thiết kế hệ thống xử lý khí thải từ dây chuyền sản xuất linh kiện bán dẫn

Tính chất của xylene và đồng phần của xylene được thể hiện ở bảng sau : Các đồng phân của xylem Tổng quan Danh pháp IUPAC Đimêtylbenzens 1,2-Đimêtylbenzen Đimêtylbenzen 1,3-Đimêtylbenze

Đại học Quốc Gia TpHCM

Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM

Khoa Mơi Trường

Đồ án mơn học xử lý khí thải

Đề Tài :

Thiết kế hệ thống xử lý khí thải từ

Mục lục

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NGUỒN THẢI

I Nguồn thải ……….4

1 Benzene………4

2 Xylene……… 5

II Tiêu chuẩn xả thải……… 7

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI I Tổng quan về các phương pháp xử lý benzene………9

1 Phương pháp hấp phụ……… 9

2 Phương pháp hấp thụ……… 11

3 Phương pháp sinh học……….12

II Chọn phương pháp xử lý ………13

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN KINH TẾ I Tính thiết bị chính……… 16

1 Thiết lập đường hấp phụ benzene và xylene ………16

2 Tính toán cân bằng vật chất……… 18

3 Tính thời gian lưu của quá trình……… 19

4 Tính đường kính tháp hấp phụ……… 20

5 Tính cơ khí………20

II Tính thiết bị phụ……… 23

1 Đường kính dẫn khí vào và ra………23

2 Tính lưới đỡ vật liệu………24

3 Tính bích……… 25

4 Tính chân đỡ, tay treo……… 27

5 Quạt hút………30

KẾT LUẬN ……… 34

DANH MỤC VIẾT TẮT

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

VOCs : Chất hữu cơ dễ bay hơi

HAPs : Chất thải nguy hại

BTNMT : Bộ Tài Nguyên Môi Trường

CTHH : Công thức hóa học

Chương 1

TỔNG QUAN

I Nguồn Thải

Ngàng sản xuất linh kiện bán dẫn là ngành chủ chốt của công nghệ thông tin Chip bán dẫn – các

bộ vi xử lý phải có tốc độ xử lý, lưu trữ và tương tác thông tin ngày càng nhanh hơn, tốt hơn và

rẻ hơn Nhờ đó các sản phẩm công nghệ cao mới có nhiều tính năng vượt trội Ngành này phát triển cực nhanh Cạnh tranh khốc liệt Cách đây mười năm chúng ta dùng những chiếc điện thoại

di động to đùng và nặng nề, chỉ để gọi, nhận cuộc gọi và nhắn tin Giờ đây có thể làm mọi việc với những chiếc điện thoại vừa đẹp vừa thông minh : lướt web, gửi mail, nghe nhạc, chụp hình, video conference, xem tivi… Hiện nay ngành này đang là ngành mới của Việt Nam, các nhà máysản xuất linh kiện bán dẫn chủ yếu của nước ngoài

Trong dây chuyền sản xuất linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn, có một công đoạn rửa mạch,người ta dùng dung môi hữu cơ để rửa, có thể là dung dịch hữu cơ có chứa benzene và đồngphân của benzene, ngoài ra người ta còn sử dụng dung dịch IPA, Hỗn hợp 35% đến 50%Isopropyl alcohol, IPA với nước là chất rửa kiếng rất hiệu quả Isopropyl alcohol, IPA cũng đượcdùng trong xà phòng nước, kết hợp với hydrocacbon chlo hoá làm chất tẩy Tuy nhiên thôngdụng nhất vẫn là nhựa thông

- Nhựa thông là hỗn hợp phức tạp các chất, tạo ra trong quá trình tổng hợp nhựa trong tựnhiên của gỗ mềm Hàm lượng nhựa biến đổi 0.5÷3.0 % lượng gỗ khô tuyệt đối Thànhphần cấu tạo phức tạp biến đổi theo nguồn gốc và quá trình chế biến trong sản xuất

Thành phần, cấu tạo hóa học của nhựa thông:

Thành phần hóa học của nhựa thông bao gồm: 87÷90% là hỗn hợp của axit Diterpene hay còngọi là axit nhựa, 10% là các chất trung tính và 3÷5% là các axit béo Công thức phân tử của nhựathông có dạng C19H29COOH

