Explicación detallada del proceso del equipo de evaporación y cristalización de sulfato de sodio

En aplicaciones industriales de tratamiento de aguas residuales con sulfato de sodio y recuperación de Na₂SO₄ anhidro (sulfato de sodio), el enfoque común es "evaporación y concentración → recristalización y separación". Las opciones principales de equipos incluyen MVR (Reducción Mecánica de Vapor), evaporación multiefecto o rutas criogénicas. Con base en el uso de vapor y los métodos de cristalización, se pueden identificar cinco procesos típicos. La siguiente sección, basada en los últimos casos de ingeniería y datos operativos, describe sistemáticamente el flujo, el consumo de energía, los escenarios aplicables y las consideraciones de diseño para cada proceso.

I. Evaporación por circulación forzada MVR + Enfriamiento (o evaporación flash) Cristalización

1. Diagrama de flujo

① Pretratamiento: Floculación/Carbón activado + Ablandamiento, Turbidez ≤ 5 NTU, Ca²⁺/Mg²⁺ ≤ 50 mg/L, para prevenir la formación de incrustaciones de sulfato de calcio.

② Concentración por película descendente: utilizando un evaporador de película descendente 316L o TA2, se concentra 3–8% de Na₂SO₄ al 25–30%, con un coeficiente de transferencia de calor de 2000–3500 W·m⁻²·K⁻¹.

③ Cristalización por circulación forzada MVR: El líquido concentrado entra en un evaporador de circulación forzada. El vapor secundario se calienta a 8-12 °C mediante un compresor Roots/centrífugo y se reutiliza. La temperatura de evaporación es de 75-85 °C y el punto de ebullición aumenta de 7 a 9 °C. El contenido de sólidos de la suspensión cristalina es del 8 al 15 %. Tras pasar por un separador ciclónico y un espesador, el contenido de sólidos aumenta al 35-50 %. La centrifugación y la deshidratación producen Na₂SO₄ anhidro con un tamaño de partícula de 10-50 µm. Todas las aguas madres se refluyen.

2. Consumo de energía: Se consumen entre 28 y 35 kWh de electricidad por tonelada de agua evaporada, y el consumo de vapor es ≤1,5 kg (solo en funcionamiento). El coste operativo es aproximadamente un cuarto del de la evaporación de triple efecto.

3. Aplicabilidad: Proyectos con una capacidad >5 m³/h, precio del vapor >200 RMB/t, o donde no se dispone de una caldera en el sitio; pureza del producto ≥99%, contenido de humedad <0,2%.

II. Evaporación Multiefecto (Doble/Triple Efecto) + Cristalización Flash

1. Proceso:

① Primer efecto: Vapor vivo 0,2–0,35 MPa, temperatura 130–140 ℃;

② Segundo efecto: Vacío 0,065–0,09 MPa, temperatura 70–80 ℃;

③ La concentración de salida del efecto final es del 28 al 32 %, y entra al cristalizador flash de vacío (60 a 70 ℃) para una mayor precipitación de Na₂SO₄ anhidro. 

2. Consumo de energía: 0,3–0,4 toneladas de vapor por tonelada de agua, 10–15 kWh de electricidad; menor inversión que MVR, pero los costos operativos son entre un 50–70% más altos.

3. Aplicabilidad: Proyectos químicos y de química de carbón con vapor de baja presión económico (<160 RMB/t) y una capacidad de procesamiento >10 m³/h; cuando los requisitos de tamaño de partícula no son críticos, se puede eliminar un cristalizador separado y los cristales se pueden cultivar directamente en el tanque de sal de efecto final, simplificando el proceso.

III. Separación de sal combinada con MVR y criocristalización (versión de descarga cero para aguas residuales de alta salinidad)

1. Proceso

① El MVR concentra las aguas residuales de sal mixta (Na₂SO₄ + NaCl) a TDS≈250 g/L; ② El concentrado entra al cristalizador en espiral de congelación HSCC, donde la solubilidad de Na₂SO₄ cae drásticamente a 1,3 g/100 g de agua a -5 ℃, mientras que NaCl permanece en 35,7 g/100 g de agua, logrando así "nitrato de precipitación por congelación - centrifugación para obtener sal de Glauber - fusión para obtener Na₂SO₄ anhidro"; ③ El licor madre congelado se devuelve al MVR para su evaporación para eliminar NaCl.

