CHƯƠNG 3 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Chương 3
Chương
Chương
3
3
CÂN B
CÂN B
Ằ
Ằ
NG V
NG V
Ậ
Ậ
T CH
T CH
Ấ
Ấ
T V
T V
À
À
NĂNG
NĂNG
LƯ
LƯ
Ợ
Ợ
NG
NG
Mục đích của cân bằng vật chất v
năng lợng :

nh lng nhng tn tht vt liu v nng
lng ca quá trình sn xut
Th hin s liu nn cho tình hình sn xut
ca công ty
L cơ sở cho đề xuất các cơ hội SXSH
M« h×nh tæng qu¸t cña mét qu¸ tr×nh
s¶n xuÊt
Mô hình tổng quát của một quá
trình sản xuất
Dòng vào:
Nguyên liệu chính, nớc, hơi nớc, hoá chất,
các chất phụ trợ,
Năng lợng: nhiệt, điện, lạnh.
Dòng ra:
Sản phẩm chính, sản phẩm phụ
Chất thải/tổn thất: nớc thải, chất thải rắn,
khí, năng lợng,
XÐt cho toµn bé c¸c b−íc c«ng nghÖ:
c
cc
câ
ââ
ân b
n bn b
n bằ
ằằ
ằng v
ng vng v
ng vậ
ậậ

ật chất
t chấtt chất
t chất
Theo định luật bảo toàn vật chất, cân bằng khối lợng của
một quá trình đợc mô tả theo phơng trình:
Trong đó:
A
i
: nguyên liệu đợc sử dụng
B
j
: sản phẩm và các vật liệu thừa tạo ra trong quá trình
Nếu kể cả năng lợng, thì ta có phơng trình sau:
C
k
: năng lợng đầu vào và năng lợng tiêu tốn trong quá trình
D
p
: năng lợng trong sản phẩm và năng lợng sinh ra trong quá
trình
i J
A B
=
i k j p
A C B D
+ = +
Nguyên liệu đầu vào, sản phẩm đầu ra có thể
tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nh: vật liệu ở
dạng rắn, lỏng và khí.
Năng lợng ở dạng: hoá năng, nhiệt năng, điện

năng hoặc các dạng khác
=> cần phải đo đạc khối lợng hoặc thể tích của
nguyên liệu đầu vào và sản phẩm của quá trình
s
ss
s¬
¬¬
¬ ®å
®å®å
®å cho b
cho bcho b
cho bµ
µµ
µi to
i toi to
i to¸
¸¸
¸n c
n cn c
n c©
©©
©n b
n bn b
n b»
»»
»ng v
ng vng v
ng vË
ËË
Ët

t t
t
chÊt c
chÊt cchÊt c
chÊt cñ
ññ
ña m
a ma m
a mé
éé
ét qu
t qut qu
t qu¸
¸¸
¸ tr
trtr
tr×
××
×nh
nhnh
nh
Các bớc phân tích dòng vật chất
1. Phân tích hệ thống xác định danh mục các nguyên
vật liệu và sản phẩm
2. Đo đạc khối lợng dòng vật chất vào và ra tại một vi
thời điểm trong một đơn vị thời gian hoặc một đơn vị
khối lợng sản phẩm
3. Xác định nồng độ các nguyên tố đợc lựa chọn tại
một vi thời điểm (khối lợng/khối lợng hoặc khối
lợng/thể tích).

4. Tính toán dòng khối lợng nguyên tố từ các dòng
sản phẩm và các phép đo đạc nồng độ của các chất
5. Báo cáo đầy đủ các kết quả
Kết quả xác định cân bằng khối lợng
- X
NL
: nguyên liệu đầu vào
- X
SPi
: nguyên liệu phân bố cho sản phẩm i
- K
xi
: hệ số chuyển hoá: kxi = 1.
Các phơng pháp để xác định cân
bằng vật chất
1. Đo tất cả các vật liệu ở dòng vào và dòng ra trong
suốt khoảng thời gian vận hành của quá trình
(phơng pháp tổng quát nhất và cũng tốn kém nhất)
2. Chỉ đo những vật liệu dễ tiếp cận (cho phép xác định
cân bằng vật chất của các quá trình mà không thể
khảo sát toàn bộ bằng phơng pháp đo đạc thực
nghiệm)
3. Sử dụng các thông tin sẵn có về các quá trình đã
đợc khảo sát để mô tả dòng vật chất đi qua một quá
trình cha đợc khảo sát
Các nguồn thông tin cần thiết để lập
cân bằng vật chất
Số liệu đo đạc, phân tích của các dòng vào, sản phẩm và
các dòng thải
Các số liệu theo dõi mua bán nguyên liệu, hoá chất, sản

