Sistema de cristalização por evaporação MVR de sulfato de sódio e sulfato de lítio de 10 t/h

O sistema de cristalização por evaporação MVR de sulfato de sódio e sulfato de lítio, com capacidade de 10 t/h, representa mais um marco para nossa empresa na área de "descarte zero" de efluentes com alta concentração de sal provenientes de materiais funcionais de terras raras. O projeto validou a confiabilidade e a economia do processo combinado "separação por temperatura e pressão + MVR + DTB" para sistemas complexos de sulfato. No futuro, continuaremos a otimizar a eficiência do compressor e a profundidade de separação de lítio e sódio, fornecendo a mais empresas de terras raras, baterias de lítio e materiais para novas energias soluções integradas de baixo consumo e alto valor agregado para o descarte zero de efluentes com alta concentração de sal.

I. Contexto do Projeto 

Este proprietário produz anualmente 5.000 toneladas de óxido de ítrio de alta pureza, óxido de térbio e carbonato de lítio de grau para baterias de íon-lítio. O processo de produção gera uma grande quantidade de resíduos líquidos de sulfato misto: Na₂SO₄ 120-140 g/L, Li₂SO₄ 45-55 g/L, DQO 2000 mg/L, F⁻ 800 mg/L, a uma temperatura de 65 °C. O evaporador de triplo efeito original consumia 0,33 t de vapor por t de água, e a coprecipitação de Li₂SO₄ e Na₂SO₄ resultava em baixa pureza do produto, tornando-o invendável. Em 2024, a empresa lançou uma modernização com emissão zero. Nossa empresa forneceu um sistema de cristalização por evaporação MVR de sulfato de sódio e sulfato de lítio com capacidade de 10 t/h (volume de água de evaporação) sob o modelo EPC. A unidade foi iniciada com sucesso em abril de 2025 e está em operação contínua há mais de 8.000 horas. O consumo de vapor é ≤0,08 t/t de água, a pureza do Li₂SO₄ é ≥99,2% e o Na₂SO₄ atinge o padrão Classe I da norma GB/T6009-2014. A receita anual é de 32 milhões de yuans, tornando-se um modelo de demonstração para o tratamento de efluentes líquidos com alta concentração de sal na indústria de terras raras.

II. Rota do Processo

1. Características da solução bruta

·  Elevação do ponto de ebulição Δb = 10℃ (sal misto 22%, 70kPa·A)

As curvas de solubilidade dos dois sais diferem significativamente: Li₂SO₄ 1,34-1,54 g/100 g H₂O na faixa de 80-95 °C, Na₂SO₄ 42,7-43,8 g/100 g H₂O, atendendo às condições para cristalização gradual. Contém F⁻, DQO e uma pequena  quantidade  de  íons de terras raras, exigindo pré-tratamento para evitar incrustações e contaminação do produto.

2. Resumo do Processo

•  Solução bruta → Precipitação de alta densidade (Ca(OH)₂ + Na₂CO₃) Remove F⁻ e cálcio, Ca ≤ 20 mg/L → Leito de troca catiônica de ácido fraco (resina tipo lítio, terras raras ≤ 0,5 mg/L) → Pré-aquecimento em dois estágios (condensado + vapor secundário) → Evaporação do primeiro estágio MVR (filme descendente + circulação forçada, 90 °C) → Cristalizador DTB A (precipitação preferencial de Li₂SO₄) → Centrifugação → Secagem em leito fluidizado → Embalagem de Li₂SO₄·H₂O de grau para baterias

•  Licor-mãe → Evaporação de segundo estágio MVR (-80 kPa, 55 °C) → Cristalizador DTB B → Centrifugação com decahidrato de Na₂SO₄ → Secagem → Embalagem com sulfato de sódio

·  Ambos os estágios de vapor secundário utilizam um único compressor centrífugo tipo caixa com aumento de velocidade, com um aumento de temperatura de 20℃, uma taxa de compressão de 1,8 e uma eficiência adiabática ≥85%.

