Evaporador de duplo efeito de cloreto de sódio de 1 t/h de uma fábrica de produtos químicos finos

Contexto do projeto 

Uma empresa de química fina produz principalmente aditivos para revestimentos à base de água, gerando anualmente 8.000 toneladas de efluentes contendo cloreto de sódio como subproduto. Os componentes típicos incluem: NaCl 12-15%, DQOcr 8.000-12.000 mg/L, pH 6,5-7,5 e traços de etilenoglicol, benzoato de sódio e sólidos em suspensão. A água bruta era tratada em uma unidade antiga que utilizava floculação, evaporação de triplo efeito e centrifugação. O consumo de vapor era de 0,48 toneladas de água por tonelada de efluente e, devido à capacidade de tratamento estar muito abaixo da carga projetada, a operação prolongada em baixa carga levou à diminuição do coeficiente de transferência de calor e ao entupimento das tubulações de suspensão de cristais. Em 2024, a empresa decidiu construir um novo evaporador de cloreto de sódio de duplo efeito com capacidade de 1 t/h, exigindo uma área de ≤36㎡, consumo de vapor ≤0,35 toneladas de água por tonelada de água, TDS do condensado ≤100 mg/L e reutilização completa no processo de polimerização. O período de retorno do investimento foi de ≤2,5 anos. O projeto foi iniciado com sucesso em junho de 2024 e atualmente opera de forma estável.

Rota do Processo

1. Reavaliação da Qualidade da Água e da Termodinâmica

Testes de laboratório mostram que a elevação do ponto de ebulição deste efluente é Δbpe = 5,8 °C (15% NaCl, 90 °C), que diminui para 4,1 °C sob vácuo de -0,075 MPa. Uma combinação de fluxo concorrente de duplo efeito + circulação forçada + cristalização de Oslo é adequada. Uma grande quantidade de escuma orgânica precipita quando a DQO é concentrada a 25%, exigindo a remoção da escuma em linha.

2. Visão Geral do Processo

Área do tanque de matéria-prima (10m³, PE) → Filtro de cesto (200μm) → Pré-aquecedor de placas (recuperação do calor sensível do condensado até 65℃) → Evaporador de primeiro efeito → Evaporador de segundo efeito → Cristalizador Oslo → Centrífuga de pistão (HR315-N) → Secador de leito fluidizado (90℃, tempo de residência 2s) → Embalagem em big bags de sal refinado.

O vapor secundário é bombeado por meio de jato hidráulico e bomba de vácuo de anel líquido até -0,075 MPa. O condensado, após passar por um leito misto de polimento, apresenta condutividade ≤40 μS/cm e é reutilizado para a limpeza do reator de polimerização. O licor-mãe é descarregado periodicamente em uma unidade piloto de secagem por aspersão, atingindo-se o descarte "zero" de licor com alta concentração de sal.

3. Parâmetros principais do evaporador de duplo efeito: Capacidade de evaporação nominal de 1,0 t/h, alimentação de NaCl 15%, teor de sólidos na saída de 38-40%. **Efeito 1:** Temperatura 92℃, Vácuo -0,02MPa, Taxa de evaporação 0,55 t/h;

Efeito 2: Temperatura 72℃, Vácuo -0,075MPa, Taxa de Evaporação 0,45t/h;

Coeficiente global de transferência de calor: Efeito 1 ≥ 3200 W·m⁻²·K⁻¹, Efeito 2 ≥ 2100 W·m⁻²·K⁻¹; Consumo de vapor 0,32 t/h (0,32 t/t de água), Circulação de água de resfriamento 12 m³/h (Δt = 6 °C).

