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

Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Đại học Quốc Gia TpHCM
Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM
Khoa Môi Trường

Đồ án mơn học xử lý khí thải
Đề Tài :

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


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

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 TỐN KINH TẾ
I.
1.
2.
3.
4.
5.
II.

Tính thiết bị chính………………………………………………………...16
Thiết lập đường hấp phụ benzene và xylene ………………………………16
Tính tốn cân bằng vật chất………………………………………………..18
Tính thời gian lưu của q trình…………………………………………....19
Tính đường kính tháp hấp phụ……………………………………………..20

Tính cơ khí…………………………………………………………………20
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


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ
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

GVHD : Th.S Dư Mỹ


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

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 cơng 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 máy
sản 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 cơng đoạn rửa mạch,
người ta dùng dung mơi hữu cơ để rửa, có thể là dung dịch hữu cơ có chứa benzene và đồng
phân của benzene, ngồi 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 được
dùng trong xà phịng nước, kết hợp với hydrocacbon chlo hố làm chất tẩy. Tuy nhiên thông
dụng nhất vẫn là nhựa thông.
-

Nhựa thông là hỗn hợp phức tạp các chất, tạo ra trong quá trình tổng hợp nhựa trong tự
nhiên của gỗ mềm. Hàm lượng nhựa biến đổi 0.5÷3.0 % lượng gỗ khô tuyệt đối. Thành
phần 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 thơng:
Thành phần hóa học của nhựa thơng bao gồm: 87÷90% là hỗn hợp của axit Diterpene hay còn
gọi là axit nhựa, 10% là các chất trung tính và 3÷5% là các axit béo. Cơng thức phân tử của nhựa
thơng có dạng C19H29COOH.

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


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Ở cơng đoạn rửa mạch in thì thường thốt ra khí có mùi với nồng độ khá lớn, cơng nhân thường
phải sử dụng mặt nạ, khẩu trang phịng độc…Trong đó nồng độ hơi benzene và xylene là 2
nguồn 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.
1. Benzene
CTHH : C6H6
1. Mơ tả
a. Tính chất vật lý :
Benzen thường được biết đến dưới cơng thức hố học C6H6, hay còn được viết tắt là PhH, hoặc
benzol, là một hợp chất hữu cơ thơm, trong điều kiện bình thường là một chất lỏng không màu,
rất linh động, dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi thơm dễ chịu nhưng lại độc hại, khơng hịa tan trong
nước, hịa tan tốt trong ethanol, ethyl ete, chloroform và các dung môi hữu cơ. Benzene cũng là
dung mơi tốt để hịa tan nhiều chất như Cl2 , Br2, I2, S, P…chất béo, cao su.
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 có nhiều trong chất tẩy, keo, sơn,… Đặc biệt có nhiều trong khí thải giao thơng.


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

b. Tính chất hóa học
Benzene vừa tham gia phản ứng thế vừa tham gia phản ứng cộng, trong đó phản ứng thế đặc
trưng 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 thường
benzene khơng làm mất màu nước brom.
Phản ứng nitro hóa : với HNO 3 bốc khói, có mặt H2SO4 đặc, đun nóng nhẹ tạo sản phẩm
nitro 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 hơ 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 sự

tăng 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 ảnh
hưởng.



Tác dụng lâu dài và liên tục của benzene có thể gây thiếu máu, Leukopenia. Hư hỏng
bạch 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.
2. Xylene

C6H4(CH3)2
Tên : Xylol, dimethylbenzen


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

1. Mơ tả
- Xylene là hỗn hợp dung mơi có ba đồng phân : ortho, meta và para xylene
- Xylene là một chất lỏng trong suốt, không màu, độ bay hơi vừa. Nó có thể hồ 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 mơi hồ 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
Tên thông thường

Xylen

o-Xylen

m-Xylen

Danh pháp IUPAC

Đimêtylbenzens

1,21,31,4Đimêtylbenzen Đimêtylbenzen Đimêtylbenzen

Tên khác

Xylol

o-Xylol;
Octoxylen

Cơng thức hóa học

m-Xylol;
Metaxylen

p-Xylen

p-Xylol;
Paraxylen

C8H10

SMILES

Cc1c(C)cccc1

Phân tử gam

Cc1cc(C)ccc1

Cc1ccc(C)cc1

106,16 g/mol

Bề ngồi

chất lỏng khơng màu

số CAS

[1330-20-7]

[95-47-6]

[108-38-3]

[106-42-3]

