Evaporador de doble efecto de cloruro de sodio de 1 t/h de una planta química fina

Antecedentes del proyecto 

Una empresa de química fina produce principalmente aditivos de recubrimiento a base de agua, generando 8000 toneladas de cloruro de sodio en aguas residuales anualmente como subproducto. Los componentes típicos incluyen: NaCl 12-15%, DQOcr 8000-12000 mg/L, pH 6,5-7,5 y trazas de etilenglicol, benzoato de sodio y sólidos en suspensión. El agua bruta se trató utilizando una unidad antigua que constaba de floculación, evaporación de triple efecto y centrifugación. El consumo de vapor fue de 0,48 toneladas de agua por tonelada de agua, y debido a que la capacidad de tratamiento estaba muy por debajo de la carga de diseño, la operación prolongada a baja carga provocó una disminución del coeficiente de transferencia de calor y la obstrucción de las tuberías de lodos cristalinos. En 2024, la empresa decidió construir un nuevo evaporador de doble efecto de cloruro de sodio de 1 t/h, que requiere una superficie de ≤36 m², un consumo de vapor de ≤0,35 toneladas de agua por tonelada de agua, un TDS de condensado de ≤100 mg/L y una reutilización completa en el proceso de polimerización. El periodo de amortización de la inversión fue de ≤2,5 años. El proyecto se puso en marcha con éxito en junio de 2024 y actualmente opera de forma estable.

Ruta de proceso

1. Reevaluación termodinámica y de la calidad del agua

Las pruebas de laboratorio muestran que el punto de ebullición de estas aguas residuales es Δbpe = 5,8 °C (15 % NaCl, 90 °C), que disminuye a 4,1 °C con un vacío de -0,075 MPa. Una combinación de flujo en paralelo de doble efecto + circulación forzada + cristalización de Oslo es adecuada. Una gran cantidad de espuma orgánica precipita cuando la DQO se concentra al 25 %, lo que requiere la eliminación de espuma en línea.

2. Descripción general del proceso

Área del tanque de materia prima (10 m³, PE) → Filtro de canasta (200 μm) → Precalentador de placas (recupera el calor sensible del condensado a 65 ℃) → Evaporador de primer efecto → Evaporador de segundo efecto → Cristalizador de Oslo → Centrífuga de pistón empujador (HR315-N) → Secador de lecho fluidizado (90 ℃, tiempo de residencia 2 s) → Envasado en bolsas de una tonelada de sal refinada.

El vapor secundario se bombea mediante un chorro hidráulico y una bomba de vacío de anillo líquido a -0,075 MPa. El condensado, tras pasar por un lecho mixto de pulido, presenta una conductividad ≤40 μS/cm y se reutiliza para la limpieza del reactor de polimerización. Las aguas madres se descargan periódicamente a una unidad piloto de secado por aspersión, logrando así una descarga cero de aguas con alto contenido en sal.

3. Parámetros principales del equipo de doble efecto: Capacidad de evaporación nominal: 1,0 t/h, NaCl de alimentación: 15 %, contenido de sólidos de salida: 38-40 %. **Efecto 1:** Temperatura: 92 °C, Vacío: -0,02 MPa, Tasa de evaporación: 0,55 t/h.

Efecto 2: Temperatura 72 ℃, Vacío -0,075 MPa, Tasa de evaporación 0,45 t/h;

Coeficiente de transferencia de calor general: Efecto 1 ≥ 3200 W·m⁻²·K⁻¹, Efecto 2 ≥ 2100 W·m⁻²·K⁻¹; Consumo de vapor 0,32 t/h (0,32 t/t de agua), Circulación de agua de refrigeración 12 m³/h (Δt=6℃).

