Contrôle des émissions de COV par prétraitement au condenseur dans une fabrique de semi-conducteurs

 

Abstrait

La performance d'une conception modifiée de condenseurs locaux pour prétraiter une variété de composés organiques volatils (COV) émis par le processus de décapage d'une usine de semi-conducteurs a été testée dans cette étude. La température de réaction des condenseurs a été contrôlée à environ 10 ° C, elle est relativement plus élevée que la température de réaction traditionnelle du condenseur. Les COV et les vapeurs d'eau se sont condensés et ont formé des films liquides. Cela s'est traduit par une amélioration de l'élimination des COV, en particulier pour les COV à point d'ébullition ou solubilité élevés. Cela peut aider à éviter que le concentrateur de zéolite de suivi ne soit endommagé. Les performances du système intégré de condenseur / concentrateur de zéolite pourraient, par conséquent, rester très efficaces pendant une durée de fonctionnement plus longue. Son coût annualisé serait également inférieur à celui de l'installation du concentrateur de zéolite uniquement.

  1. Introduction

Les gaz d'échappement des fabricants de semi-conducteurs ont des caractéristiques de débit élevé avec une variété de COV émis à de faibles concentrations [1]. En outre, les points d'ébullition des COV peuvent varier sur une large plage allant de moins de 50 ◦C à plus de 200 ◦C. Ils sont généralement traités par des dispositifs d'adsorption / désorption régénératifs tels que les concentrateurs rotatifs de zéolithe pour augmenter les concentrations de COV. Ensuite, les COV concentrés sont ensuite traités par des dispositifs d'incinération. Les rendements de fonctionnement initial des concentrateurs de zéolite en termes d'hydrocarbures totaux (THC) émis par les usines de semi-conducteurs sont bien supérieurs à 90% dans les tests en laboratoire [2–6] et les opérations sur le terrain [7,8]. Mais lorsque des COV à point d'ébullition élevé sont traités pendant le processus de désorption, ils ont tendance à occuper progressivement les sites d'adsorption et à détériorer les performances d'un adsorbeur [4]. L'installation de condenseurs avant un adsorbeur de COV pour condenser les COV à point d'ébullition élevé peut être une méthode efficace pour empêcher la diminution de l'efficacité d'élimination des COV. Cependant, des informations limitées sont disponibles dans la littérature pour le procédé intégré des condenseurs plus un concentrateur de zéolite. En général, la condensation implique un réfrigérateur pour abaisser la température des gaz d'échappement jusqu'à ce qu'elle soit inférieure au point de rosée. Et l'élimination se fait par condensation de COV gazeux sur les parties refroidies du condenseur. Les modules d'un système de condenseur de COV comprennent généralement le module de déshumidification et le module réfrigérateur [9]. La déshumidification est effectuée pour réduire l'humidité et éviter les effets néfastes du givrage qui se produiraient autrement lorsque les gaz d'échappement des COV sont refroidis à une température inférieure à 0 ° C dans la section de condensation des COV. En outre, un prétraitement de déshumidification est également bénéfique pour la récupération des COV. Zeiss et Ibbetson [10] ont montré que l'application réussie de la technologie de condensation dépendait de deux facteurs: la capacité à basse température et une concentration élevée de COV en phase vapeur. Et il est connu que la condensation des COV est une technique appropriée pour diminuer le niveau d'émission de COV à un seul composé, à haute concentration et à faible débit de gaz à moins de 0 ° C. Mais la question de savoir si un condenseur convient pour traiter les gaz d'échappement de COV présentant les caractéristiques de plusieurs composés, de faibles concentrations et un débit de gaz élevé à une température supérieure à 0 C a rarement été étudiée. Les performances pratiques d'un condenseur pour réduire les faibles concentrations de COV n'ont pas été suffisamment comprises. Afin de garder les condenseurs avec des performances économiques, cette étude propose une modification de la conception traditionnelle des condenseurs. La condensation et l'absorption de liquide étaient efficaces dans les condenseurs pour améliorer l'élimination des COV.

