Quais são os tipos de dispositivos de evaporação e cristalização de salmoura concentrada?

Os dispositivos de evaporação e cristalização de salmoura concentrada são de vários tipos e podem ser classificados de acordo com quatro dimensões: "tipo de evaporador", "método de cristalização", "método de utilização de vapor" e "se a tecnologia de membrana está acoplada". Os principais tipos atualmente disponíveis no mercado nacional, comercialmente viáveis e com previsão de operação estável por volta de 2025, são resumidos a seguir:

I. Classificação por estrutura do evaporador

1. Evaporador de Efeito Simples: A estrutura mais simples, que utiliza vapor fresco em uma única passagem, com um consumo de vapor de aproximadamente 1 tonelada de água. Adequado para pequenos volumes de água (≤3 t/h) ou cenários em que as empresas dispõem de calor residual/vapor residual de baixa pressão a baixo custo.

2. Evaporador de Múltiplos Efeitos: 3 a 8 efeitos conectados em série, com os efeitos subsequentes utilizando o vapor secundário dos efeitos anteriores, produzindo de 0,25 a 0,35 toneladas de vapor por tonelada de água. Investimento moderado, alta estabilidade operacional e um dispositivo fundamental para os primeiros projetos de emissão zero.

3. Evaporador MVR: Compressores centrífugos/Roots aquecem o vapor secundário a 18–25 °C para reutilização, consumindo apenas 25–35 kWh de eletricidade por tonelada de água, praticamente sem necessidade de vapor fresco. As capacidades de evaporação de 1–150 t/h são modulares, tornando-as a solução de economia de energia preferida para capacidades superiores a 5 t/h.

4. Evaporador de Filme Descendente/Ascendente: O líquido de alimentação forma um filme dentro de um tubo vertical, resultando em um alto coeficiente de transferência de calor e tamanho reduzido; quando acoplado a um MVR (Reator de Volume de Massa), o consumo de energia por tonelada de água pode ser ainda mais reduzido em 10–15%. Adequado para salmouras concentradas de baixa viscosidade e não incrustantes, como efluentes de dessulfurização do tipo NaCl.

5. Evaporador de Circulação Forçada: A alta velocidade do fluxo (2–4 m/s) lava a superfície de aquecimento, proporcionando forte capacidade anti-incrustante; frequentemente combinado com um MVR e um cristalizador para águas residuais com alto teor de sólidos, como sulfato de sódio e ácido fosfórico, que cristalizam facilmente.

II. Classificação por tipo de seção de cristalização

1. Cristalizador DTB (DraftTube & Baffle): Tubo guia integrado + zona de sedimentação anular, tamanho de partícula ajustável de 0,6 a 1,2 mm, alta capacidade, adequado para cristalização fracionada de cloreto de sódio e sulfato de sódio.

2. Cristalizador Fracionado SL (Krystal): Os cristais crescem em suspensão nos canais de fracionamento, resultando em baixa supersaturação da solução-mãe e tamanho de partícula do produto mais uniforme. Comumente usado para sais industriais de alta pureza.

3. Cristalizador Flash de Circulação Forçada: Resfriamento instantâneo + aquecimento por circulação externa, adequado para materiais sensíveis ao calor ou sistemas que requerem cristalização em dois estágios (ex.: MgS₄·7H₂).

4. Cristalizador com Resfriamento Superficial/Resfriamento a Vácuo: O calor é removido por meio de vácuo ou trocadores de calor de placas. Não possui seção de evaporação; pode ser conectado em série com uma unidade de evaporação para reduzir o volume final da solução-mãe.

III. Classificação pelo método de utilização da fonte de vapor/calor

1. Cristalizador Multiefeito a Vapor Fresco: Acionado por vapor de caldeira, alto consumo de energia, mas sem necessidade de um motor de alta potência, adequado para parques industriais do norte com preços de eletricidade elevados e preços de vapor baixos.

2. Compressor elétrico MVR (tipo convencional): Acionamento totalmente elétrico, pode ser acoplado a sistemas fotovoltaicos, geração de energia fora do horário de pico e geração de energia a partir de calor residual na própria fábrica, com o menor custo operacional e a menor área ocupada.