Selección de equipos y materiales:

1. Evaporador: La cámara de calentamiento utiliza tubos de intercambio de calor de acero dúplex 2205 de φ25 × 2 mm y 3 m de longitud. Tanto los tubos del primer efecto como los del segundo efecto son de acero 2205 para evitar la corrosión por picaduras de iones cloruro. El lado de la carcasa es de Q345R, con una presión de diseño de 0,4 MPa. Cámara de evaporación: φ1200 × 3000 mm, con desempañador de malla de alambre de aleación de titanio montado en la parte superior (99 % de retención), cono inferior de 60° y bomba de circulación forzada lateral (caudal de 400 m³/h, altura de 5 m, conversión de frecuencia), lo que garantiza una velocidad de flujo de la suspensión cristalina de 2,5 m/s y un ciclo de escalado de ≥20 días.

2. Cristalizador: tipo Oslo, φ800×2500mm, tubo guía incorporado, tiempo de residencia 1,8 h, tamaño promedio de partícula 0,45 mm, coeficiente de variación CV ≤ 15%, contenido de sal húmeda después de la centrifugación ≤ 3%.

3. Vacío y condensación: Bomba hidráulica de dos etapas + anillo líquido, vacío final -0,085 MPa, potencia instalada 7,5 kW; área de superficie del condensador 15 m², utilizando tubo espiral de pared delgada 304, condensado de vapor secundario TDS ≤ 50 mg/L.

4. Limpieza en línea: El sistema CIP está equipado con 5 % de HNO₃, 3 % de NaOH y un inhibidor de incrustaciones (PAA-Na, 15 ppm). Se inicia automáticamente cada 15 días de funcionamiento o cuando la presión del sistema cae >30 kPa, con un tiempo de limpieza de ≤2 horas.

Consumo de energía y economía: La unidad funciona durante 8000 horas al año, evaporando 8000 t de agua y ahorrando 1280 t de vapor (0,48→0,32 t/t de agua), lo que, a 220 yuanes/t, se traduce en un ahorro anual de 282 000 yuanes; un ahorro de electricidad de 15 MWh; un ahorro de agua de 8000 toneladas; y un aumento anual de los ingresos por ventas (sal industrial + agua reciclada) de 960 000 yuanes.

Protección y seguridad del medio ambiente: 

1. Gases de escape: Después de la condensación de vapor secundario, los gases no condensables (COV ≤20 mg/m³) ingresan al tanque de adsorción de carbón activado; no se detectaron compuestos de benceno en la salida de emisiones.

2. Licor madre: La tasa de descarga es ≤3 % de la tasa de alimentación. Tras el secado por aspersión a pequeña escala (5 kg/h), el residuo se trata como residuo sólido y se incinera externamente. El sistema no tiene descarga de licor con alto contenido de sal.

3. Ruido: recinto insonorizado del compresor + absorción de sonido de la planta; el ruido límite durante el día es ≤55dB(A).

Automatización y digitalización: Utiliza un PLC Siemens S7-1200 con pantalla táctil y 180 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 algoritmos PID con inversión temporizada, con una fluctuación del caudal de vapor <±2 %. Arranque/parada con un solo botón a través de la pantalla táctil, compatible con visualización remota por software, lo que permite un modo de operación e inspección sin personal, reduciendo la dotación de personal de 2 personas por turno a una sola.

Resultados operativos:

1. Capacidad de producción: La capacidad de evaporación real de la unidad es de 1,05 t/h, superando la capacidad de diseño en un 5%; la sal industrial como subproducto es de 160 kg/d, con una capacidad de producción anual de 53 t, una pureza de NaCl ≥98,8% y una blancura ≥85.

2. Efluente: Condensado DQO ≤ 60 mg/L, conductividad ≤ 40 μS/cm, todo reciclado para el proceso de polimerización, volumen de reciclaje anual 8000t.

3. Confiabilidad: 98% de tiempo de actividad, ciclo de limpieza planificado de 20 días, tiempo de funcionamiento real de hasta 30 días; tasa de fallas del equipo de 0,1 veces al mes, mucho menor que el promedio de la industria de 0,5 veces al mes.