  1. Expériences

La conception des condenseurs à ces fins est légèrement différente de celles traditionnelles fonctionnant à des températures ultra-basses. L'eau glacée à l'intérieur du serpentin de type tubes et ailettes fonctionnait à 10 ° C, ainsi l'humidité peut se condenser et former un film d'absorption de liquide qui améliore la condensation de certains COV hydrophiles. Avec la conception du double effet (condensation plus absorption de film) des condenseurs utilisés ici, on s'attend à ce que non seulement l'efficacité d'élimination des COV puisse être augmentée, mais également que le coût de consommation d'énergie puisse être réduit par rapport aux condenseurs traditionnels. Le tableau 1 présente les paramètres de fonctionnement du condenseur définis dans cette étude. La température intérieure de l'emplacement des condenseurs a été maintenue à environ 22–23 ◦C bulbe sec (db). Les COV émis par le processus de strippage étaient à des températures de 35 à 60 ° C avant leur entrée dans les condenseurs. La température de sortie du flux de COV était d'environ 10 à 14 ° C et la teneur en eau des solvants condensés était d'environ 40 à 50% en poids.

La figure 1 présente le schéma du processus de décapage d'une fabrique de semi-conducteurs à Taiwan ainsi que son processus d'élimination des COV comprenant deux condenseurs parallèles et une unité de concentrateur / incinérateur de zéolite. Le processus de décapage était composé d'une étape de bande et de trois étapes de rinçage. La nacelle a été immergée dans la première cuve de décapage à une température inférieure à 110 ° C puis transférée vers les cuves de rinçage. Les gaz d'échappement de COV émis par la bande et les deux premiers cuves de rinçage ont été introduits dans les condenseurs puis envoyés au concentrateur / incinérateur de zéolithe pour traitement final. Le solvant organique condensé a été aspiré dans le réservoir quotidien. Parce que les solutions de décapage et de rinçage utilisées dans le processus de décapage de l'industrie des semi-conducteurs étaient composées de plusieurs solvants organiques, les constituants des COV épuisés étaient compliqués. Et la pureté des solvants organiques requise par chaque processus de fabrication était si élevée que les COV condensés ne pouvaient plus être recyclés à des fins de décapage et de rinçage. Les concentrations de COV ont été mesurées à l'entrée et à la sortie des condenseurs et les rendements d'élimination des deux condenseurs ont été calculés. Les concentrations de COV ont été analysées selon la méthode USEPA TO14A [11]. Les COV ont été échantillonnés par prélèvement sur tube en acier inoxydable. Le tube d'échantillonnage a prélevé un échantillon de COV du courant par la chute de pression (p = 10-2 mmHg). L'échantillon a ensuite été analysé par GC / MS en laboratoire. Les équipements d'analyse des COV comprenaient un échantillonneur automatique de COV (systèmes Xontech, 911/912), un concentrateur cryogénique (Nutech, 3350A), un chromatographe en phase gazeuse (HP 5890 série II) et un détecteur sélectif de masse (HP 5971 série II) couplé à un Colonne GC (Rtx-502.2, 60 m, 0.25 mm id, 1.4 m fm). De plus, un instrument à émission continue (détecteur GC / FID) a été installé à l'extrémité du tuyau pour des mesures en ligne de l'efficacité d'élimination du THC.