3. Principais inovações

•  Cristalização em dois estágios com controle de temperatura e pressão: O estágio de alta temperatura controla a densidade para 1,28 g/cm³ para introduzir cristais-semente; o estágio de baixa temperatura utiliza precipitação instantânea a vácuo de nitrato decahidratado, com um coeficiente de separação Li/Na ≥ 98%. Lavagem online + coluna de sal: Tempo de residência na seção de sal de lítio de 60 min, d50 = 0,9 mm; tempo de residência na seção de sal de sódio de 45 min, d50 = 1,2 mm, ambos com CV ≤ 5%.

•  Extração de lítio por refluxo da solução-mãe: A solução-mãe rica em lítio é retornada ao primeiro estágio para manter uma concentração de Li de 55 g/L, com uma taxa de recuperação de Li do sistema superior a 98%.

•  CIP inteligente: A limpeza automática com ácido cítrico/EDTA é iniciada quando a diferença de temperatura na parede do tubo é superior a 2 °C ou o vácuo cai 3 kPa, estendendo o ciclo de limpeza de 4 para 18 dias.

III. Configuração do equipamento

•  Evaporador: placa tubular composta de aço inoxidável duplex 2205 + titânio TA10, área total de troca de calor de 960 m², margem de projeto de 25%, garantindo cinco anos de operação sem vazamentos.

•  Compressor: Centrífuga tipo caixa com aumento de velocidade, acionamento por motor + caixa de engrenagens, diâmetro do impulsor de 1,2 m, velocidade linear ≤285 m/s, valor de vibração <1,0 mm/s, vida útil projetada de 100.000 h.

•  Cristalizador: Duas unidades DTB de Φ2200×4500mm, com tubos guia e anéis defletores integrados, mantendo a densidade da suspensão entre 25 e 30%.

•  Centrífuga: LW520×2500-N, fator de separação 1500, a seção de lavagem utiliza solução-mãe resfriada a 3℃ para reduzir o arraste de Na.

•  Secagem: Leito fluidizado circulante de circuito fechado, proteção com nitrogênio, teor de oxigênio <3%, temperatura do produto ≤55℃, prevenindo a transição de fase por desidratação do Li₂SO₄.

IV. Automação e Segurança

•  Sistema de Controle Automático Kang Jinghui: Controle preditivo multivariado para taxa de evaporação, taxa de compressão, densidade da solução-mãe e analisador online de Li⁺ (ICP-OES), com flutuações dentro de ±2%.

•  Sistema de Intertravamento de Segurança (SIS) Duplo e Redundante: 18 intertravamentos, incluindo sobrepressão do compressor, teor de oxigênio >8%, temperatura >100℃ e vazamento de F⁻ >1mg/L, com tempo de resposta <300ms.

V. Dados Operacionais (Avaliação de Desempenho, julho de 2025)

•  Taxa de evaporação: 10000 kg/h (Projeto 10000)

•  Vapor vivo: 0,08 t/t de água (Projeto 0,10)

•  Consumo de energia: 26 kWh/t de água (Compressor + Bomba de Circulação + Bomba de Vácuo + Unidade de Refrigeração)

•  Água de resfriamento: 1,2 t/t de água (32℃→38℃)

•  Produção: Li₂SO₄·H₂O 2,1 t/d, pureza 99,3%, Na≤0,15%; Na₂SO₄ anidro 14 t/d, brancura ≥88%, Li≤0,05%.

VI. Benefícios Econômicos e Ambientais

•  Economia anual de vapor de 26.000 toneladas, equivalente a 2.900 toneladas de carvão padrão, e redução de carbono de 7.600 toneladas.

•  Economia anual de custos operacionais de 6,5 milhões de yuans (vapor + descarte terceirizado).

•  As vendas de Li₂SO₄ de grau de bateria foram de 18.000 yuans/tonelada e de sulfato de sódio de 550 yuans/tonelada, resultando em uma receita anual adicional de 32 milhões de yuans.

•  Período de retorno do investimento de 1,4 anos.

VII. Depoimentos de Clientes

"O sistema MVR de dois estágios separa completamente o lítio do sódio. O compressor funcionou por 8.000 horas sem apresentar falhas. A pureza dos sais de lítio manteve-se estável, atendendo aos padrões das baterias, resolvendo completamente o problema do 'último quilômetro' no descarte de efluentes com terras raras."