Giáo trình sản xuất sạch hơn - Phần 3 pps

Mục đích của cân bằng vật chất và năng lợng là:
Để định lợng những tổn thất vật liệu và năng lợng của quá trình sản
xuất.
Thể hiện số liệu nền cho tình hình sản xuất hiện tại của công ty.
Để là cơ sở cho đề xuất các cơ hội SXSH.
Để tiến hành cân bằng vật chất và năng lợng cần phải xây dựng đợc sơ
đồ công nghệ của quá trình sản xuất. Liệt kê đợc các thông số đầu vào và đầu
ra của từng công đoạn, trên cơ sở đó để đo đạc nhằm lợng hoá các yếu tố liên
quan đến quá trình.
Mô hình tổng quát của một quá trình nh sau:

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,
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 36 = HBKN
Xét cho toàn bộ các bớc công nghệ:













I cân bằng vật chất
1/ Đặt vấn đề:
1/ Đặt vấn đề:1/ Đặt vấn đề:
1/ Đặt vấn đề:


Một công cụ rất quan trọng cho tính toán định lợng các chất ô nhiễm di
chuyển từ nơi này đến nơi khác, chuyển đổi các chất ô nhiễm từ trạng thái này
sang trạng thái khác là định luật bảo toàn vật chất.

Một sơ đồ dòng vật chất đợc bắt đầu với việc phân tích hệ thống:
+ Hệ thống gồm những loại sản phẩm và các quá trình.
+ Ranh giới của hệ thống.
+ Khoảng thời gian phân tích.
2/ Cân bằng vật chất:
2/ Cân bằng vật chất:2/ Cân bằng vật chất:
2/ Cân bằng vật 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:



=
ji
B
A

+=+
pjki
D
B
C
A
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 37 = HBKN

Trong đó:
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.
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.
Vì vậy cần phải đo đạc khối lợng hoặc thể tích của nguyên liệu đầu vào
và sản phẩm của quá trình.
Để thiết lập cân bằng năng lợng cần đo nhiệt độ, độ ẩm, khối lợng và
thể tích của đầu vào và đầu ra của một quá trình.
Có thể mô phỏng sơ đồ cho bài toán cân bằng vật chất của một quá trình
nh sau:

Khi cân bằng vật chất cần phải xét đến quá trình chuyển hoá. Thông qua
sự chuyển hoá, vật liệu đợc chuyển đổi thành sản phẩm mới với thành phần hoá
học mới. Thành phần hoá học đợc biểu thị bởi hệ số tỉ lợng các nguyên tố
riêng biệt và đặc tính hoá học của các nguyên tố đó.
Do chi phí phân tích cao, nên khó đa ra một cân bằng hoàn chỉnh cho tất
cả các nguyên tố có liên quan đến quá trình (ví các nguyên tố vết có tham gia
vào quá trình chuyển hoá). Do vậy cần phải chọn một vài nguyên tố cơ bản nhất
để xác định.


Các bớc phân tích dòng vật chất:
Phân tích hệ thống xác định danh mục các nguyên vật liệu và sản phẩm.
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 38 = HBKN
Đo đạc khối lợng dòng vật chất vào và ra tại một vài thời điểm trong một
đơn vị thời gian hoặc một đơn vị khối lợng sản phẩm.
Xác định nồng độ các nguyên tố đ lựa chọn tại một vài thời điểm (khối
lợng/khối lợng hoặc khối lợng/thể tích).
Tính toán dòng khối lợng nguyên tố từ các dòng sản phẩm và các phép đo
đạc nồng độ của các chất.
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.

3/ Một số
3/ Một số 3/ Một số
3/ Một số phơng
phơngphơng
phơng pháp để xác định cân bằng vật :
pháp để xác định cân bằng vật : pháp để xác định cân bằng vật :
pháp để xác định cân bằng vật :





Phơng pháp 1:

Đo tất cả các vật liệu ở dòng vào và dòng ra trong suốt khoảng thời gian
vận hành của quá trình. Đây là phơng pháp tổng quát nhất và cũng tốn kém
nhất.



Phơng pháp 2:
Chỉ đo những vật liệu dễ tiếp cận. Phơng pháp này 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.



Phơng pháp 3:
Sử dụng các thông tin sẵn có về các quá trình đ đợc khảo sát để mô tả
dòng vật chất đi qua một quá trình cha đợc khảo sát.

4/ Các nguồn thông tin cần thiết để lập cân bằng vật
4/ Các nguồn thông tin cần thiết để lập cân bằng vật 4/ Các nguồn thông tin cần thiết để lập cân bằng vật
4/ Các nguồn thông tin cần thiết để lập cân bằng vật
chất:
chất:chất:
chất:


- Số liệu đo đạc, phân tích của các dòng vào, sản phẩm và các dòng thải.
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 39 = HBKN
- 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.
- Làm sạch thiết bị.
- 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:










5/ L
5/ L5/ L
5/ Lu ý khi cân bằng vật chấ
u ý khi cân bằng vật chấu ý khi cân bằng vật chấ
u ý khi cân bằng vật chất:
t:t:
t:

- 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.



Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 40 = HBKN
6/ Các mức cân bằng vật chất:
6/ Các mức cân bằng vật chất:6/ Các mức cân bằng vật chất:
6/ 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.

II cân bằng năng lợng
Lập cân bằng năng lợng phức tạp hơn so với cân bằng vật liệu. Kết quả
đợc thể hiện ở đây có thể bao 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, ).

Cần phải trình bày các đo đạc và giải thích sự ớc lợng trong phần phụ
lục.
Thông thờng, xác định năng lợng dựa trên cơ sở xem xét các dạng tổn
thất năng lợng:
- 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.
Ví dụ: nồi hơi








Các tổn thất nhiệt gồm:
- Trong khói lò.
- Trong xỉ, nớc xả đáy.
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 41 = HBKN
- Độ ẩm trong nhiên liệu.
- Độ ẩm trong không khí.
- Do không cháy hết CO trong khói.
- Do đối lu và bức xạ.
1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:
1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:
1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:

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. Ví dụ: quang năng điện năng
cơ năng nhiệt năng.


Sự biến đổi nội năng trong một chất nào đó có trọng khối là m sẽ làm biến
đổi nhiệt độ của chất đó T:


C: tỉ nhiệt của chất, là 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].
2/ Định luật nhiệt động học thứ hai:
2/ Định luật nhiệt động học thứ hai:2/ Định luật nhiệt động học thứ hai:
2/ 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.
Ví dụ: trong nhà máy nhiệt điện, động cơ nhiệt sẽ tiếp nhận nhiệt từ nguồn có
nhiệt độ cao (lò hơi), biến một phần nhiệt đó thành công (phát điện) và thải một
phần nhiệt qua hệ thống nớc làm mát với nhiệt độ thấp hơn rồi thải nhiệt ra
sông hay vào khí quyển. Hiệu quả sử dụng năng lợng của nhà máy nhiệt điện
về cơ bản phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn cấp nhiệt và nhiệt độ nớc làm mát thải
nhiệt.

Năng lợng vào = Năng lợng ra + Năng lợng biến thành nội năng.

Biến đổi nội năng = m.C.

T
Giaùo trỗnh SAN XUT SACH HN
Nguyóựn ỗnh Huỏỳn = 42 = HBKN
Theo kết quả nghiên cứu cho thấy:

Ta thấy, do T
c
không thể bằng 0 nên hiệu suất không thể đạt 100%.

h
c
max
T
T
1=