  1. Résultats et discussion

 3.1. Analyse des COV émis par le processus de décapage

La figure 2 présente les espèces dominantes détectées par GC / MS pendant le processus de décapage d'une fab de semi-conducteurs. La plus grande quantité de COV émis pendant le processus de décapage était le diméthylsulfoxyde (DMSO, 63%). Les autres principaux COV détectés comprenaient le sulfure de diméthyle (DMS, 15%), l'alcool isopropylique (IPA, 11%), le disulfure de diméthyle (DMDS, 6%), la 1-méthyl-2-pyrrolidinone (NMP, 2%) et des traces de toluène, N, N-diméthylacétamide et acétone, etc. Les concentrations totales de COV émis pendant le processus de strippage dépendaient des rendements du produit et variaient de 16,000 42,000 à 1 XNUMX ppbv. Les COV émis par le processus de strippage sont principalement dus aux étapes de chauffage et d'agitation dans les premier et deuxième réservoirs ainsi qu'à l'étape de rinçage dans le troisième réservoir. Les composés de DMS, DMDS, DMSO, NMP et N, N-diméthylacétamide ont été émis lorsque le décapant est chauffé et agité, tandis que l'IPA, l'acétone et le toluène ont été émis pendant les étapes de rinçage et d'agitation des solvants organiques comme indiqué sur la Fig. . XNUMX.

Fig. 1. Schéma du processus de décapage (tracé supérieur) et des dispositifs de contrôle des COV (tracé du bas) composé d'un système intégré de deux condenseurs et d'un concentrateur / incinérateur de zéolite dans une usine de semi-conducteurs (les traits pleins sont les gaz d'échappement des COV les flux et les lignes pointillées sont les flux liquides condensés des COV).

3.2. L'efficacité d'élimination des COV par les condenseurs

Pour un condenseur traditionnel, les COV sont éliminés si leurs pressions partielles sont supérieures aux pressions de vapeur saturante à la température du condenseur. La figure 3 montre le rapport des pressions partielles de COV détectées dans le courant de gaz émis à 10 ° C à leurs pressions de vapeur de saturation. On peut voir que seul le rapport de pression du DMSO était supérieur à 1, les autres devraient être trop faibles pour être éliminés par le mécanisme de condensation. Mais dans cette étude, tous les COV ont été plus ou moins éliminés dans les condenseurs, comme observé sur la figure 4 (a) et (b).

La figure 4 (a) présente la relation entre les points d'ébullition de divers COV et leur efficacité moyenne d'élimination par les condenseurs. Du fait que le procédé de fabrication a été modifié pendant la période d'essai, les concentrations d'entrée de COV dans les condenseurs ont varié, mais on a quand même observé que les efficacités d'élimination des COV étaient à peu près proportionnelles à leurs valeurs de points d'ébullition sauf le toluène et le DMS. Le toluène a une efficacité d'élimination relativement faible par rapport à d'autres COV de points d'ébullition similaires. Étant donné que l'humidité a été éliminée simultanément avec les COV dans le condenseur, l'efficacité d'élimination du condenseur doit également être fonction des constantes de Henry. Comme indiqué sur la figure 4 (b), la faible élimination du toluène peut être attribuée à sa faible constante de Henry (H) dans l'eau, 0.15 mol / (kg bar) à 25 ° C [12]. L'augmentation approximative des éliminations de COV lorsque leurs constantes d'Henry ont été augmentées comme le montre la figure 4 (b) a révélé que le film d'eau jouait également un rôle important dans le système de condenseur.

Fig. 4. Efficacité d'élimination des COV en fonction de (a) points d'ébullition et (b) constantes de la loi de Henry.

