Explicação detalhada do processo de evaporação e cristalização do sulfato de sódio.

Em aplicações industriais de tratamento de efluentes contendo sulfato de sódio e recuperação de Na₂SO₄ anidro (sulfato de sódio), a abordagem comum é "evaporação e concentração → recristalização e separação". As principais opções de equipamentos incluem MVR (Redução Mecânica de Vapor), evaporação de múltiplos efeitos ou processos criogênicos. Com base na utilização de vapor e nos métodos de cristalização, cinco processos típicos podem ser identificados. A seção a seguir, baseada nos casos de engenharia e dados operacionais mais recentes, descreve sistematicamente o fluxo, o consumo de energia, os cenários aplicáveis e as considerações de projeto para cada processo.

I. MVR Evaporação por Circulação Forçada + Resfriamento (ou Evaporação Instantânea) Cristalização

1. Fluxograma

① Pré-tratamento: Floculação/Carvão Ativado + Abrandamento, Turbidez ≤ 5 NTU, Ca²⁺/Mg²⁺ ≤ 50 mg/L, para prevenir a formação de incrustações de sulfato de cálcio.

② Concentração por película descendente: Utilizando um evaporador de película descendente 316L ou TA2, o Na₂SO₄ de 3–8% é concentrado para 25–30%, com um coeficiente de transferência de calor de 2000–3500 W·m⁻²·K⁻¹.

③ Cristalização por circulação forçada MVR: O líquido concentrado entra em um evaporador de circulação forçada. O vapor secundário é aquecido em 8–12 °C usando um compressor Roots/centrífugo e, em seguida, reutilizado. A temperatura de evaporação é de 75–85 °C e o ponto de ebulição aumenta em 7–9 °C. O teor de sólidos da suspensão cristalina é de 8–15%. Após passar por um separador ciclônico e um espessador, o teor de sólidos aumenta para 35–50%. A centrifugação e a desidratação produzem Na₂SO₄ anidro com tamanho de partícula de 10–50 µm. Todo o licor-mãe é refluxado.

2. Consumo de energia: São consumidos de 28 a 35 kWh de eletricidade por tonelada de água evaporada, e o consumo de vapor é ≤1,5 kg (somente em operação). O custo operacional é aproximadamente 1/4 do custo da evaporação de triplo efeito.

3. Aplicabilidade: Projetos com capacidade >5 m³/h, preço do vapor >200 RMB/t, ou onde não haja caldeira disponível no local; pureza do produto ≥99%, teor de umidade <0,2%.

II. Evaporação de Múltiplos Efeitos (Efeito Duplo/Triplo) + Cristalização Instantânea

1. Processo:

① Primeiro efeito: Vapor vivo 0,2–0,35 MPa, temperatura 130–140 ℃;

② Segundo efeito: vácuo de 0,065 a 0,09 MPa, temperatura de 70 a 80 ℃;

③ A concentração final de saída, de 28 a 32%, entra no cristalizador instantâneo a vácuo (60 a 70 ℃) para precipitação adicional de Na₂SO₄ anidro. 

2. Consumo de energia: 0,3–0,4 toneladas de vapor por tonelada de água, 10–15 kWh de eletricidade; investimento menor do que o MVR, mas os custos operacionais são 50–70% maiores.

3. Aplicabilidade: Projetos químicos e de processamento de carvão com vapor de baixa pressão e baixo custo (<160 RMB/t) e capacidade de processamento >10 m³/h; quando os requisitos de tamanho de partícula não são críticos, um cristalizador separado pode ser eliminado e os cristais podem ser cultivados diretamente no tanque de sal de efeito final, simplificando o processo.

III. Separação de sais combinada por MVR + Criocristalização (Versão de Descarga Zero para Efluentes de Alta Salinidade)

1. Processo

① O MVR concentra as águas residuais salinas mistas (Na₂SO₄ + NaCl) até TDS ≈ 250 g/L; ② O concentrado entra no cristalizador espiral de congelamento HSCC, onde a solubilidade do Na₂SO₄ cai drasticamente para 1,3 g/100 g de água a -5 ℃, enquanto o NaCl permanece em 35,7 g/100 g de água, obtendo-se assim "nitrato por congelamento-precipitação – centrifugação para obtenção do sal de Glauber – fusão para obtenção de Na₂SO₄ anidro"; ③ A solução-mãe congelada é retornada ao MVR para evaporação e remoção do NaCl.