0,86 g/mL,
lỏng

0,86 g/mL,
lỏng

Thuộc tính
Tỷ trọng và pha

0,864 g/mL,
lỏng

Độ hồ tan trong nước

0,88 g/mL,
lỏng

khơng hồ tan

Hồ tan trong các dung mơi khơng phân cực như các hyđrocacbon thơm
Nhiệt độ nóng chảy

-47,4°C (226

−25°C (248 K) −48°C (225 K) 13°C (286 K)


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

K)
Nhiệt độ nóng chảy

138,5°C (412
K)

144°C (417 K) 139°C (412 K) 138°C (411 K)
0,812 cP ở
2000°C

Độ nhớt

0,62 cP ở
2000°C

0,34 cP ở
3000°C

m-Xylen

p-Xylen

Nguy hiểm
MSDS

Xylen

o-Xylen

Phân loại của EU
Điểm bốc cháy

Gây hại (Xn)
24°C

Nguy hiểm và an toàn
Số RTECS

17°C

25°C

25°C

R10, R20/21, R38: S2, S25
ZE2450000

ZE2275000

ZE2625000

Dữ liệu bổ sung
Cấu trúc và
tính chất

n, εr, v.v..

Tính chất
nhiệt động

Pha
Rắn, lỏng, khí

Phổ

UV, IR, NMR, MS
( Nguồn : )

2. Các đặc tính nguy hiểm :
+ Xylene là một chất lỏng dễ cháy và có thể trở thành một hỗn hợp khí nổ đặc biệt khi chứa
trong các thùng rỗng và không sạch. Hơi xylene thì khơng thể nhìn thấy được nhưng nặng hơn
khơng khí, có thể tràn và lan dài trên mặt đất.
+ Tĩnh điện có thể sinh ra trong q trình vận chuyển ( cũng như trong q trình bơm rót )
+ Khơng sử dụng khí nén để đuổi hoặc nạp , dỡ tải hoặc xử lý Xylene.


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

+ 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 khơng khí xung quanh_Thay thê TCVN
5937-2005
+ QCVN 06:2009/BTNMT – Chất độc hại – Khơng 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 cơng nghiệp đối
với một số chất hữu cơ
Theo EPA , benzene và xylene là VOCs đồng thời cũng là HAPs


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

( 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.
Hydrocacbon dễ bay hơi

71-43-2
Benzen (Benzene)(#)
Etyl benzen (Ethyl benzene)
Toluen (Toluene)
Xylen-các đồng phân (tổng nồng độ của
o-, m-, p-xylen)
[Xylenes-mixed isomers (sum of o-, m-,
and p-xylene concentrations)]

CTHH

Đơn vị (ppm)

C6H6

10

100-41-4
108-88-3

C6H5C2H5

8.000

C6H5CH3

20.000

1330-20-7

C6H4(CH3)2

20.000

( Nguồn : Bộ Tài Nguyên Môi Trường )


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Tuy nhiên theo QCVN 07 :2009/BTNMT thì hỗn hợp đồng phân xylene mới được coi là chất
thải độc hại, do đó ngồi quy chuẩn này xylene cịn được quy định theo QCVN 20 : 2009
/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về khí thải cơng 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 ơ 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 quá
trình 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


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

+ Phương pháp hấp phụ.
+ Phương pháp hấp thụ.
+ Phương pháp sinh học.
1. Hấp phụ
Hấp phụ là kĩ thuật làm sạch khí bằng cách tập trung các khí và hơi độc lên bề mặt của vật
rắn ( chất hấp phụ )có bề mặt tiếp xúc lớn. Phương pháp này lợi dụng tính chất vật lý của một
số vật liểu rắn có nhiều lỗ rỗng với các cấu trúc siêu hiển vi, cấu trúc đó có thể có tác dụng
chắt lọc khí độc hại trong hỗn hợp khí thải và giữ chúng trên bề mặt của mình. Các chất hấp
phụ thường dùng là than hoạt tính, zeolit,sillicagen…
Động học của q trình hấp phụ:
Q 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 hịa dần từng phần khơng 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 hồn ngun 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 :


