Sistema de cristalização por evaporação de triplo efeito para aditivos de borracha CBC, 250 t/d.

I. Contexto do Projeto 

A solução-mãe e a água de lavagem descartadas durante a produção de CBC (N-cicloexil-2-(4-morfolina tio)benzotiazol), um acelerador de vulcanização de borracha, apresentam quatro características elevadas: alto teor de sal (Na₂SO₄ 12-16%, NaCl 3-5%), alta DQO (30.000-40.000 mg/L), alta toxicidade (derivados de morfolina e benzotiazol) e alta coloração (cor platina-cobalto 3000). O processo tradicional de "diluição + tratamento bioquímico + lagoa de evaporação" já não atende às necessidades da região para o aproveitamento de diversos sais. Após comparar diversas opções, a empresa decidiu adotar a rota de "pré-tratamento para endurecimento e remoção de DQO → evaporação e cristalização por circulação forçada de triplo efeito → extração fracionada por congelamento de sal → secagem da solução-mãe", construindo um sistema de evaporação e cristalização de triplo efeito de 250 t/d para alcançar o descarte zero de efluentes e a utilização do sulfato de sódio como recurso.

II. Qualidade da água no projeto e objetivos.

III. Rota do Processo

1. Pré-tratamento

A combinação de "Abrandamento com Cal-Soda Carbonatada + Flotação por Ar de Alta Eficiência + Oxidação Catalítica com Ozônio" reduz a dureza para 50 mg/L, a taxa de remoção de DQO para 45% e a cor para 80%, garantindo a ausência de risco de incrustações de carbonato de cálcio e sulfato de cálcio na evaporação subsequente.

2. Cristalização por evaporação com circulação forçada de triplo efeito

O processo emprega um modo de triplo efeito de "co-corrente + aquecimento externo + circulação forçada": o primeiro efeito aquece a 108 °C, utilizando vapor saturado a 0,5 MPa proveniente da área da planta; o segundo efeito aquece a 92 °C e o terceiro efeito a 72 °C. O vapor secundário do efeito final entra no condensador de superfície, mantendo um vácuo de -0,088 MPa; as bombas de circulação em cada efeito têm uma vazão de 5500 m³/h, com uma velocidade de fluxo de 3,2 m/s dentro dos tubos, resultando em baixo cisalhamento dos cristais e tamanho de partícula grande; o cristalizador Oslo DTB está localizado no terceiro efeito, produzindo uma suspensão com teor de sólidos de 25-30%, tamanho médio de partícula de 0,50 mm e teor de água ≤3% após centrifugação.

3. Extração de sal por congelamento e separação

A solução-mãe centrifugada entra em um cristalizador de congelamento (-5°C), onde o Na₂SO₄ precipita como Na₂SO₄·10H₂O. Esse precipitado é então retornado à seção frontal por meio de fusão a quente, atingindo padrões de qualidade duplos para sulfato de sódio e cloreto de sódio.

4. Secagem da solução-mãe: A solução-mãe congelada é reinserida em um evaporador de película raspada para secagem. Os sólidos secos contêm ≤5% de água, produzindo 0,8 t/d de sais mistos, que são então enviados para o centro de resíduos perigosos do parque industrial. O sistema não gera descarga de solução-mãe.

5. Tratamento do Condensado: O condensado misto, após passar por um tanque de equalização + biorreator anaeróbio + MBR aeróbio + processo BAF com ozônio, apresenta DQO ≤ 60 mg/L e condutividade ≤ 300 μS/cm. Todo esse condensado é reutilizado nos processos de reposição de água da torre de resfriamento e tratamento de sal.

IV. Configuração dos principais equipamentos

V. Desempenho Operacional (média de 365 dias, de outubro de 2023 a setembro de 2024)

• Capacidade: 255 t/d (carga) (Eficiência 102%)

• Consumo de vapor: 0,31 t/t de água (incluindo secagem)

• Consumo energético total: 19 kWh/t de água

• Produção de sulfato de sódio: 31,5 t/d, pureza 97,5%, brancura 84, vendido para a indústria de vidro/detergentes, preço 360 yuan/t

• Produção de cloreto de sódio: 7,8 t/d, pureza 98,2%, vendido para fábricas de cloro-álcali.

• Taxa de reutilização do condensado: 93%, economia anual de água de 82.000 toneladas.

• Taxa de operação do sistema: 97%. 1%, 3 paradas não planejadas, cada uma com duração inferior a 6 horas. Ciclo de limpeza: 110 dias para o primeiro efeito, 110 dias para o segundo efeito, 95 dias para o terceiro efeito, 3 vezes mais longo que as soluções tradicionais. Custo operacional: 39 RMB/t de efluente (incluindo vapor, eletricidade, produtos químicos e mão de obra). Período de retorno do investimento: 1,7 anos. 

Inovação Tecnológica

1. Sinergia entre alto teor de sal e alta DQO: Pré-tratamento por oxidação catalítica com ozônio + cristalização em três estágios, taxa de remoção total de DQO ≥99,5%, evitando a formação de coque em altas temperaturas.

2. Material compósito de titânio/2205: Resistente à corrosão por ácido misto Cl⁻ + SO₄²⁻, vida útil do equipamento de 10 anos, reduzindo os custos anuais de manutenção contra corrosão em 85% em comparação com a solução 316L.

3. Co-corrente + circulação forçada + tamanho de partícula DTB controlável: O tamanho médio das partículas aumentou 40%, o consumo de energia da desidratação centrífuga diminuiu 18% e a brancura do sal aumentou 20%. 

4. Separação por congelamento: Utilizando o diagrama de fases ternário Na₂SO₄-NaCl-H₂O, a precipitação de nitrato a baixa temperatura e a recuperação por fusão a quente aumentam a taxa de recuperação de sulfato de sódio em 12%.

5. Módulo Anti-Incrustação com IA: O monitoramento online da diferença de temperatura, vibração e condutividade prevê tendências de incrustação e aciona automaticamente o programa "lavagem com água + lavagem ácida", reduzindo os custos anuais de limpeza em 60%.

Benefícios ambientais e econômicos:  Redução anual de 3.650 toneladas nas emissões de DQO, redução de 70% nos resíduos perigosos e sais diversos, obtendo com sucesso a certificação de nível A de "Descarga Zero" do Departamento de Ecologia e Meio Ambiente da Província de Shandong.

Economia anual de 82.000 toneladas de água primária e 23.000 toneladas de vapor vivo, redução dos custos de descarte de resíduos perigosos em 10,5 milhões de yuans, com um benefício total de 15,8 milhões de yuans.

Conclusão:  O sistema de cristalização por evaporação tripla em água para aditivos de borracha CBC, com capacidade de 250 t/d, cujo núcleo consiste em "pré-tratamento - cristalização tripla - separação por congelamento - secagem da solução-mãe", alcançou com sucesso o descarte zero de efluentes com alto teor de sal e DQO, além da recuperação dupla de sulfato de sódio e cloreto de sódio. O projeto validou a confiabilidade, a economia e a replicabilidade da tecnologia integrada de "proteção contra corrosão por titânio + circulação forçada + controle do tamanho de partículas por DTB + prevenção de incrustações por IA", fornecendo um paradigma maduro e escalável para o tratamento de efluentes orgânicos com alto teor de sal na indústria de aditivos para borracha. No futuro, continuaremos a aprimorar tecnologias de ponta, como compressão de vapor e acoplamento multiefeito, utilização de alto valor agregado de sais diversos e operação e manutenção digitais, para auxiliar mais empresas químicas a alcançarem a transformação verde e de baixo carbono, bem como o desenvolvimento de alta qualidade.