Sistema de cristalización por evaporación MVR de sulfato de sodio y sulfato de litio de 10 t/h

El sistema de cristalización por evaporación MVR de sulfato de sodio y sulfato de litio de 10 t/h representa un nuevo hito para nuestra empresa en el campo del vertido cero de aguas residuales con alto contenido salino procedentes de materiales funcionales de tierras raras. El proyecto validó la fiabilidad y la rentabilidad del proceso combinado de separación por temperatura y presión + MVR + DTB para sistemas complejos de sulfato. En el futuro, seguiremos optimizando la eficiencia del compresor y la profundidad de separación del litio y el sodio, ofreciendo a más empresas de tierras raras, baterías de litio y materiales para nuevas energías soluciones integradas de bajo consumo y alto valor añadido para el vertido cero de aguas residuales con alto contenido salino.

I. Antecedentes del proyecto 

Este propietario produce anualmente 5.000 toneladas de óxido de itrio, óxido de terbio y carbonato de litio de alta pureza para baterías de iones de litio. El proceso de producción genera una gran cantidad de sulfato líquido residual mixto: Na₂SO₄ 120-140 g/L, Li₂SO₄ 45-55 g/L, DQO 2.000 mg/L, F⁻ 800 mg/L, a una temperatura de 65 °C. El evaporador original de triple efecto consumía 0,33 t de vapor por t de agua, y la coprecipitación de Li₂SO₄ y Na₂SO₄ resultó en una baja pureza del producto, lo que lo hizo invendible. En 2024, la empresa lanzó una actualización de "cero emisiones". Nuestra empresa entregó un sistema de cristalización por evaporación MVR de sulfato de sodio y sulfato de litio de 10 t/h (volumen de agua de evaporación) bajo el modelo EPC. Se puso en marcha con éxito en abril de 2025 y ha estado funcionando ininterrumpidamente durante más de 8000 horas. El consumo de vapor es ≤0,08 t/t de agua, la pureza del Li₂SO₄ es ≥99,2 % y el Na₂SO₄ cumple con la norma de Clase I GB/T6009-2014. Sus ingresos anuales ascienden a 32 millones de yuanes, lo que lo ha convertido en un modelo de demostración para el tratamiento de líquidos residuales con alto contenido de sal en la industria de tierras raras.

II. Ruta del proceso

1. Características de la solución cruda

·  Elevación del punto de ebullición Δb = 10℃ (sal mixta 22%, 70 kPa·A)

Las curvas de solubilidad de las dos sales difieren significativamente: Li₂SO₄ 1,34-1,54 g/100 gH₂O en el rango de 80-95 °C, Na₂SO₄ 42,7-43,8 g/100 gH₂O, lo que cumple las condiciones para la cristalización gradual. Contiene F⁻, DQO y una pequeña  cantidad  de  iones de tierras raras, lo que requiere pretratamiento para evitar la formación de incrustaciones y la contaminación del producto.

2. Resumen del proceso

·  Solución cruda → Precipitación de alta densidad (Ca(OH)₂ + Na₂CO₃) Elimina F⁻ y calcio, Ca ≤ 20 mg/L → Lecho de intercambio catiónico de ácido débil (resina de tipo Li, tierras raras ≤0,5 mg/L) → Precalentamiento de dos etapas (condensado + vapor secundario) → Evaporación de primera etapa MVR (película descendente + circulación forzada, 90 ℃) → Cristalizador DTB A (precipitación preferencial de Li₂SO₄) → Centrifugación → Secado en lecho fluidizado → Envasado de Li₂SO₄·H₂O de grado batería

·  Licor madre → Evaporación de segunda etapa MVR (-80 kPa, 55 ℃) → Cristalizador DTB B → Centrifugación de Na₂SO₄ decahidrato → Secado → Envasado de sulfato de sodio

·  Ambas etapas de vapor secundario utilizan un único compresor centrífugo tipo caja de aumento de velocidad, con un aumento de temperatura de 20 ℃, una relación de compresión de 1,8 y una eficiencia adiabática ≥85 %.

