Um evaporador MVR de cloreto de sódio para a indústria de química fina com uma capacidade de processamento de 100 toneladas/dia de resina epóxi.

Contexto do projeto

Esta empresa de química fina tem uma capacidade de produção anual de resina epóxi de 180.000 toneladas, gerando aproximadamente 100 toneladas/dia de efluentes com alta concentração de sal (equivalente a 16-20% de NaCl). O efluente bruto apresenta uma DQO (Demanda Química de Oxigênio) de 30.000-45.000 mg/L, pH 11-12 e contém resina envelhecida, epicloridrina, tolueno, glicerol e traços de bisfenol A. O descarte direto causaria o excesso de poluentes característicos. A evaporação tradicional de triplo efeito consome 0,42 toneladas de vapor por tonelada de água, resultando em altos custos operacionais. Em 2023, a empresa decidiu adotar a tecnologia de cristalização por evaporação com recompressão mecânica de vapor (MVR) para construir uma unidade de demonstração de um "evaporador MVR de cloreto de sódio de 100 toneladas/dia para a indústria de resina epóxi", alcançando a recuperação de cloreto de sódio, a reutilização do condensado e um custo operacional de ≤30 yuans/tonelada de água. Até o momento, tem operado de forma estável e contínua.

Rota do Processo

1. Reavaliação da Qualidade da Água

Testes laboratoriais mostraram que, quando a concentração de NaCl era ≥ 24%, o ponto de ebulição da solução aumentava em 9,5 °C; quando a DQO era > 35.000 mg/L, o processo de evaporação gerava facilmente uma grande quantidade de espuma e causava golpes de líquido no compressor. Portanto, um processo de três etapas, denominado "pré-tratamento + concentração e cristalização do MVR + incineração da solução-mãe", foi projetado para garantir a estabilidade do sistema a longo prazo.

2. Visão Geral do Processo

Efluentes com alta salinidade → Tanque de equalização (30 m³, agitação por ar) → Flotação por ar dissolvido de alta eficiência (DAF, taxa de remoção de óleo ≥ 90%) → Oxidação catalítica por ozônio (O₃/H₂O₂, taxa de remoção de DQO de 40-50%, reduz a formação de espuma) → Filtração em filtro de mangas (100 μm) → Evaporador MVR → Cristalizador tipo Oslo → Centrífuga de pistão de dois estágios → Secagem em leito fluidizado (120 °C, tempo de residência de 3 s) → Embalagem em big bags de sal industrial.

O vapor secundário é aquecido a 18 °C por um compressor de titânio e, em seguida, reutilizado. O condensado, após a dessalinização por osmose reversa, apresenta condutividade ≤ 80 μS/cm e é totalmente reutilizado como água de reposição para o sistema de refrigeração por circulação. A solução-mãe é periodicamente descarregada em um secador por aspersão e em um forno rotativo para incineração. O calor residual dos gases de combustão é utilizado em uma caldeira de recuperação de calor para gerar vapor de baixa pressão a 0,6 MPa para oxidação com ozônio e limpeza CIP dos equipamentos.

3. Principais parâmetros do MVR: Capacidade nominal de 100 T/d (4,2 m³/h), alimentação com NaCl a 18%, teor de sólidos na saída de 38 a 40%. 

Câmara de evaporação: φ2800×6000mm, volume efetivo 35m³, construída em aço duplex 2205 + placa composta de liga de titânio, pressão de projeto -0,09MPa;

Aquecedor: Tipo placa, área de placa única 1,0m², 120 placas no total, área total de troca de calor 120m², temperatura de projeto 95℃, coeficiente de transferência de calor ≥4200W·m⁻²·K⁻¹;

Compressor: Tipo centrífugo de estágio único, impulsor de liga de titânio, vazão de 6,5 t/h, taxa de compressão de 1,8, potência instalada de 280 kW, faixa de ajuste de velocidade de 20 a 105%, eficiência isentrópica ≥82%;

Bomba de circulação: Tipo de fluxo axial, vazão de 3000 m³/h, altura manométrica de 4 m, controle por conversão de frequência, garantindo velocidade de fluxo da suspensão cristalina de 3,2 m/s, ciclo de incrustação ≥ 30 dias.