D'autre part, l'efficacité d'élimination du DMS atténué par le condenseur est meilleure que plusieurs autres COV, même si son point d'ébullition est le plus bas et sa solubilité dans l'eau est également relativement faible avec H = 0.48 mole / (kg bar) dans l'eau à 25 ◦C. Cela peut être dû au fait que le DMS peut se dissoudre dans le DMSO, l'organique ayant le plus grand potentiel de condensation [13]. Les rendements d'élimination des composés à point d'ébullition élevé tels que le NMP et le DMSO atténués par les condenseurs étaient supérieurs à 80%, et ces composés étaient responsables de plus de 60% des COV émis par le processus de strippage. Ainsi, les condenseurs étaient de bons choix pour le prétraitement des COV à point d'ébullition élevé et ils ont empêché l'adsorbeur de zéolite de suivi de se détériorer progressivement causée par un faible taux de désorption des COV à point d'ébullition élevé. Si le système de condenseur doit être appliqué à d'autres domaines, il convient de noter que le fonctionnement efficace du dispositif proposé dépend essentiellement du fait que les COV sont hydrophiles ou qu'ils peuvent être dissous dans d'autres espèces condensables. Par conséquent, il convient le mieux aux plantes qui émettent des COV avec une solubilité relativement élevée dans l'eau ou des solvants organiques. La figure 5 présente l'effet de la vitesse superficielle sur l'efficacité d'élimination du THC. La vitesse superficielle a été augmentée lorsque la charge du processus de décapage a été augmentée. On peut voir que l'efficacité d'élimination du THC abaissé par le condenseur était proche de 60% lorsque le processus de strippage était chargé à pleine vitesse avec une vitesse superficielle de 3.0 m / s dans la condensation. De plus, l'élimination du THC pourrait atteindre 80% à la vitesse superficielle de 1.5 m / s. Il a été observé que les concentrations de THC émises n'étaient pas linéairement proportionnelles à la charge du procédé et que l'élimination du THC ne dépendait pas non plus de leurs concentrations à l'entrée. Par exemple, la concentration d'entrée de THC la plus basse, 15,964 2.5 ppbv, est apparue à une vitesse superficielle de 70 m / s avec une élimination du THC de 41,597%. Et l'élimination de THC la plus faible est apparue à la concentration d'entrée de THC la plus élevée de XNUMX XNUMX ppbv.

3.3. Comparaison entre le système intégré et le concentrateur de zéolite

Pour prouver l'efficacité des dispositifs de prétraitement du condenseur, deux concentrateurs de zéolithe de géométrie identique étaient installés dans l'usine de semi-conducteurs. Chaque concentrateur de zéolite enlevé, les COV épuisés par un processus de décapage séparé de la même conception. La seule différence majeure est qu'un concentrateur de zéolite fonctionnait avec deux condenseurs parallèles comme dispositifs de prétraitement, tandis que l'autre fonctionnait sans aucun condenseur. La figure 6 présente les efficacités d'élimination du THC obtenues par le concentrateur de zéolite indépendant ainsi que par le système intégré de condenseur / concentrateur de zéolite. Pour le concentrateur de zéolite indépendant, tous les COV, y compris ceux à température d'ébullition élevée, ont été éliminés par le concentrateur de zéolite. Du fait que les COV à point d'ébullition élevé étaient difficiles à désorber, ils se sont accumulés sur les sites actifs du concentrateur de zéolite après un processus d'adsorption / désorption répété. Par conséquent, un film visqueux s'est formé progressivement et a entraîné une diminution de l'efficacité d'élimination du concentrateur de zéolite. Après six mois de fonctionnement, l'efficacité d'élimination des COV par le système de concentrateur de zéolite a été ramenée à la valeur critique, 90%, autorisée par la réglementation sur la pollution de l'air de Taiwan. Ainsi, le rotor de zéolite doit être arrêté et lavé à l'eau pour nettoyer les occupants. Cette procédure de lavage a augmenté l'efficacité d'élimination du concentrateur de zéolite à près de 95%. La fréquence de lavage du concentrateur de zéolite dépendait du rendement de la fab et était généralement d'une fois par semestre à par trimestre. Bien qu'un lavage régulier du concentrateur de zéolite puisse résoudre le problème des COV à point d'ébullition élevé, les entreprises à haut rendement, en particulier celles qui ne disposent pas de conseils de dépollution de secours, ne pouvaient pas tolérer les fréquentes interruptions du procédé. En outre, le lavage fréquent du concentrateur de zéolite réduirait sa durée de vie.

D'autre part, après l'installation de deux condenseurs parallèles, le système de condenseur / concentrateur de zéolite intégré a conservé une efficacité d'élimination des COV élevée pendant une longue période, comme le montre la figure 6. L'efficacité d'élimination est restée à environ 95% même après neuf mois. De fonctionnement. Ainsi, après le prétraitement des COV à point d'ébullition élevé dans le condenseur, le problème de détérioration du concentrateur de zéolite pourrait être résolu efficacement.

