Um evaporador de triplo efeito de sal misto de 72 m³/d para um fabricante de produtos químicos finos.

Contexto do projeto

O proprietário produz anualmente 6.000 toneladas de agente branqueador fluorescente de alta qualidade, gerando 72 m³/d (3 m³/h) de efluentes de processo com alta concentração de sal como subproduto. Esses efluentes apresentam uma composição complexa: NaCl 10-12%, Na₂SO₄ 6-8%, sais de amina orgânica 1-2%, DQOcr 15.000 mg/L, coloração 800 vezes mais intensa, pH 9-10 e traços de metanol e xileno. O descarte direto da água bruta na estação de tratamento de efluentes do parque industrial causa um impacto significativo na coloração, enquanto o evaporador de efeito simples + unidade centrífuga existente consome 0,52 t/t de vapor por tonelada de água, resultando em altos custos operacionais e severas inclusões de cor nos cristais. Em 2024, a empresa planeja construir um novo "evaporador de triplo efeito de sal misto de 72 m³/d", que requer consumo de vapor ≤0,35 t/t de água, DQO do condensado ≤500 mg/L, cor ≤20 vezes, taxa de separação de NaCl e Na₂SO₄ ≥85% e um período de retorno do investimento ≤2 anos.

Rota do Processo

1. Reavaliação da Qualidade da Água e do Diagrama de Fases

Testes de laboratório, combinados com o diagrama de fases ternário NaCl-Na₂SO₄-H₂O, confirmaram que o Na₂SO₄·10H₂O precipita preferencialmente a -15 °C e o NaCl atinge a saturação a 70 °C. Com base nisso, um processo em duas etapas de "fluxo cocorrente de triplo efeito + desnitrificação criogênica + cristalização de cloreto de sódio" foi projetado para alcançar a separação de alto valor agregado de sais mistos.

2. Visão Geral do Processo

Efluentes com alta salinidade → Tanque de equalização (50 m³, PRFV) → Flotação por ar dissolvido de alta eficiência (DAF, taxa de remoção de óleo ≥ 90%) → Ajuste de pH (H₂SO₄) → Fase I → Fase II → Fase III → Separação centrífuga (NaCl) → Espessamento → Secagem → Embalagem. O licor-mãe do reator de terceiro efeito é resfriado e cristalizado sob vácuo (-5 °C, grau de vácuo de 0,09 MPa) para obtenção de Na₂SO₄·10H₂O, que é então processado por cristalização por fusão e cristalização por evaporação para obtenção de Na₂SO₄ anidro. O líquido límpido resfriado retorna ao reator de terceiro efeito, e o sistema não gera descarga de licor-mãe com alta salinidade.

3. Principais parâmetros do reator de terceiro efeito: Capacidade nominal de evaporação de água 3,0 t/h, teor total de sal na alimentação 18%, teor de sólidos na saída 35-38%. Efeito I: Temperatura 95℃, Vácuo -0,02 MPa, Taxa de evaporação 1,15 t/h;

Efeito II: Temperatura 80℃, Vácuo -0,06MPa, Taxa de evaporação 1,00t/h;

Efeito III: Temperatura 62℃, Vácuo -0,085MPa, Taxa de evaporação 0,85t/h; Coeficiente global de transferência de calor: Efeito I ≥ 3500W·m⁻²·K⁻¹, Efeito III ≥ 2200W·m⁻²·K⁻¹; Consumo de vapor 1,05t/h (0,35t/t de água), Circulação de água de resfriamento 60m³/h (Δt=8℃).

Seleção de equipamentos e materiais

1. Aquecedor: O efeito I utiliza tubos de troca de calor de aço duplex 2205 de φ38×3mm e 4m de comprimento, com revestimento externo em Q345R e pressão de projeto de 0,4MPa; os efeitos II e III são ambos de aço 2205 para evitar a corrosão por pites causada por íons cloreto.

2. Câmara de evaporação: φ1600×5000mm, parte superior equipada com um desembaçador de malha de fio de liga de titânio (taxa de retenção de 99%), parte inferior com ângulo de cone de 60° + bomba de circulação forçada montada lateralmente (vazão de 800m³/h, altura manométrica de 6m, conversão de frequência), velocidade de fluxo da suspensão cristalina de 2,8m/s, ciclo de incrustação ≥15 dias.

3. Vácuo e Condensação: Bomba de jato hidráulico de dois estágios + bomba de anel líquido, vácuo final de -0,090 MPa, potência instalada de 15 kW; área do condensador de superfície de 40 m², DQO do condensado de vapor secundário ≤400 mg/L, cor ≤15 vezes, todo reciclado para limpeza de equipamentos de oficina.

4. Limpeza online: O sistema CIP, equipado com 5% de HNO₃, 3% de NaOH e inibidor de incrustações (PAA-Na, 20 ppm), inicia automaticamente a cada 10 dias de operação ou quando a queda de pressão do sistema for superior a 30 kPa, com tempo de limpeza ≤ 2,5 h.

Consumo de energia e economia: A unidade opera por 330 dias anualmente, evaporando 9.900 toneladas de água, economizando 1.683 toneladas de vapor (0,52 a 0,35 toneladas/tonelada de água), o que se traduz em uma economia anual de 370.000 yuans a 220 yuans/tonelada; também economiza 18 MWh de eletricidade e 6.000 toneladas de água, gerando uma receita adicional de vendas anual de 2,1 milhões de yuans (NaCl + Na₂SO₄ + água reciclada).

Proteção e segurança ambiental:

1. Gás residual: Após a condensação secundária do vapor, os gases não condensáveis (VOCs ≤ 20 mg/m³) entram no processo de adsorção em resina de dois estágios; o tolueno não foi detectado.

2. Água-mãe: A água-mãe do processo de desnitrificação criogênica é reciclada, resultando na ausência de descarga de alta concentração de sal do sistema; a produção de sulfato de sódio é de 0,35 toneladas/dia, vendida para fabricantes de vidro.

Controle automático: O sistema utiliza um CLP Siemens S7-1200 com tela sensível ao toque e 260 pontos de E/S; parâmetros-chave como intensidade de evaporação, densidade da solução-mãe e torque centrífugo são otimizados em tempo real usando um algoritmo PID com inversão temporizada, com flutuações de fluxo de vapor < ±2%. A tela sensível ao toque permite iniciar/parar com um único botão e suporta monitoramento remoto, possibilitando um modo de "operação e inspeção não tripuladas", reduzindo a equipe de 3 por turno para 1 pessoa.

Resultados operacionais

1. Capacidade de Produção: A capacidade real de evaporação da unidade é de 3,2 t/h, excedendo a capacidade projetada em 6%; o subproduto NaCl é de 0,45 t/h, com uma capacidade de produção anual de 3300 toneladas, pureza ≥98,8% e brancura ≥80; o Na₂SO₄ é de 0,12 t/h, com uma capacidade de produção anual de 900 toneladas e pureza ≥99%.

2. Águas residuais: DQO do condensado ≤400 mg/L, cor ≤15 vezes, tudo reciclado na oficina, com um volume anual de reciclagem de 9900 toneladas.

3. Confiabilidade: A taxa de operação é de 96%, o ciclo de limpeza planejado é de 15 dias, o tempo real de operação chega a 25 dias; a taxa de falha do equipamento é de 0,2 vezes/mês, muito inferior à média do setor de 0,8 vezes/mês.