2. Consumo de energia

Seção de evaporação 35 kWh + Seção de congelamento 20 kWh ≈ 55 kWh/t de água, vapor 0,18 t/t de água; entretanto, a pureza do produto é de 97–99% e a taxa de impurezas de sal é <3%. 3. Aplicações: Adequado para concentrado de osmose reversa, água de mineração e efluentes de tingimento que requerem recuperação dupla de alta pureza de Na₂SO₄/NaCl; o período de retorno do investimento é de aproximadamente 4 anos.

IV. Cristalização por evaporação a baixa temperatura (<60℃) – Especificamente para águas residuais termossensíveis/corrosivas

1. Processo: Grau de vácuo de 85–95 kPa, temperatura de evaporação de 45–55℃, utilizando vapor ou água quente como fonte de calor de baixa temperatura; o vapor secundário é aquecido por uma bomba de calor ou compressão mecânica e reutilizado; o calor latente de condensação é recuperado através de um trocador de calor de placas de liga de titânio; o concentrado se aproxima da saturação a baixa temperatura e entra em um cristalizador de resfriamento com agitação, onde o Na₂SO₄·10H₂O precipita a 20–25℃, seguido de secagem por fusão para obtenção do produto anidro. 

2. Consumo de energia: 40–50 kWh por tonelada de água, 0,1–0,15 t de vapor; equipamentos montados em skid, ocupando 20–30 m², podem ser operados sem supervisão.

3. Aplicável a: Soluções-mãe contendo alto teor de cloro, flúor ou matéria orgânica de baixo ponto de ebulição, como águas residuais de precipitação de carbonato de lítio, águas residuais farmacêuticas; ambientes altamente corrosivos, mas com temperatura limitada.

V. Separação de sais por nanofiltração + evaporação e cristalização separadas (principal componente da indústria química do carvão com emissão zero)

1. Processo:

① As águas residuais com alta salinidade são primeiro separadas em sais divalentes (SO₄²⁻) e monovalentes (Cl⁻) por membrana de nanofiltração;

② O concentrado de nanofiltração (Na₂SO₄) é evaporado em um evaporador de triplo efeito ou MVR para obter Na₂SO₄ anidro;

③ O permeado de nanofiltração (NaCl) é evaporado em um evaporador de triplo efeito ou MVR para obter NaCl;

④ A solução-mãe é submetida a refluxo cruzado para garantir a pureza do sal. 

2. Características

Pureza do Na₂SO₄ 99%, pureza do NaCl 98%, taxa de recuperação de água >95%, mas o sistema de membrana requer prevenção de incrustações e limpeza regular.

3. Aplicável a

Indústria química do carvão, água de mina e águas residuais com alto teor de sal provenientes do refino, exigindo a utilização de recursos de "sal duplo" e um volume de água superior a 500 m³/d.

VI. Considerações comuns de projeto

1. Material: aço duplex TA2/2205 para temperaturas >90℃, 316L para seções de baixa temperatura; materiais revestidos com zircônio ou flúor para aplicações que contenham flúor.

2. Prevenção de incrustações: Taxa de fluxo de circulação forçada ≥1,5 m/s, adição de 0,1–0,3% de dispersante de ácido poliaspártico (PASP), lavagem regular com água quente a 80 °C ou solução alcalina a 5%. 3. Tamanho das partículas: Para partículas maiores que 150 µm, a taxa de resfriamento deve ser controlada em 1–2 °C/min na seção de cristalização por resfriamento, com um tempo de residência ≥30 min, e cristais-semente de 50–100 µm devem ser adicionados.

4. Automação: O nível do evaporador, a densidade e a supersaturação são medidos online; o torque da centrífuga está interligado com o refluxo da solução-mãe, permitindo descarga contínua e início/parada com um único botão.

Conclusões:

1. Em casos de escassez de vapor, preços baixos de eletricidade e escala de produção superior a 5 m³/h, recomenda-se o uso da rota de circulação forçada MVR;

2. Para disponibilidade de vapor barato, escala de produção >10 m³/h e tamanho geral de partícula do produto — escolha a evaporação de duplo/triplo efeito;

3. Para Na₂SO₄/NaCl de alta pureza — use “MVR + cristalização por congelamento” ou “separação de sal por nanofiltração + dupla evaporação”;

4. Para aplicações sensíveis ao calor, altamente corrosivas e com restrições de espaço, utilize um dispositivo de cristalização por evaporação a baixa temperatura montado em skid. Seguindo essa abordagem, o custo operacional total por tonelada de água pode ser controlado entre 25 e 45 yuans, e a pureza do produto é ≥99%, atingindo o objetivo de utilização de recursos e "descarte zero" de efluentes de sulfato de sódio.