Về công thức cấu tạo: Axit Diterpene là các đồng phân của axit abietic (có 7 đồng phân) và Pimaric (có 3 đồng phân) Các đồng phân này được tạo nên do sự phân bố cặp liên kết đôi trongcấu trúc vòng tạo nên, Các đồng phân của hai axit được đưa ra ở hình 1.1

Ở cơng đoạn rửa mạch in thì thường thốt ra khí cĩ mùi với nồng độ khá lớn, cơng nhân thườngphải sử dụng mặt nạ, khẩu trang phịng độc…Trong đĩ nồng độ hơi benzene và xylene là 2nguồn khí ta cần đặc biệt quan tâm bởi đặc tính nguy hiểm của chúng

 Đặc tính nguồn thải :

- Lưu lượng khí thải: 2 m3/ph Nhiệt độ khí (sau giải nhiệt) 27oC

- Khí thải ô nhiễm Benzene nồng độ 1562ppm và Xylene nồng độ 876ppm

Benzene là nguyên liệu chính để sản xuất thuốc trừ sâu, nhựa tổng hợp, tổng hợp chất tẩy rửa…Benzene là một trong những dung mơi hữu cơ tốt nhất

Thường cĩ nhiều trong chất tẩy, keo, sơn,… Đặc biệt cĩ nhiều trong khí thải giao thơng

b Tính chất hóa học

Benzene vừa tham gia phản ứng thế vừa tham gia phản ứng cộng, trong đó phản ứng thế đặctrưng hơn, chứng tỏ nhân benzene rất bền Đặc điểm đó của benzene gọi chung là tính thơm.+ Phản ứng thế: dễ dàng xảy ra hơn hydrocacbon no mạch hở

- Với halogen , phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường với xúc tác vỏ bào sắt, bình thườngbenzene không làm mất màu nước brom

- Phản ứng nitro hóa : với HNO3 bốc khói, có mặt H2SO4 đặc, đun nóng nhẹ tạo sản phẩmnitro benzne

- Với H2SO4 đặc

- Với dẫn xuất của halogen

+ Phản ứng cộng : Khó xảy ra hơn hydrocacbon chưa no, mạch hở

- Cộng hợp hidro

- Công hợp clo và brom

2 Ảnh hưởng của benzene đến sức khỏe con người

Chất này bay hơi rất nhanh và được hấp thụ ngay qua đường hô hấp, sau đó lưu tại gan, tủy sống

và các tế bào mỡ Tủy xương là cơ quan chịu nhiều tác hại của benzen nhất, gây trở ngại cho sựtăng trưởng và tái tạo tế bào

Các tác dụng độc hại do benzene gây ra gồm:

 Độc hại nơi Hệ Thần Kinh Trung Ương: gây choáng váng, mệt mỏi, mất sáng suốt

 Độc hại về máu huyết Cả 3 loại tế bào máu: hồng cầu, bạch cầu, và tiểu cầu đều bị ảnhhưởng

 Tác dụng lâu dài và liên tục của benzene có thể gây thiếu máu, Leukopenia Hư hỏngbạch cầu gây ra những chứng xuất huyết rất nguy hiểm Ung thư máu kiểu Leukemia(hoại huyết) cũng có thể xảy ra từ 5 đến 15 năm sau khi bị nhiễm độc

 Ung thư hạch kiểu Non-Hodgkin lymphoma

- Xylene là một chất lỏng trong suốt, không màu, độ bay hơi vừa Nó có thể hoà tan với cồn,ether, dầu thực vật và hầu hết các dung môi hữu cơ khác nhưng không tan trong nước.