Đồ Án Xử Lý Khí Thải

Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

+ Làm sạch và thu hổi được khá nhiều chất ô nhiễm thể hơi khi nếu các chất này có giá trị
kinh tế cao thì sau khi hồn ngun chất hấp phụ sẽ được tái sử dụng trong công nghệ sản
xuất mà vẫn tận giảm được tác hại gây ô nhiễm.
+ Q trình hấp phụ có thể tiến hành được khi nồng độ chất ơ nhiễm trong khí thải rất nhỏ
mà các q trình khử khí khác khơng thể áp dụng được và do đó việc tách thực hiện triệt để
hơn.
+ Chất ơ nhiễm khơng 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,địi hỏi đầu ra với nồng độ
thấp
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 vì thế vừa
có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn rất nhiều, vừa lọc được những hạt nhỏ. Than gáo dừa 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 các
ngành công nghiệp.
2. Hấp thụ
Hấp thụ là kỷ thuật làm sạch nước thải dựa trên cơ sở hấp thụ khí đơc hại chưa trong hỗn hợp
khí bằng phản ứng của các chất lỏng. Hiệu quả của phương pháp này dap động trong một
phạm vi rộng, phụ thuộc vào loại khí độc và dung dịch hấp thụ. Rẻ nhất là dùng nước nhưng
hiệu quả khơng cao.
Các chất được hấp thụ có thể hòa tan trong chất lỏng hoặc phản ứng với chất lỏng. Có 2 loại
hấp 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 dịch

anhydric ; 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 sinh
học, với cơ chế là sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ và vơ cơ có trong khí thải
thành CO2 và H2O và các sản phẩm ít nguy hại.


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

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 pháp
này được ứng dụng rộng rãi cho xử lý mùi.


Ưu điểm :

+ Thể tích nhỏ nhất
+ Ít năng lượng nhất
+ Xử lý được một lượng lớn chất hữu cơ dễ bay hơi


Nhược điểm :
+ 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 q trình xúc tác quang, cơng 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 : Công suất xử lý thấp, nhưng hiệu suất yêu cầu cao, nồng độ cho phép rất nhỏ so với
nồng độ phát thải.
Thu hồi hơi dung mơi vừa có ý nghĩa kinh tế vừa có ý nghĩa sinh thái. Mỗi năm nó thất thốt
cùng với khí thải với một lưu lượng khá lớn. Hơi dung môi thốt ra có thể thu hồi lại, bảo quản
và sử dụng chúng trong q trình cơng nghê. Phương pháp thu hồi có hiệu quả và phổ biến nhất
là phương pháp hấp phụ.
2. Chọn chất hấp phụ
Chất hấp phụ thường là các loại vật liệu dạng hạt có đường kính từ 6 – 10mm đến 200m, có độ
rỗng lớn được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trong khối vật liệu. Đường kính
của mao quản chỉ cần lớn hơn đường kính phân tử của chất bị hấp phụ thì chất hấp phụ mới có


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

hiệu quả. Do chức nhiều mao quản nên bề mặt tiếp xúc của chất hấp phụ rất lớn. Chất hấp phụ
được dùng để hấp phụ benzene thường là than hoạt tính hoặc Zeolit.
+ Zeolit
Là loại silicat nhôm có chứa thêm các oxyt kim loại kiềm và
kiềm thổ, có cấu trúc lỗ rỗng đều đặn có kích cỡ gần bằng
kích thước phân tử nên nhiều khi người ta gọi nó là rây phân 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 chứa các thành phần carbon: than,
xenlulose, gỗ, sọ dừa, bã mía, tre, nứa, mùn cưa. Trong nguyên liệu
ngoài thành phần carbon còn tồn tại một số thành phần hợp
chất vô cơ, tạp chất gây ra thành phần tro khi đốt cháy, trong đó
Ca, Mg, K, Na gây tính kiềm, vì vậy sản phẩm cuối cùng 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 đặc điểm là
hấp phụ trong pha lỏng, diện tích bề mặt không lớn, độ
xốp cao tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán.
Than hấp phụ khí, khử mùi thường là dạng hạt, độ bền
cơ học cao, diện tích bề mặt 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% trọng lượng bản thân.
Axeton, acrolein, Cl, H2S với mức độ hấp phụ bằng 10 - 25%
trọng lượng bản thân.
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,có khả năng phục hồi…và dễ kiếm hơn so với zeolit , nên người ta thường dùng than

hoạt 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.


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

3. Đề xuất quy trình cơng nghệ

Chụp
hút

Khí thải

Quạt
hút

Thiết bị

Thiết bị

Gia nhiệt

làm nguội

Khí sạch
Tháp hấp phụ

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 có thể hấp phụ trên
bề mặt than thì cần gia nhiệt để cắt vịng benzene và xylene, sau đó 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 khi
qua 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 là
2:1 nên khi thu hồi sẽ được hỗn hợp khí, khơng có lợi ích j về kinh tế, do đó khơng cần phải giải
hấp, ngưng tụ mà thay vào đó, sau khi kết thúc một mẻ, ta tiến hành thay than.

