Mục đích của cân bằng vật chất và năng lượng là: Để định lượng những tổn thất vật liệu và năng lượng của quá trình sản xuất.. Để tiến hành cân bằng vật chất và năng lượng cần phải xây d
Trang 1Mục đích của cân bằng vật chất và năng lượng là:
Để định lượng những tổn thất vật liệu và năng lượng 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 lượng cần phải xây dựng được sơ
đồ công nghệ của quá trình sản xuất Liệt kê được các thông số đầu vào và đầu
ra của từng công đoạn, trên cơ sở đó để đo đạc nhằm lượng hoá các yếu tố liên quan đến quá trình
Mô hình tổng quát của một quá trình nh sau:
Dòng vào: - Nguyên liệu chính, nước, hơi nước, hoá chất, các chất phụ trợ,
- Năng lượng: nhiệt, điện, lạnh
Dòng ra: - Sản phẩm chính, sản phẩm phụ
- Chất thải/tổn thất: nước thải, chất thải rắn, khí, năng lượng,
Trang 2Xét cho toàn bộ các bước công nghệ:
I – cân bằng vật chất
1/ Đặt vấn đề:
1/ Đặt vấn đề:
Một công cụ rất quan trọng cho tính toán định lượng 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 được 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:
Theo định luật bảo toàn vật chất, cân bằng khối lượng của một quá trình
được mô tả theo phương trình:
Trong đó:
Ai: nguyên liệu được sử dụng
Bj: sản phẩm và các vật liệu thừa tạo ra trong quá trình
Nếu kể cả năng lượng, thì ta có phương trình sau:
∑
∑Ai = Bj
∑
∑
∑
∑Ai+ Ck = Bj+ Dp
Trang 3Trong đó:
Ck: năng lượng đầu vào và năng lượng tiêu tốn trong quá trình
Dp: năng lượng trong sản phẩm và năng lượng sinh ra trong quá trình
Nguyên liệu đầu vào, sản phẩm đầu ra có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: vật liệu ở dạng rắn, lỏng và khí
Năng lượng ở dạng: hoá năng, nhiệt năng, điện năng hoặc các dạng khác Vì vậy cần phải đo đạc khối lượng hoặc thể tích của nguyên liệu đầu vào
và sản phẩm của quá trình
Để thiết lập cân bằng năng lượng cần đo nhiệt độ, độ ẩm, khối lượng 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 được chuyển đổi thành sản phẩm mới với thành phần hoá học mới Thành phần hoá học được biểu thị bởi hệ số tỉ lượng các nguyên tố riêng biệt và đặc tính hoá học của các nguyên tố đó
Do chi phí phân tích cao, nên khó đưa 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 bước phân tích dòng vật chất:
Phân tích hệ thống xác định danh mục các nguyên vật liệu và sản phẩm
Trang 4Đo đạc khối lượng dòng vật chất vào và ra tại một vài thời điểm trong một
đơn vị thời gian hoặc một đơn vị khối lượng sản phẩm
Xác định nồng độ các nguyên tố đ_ lựa chọn tại một vài thời điểm (khối lượng/khối lượng hoặc khối lượng/thể tích)
Tính toán dòng khối lượng 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 lượng:
XNL: nguyên liệu đầu vào
XSPi: nguyên liệu phân bố cho sản phẩm i
kxi: hệ số chuyển hoá: Σkxi = 1
3/ Một số
3/ Một số phươngphươngphương pháp để xác định cân bằng vật : pháp để xác định cân bằng vật : pháp để xác định cân bằng vật :
Phương 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 phương pháp tổng quát nhất và cũng tốn kém nhất
Phương pháp 2:
Chỉ đo những vật liệu dễ tiếp cận Phương pháp này cho phép xác định cân bằng vật chất của các quá trình mà không thể khảo sát toàn bộ bằng phương pháp đo đạc thực nghiệm
Phương pháp 3:
Sử dụng các thông tin sẵn có về các quá trình đ_ được khảo sát để mô tả dòng vật chất đi qua một quá trình cha được khảo sát
4/ Các nguồn thông tin cần thiết để lập cân bằng vật chất:
chất:
- Số liệu đo đạc, phân tích của các dòng vào, sản phẩm và các dòng thải
Trang 5- 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 hướng dẫn vận hành
Yêu cầu các số liệu đưa vào cân bằng vật chất phải tin cậy, chính xác và đặc trưng
Các số liệu để thiết lập cân bằng vật chất có thể được ghi vào bảng theo mẫu biểu sau:
5/ L
5/ Lu ý khi cân bằng vật chấu ý khi cân bằng vật chấu ý khi cân bằng vật chất:t:t:
- Xác định đường 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 lượng vật chất không đưa vào liên tục như nước rửa
Trang 6
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
được
- Cân bằng cấu tử (chất đặc trng cho dòng)
- Phương pháp xác định tổn thất trong trờng hợp định lượng dòng thải khó
II – cân bằng năng lượng
Lập cân bằng năng lượng phức tạp hơn so với cân bằng vật liệu Kết quả
được thể hiện ở đây có thể bao gồm:
- Tính toán năng lượng 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 ước lượng trong phần phụ lục
Thông thường, xác định năng lượng dựa trên cơ sở xem xét các dạng tổn thất năng lượng:
- Tại dây chuyền sản xuất
- Tại các thiết bị cung cấp năng lượng (lò hơi, máy nén khí, thiết bị lạnh, )
- Hiệu quả sử dụng năng lượng
Ví dụ: nồi hơi
Các tổn thất nhiệt gồm:
- Trong khói lò
- Trong xỉ, nước xả đáy
Trang 7- Độ ẩm trong nhiên liệu
- Độ ẩm trong không khí
- Do không cháy hết CO trong khói
- Do đối lưu và bức xạ
1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:
1/ Định luật nhiệt động học thứ nhất:
Năng lượng không thể tự sinh ra cũng không thể tự mất đi Năng lượng 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 lượng nhiệt cần thiết để nâng 1 đơn vị khối lượng chất đó lên 1oC [kcal/kgoC], [kJ/kgoC]
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 được hiệu suất 100%, bao giờ cũng có một phần tổn thất năng lượng
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 nước làm mát với nhiệt độ thấp hơn rồi thải nhiệt ra sông hay vào khí quyển Hiệu quả sử dụng năng lượng của nhà máy nhiệt điện
về cơ bản phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn cấp nhiệt và nhiệt độ nước làm mát thải nhiệt
Năng lượng vào = Năng lượng ra + Năng lượng biến thành nội năng
Biến đổi nội năng = m.C ∆T
Trang 8Theo kết quả nghiên cứu cho thấy:
Ta thấy, do Tc không thể bằng 0 nên hiệu suất không thể đạt 100%
h
c max
T
T 1−
= η