Le tableau 2 compare les coûts d'installation, d'exploitation et de maintenance (E&M) d'un concentrateur de zéolite avec le système intégré (concentrateur de zéolite plus deux condenseurs). Dans l'hypothèse d'une consommation d'eau moyenne de 20 tonnes et d'un cycle de lavage par trimestre, le coût de F&E du concentrateur de zéolite était de 27,430 171,450 $ US / an. Le coût de F&E mentionné ci-dessus excluait le coût de l'incinérateur mais incluait le coût du lavage du rotor. Le coût de renouvellement du rotor était de XNUMX XNUMX $ US.

Le rotor était supposé être renouvelé tous les cinq ans avec un taux de rendement minimum de 10%, le coût actuel annualisé du concentrateur de zéolite était de 45,263 72,693 $ US / an. Par conséquent, le coût net annualisé total d'un concentrateur de zéolite était de 57,150 XNUMX $ US / an. Le coût d'installation de deux condenseurs pour l'essai sur le terrain présenté dans cette étude était d'environ XNUMX XNUMX $ US. La durée de vie utile des condenseurs était supposée être de sept ans et ils n'avaient aucune valeur de récupération. On a supposé que la durée de vie utile du rotor de zéolite était également de sept ans. L'extension de deux ans de la durée de vie utile du rotor de zéolite dans le système intégré était due à l'installation de condenseurs qui aident à protéger le concentrateur de zéolite de la détérioration causée par les COV à point d'ébullition élevé.

Le coût actuel annualisé du système intégré était d'environ 46,863 10 $ US / an avec un taux de rendement minimum de 10,290%. Les coûts de F&E du système intégré comprenaient le coût de traitement du solvant organique des déchets (5710 USD / an), le coût moyen de la consommation électrique (22,858 USD / an) et le coût de lavage du rotor de zéolite par an. Par conséquent, le coût total de F&E du système intégré serait d'environ 69,721 72,693 $ US / an. En conséquence, le coût actuel net annualisé total estimé du système condenseur / concentrateur de zéolite intégré, XNUMX XNUMX $ US / an, était inférieur à celui de l'application du concentrateur de zéolite seul, XNUMX XNUMX $ US / an.

  1. Conclusions

Cette étude a utilisé une conception modifiée de condenseurs locaux fonctionnant à des températures relativement plus élevées que les condenseurs traditionnels pour prétraiter une variété de COV émis par le processus de décapage dans une usine de semi-conducteurs. Les COV et les vapeurs d'eau ont été condensés pour former des films liquides et ainsi éliminer efficacement la majorité des COV caractérisés par des points d'ébullition élevés et des propriétés hydrophiles. L'efficacité d'élimination des COV à point d'ébullition bas à moyen tels que l'IPA, l'acétone et le toluène n'était que de 10 à 50%, mais ces composés pourraient être encore introduits dans le concentrateur de zéolite et conduire à plus de 90% d'élimination de THC.

Étant donné que les COV à point d'ébullition élevé ont été prétraités avec plus de 80% d'efficacité, les performances du système intégré de condenseur / concentrateur de zéolite pouvaient rester à haut rendement pendant une période de fonctionnement plus longue, et son coût annualisé était inférieur à celui de l'installation du concentrateur de zéolite. seul.

En plus de l'usine de fabrication de semi-conducteurs, l'industrie optoélectronique telle qu'une usine de fabrication TFT-LCD a un problème plus grave sur la détérioration des dispositifs d'adsorption de COV en raison de la présence d'une quantité importante de COV à point d'ébullition élevé. La fréquence de remplacement d'un concentrateur de zéolite dans une usine TFT-LCD pourrait être inférieure à deux ans sans application du condenseur. Ainsi, l'industrie optoélectronique peut également bénéficier du système intégré de condenseur / concentrateur de zéolite. Le système intégré de condenseur / concentrateur de zéolite est également applicable pour éliminer les COV émis par les cabines de peinture des industries automobile, aéronautique et d'impression, etc.