- Xylene được dùng làm dung môi hoà tan nhựa tổng hợp, chất béo, sáp

Tính chất của xylene và đồng phần của xylene được thể hiện ở bảng sau :

Các đồng phân của xylem

Tổng quan

Danh pháp IUPAC Đimêtylbenzens

1,2-Đimêtylbenzen

Đimêtylbenzen

1,3-Đimêtylbenzen

0,86 g/mL, lỏng

0,86 g/mL, lỏng

Hoà tan trong các dung môi không phân cực như các hyđrocacbonthơm

Nhiệt độ nóng chảy -47,4°C (226

Nhiệt độ nóng chảy 138,5°C (412

Độ nhớt 0,812 cP ở

2000°C

0,62 cP ở 2000°C

0,34 cP ở 3000°C

Nguy hiểm

Nguy hiểm và an toàn R10, R20/21, R38: S2, S25

+ Tĩnh điện có thể sinh ra trong quá trình vận chuyển ( cũng như trong quá trình bơm rót )+ Không sử dụng khí nén để đuổi hoặc nạp , dỡ tải hoặc xử lý Xylene

+ Phản ứng với các chất oxy hóa mạnh

+ Xylene gây dị ứng mạnh với da và mắt Hơi Xylene kích thích với điểm gây hại cao Vào lúc cao điểm, hơi có thể được hấp thụ và gây ra các tác động dây chuyền như làm hại đến gan, thận

và hệ thần kinh trung tâm ( narcoris )

II Tiêu chuẩn đầu ra của benzene và xylene

Nồng độ đầu ra của Benzene và Xylene được quy đinh trong các tiêu chuẩn sau :

+ QCVN 05 : 2009 /BTNMT – Chất lượng không khí xung quanh_Thay thê TCVN 5937-2005

+ QCVN 06:2009/BTNMT – Chất độc hại – Không khí xung quanh

+ QCVN 07 : 2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về chất thải nguy hại + QCVN 20 : 2009 /BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về khí thải công nghiệp đốivới một số chất hữu cơ

Theo EPA , benzene và xylene là VOCs đồng thời cũng là HAPs

( Nguồn EPA )

Do đó nồng độ benzene và xylene đầu ra được quy định ở mục 42 đến 45 trong QCVN 07 :2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về chất thải nguy hại

[Xylenes-mixed isomers (sum of o-, m-,

and p-xylene concentrations)]

1330-20-7 C6H4(CH3)2 20.000

( Nguồn : Bộ Tài Nguyên Môi Trường )

Tuy nhiên theo QCVN 07 :2009/BTNMT thì hỗn hợp đồng phân xylene mới được coi là chấtthải độc hại, do đó ngoài quy chuẩn này xylene còn được quy định theo QCVN 20 : 2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về khí thải công nghiệp đối với một số chất hữu cơ,với nồng độ tối đa cho phép thải ra môi trường là 870 mg/Nm3

Chương 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI

Lưu lượng khí thải : 2 m3 / ph Nhiệt độ khí ( sau giải nhiệt ) là 27oC

Khí thải ô nhiễm Benzen có nồng độ 1562ppm , vượt quá nồng độ cho phép, trong khi đó xylene

có nồng độ 876ppm, ko vượt quá quy chuẩn cho phép, vẫn chấp nhận được, đồng thời trong quátrình xử lý Benzen, Xylene cũng được xử lý theo đó Do đó ta chỉ cần tập trung xử lý benzene

I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ BENZENE

Các phương pháp xử lý Benzene dùng trong thực tế là

Động học của quá trình hấp phụ:

Quá trình hấp phụ từ pha lỏng hoặc pha khí lên bề mặt xốp của chất

hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

+ Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ

+ Khuyếch tán vào các mao quản của hạt

+ Hấp phụ: Quá trình hấp phụ làm bão hòa dần từng phần không gian

hấp phụ, đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, kèm theo

sự tỏa nhiệt.

- Yêu cầu của các vật liệu hấp phụ:

+ Có bề mặt riêng lớn

+ Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ lên bề mặt, nhưng

cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc

+ Có thể hoàn nguyên dễ dàng

+ Bền năng lực hấp phụ, nghĩa là kéo dài thời gian làm việc

+ Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập

Phương pháp hấp phụ có các ưu điểm :

+ Làm sạch và thu hổi được khá nhiều chất ô nhiễm thể hơi khi nếu các chất này có giá trịkinh tế cao thì sau khi hoàn nguyên chất hấp phụ sẽ được tái sử dụng trong công nghệ sảnxuất mà vẫn tận giảm được tác hại gây ô nhiễm

+ Quá trình hấp phụ có thể tiến hành được khi nồng độ chất ô nhiễm trong khí thải rất nhỏ

mà các quá trình khử khí khác không thể áp dụng được và do đó việc tách thực hiện triệt đểhơn