phẩm,
Số liệu theo dõi sản xuất hàng ngày
Kiểm kê nguyên liệu
Kiểm kê các nguồn thải
Các đặc tính của sản phẩm
Bảng tính cân bằng vật chất khi thiết kế
Các số liệu ghi chép về sản xuất
Nhật ký vận hành
Qui trình vận hành và các tài liệu hớng dẫn vận hành
Yêu cầu các số liệu đa vào cân bằng vật chất
phải tin cậy, chính xác và đặc trng.
Các số liệu để thiết lập cân bằng vật chất có thể
đợc ghi vào bảng theo mẫu biểu sau:
Lu ý khi cân bằng vật chất
Xác định đờng biên / phạm vi cân bằng.
Xác định các quá trình nằm trong miền cân
bằng.
Xác định dòng vật chất / thông số cân bằng.
Khung thời gian cân bằng: 1giờ, 1 mẻ, 1 ca, 1
ngày,
Xác định đơn vị sử dụng: kg; kg/thời gian;
Chú ý trọng lợng vật chất không đa vào liên
tục nh nớc rửa.
Các mức cân bằng vật chất
Cân bằng tổng thể: dòng vào & ra cho toàn bộ
nhà máy.
Cân bằng cho từng công đoạn theo trình tự của
quá trình.
Cân bằng cho 1 thiết bị chính để xác định
những tổn thất có thể tránh đợc.

Cân bằng cấu tử (chất đặc trng cho dòng).
Phơng pháp xác định tổn thất trong trờng
hợp định lợng dòng thải khó.
c
cc
câ
ââ
ân b
n bn b
n bằ
ằằ
ằng n
ng nng n
ng nă
ăă
ăng l
ng lng l
ng lợ
ợợ
ợng
ngng
ng
Lập cân bằng năng lợng phức tạp hơn so với cân
bằng vật liệu
Kết quả gồm:
Tính toán năng lợng đầu vào (nhiên liệu và điện
năng).
Tính toán các tổn thất (tổn thất nồi hơi, tổn thất từ hệ
thống phân phối hơi, ).
Cơ sở xem xét:

Tại dây chuyền sản xuất.
Tại các thiết bị cung cấp năng lợng (lò hơi, máy nén
khí, thiết bị lạnh, ).
Hiệu quả sử dụng năng lợng.
VD: Các tổn thất nhiệt trong nồi hơi
Trong khói lò.
Trong xỉ, nớc xả đáy.
Độ ẩm trong nhiên liệu.
Độ ẩm trong không khí.
Do không cháy hết CO trong khói.
Do đối lu và bức xạ.
Các định luật liên quan
Định luật thứ nhất nhiệt động học:
Năng lợng không thể tự sinh ra cũng không thể tự mất đi.
Năng lợng có thể chuyển đổi dạng trong bất kỳ quá trình
nào
VD: quang năng => điện năng => cơ năng => nhiệt năng.
C: tỉ nhiệt của chất (lợng nhiệt cần thiết để nâng 1 đơn vị
khối lợng chất đó lên 1
o
C. [kcal/kg
o
C], [kJ/kg
o
C]
m: Khối lợng
T: độ biến thiên nhiệt độ
Năng lợng vào = Năng lợng ra + Năng lợng biến thành nội năng
B
i

ế
n

đ
ổ
i

n
ộ
i

n
ă
n
g

=

m
.
C
.


T
Định luật nhiệt động học thứ hai:
Không thể có một thiết bị máy móc nào đạt đợc
hiệu suất 100%, bao giờ cũng có một phần tổn
thất năng lợng.