Seleção de equipamentos e materiais:

1. Evaporador: A câmara de aquecimento utiliza tubos de troca de calor de aço duplex 2205 com φ25×2mm e 3m de comprimento. Tanto o lado dos tubos do primeiro quanto o do segundo efeito são de aço 2205 para evitar corrosão por íons cloreto. O lado do casco é de aço Q345R, com pressão de projeto de 0,4MPa. Câmara de evaporação: φ1200×3000mm, desembaçador de malha de fio de liga de titânio montado na parte superior (taxa de retenção de 99%), ângulo de cone de 60° na parte inferior + bomba de circulação forçada montada lateralmente (vazão de 400m³/h, altura manométrica de 5m, inversor de frequência), garantindo uma velocidade de fluxo da suspensão cristalina de 2,5m/s e um ciclo de incrustação ≥20 dias.

2. Cristalizador: tipo Oslo, φ800×2500mm, tubo guia embutido, tempo de residência 1,8h, tamanho médio de partícula 0,45mm, coeficiente de variação CV≤15%, teor de sal úmido após centrifugação ≤3%.

3. Vácuo e Condensação: Bomba de jato hidráulico de dois estágios + bomba de anel líquido, vácuo final de -0,085 MPa, potência instalada de 7,5 kW; área do condensador de superfície de 15 m², utilizando tubo espiral de parede fina 304, TDS do condensado de vapor secundário ≤ 50 mg/L.

4. Limpeza online: O sistema CIP é equipado com 5% de HNO₃, 3% de NaOH e inibidor de incrustações (PAA-Na, 15 ppm). Ele inicia automaticamente a cada 15 dias de operação ou quando a queda de pressão do sistema for superior a 30 kPa, com tempo de limpeza de até 2 horas.

Consumo de energia e economia: A unidade opera por 8.000 horas anualmente, evaporando 8.000 toneladas de água, economizando 1.280 toneladas de vapor (0,48→0,32 t/t de água), o que, a 220 yuans/t, se traduz em uma economia anual de 282.000 yuans; economia de eletricidade de 15 MWh; economia de água de 8.000 toneladas; e um aumento anual na receita de vendas (sal industrial + água reciclada) de 960.000 yuans.

Proteção e segurança ambiental: 

1. Gases de escape: Após a condensação secundária do vapor, os gases não condensáveis (VOCs ≤20mg/m³) entram no tanque de adsorção de carvão ativado; compostos de benzeno não foram detectados na saída de emissão.

2. Licor-mãe: A taxa de descarga é ≤3% da taxa de alimentação. Após secagem por aspersão em pequena escala (5 kg/h), o resíduo é tratado como lixo sólido e incinerado externamente. O sistema não gera descarga de licor com alta concentração de sal.

3. Ruído: Cabine à prova de som do compressor + absorção sonora da planta; ruído limite durante o dia é ≤55dB(A).

Automação e Digitalização: Utiliza um PLC Siemens S7-1200 com tela sensível ao toque e 180 pontos de E/S. Parâmetros-chave como intensidade de evaporação, densidade da solução-mãe e torque centrífugo são otimizados em tempo real por meio de algoritmos PID com inversão temporizada, com flutuação do fluxo de vapor inferior a ±2%. O sistema inicia e para com um único botão na tela sensível ao toque e permite a visualização remota do software, possibilitando um modo de "operação e inspeção sem supervisão", reduzindo a necessidade de pessoal de 2 pessoas por turno para apenas 1.

Resultados operacionais:

1. Capacidade de Produção: A capacidade real de evaporação da unidade é de 1,05 t/h, excedendo a capacidade projetada em 5%; o sal industrial subproduto é de 160 kg/d, com uma capacidade de produção anual de 53 t, pureza de NaCl ≥98,8% e brancura ≥85.

2. Efluente: Condensado com DQO ≤ 60 mg/L, condutividade ≤ 40 μS/cm, totalmente reciclado para o processo de polimerização, volume anual de reciclagem de 8000 t.

3. Confiabilidade: 98% de tempo de atividade, ciclo de limpeza planejado de 20 dias, tempo real de operação de até 30 dias; taxa de falha do equipamento de 0,1 vezes/mês, muito inferior à média do setor de 0,5 vezes/mês.