Seleção de equipamentos e materiais

1. Proteção contra corrosão: As peças em contato com o líquido de alimentação são feitas de liga de titânio TA2/aço duplex 2205 para evitar a corrosão por pite de Cl⁻; o tubo de vapor secundário é revestido com PTFE para evitar que o condensado de COD corroa o aço carbono.

2. Anti-entupimento: A superfície da placa de película descendente é polida eletroliticamente até Ra≤0,4μm, e um filtro de titânio removível (malha 40) é instalado na porta de distribuição de líquido, com retrolavagem online periódica.

3. Vácuo: Combinação de bomba Roots de três estágios + bomba de anel líquido, vácuo final de -0,098MPa, vácuo projetado pode ser estabelecido em 5 minutos, capacidade de bombeamento de 120kg/h.

4. Limpeza: O sistema CIP está equipado com 5% de HNO₃, 3% de NaOH e inibidor de incrustações (PAA-Na, 20 ppm), iniciando automaticamente a cada 15 dias de operação ou quando a queda de pressão do sistema for superior a 50 kPa, com tempo de limpeza ≤ 3 h.

Consumo de Energia e Economia: A taxa de evaporação real da unidade é de 3,6 t/h, equivalente a um consumo de vapor de 0,035 t/t de água (com base no equivalente de carvão padrão para eletricidade), o que representa uma eficiência energética 88% maior do que o evaporador de triplo efeito original. Isso resulta em uma economia de 28.000 toneladas de vapor e 21.000 toneladas de água anualmente, com um custo operacional total de 28 yuans/tonelada de água, inferior à média do setor de 45 yuans/tonelada de água. A receita adicional anual de vendas (sal industrial + água reciclada) é de 12,6 milhões de yuans.

Proteção e segurança ambiental :

1. Gás residual: Após a condensação secundária do vapor, os gases não condensáveis (tolueno ≤ 2 mg/m³, epicloridrina ≤ 1 mg/m³) entram em um processo de adsorção em resina de dois estágios + pirólise por plasma, resultando em uma concentração de emissão de COVs < 20 mg/m³.

2. Licor-mãe: O licor-mãe descartado corresponde a ≤ 3% do volume de alimentação. Após secagem por aspersão e incineração em forno rotativo (1100 °C), o gás de combustão passa por desnitrificação SNCR + resfriamento rápido + coleta de poeira por filtro de mangas + lavagem alcalina antes de atender aos padrões de emissão. O resíduo é fundido para produzir vidro, atingindo o objetivo de "zero" aterro sanitário. 

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

4. Segurança: Tampa do evaporador equipada com disco de ruptura + válvula de segurança para alívio duplo de pressão; sistema de detecção de vazamento de amônia/epóxicloropropano em 24 pontos na área da unidade, interligado ao acionamento da pulverização e do ventilador.

Controle automático: Utiliza controle redundante duplo da Siemens com 1800 pontos de E/S; indicadores-chave como intensidade de evaporação, tamanho das partículas de cristal e densidade da solução-mãe são otimizados em tempo real por meio do algoritmo de controle APC, com flutuação da corrente do compressor inferior a ±1,5%. Um aplicativo móvel permite a visualização remota da produção, do consumo de energia e dos planos de limpeza CIP, possibilitando uma operação "sem supervisão + inspeção com equipe mínima", reduzindo a necessidade de pessoal de 8 pessoas por turno para 2.

Resultados operacionais:

1. Capacidade: A capacidade real de processamento da unidade é de 105 toneladas/dia, excedendo a capacidade projetada em 5%; o sal industrial produzido como subproduto é de 1,9 toneladas/hora, com uma capacidade anual de 6.300 toneladas. A pureza do NaCl é ≥98,5% e a brancura ≥80, atendendo aos requisitos para sal industrial refinado, e tem sido comercializado de forma estável para fábricas de cloro-álcali. 

2. Efluente: Condensado MVR com DQO ≤ 80 mg/L, condutividade ≤ 80 μS/cm, totalmente reciclado para circulação de água de resfriamento, volume anual de reciclagem de 33.000 toneladas.

3. Confiabilidade: 97% de tempo de atividade, ciclo de limpeza planejado de 30 dias, tempo real de operação de até 48 dias; taxa de falha do equipamento de 0,3 vezes/mês, muito inferior à média do setor de 1,2 vezes/mês.