3. TVR (Recompressão Térmica de Vapor) + Tipo Híbrido Multiefeito: Utiliza vapor fresco de alta pressão para induzir vapor secundário, com menor consumo de energia do que o MVR, mas ainda requer aproximadamente 30% de vapor fresco. Adequado para instalações com pressão de vapor ≥ 0,6 MPa.

4. Dispositivo de acoplamento de destilação-cristalização por membrana com fonte de calor de baixa temperatura: água quente/calor residual a 40–70 °C + membrana microporosa hidrofóbica. A concentração por destilação por membrana é realizada primeiro, seguida pela precipitação de sal em um cristalizador. O consumo de energia é de 8–15 kWh por tonelada de água. Atualmente, encontra-se principalmente em fase de demonstração.

IV. Classificação pelo processo integrado "Membrana + Cristalização por Evaporação"

1. Separação de sais por nanofiltração (NF) + cristalização por evaporação MVR: Primeiro, separa os sais divalentes/monovalentes e, em seguida, os alimenta separadamente no evaporador, obtendo-se NaCl e Na₂S₄ com pureza > 97% e taxa de sais diversos < 5%.

2. Concentração final por R/DTR de alta pressão + cristalização por evaporação: Concentra TDS de 50.000 mg/L para 180.000–220.000 mg/L, uma redução de 70%, antes de alimentar o evaporador, reduzindo significativamente o investimento em evaporação.

3. Osmose direta (F) + Destilação por membrana (MD) + Cristalização: Concentra TDS à temperatura e pressão ambientes usando F, recupera o líquido de arraste por MD e cristaliza. Adequado para efluentes farmacêuticos sensíveis à temperatura ou com alta concentração de sólidos totais dissolvidos (CD).

V. Dispositivos especializados para cenários especiais

1. Torre de Secagem e Cristalização por Aspersão com Calor Residual de Gases de Combustão: Utiliza gases de combustão a 150–200 °C para atomizar diretamente salmoura concentrada. Após a evaporação da água, o pó de sal é coletado por um coletor de pó, resultando na ausência de descarte de líquidos. Baixo investimento, porém com menor qualidade do sal.

2. Dispositivo flutuante de energia solar/evaporação interfacial-cristalização: Uma película fototérmica à base de carbono flutua na superfície de um tanque de água, evaporando sob a luz solar. A cristalização ocorre no fundo. Adequado para áreas de mineração ou ilhas com escassez de água e energia. A capacidade de processamento é geralmente inferior a 1 t/d.

3. Cristalizador por congelamento: A temperatura é inicialmente reduzida para −5–5 °C. Utilizando as características de cristalização em baixa temperatura do Na₂S₄, o sal de Glauber e o NaCl são separados. Frequentemente, este processo é combinado com uma seção de evaporação para reduzir o consumo de energia e aumentar o valor agregado do sal.

VI. Resumo dos Pontos de Seleção

1. Volume de água <3 t/h, vapor abundante – selecione cristalizadores de efeito simples ou de múltiplos efeitos;

2. Volume de água de 5 a 100 t/h, preço de eletricidade razoável – a circulação forçada por MVR é preferível;

3. Requisitos elevados quanto ao tamanho e pureza das partículas cristalinas – utilize cristalizadores DTB/SL;

4. Contém sais mistos divalentes/monovalentes e requer recuperação de recursos – primeiro use NF para separação de sais e, em seguida, linhas de evaporação dupla;

5. Possui calor residual ou gases de combustão de baixa temperatura – considere destilação por película descendente + TVR, destilação por membrana ou secagem por aspersão de gases de combustão.

Todos os dispositivos mencionados acima foram industrializados em parques industriais nacionais de química do carvão, dessulfurização de usinas termelétricas, tratamento de efluentes de baterias de lítio e metalurgia e química. As empresas podem optar pela rota de "tecnologia única" ou "processo acoplado" de acordo com a qualidade da água, a estrutura da fonte de calor/fonte de energia, os objetivos de utilização de recursos salinos e o orçamento de investimento inicial para atingir as metas de "redução-cristalização-utilização de recursos" e "emissão zero" de salmoura concentrada.