Chương 3
TÍNH TỐN THIẾT KẾ

I.

SỐ LIỆU TỰ CHỌN

Nhiệt độ làm việc : 20 oC


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Áp suất làm việc: 1atm
Nhiệt độ khí thải : 20 oC
Đường kính trung bình của than : d = 4mm

II.

TÍNH TỐN THIẾT BỊ HẤP PHỤ

1. Thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene và xylene ở 20 oC
Dựa vào Hình X1 trang 245 sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chấc tập 10 ta có được
đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene ở 20 oC
Vì sau khi gia nhiệt cắt vịng 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
Bảng giá trị
Đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene
a1*, kg/kg

p1, mmHg

0,103

0,105

0,122

0,223

0,208

1

0,233

3

0,262

8

0,276

13

0,294

19

0,318

33

0,338

42

0,359

50


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Dựa vào các điểm tìm được ta có đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene ở 20oC

đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzene
0.4
0.35

f(x) = 0.04 ln(x) + 0.19
R² = 0.98

0.3

đường hấp phụ đẳng
nhiệt của benzene
Logarithmic (đường hấp
phụ đẳng nhiệt của
benzene)

0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0

0

10

20

30

40

50

60

Phương trình đường cân bằng : y = 0.038 lnx + 0.188
+ Nồng độ đầu vào của benzene là 1562ppm
(mg/m3 ) =(X×M)/{22,4 × (Po/P1) × (T1/To)}
= ( 1562 x 78 ) / ( 22,4 x 293 / 273 )
= 5068 mg/m3
Áp suất riêng phần của hơi benzene tương ứng với

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


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

(mg/m3 ) =(X×M)/{22,4 × (Po/P1) × (T1/To)}
= ( 876 x 106 ) / ( 22,4 x 293 / 273 )
= 3863 mg/m3
Áp suất riêng phần của hơi benzene tương ứng với

Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt ta có a* = 0,038 ln (0,666) + 0,188 = 0,182kg/kg

2. Tính tốn cân bằng vật chất

+ Đầu vào
+ Phần mol của benzene ở trong hỗn hợp khí thải đầu vào
kmol benzene / kmol hỗn hợp
+ Phần mol của xylene ở trong hỗn hợp khí thải đầu vào
kmol benzene / kmol hỗn hợp
+ 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 khơng khí nên khối
lượng riêng của hỗn hợp gần bằng khối lượng riêng của khơng khí
Tra bảng ta có khối lượng riêng của khơng khí ở 0oC, 1atm là 1,293
Suy ra khối lượng riêng của không khí ở 20oC
= ρ * = 1,293 * 273 / 293 = 1,2 kg/m3
+ Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp khí đi vào


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

+ Lưu lượng khối lượng của benzene trong hỗn hợp khí vào

+ Lưu lượng khối lượng của xylene trong hỗn hợp khí vào

+ Lưu lượng khối lượng khơng khí trong hỗn hợp khí

+ Đầu ra
Nồng độ đầu vào của benzene là 1562ppm

(mg/m3 ) =(X×M)/{22,4 × (Po/P1) × (T1/To)}
= ( 10 x 78 ) / ( 22,4 x 293 / 273 )
= 32,45 mg/m3

Phần mol của benzene ở trong hỗn hợp khí thải đầu ra
kmol benzene / kmol hỗn hợp

3. Tính thời gian của quá trình

Vì điểm đẳng nhiệt tương ứng với nồng độ đầu hơi benzene đều nằm trong vùng 1 do đó thời
gian của q trình được tính theo cơng thức :


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

+ Với G = 500 * 0,191 / 0,005068 = 18844
+ ω là tốc độ dịng khí
+ H là chiều cao lớp than, chọn bằng 0,7m
+ b là hệ số được xác định theo bảng 4.3 trang 114 sách Bt Truyền Khối
nên b = 1,77
+ kyhệ số truyền khối xác định theo :
Ky = 1,6
Ta xác định hệ số độ nhớt động lực học của khơng khí . Ta tra được µ = 0,018x10-3Pa.s
Do đó ν = µ/ρ = 0,018x10-3/ 1,2 = 0,15x10-4
= 0,248x103
Đường kính hạt than : dg =0,004m
Như vậy : = 0,3154 x 10-3

