Un evaporador de triple efecto de sales mixtas de 72 m³/d para un fabricante de productos químicos finos

Antecedentes del proyecto

El propietario produce anualmente 6.000 toneladas de agente blanqueador fluorescente de alta gama, lo que genera 72 m³/d (3 m³/h) de aguas residuales de proceso con alto contenido en sal como subproducto. Estas aguas residuales tienen una composición compleja: NaCl 10-12 %, Na₂SO₄ 6-8 %, sales de aminas orgánicas 1-2 %, DQOcr 15.000 mg/l, color 800 veces superior, pH 9-10 y trazas de metanol y xileno. El vertido directo del agua bruta en la planta de tratamiento de aguas residuales del parque industrial provoca un importante impacto en el color, mientras que la unidad actual de evaporador de simple efecto + centrífuga consume 0,52 t/t de vapor por tonelada de agua, lo que genera altos costos operativos y graves inclusiones de color en los cristales. En 2024, la empresa planea construir un nuevo "evaporador de triple efecto de sal mixta de 72 m³/d", que requiere un consumo de vapor ≤0,35 t/t de agua, una DQO de condensado ≤500 mg/L, un color ≤20 veces mayor, una tasa de separación de NaCl y Na₂SO₄ ≥85% y un período de recuperación de la inversión ≤2 años.

Ruta de proceso

1. Reevaluación de la calidad del agua y diagrama de fases

Las pruebas de laboratorio, combinadas con el diagrama de fases ternario NaCl-Na₂SO₄-H₂O, confirmaron que el Na₂SO₄·10H₂O precipita preferentemente a -15 °C y el NaCl alcanza la saturación a 70 °C. Con base en esto, se diseñó un proceso de dos etapas de "flujo en paralelo de triple efecto + desnitrificación criogénica + cristalización de cloruro de sodio" para lograr una separación de alto valor de sales mixtas.

2. Descripción general del proceso

Aguas residuales de alta salinidad → Tanque de ecualización (50 m³, FRP) → Flotación por aire disuelto de alta eficiencia (DAF, tasa de remoción de aceite ≥90%) → Ajuste de pH (H₂SO₄) → Efecto I → Efecto II → Efecto III → Separación centrífuga (NaCl) → Espesamiento → Secado → Envasado. Las aguas madres del reactor de tercer efecto se enfrían y cristalizan al vacío (-5 °C, grado de vacío 0,09 MPa) para obtener Na₂SO₄·10H₂O, que posteriormente se procesa mediante cristalización por fusión y cristalización por evaporación para obtener Na₂SO₄ anhidro. El líquido transparente enfriado se devuelve al reactor de tercer efecto, y el sistema no descarga aguas madres con alto contenido de sal.

3. Parámetros principales del reactor de tercer efecto: Capacidad nominal de evaporación de agua: 3,0 t/h, sal total de alimentación: 18 %, contenido de sólidos de salida: 35-38 %. Efecto I: Temperatura: 95 °C, Vacío: -0,02 MPa, Tasa de evaporación: 1,15 t/h.

Efecto II: Temperatura 80℃, Vacío -0,06MPa, Tasa de evaporación 1,00t/h;

Efecto III: Temperatura 62℃, Vacío -0,085MPa, Tasa de evaporación 0,85t/h; Coeficiente de transferencia de calor general: Efecto I ≥ 3500W·m⁻²·K⁻¹, Efecto III ≥ 2200W·m⁻²·K⁻¹; Consumo de vapor 1,05t/h (0,35t/t de agua), Circulación de agua de refrigeración 60m³/h (Δt=8℃).

Selección de equipos y materiales

1. Calentador: El Efecto I utiliza tubos de intercambio de calor de acero dúplex 2205 de φ38×3 mm y 4 m de largo, lado de la carcasa Q345R, presión de diseño de 0,4 MPa; los Efectos II y III son ambos de acero 2205 para evitar la corrosión por picaduras de iones de cloruro.

2. Cámara de evaporación: φ1600 × 5000 mm, equipada en la parte superior con un desempañador de malla de alambre de aleación de titanio (tasa de retención del 99 %), cono de ángulo de 60° en la parte inferior + bomba de circulación forzada montada lateralmente (caudal de 800 m³/h, altura de 6 m, conversión de frecuencia), velocidad de flujo de suspensión de cristales de 2,8 m/s, ciclo de escalado ≥15 días.

3. Vacío y condensación: Bomba hidráulica de dos etapas + anillo líquido, vacío máximo -0,090 MPa, potencia instalada 15 kW; área de superficie del condensador 40 m², condensado de vapor secundario DQO ≤400 mg/L, color ≤15 veces, todo reciclado para la limpieza de equipos de taller.

4. Limpieza en línea: Sistema CIP equipado con 5% HNO₃, 3% NaOH e inhibidor de incrustaciones (PAA-Na, 20 ppm), se inicia automáticamente cada 10 días de funcionamiento o cuando la presión del sistema cae >30 kPa, tiempo de limpieza ≤2,5 h.

Consumo de energía y economía: La unidad funciona durante 330 días al año, evaporando 9900 toneladas de agua, ahorrando 1683 toneladas de vapor (0,52 a 0,35 toneladas/tonelada de agua), lo que se traduce en un ahorro anual de 370.000 yuanes a 220 yuanes/tonelada; también ahorra 18 MWh de electricidad y 6.000 toneladas de agua, generando 2,1 millones de yuanes adicionales en ingresos por ventas anuales (NaCl + Na₂SO₄ + agua reciclada).

Protección y seguridad del medio ambiente:

1. Gas de cola: después de la condensación de vapor secundaria, los gases no condensables (COV ≤ 20 mg/m³) ingresan al proceso de adsorción de resina de dos etapas; no se detectó tolueno.

2. Licor Madre: El licor madre del proceso de desnitrificación criogénica se recicla, lo que da como resultado que no haya descargas con alto contenido de sal en el sistema; la producción de sulfato de sodio es de 0,35 toneladas/día, que se vende a fabricantes de vidrio.

Control automático: El sistema emplea un PLC Siemens S7-1200 con pantalla táctil y 260 puntos de E/S. Parámetros clave como la intensidad de evaporación, la densidad del licor madre y el par centrífugo se optimizan en tiempo real mediante un algoritmo PID con inversión temporizada, con fluctuaciones del caudal de vapor < ±2 %. La pantalla táctil permite el arranque y la parada con un solo botón y admite la monitorización remota, lo que permite un modo de "operación + inspección sin personal", reduciendo la dotación de personal de 3 personas por turno a una sola.

Resultados operativos

1. Capacidad de producción: La capacidad de evaporación real de la unidad es de 3,2 t/h, superando la capacidad de diseño en un 6%; el subproducto NaCl es de 0,45 t/h, con una capacidad de producción anual de 3300 toneladas, pureza ≥98,8% y blancura ≥80; Na₂SO₄ es de 0,12 t/h, con una capacidad de producción anual de 900 toneladas, pureza ≥99%.

2. Aguas residuales: Condensado DQO ≤400 mg/L, color ≤15 veces, todo reciclado en el taller, con un volumen de reciclaje anual de 9900 toneladas.

3. Confiabilidad: la tasa de operación es del 96%, el ciclo de limpieza planificado es de 15 días, el tiempo de operación real es de hasta 25 días; la tasa de falla del equipo es de 0,2 veces/mes, mucho menor que el promedio de la industria de 0,8 veces/mes.