2. Consumo de energía

Sección de evaporación 35 kWh + Sección de congelación 20 kWh ≈ 55 kWh/t de agua, vapor 0,18 t/t de agua; sin embargo, la pureza del producto es del 97-99% y la tasa de sal impura es <3%. 3. Aplicaciones: Adecuado para concentrado de ósmosis inversa, agua de mina y aguas residuales de teñido que requieren una recuperación dual de alta pureza de Na₂SO₄/NaCl; el período de recuperación de la inversión es de aproximadamente 4 años.

IV. Cristalización por evaporación a baja temperatura (<60 °C): específicamente para aguas residuales sensibles al calor y corrosivas

1. Proceso: Grado de vacío 85–95 kPa, temperatura de evaporación 45–55 ℃, utilizando vapor o agua caliente como fuente de calor de bajo grado; el vapor secundario se calienta mediante una bomba de calor o compresión mecánica y se reutiliza; el calor latente de condensación se recupera a través de un intercambiador de calor de placas de aleación de titanio; el concentrado se acerca a la saturación a baja temperatura e ingresa a un cristalizador de enfriamiento agitado, donde Na₂SO₄·10H₂O precipita a 20–25 ℃, seguido de secado por fusión para obtener un producto anhidro. 

2. Consumo de energía: 40–50 kWh por tonelada de agua, 0,1–0,15 t de vapor; el equipo montado sobre patines, que ocupa 20–30 m², puede funcionar sin supervisión.

3. Aplicable a: Licores madre que contienen alto contenido de cloro, flúor o materia orgánica de bajo punto de ebullición, como aguas residuales de precipitación de carbonato de litio, aguas residuales farmacéuticas; entornos altamente corrosivos pero con temperatura limitada.

V. Separación de sal por nanofiltración + evaporación y cristalización separadas (industria química del carbón de cero emisiones)

1. Proceso:

① Las aguas residuales de alta salinidad se separan primero en sales divalentes (SO₄²⁻) y monovalentes (Cl⁻) mediante una membrana de nanofiltración;

② El concentrado de nanofiltración (Na₂SO₄) se evapora en un evaporador de triple efecto o MVR para obtener Na₂SO₄ anhidro;

③ El permeado de nanofiltración (NaCl) se evapora en un evaporador de triple efecto o MVR para obtener NaCl;

4. Las aguas madres se someten a reflujo cruzado para garantizar la pureza de la sal. 

2. Características

Pureza de Na₂SO₄ 99%, pureza de NaCl 98%, tasa de recuperación de agua >95%, pero el sistema de membrana requiere prevención de incrustaciones y limpieza regular.

3. Aplicable a

Industria química del carbón, agua de minas y aguas residuales con alto contenido en sal provenientes del refinado, que requieren la utilización de recursos de “sal dual” y un volumen de agua >500 m³/d.

VI. Consideraciones comunes de diseño

1.Material: acero dúplex TA2/2205 para temperaturas >90℃, 316L para secciones de baja temperatura; materiales revestidos de circonio o flúor para aplicaciones que contienen flúor.

2. Prevención de incrustaciones: caudal de circulación forzada ≥1,5 m/s, adición de dispersante de ácido poliaspártico (PASP) al 0,1-0,3 %, lavado regular con agua caliente a 80 ℃ o solución alcalina al 5 %. 3. Tamaño de partícula: para partículas mayores a 150 µm, la velocidad de enfriamiento debe controlarse a 1-2 ℃/min en la sección de cristalización por enfriamiento, con un tiempo de residencia ≥30 min, y deben añadirse cristales semilla de 50-100 µm.

4. Automatización: el nivel del evaporador, la densidad y la sobresaturación se miden en línea; el torque de la centrífuga está interconectado con el reflujo del licor madre, lo que permite la descarga continua y el inicio/parada con un solo botón.

Conclusiones:

1. En caso de escasez de vapor, precios bajos de electricidad y escala de producción >5 m³/h, utilice preferentemente la ruta de circulación forzada MVR;

2. Para disponibilidad de vapor económico, escala de producción >10 m³/h y tamaño de partícula de producto general, elija evaporación de doble efecto/triple efecto;

3. Para Na₂SO₄/NaCl de alta pureza, utilice “MVR + cristalización por congelación” o “separación de sal por nanofiltración + doble evaporación”;

4. Para aplicaciones sensibles al calor, altamente corrosivas y con espacio limitado, utilice un dispositivo de cristalización por evaporación a baja temperatura montado sobre patines. Con este enfoque, el costo operativo total por tonelada de agua se puede controlar entre 25 y 45 yuanes, y la pureza del producto es ≥99%, logrando así el objetivo de aprovechamiento de recursos y cero vertidos de aguas residuales con sulfato de sodio.