+ Chất ô nhiễm không chất được hoặc khó đốt cháy

+ Chất hấp phụ dễ kiếm và rẻ tiền

Đối với Benzen và xylene người ta thường dùng than hoạt tính hoặc Zeolit để loại bỏ chúng

ra khỏi khí thải Phương pháp này thích hợp với lượng khí nhỏ,đòi hỏi đầu ra với nồng độthấp

Ở Việt Nam người ta dùng than hoạt tính gáo dừa, khả năng hấp thụ benzene là 33 phút.Than làm từ gáo dừa có cấu trúc mạch rỗng nhiều hơn và nhỏ hơn làm từ than đá Chính vìthế vừa có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều, vừa lọc được những hạt nhỏ Than gáodừa có độ ổn định , ít bị vỡ, ít tạo bụi

Hiện nay, nước ta có một vài nhà máy sản xuất than hoạt tính, chủ yếu sản xuất từ gỗ thông(Hà Bắc), gáo dừa (Trà Vinh) năng suất rất thấp, không đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của cácngành công nghiệp

2 Hấp thụ

Hấp thụ là kỷ thuật làm sạch nước thải dựa trên cơ sở hấp thụ khí đôc hại chưa trong hỗn hợpkhí bằng phản ứng của các chất lỏng Hiệu quả của phương pháp này dap động trong mộtphạm vi rộng, phụ thuộc vào loại khí độc và dung dịch hấp thụ Rẻ nhất là dùng nước nhưnghiệu quả không cao.

Các chất được hấp thụ có thể hòa tan trong chất lỏng hoặc phản ứng với chất lỏng Có 2 loạihấp thụ là hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học

Để hấp thụ benzene và xylene, người ta thường dùng 3 dung môi hữu cơ : dung dịchanhydric ; rượu etanol, hoặc axit acetic

3 Phương pháp sinh học

Ngoài các phương pháp hấp thụ và hấp thụ, ngày nay người ta còn dùng phương pháp sinhhọc, với cơ chế là sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ có trong khí thảithành CO2 và H2O và các sản phẩm ít nguy hại

Có 4 phương pháp chủ yếu lọc sinh học, tháp tưới sinh học, lọc nhỏ giọt và màng sinh học

Để xử lý benzene người ta dùng lọc sinh học với vật liệu như than, đất, xi …phương phápnày được ứng dụng rộng rãi cho xử lý mùi

+ Cần thời gian cho vi sinh vật phát triển

+ Khó kiểm tra được khả năng phân hủy sinh học

Ngoài ra các phương pháp trên ngày nay người ta còn dùng quá trình xúc tác quang, công nghệ plasma

II CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH XỬ LÝ

1 Chọn phương pháp xử lý

+ Lưu lượng là 2 m3/phut

Nồng độ Benzen là 1562ppm là nồng độ lớn, trong khi theo QCVN 07 : 2009 / BTNMT quy định nồng độ benzene cho phép là 10ppm

Như vậy hiệu suất yêu cầu đạt đến 99%

Nhận xét : Cơng suất xử lý thấp, nhưng hiệu suất yêu cầu cao, nồng độ cho phép rất nhỏ so với

+ Zeolit

Là loại silicat nhôm có chứa thêm các oxyt kim loại kiềm và kiềm thổ, có cấu trúc lỗrỗng đều đặn có kích cỡ gần bằng kích thước phân tử nên nhiều khi người ta gọi nó là râyphân tử

Zeolit có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp

+ Than hoạt tính

Than hoạt tính được chế tạo theo phương pháp loại trừ với nguyên liệu ban đầu có chứacác thành phần carbon: than, xenlulose, gỗ, sọ dừa, bã mía, tre, nứa, mùn cưa Trong nguyênliệu ngoài thành phần carbon còn tồn tại một số thành phần hợp chất vô cơ, tạp chất gây rathành phần tro khi đốt cháy, trong đó Ca, Mg, K, Na gây tính kiềm, vì vậy sản phẩm cuốicùng nếu không rửa sạch sẽ có tính kiềm

Than hoạt tính có 2 dạng: dạng hạt GAC (Granular Activated Carbon) và dạng bột PAC(Powder Activated Carbon) Hay là loại tảy màu và hấp phụ khí:

