректифікований спирт. Цей процес є одним із найважливіших етапів у виробництві спирту, адже саме він значною мірою впливає на чистоту й якість кінцевого продукту [3]. Об’єктом дослідженнямагістерської кваліфікаційної роботи є процес ректифікації у виробництві етилового спирту. Предметом дослідженняє технічне, інформаційне, математичне та програмне забезпечення системи автоматизації процесу ректифікації у виробництві етилового спирту. Метою дослідженняє аналіз та удосконалення процесу ректифікації у виробництві етилового спирту, розробка автоматизованих алгоритмів для підвищення ефективності очищення та якості готового продукту. У першому розділімагістерської кваліфікаційної роботи розглянуто опис технологічного процесу ректифікації, розглянуто матеріальні та теплові баланси технологічного об’єкта. У другомурозділі проаналізовано процес ректифікації як об’єкт керування, складено технологічну карту, структурну схему взаємозв'язку між технологічними параметрами. Третій розділ охоплює розробку та технічне обгрунтування вибору функціональної схеми автоматизації процесу ректифікації у виробництві етилового спирту. В четвертому розділі вибрано первинні вимірювальні перетворювачі, виконавчі механізми, мікропроцесорний засіб корпорації Siemens серії Simatic S7- 300 та програмний засіб людино-машинного інтерфейсу (SCADA/HMI), а саме WinCCRuntimeAdvanced в програмному середовищі TIA Portal. В п’ятому розділі розроблені алгоритми роботи процесу ректифікації, програму функціонування мікропроцесорного програмного засобу автоматизації та людино-машинного інтерфейсу (SCADA/HMI). В шостомурозділі розроблено принципову схему електричних з’єднань комп'ютерно-інтегрованої системи керування з’єднань контролера із технічними засобами автоматизації. В сьомомурозділі здійснено розрахунок та моделювання системи автоматичного регулювання температури на верхній контрольній тарілці ректифікаційної колони. Складено математичну модель, розраховано параметри налаштування автоматичних ПІД та П регуляторів, одноконтурну та каскадну САР температури. У восьмому розділі детально описано про контури регулювання на розгорнутій функціональній схемі автоматизації процесу ректифікації у виробництві етилового спирту. У дев’ятому розділі наведено специфікацію технічних засобів автоматизації процесу ректифікації.MelkoV.Ya., Fedynets V.O. (supervisor). "Automationoftherectificationprocessintheproductionofethylalcohol". Master'squalificationwork. - LvivPolytechnicNationalUniversity, Lviv, 2025. Extendedannotation Rectificationintheproductionofethylalcoholis a multi-stagethermalseparationprocess, whichisbasedonthesequentialevaporationandcondensationofthecomponentsofthemixture. Thankstothismethod, itispossibletoeffectivelyseparateethylalcoholfromwaterandaccompanyingimpuritiesformedduringalcoholicfermentation [1]. Therectificationprocessiscarriedoutinspecialcolumns, where a temperaturegradientiscreated: heatissuppliedfrombelow, andcoolingisfromabove. Duetothedifferenceintheboilingpointsofwater (100°C) andethylalcohol (78°C), alcoholvaporsriseupthecolumn, wheretheycondenseandarecollectedintheformof a purifiedproduct. Thismethodensurestheproductionofhigh-purityethylalcohol, whichiswidelyusedinthefood, chemicalandpharmaceuticalindustries [2]. Thankstorectification, itispossiblenotonlytoseparatewater, butalsotoeffectivelyremovevolatileimpuritiessuchasfuseloils, methanolandaldehydes. As a result, high-concentrationethylalcoholisobtained - upto 96.6% byvolume, knownasrectifiedalcohol. Thisprocessisoneofthemostimportantstagesintheproductionofalcohol, becauseitisitthatsignificantlyaffectsthepurityandqualityofthefinalproduct [3]. Theobjectofthestudyofthemaster'squalificationworkistherectificationprocessintheproductionofethylalcohol. Thesubjectofthestudyisthetechnical, information, mathematicalandsoftwaresupportoftherectificationprocessautomationsystemintheproductionofethylalcohol. Thepurposeofthestudyistoanalyzeandimprovetherectificationprocessintheproductionofethylalcohol, developautomatedalgorithmstoimprovethepurificationefficiencyandqualityofthefinishedproduct.

Thefirstsectionofthemaster'squalificationworkconsidersthedescriptionofthetechnologicalprocessofrectification, thematerialandheatbalancesofthetechnologicalobjectareconsidered. Thesecondsectionanalyzestherectificationprocessas a controlobject, a technologicalmapisdrawnup, a structuraldiagramoftherelationshipbetweentechnologicalparametersisdrawnup. Thethirdsectioncoversthedevelopmentandtechnicaljustificationofthechoiceof a functionalschemeforautomatingtherectificationprocessintheproductionofethylalcohol. Inthefourthsection, primarymeasuringtransducers, actuators, a SiemensSimatic S7-300 seriesmicroprocessorand a human-machineinterface (SCADA/HMI) softwaretoolareselected, namelyWinCCRuntimeAdvancedinthe TIA Portalsoftwareenvironment. Inthefifthsection, algorithmsfortherectificationprocessaredeveloped, a programfortheoperationofthemicroprocessorautomationsoftwaretoolandthehuman-machineinterface (SCADA/HMI). Inthesixthsection, a schematicdiagramoftheelectricalconnectionsofthecomputer-integratedcontrolsystemofthecontrollerconnectionswithtechnicalmeansofautomationisdeveloped. Intheseventhsection, thecalculationandmodelingoftheautomatictemperaturecontrolsystemontheuppercontrolplateoftherectificationcolumniscarriedout. A mathematicalmodeliscompiled, theparametersofthesettingofautomatic PID and P regulators, single-loopandcascadetemperature SAR arecalculated. Intheeighthsection, thecontrolloopsaredescribedindetailontheexpandedfunctionaldiagramoftheautomationoftherectificationprocessintheproductionofethylalcohol. Intheninthsection, thespecificationofthetechnicalmeansofautomationoftherectificationprocessisgiven.