Cân bằng vật chất và năng lượng là công cụ quan trọng để định lượng tổn thất vật liệu và năng lượng trong quá trình sản xuất. Quá trình này yêu cầu phân tích hệ thống, đo đạc các thông số đầu vào và ra, và xác định các dòng vật chất và năng lượng trong suốt thời gian vận hành. Việc thiết lập cân bằng này giúp tối ưu hóa sản xuất và giảm thiểu ô nhiễm.

1. Dòng vào:
Dòng ra:
CÂNBẰNGVẬTCHấT&MỒNGLƯƠNG
Mục đích của cân bằng vạt 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 tiên hành cân bằng vạt chất và năng lượng cần phải xây dựng được sơ đổ công
nghê 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 yêu tố liên quan đến quá trình.
Mô hình tổng quát của một quá trình nh sau:
- Nguyên liệu chính, nước, hơi nước, hoá chất, các chất phụ trợ,
- Năng lượng: nhiệt, điện, lạnh.
- Sản phẩm chính, sản phẩm phụ.
- Chất thải/tổn thất: nước thải, chất thải rắn, khí, năng lượng,...

2. QiáxtTnkSANXUÁTsạchhổn
Nguyễn Đình Huán = 36 = ĐHBKĐN
Xét cho toàn bô các bước công nghê:
I - CÂN BẰNG VẬT
CHẤT
1/ ĐẶT VẤN ĐỂ:
Môt 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.
Môt sơ đổ dòng vạt
chất được bắt đầu với viêc
phân tích hê thống:
+ Hê thống gổm những loại sản phẩm và các quá trình.
+ Ranh giới của hê thống.
+ Khoảng thời gian phân tích.
2/ CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
Theo định luạt bảo toàn vạt chất, cân bằng khối lượng của môt quá trình được
mô tả theo phương trình:
IA=IBj
Trong đó:
A^ nguyên liêu được sử dụng.
Bj: sản phẩm và các vạt liêu thừa tạo ra trong quá trình.
Nếu kể cả năng lượng, thì ta có phương trình sau:
IA+1C =IBj +1D

3. QiáxtTnkSANXUÁTsạchhổn
Nguyễn Đình Huán = 37 = ĐHBKĐN
Trong 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 liêu đầu vào, sản phẩm đầu ra có thể tổn tại ở nhiều dạng khác nhau như:
vạt liêu ở dạng rắn, lỏng và khí.
Năng lượng ở dạng: hoá năng, nhiêt năng, điên năng hoặc các dạng khác.
Vì vạy cần phải đo đạc khối lượng hoặc thể tích của nguyên liêu đầu vào và sản
phẩm của quá trình.
Để thiết lạp cân bằng năng lượng cần đo nhiêt đô, đô ẩm, khối lượng và thể tích
của đầu vào và đầu ra của môt quá trình.
Khi cân bằng vạt chất cần phải xét đến quá trình chuyển hoá. Thông qua sự
chuyển hoá, vạt liêu được chuyển đổi thành sản phẩm mới với thành phần hoá học mới.
Thành phần hoá học được biểu thị bởi hê số tỉ lượng các nguyên tố riêng biêt và đặc tính
hoá học của các nguyên tố đó.
Do chi phí phân tích cao, nên khó đưa ra môt 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 vạy cần phải chọn môt vài nguyên tố cơ bản nhất để xác định.
ử Các bước phân tích dòng vật chất:
® Phân tích hê thống xác định danh mục các nguyên vạt liêu và sản phẩm.
© Đo đạc khối lượng dòng vạt chất vào và ra tại một vài thời điểm trong một đơn vị thời
gian hoặc một đơn vị khối lượng sản phẩm.
o Xác định nồng độ các nguyên tố đã 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
Có thể mô phỏng sơ đổ cho bài toán cân bằng vạt chất của môt quá trình nh sau:

4. QiáxtTnkSANXUÁTsạchhổn
Nguyễn Đình Huán = 38 = ĐHBKĐN
độ của các chất.
© Báo cáo đầy đủ các kết quả.
XNL: nguyên liêu đầu vào.
XSPi: nguyên liêu phân bố cho sản phẩm i. kxi: hê số chuyển hoá: Lkxi = 1.
3/ MỘT số PHƯƠNG PHÁP ĐE XÁC ĐỊNH CÂN BANG VẬT :
& Phương pháp 1:
Đo tất cả các vạt liêu ở dòng vào và dòng ra trong suốt khoảng thời gian vạn hành
của quá trình. Đây là phương pháp tổng quát nhất và cũng tốn kém nhất.
& Phương pháp 2:
Chỉ đo những vạt liêu dễ tiếp cạn. Phương pháp này cho phép xác định cân bằng
vạt chất của các quá trình mà không thể khảo sát toàn bộ bằng phương pháp đo đạc thực
nghiêm.
& Phương pháp 3:
Sử dụng các thông tin sẵn có về các quá trình đã được khảo sát để mô tả dòng vạt
chất đi qua một quá trình cha được khảo sát.
4/ CÁC NGUỒN THÔNG TIN CẦN THIẾT ĐE LẬP CÂN BANG VẬT CHẤT:
- Số liêu đo đạc, phân tích của các dòng vào, sản phẩm và các dòng thải.
ử Kết quả xác định cân bằng khối lượng:

5. QiáatrinkSANXUÁTSẠGHHỠN
Nguyễn Đình Huán = 39 = ĐHBKĐN
- Các số liêu theo dõi mua bán nguyên liêu, hoá chất, sản phẩm,...
- Số liêu theo dõi sản xuất hàng ngày.
- Kiểm kê nguyên liêu.
- Kiểm kê các nguồn thải.
- Làm sạch thiết bị.
- Các đặc tính của sản phẩm.
- Bảng tính cân bằng vạt chất khi thiết kế.
- Các số liêu ghi chép về sản xuất.
- Nhạt ký vạn hành.
- Qui trình vạn hành và các tài liêu hướng dẫn vạn hành.
^ Yêu cầu các số liêu đưa vào cân bằng vạt chất phải tin cạy, chính xác và đặc trưng.
^ Các số liêu để thiết lạp cân bằng vạt chất có thể được ghi vào bảng theo mẫu biểu
sau:
Mẫu biểu cân bằng vật chất:
5/ LU ý KHI CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
- Xác định đường biên / phạm vi cân bằng.
- Xác định các quá trình nằm trong miền cân bằng.
- Xác định dòng vạt 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 vạt chất không đưa vào liên tục như nước rửa.
Công
đoạn
Dòng vào Dòng ra Dòng thải
Tén nguyên liệu Lương Tẽn nguyên liệu Lương Khí Lỏng Rắn
Công doạn
1
Nguyên liệu 1 Nguyên
liệu 2 Nước Hoá chất
Công đoạn
2
Nguyên liệu 1 Nguyên
liệu 2 Nước Hoá chất

6. QiáatrinkSANXUÁTSẠGHHỠN
Nguyễn Đình Huán = 40 = ĐHBKĐN
Nhiẽn liệu
Không khí
Nước
V V Xỉ Xả
đáy
Hơi nước
Các tổn thất nhiệt gổm:
- Trong khói lò.
- Trong xỉ, nước xả đáy.
6/ CÁC Mức CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
- Cân bằng tổng thể: dòng vào & ra cho toàn bô 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 NÃNG L—ỢNG
Lạp cân bằng năng lượng phức tạp hơn so với cân bằng vạt liêu. Kết quả được thể
hiên ở đây có thể bao gồm:
- Tính toán năng lượng đầu vào (nhiên liêu và điên năng).
- Tính toán các tổn thất (tổn thất nồi hơi, tổn thất từ hê 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,...).
- Hiêu quả sử dụng năng lượng.
Ví dụ: nồi hơi

7. QiáatrinkSANXUÁTSẠGHHỠN
Nguyễn Đình Huán = 41 = ĐHBKĐN
- Độ ẩm trong nhiên liêu.
- 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:
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 ^ điên năng ^ cơ năng
^ nhiêt năng.
Năng lượng vào = Năng lượng ra + Năng lượng biến thành nôi năng.
Sự biến đổi nôi năng trong một chất nào đó có trọng khối là m sẽ làm biên đổi
nhiệt độ của chất đó ÀT:
Biến đổi nội năng = m.C. ÀT
C: tỉ nhiệt của chất, là lượng nhiệt cần thiết để nâng 1 đơn vị khối lượng chất đó lên
1o
C. [kcal/kgo
C], [kJ/kg°C],
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 nhân 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.

8. GiaotrinkSANXUÁ'TSẠGHHỔN
Nguyễn Đình Huán = 42 = ĐHBKĐN
T
Theo kết quả nghiên cứu cho thấy: nmax = 1-
T
h
Ta thấy, do Tc không thể bằng 0 nên hiêu suất không thể đạt 100%.