- Than tảy màu có thể sử dụng vào các mục đích: tảy màu, làm trong, khử mùi,tinh chế cho thực thẩm, đồ uống, dầu mỡ, nước… thường là dạng bột Nó có đặcđiểm là hấp phụ trong pha lỏng, diện tích bề mặt không lớn, độ xốp cao tạo điềukiện cho quá trình khuếch tán

- Than hấp phụ khí, khử mùi thường là dạng hạt, độ bền cơ học cao, diện tích bềmặt và dung lượng hấp phụ lớn

Than hoạt tính có các ưu điểm như:

- Diện tích các lỗ rỗng lớn (500 – 1500 m2/g)

- Bề mặt hiệu quả lên đến 105 – 106 m2/kg

- Có khả năng phục hồi.

Than hoạt tính có thể hấp phụ các chất sau:

- Hơi axit, rượu, benzol, toluol etylaxetat với mức độ hấp phụ bằng 50% trọnglượng bản thân

- Axeton, acrolein, Cl, H2S với mức độ hấp phụ bằng 10 - 25% trọng lượng bảnthân

- CO2, etylen với mức độ thấp

Dựa vào các đặc tính của than hoạt tính như độ bền cơ học cao, diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ lớn,cĩ khả năng phục hồi…và dễ kiếm hơn so với zeolit , nên người ta thường dùng thanhoạt tính để hấp phụ benzene

Vậy để xử lý benzene từ dây chuyền sản xuất linh kiện điện tử, ta chọn phương pháp hấp thu bằng than hoạt tính

3 Đề xuất quy trình cơng nghệ

Khí thải

Khí sạch

Thuyết minh cơng nghệ :

Khí thải được thu lại đem đi xử lý bằng chụp hút và được qua thiết bị giải nhiệt bằng quạt hút trước khi đưa vào tháp hấp phụ, ở đây nhiệt độ sau khi giải nhiệt là 27 oC Để cĩ thể hấp phụ trên

bề mặt than thì cần gia nhiệt để cắt vịng benzene và xylene, sau đĩ đem đi làm nguội , rồi cho qua tháp hấp phụ Trong tháp lượng than hoạt tính sẽ hấp phụ khí benzene và xylene Khí sau khiqua tháp hấp phụ là khí sạch

Vì ở đây dịng khí thải đi vào là hỗn hợp khí gồm hai chất benzene và xylene với tỷ lệ gần như là2:1 nên khi thu hồi sẽ được hỗn hợp khí, khơng cĩ lợi ích j về kinh tế, do đĩ khơng cần phải giảihấp, ngưng tụ mà thay vào đĩ, sau khi kết thúc một mẻ, ta tiến hành thay than

Thiết bị Gia nhiệt

Tháp hấp phụ

Chụp

Thiết bị làm nguội

Đường kính trung bình của than : d = 4mm

1 Thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene và xylene ở 20 o C

Dựa vào Hình X1 trang 245 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chấc tập 10 ta có được

đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene ở 20 oC

Vì sau khi gia nhiệt cắt vòng thì xylene gần như có cấu trúc giống benzene nên ta có thể dùng đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene thay cho đường hấp phụ đẳng nhiệt của xylene

f(x) = 0.04 ln(x) + 0.19 R² = 0.98

đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene

đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene

Logarithmic (đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene)

Phương trình đường cân bằng : y = 0.038 lnx + 0.188

+ Nồng độ đầu vào của benzene là 1562ppm

Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt ta có a* = 0,038 ln (1,1872) + 0,188 = 0,191kg/kg

+ Nồng độ đầu vào của xylene là 876ppm

y d=C d R T

M M P =

5, 068 10−3.22, 4

273 .293

+ Phần mol của xylene ở trong hỗn hợp khí thải đầu vào

y' d=C d R T

M M P =

3 ,863 10−3.22,4

273 .293

+ Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào :

Do phần mol của benzene và xylene trong hỗn hợp khí là rất nhỏ sao với không khí nên khối lượng riêng của hỗn hợp gần bằng khối lượng riêng của không khí

Tra bảng ta có khối lượng riêng của không khí ở 0oC, 1atm là 1,293

Suy ra khối lượng riêng của không khí ở 20oC