Tốc độ : với đường kính hạt than làdg =0,004m, tháp hấp phụ được chọn là tháp có tầng cố định,
cơng suất 2m3/phút, để than khơng bị vỡ thì vận tốc khí qua thiết bị là 0,15 – 0,35m/s, chọn ω =
13 m/phut = 13/60 = 0,217m/s
Hệ số khuếch tán của benzene ở trong khơng khí ở 0oC là 7,7x10-6m2/s
Hệ số khuếch tán của benzene ở nhiệt độ 20oC được tính theo cơng thức
D = Do ()^0,15 = 7,7*10-6 * () ^0,15 = 7,78*10-6 m2/s
Sau khi thế vào ta được
ky = 6,09 m/s
Ta xác định được thời gian của quá trình :


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

= 148,1
= 21934s = 366p = 6,1h
4. Tính đường kính của thiết bị
Lượng hỗn hợp thiết bị đi qua trong khoảng thời gian đó
V = 2*60*6,1 = 732 m3
Lượng than hoạt tính cần cho mỗi mẻ là
Vì trong q trình hấp phụ xử lý benzene thì xylene cũng bị than hoạt tính hấp phụ, do đó lượng
than cần thiết cho mỗi mẻ bao gồm tổng lượng than để hấp phụ 2 chất benzene và xylene
732 * + ) = 35kg
Đường kính tháp hấp phụ là
H*500 = 35 kg = > D = 0,357m
Chọn D = 0,4m
5. Tính tốn cơ khí

Chiều cao lớp than hoạt tính là 0,7m, chọn chiều cao thân tháp là 1,3m
Trong đó : + Khoảng cách từ lớp đệm đến bích trên đến hai mặt trên và dưới là 0,2m
+ Chiều cao phần nắp trên và đáy là 0,2m
Tháp có đường kính là 0,4m
1. Tính chiều dày thân và nắp
+ Tính chiều dày thân
Chọn CT3 là vât liệu làm thân tháp


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Theo bảng XII.4 trang 309 ( sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 2), thép
CT3 với chiều dày tấm thép 4-20mm:
-

Giới hạn kéo k = 380 (N/mm2)

-

Giới hạn chảy c = 240 (N/mm2)

Theo bảng XII.7 trang 313 ( sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 2 ), thép
CT3 có khối lượng riêng  = 7,85.103 (kg/m3)
Ứng suất cho phép của CT3

Trong đó :
 : hệ số hiệu chỉnh. Tháp hấp phụ này là tháp hấp phụ tầng cố định , là thiết bị có các chi

tiết khơng bị đốt nóng, theo bang XIII.2 trang 356 ( sổ tay Qúa trình và thiết bị cơng nghệ hóa
chất – tập 2 ) , ta tra được  = 1
nk, nc : hệ số an toàn theo giới hạn kéo và chảy. theo bảng XIII.3 trang 356 ( sổ tay Quá
trình và thiết bị - tập 2), ta có nk = 2,6 và nc = 1,5. Thế tất cả vào ta có :

Áp suất trong thân thiết bị :
P = Plv = 1 (at) = 0,1 (N/mm2)
+ Xác định hệ số bền mối hàn :
Tháp có thân trụ hàn giáp mối 2 bên
Theo bảng XIII.8 trang 362 ( sổ tay Quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất – tập 2 )
h = 0,95
+ Chiều dày nhỏ nhất của thân tháp :


Đồ Án Xử Lý Khí Thải
Lệ

GVHD : Th.S Dư Mỹ

Theo bảng 5.1 trang 128 ( Sách Thiết kế tính tốn các chi tiết thiết bị hóa chất – Hồ Lê Viên ),
với Dt = 400m, chọn bề dày thân nhỏ nhất Smin = 5mm

+ Bề dày thân thiết bị :
St = Smin + C
St = Smin + (Ca + Cb + Cc + Co)
Với Ca : hệ số bổ sung ăn mòn , Ca = 1
Cb : hệ số bào mòn do cơ học, Cb = 0
Cc : hệ dố bổ sung sai lệch kích thước do chế tạo. Với thép dày 5mm, Cc = -0,5mm
Co: hệ số làm tròn, Co = 0,5mm
Vậy St = 5 + 1 + 0 – 0,5 + 0,5 = 6 mm

+ Kiểm tra lại bề dày và áp suất làm việc của thiết bị
(thỏa mãn )
(thoả mãn)
Vậy thân tháp có chiều dày St = 6 mm

+ Khối lượng của tháp

+ Chiều dày đáy , nắp
Ta chọn CT3 là vật liệu làm đáy , nắp tháp và đáy, nắp hình elip tiêu chuẩn.
+ Bề dày đáy, nắp:

Với k là hệ số không thứ nguyên. Đối với đáy và nắp có lỗ được tăng cứng k = 1