3. Innovaciones clave

Cristalización en dos  etapas con control de temperatura y presión: La etapa de alta temperatura controla la densidad a 1,28 g/cm³ para introducir los cristales semilla; la etapa de baja temperatura utiliza precipitación flash al vacío de nitrato decahidratado, con un coeficiente de separación de Li/Na ≥98 %. Lavado en línea + etapa de sal: Tiempo de residencia en la sección de sal de Li: 60 min, d50 = 0,9 mm; Tiempo de residencia en la sección de sal de Na: 45 min, d50 = 1,2 mm, CV ambos ≤5 %.

·  Extracción de litio mediante reflujo de licor madre: el licor madre rico en litio se devuelve a la primera etapa para mantener una concentración de Li de 55 g/L, con una tasa de recuperación de Li del sistema >98%.

·  CIP inteligente: la limpieza automática con ácido cítrico/EDTA se inicia cuando la diferencia de temperatura de la pared del tubo es >2 ℃ o el vacío cae 3 kPa, lo que extiende el ciclo de limpieza de 4 días a 18 días.

III. Configuración del equipo

·  Evaporador: placa tubular compuesta de acero inoxidable dúplex 2205 + titanio TA10, superficie total de intercambio de calor 960 m², margen de diseño 25%, lo que garantiza cinco años de funcionamiento sin fugas.

·  Compresor: Centrífuga tipo caja con aumento de velocidad, accionamiento por motor + caja de engranajes, diámetro del impulsor 1,2 m, velocidad lineal ≤285 m/s, valor de vibración <1,0 mm/s, vida útil de diseño 100.000 h.

·  Cristalizador: Dos unidades DTB de Φ2200×4500mm, tubos guía incorporados + anillos deflectores, manteniendo la densidad de la pulpa en 25-30%.

·  Centrífuga: LW520×2500-N, factor de separación 1500, la sección de lavado utiliza licor madre enfriado a 3 ℃ para reducir el arrastre de Na.

·  Secado: Lecho fluidizado circulante de circuito cerrado, protección de nitrógeno, contenido de oxígeno <3%, temperatura del producto ≤55℃, evitando la transición de fase de deshidratación de Li₂SO₄.

IV. Automatización y seguridad

·  Sistema de control automático Kang Jinghui: Control predictivo multivariado para tasa de evaporación, relación de compresión, densidad de licor madre y analizador en línea Li⁺ (ICP-OES), con fluctuaciones de ±2%.

·  SIS redundante dual: 18 enclavamientos que incluyen sobretensión del compresor, contenido de oxígeno >8 %, temperatura >100 ℃ y fuga de F⁻ >1 mg/L, con un tiempo de respuesta <300 ms.

V. Datos operativos (evaluación del desempeño, julio de 2025)

·  Tasa de evaporación: 10000 kg/h (Diseño 10000)

·  Vapor vivo: 0,08 t/t de agua (Diseño 0,10)

·  Consumo de energía: 26 kWh/t agua (Compresor + Bomba de circulación + Bomba de vacío + Unidad de refrigeración)

·  Agua de refrigeración: 1,2 t/t de agua (32℃→38℃)

·  Salida: Li₂SO₄·H₂O 2,1 t/d, pureza 99,3%, Na≤0,15%; Na₂SO₄ anhidro 14 t/d, blancura ≥88%, Li≤0,05%.

VI. Beneficios económicos y ambientales

·  Ahorro anual de vapor de 26.000 toneladas, equivalente a 2.900 toneladas de carbón estándar, y reducción de carbono de 7.600 toneladas.

·  Ahorro anual en costos operativos de 6,5 millones de yuanes (vapor + eliminación subcontratada).

·  Ventas de Li₂SO₄ de grado batería a 18.000 yuanes/tonelada y de sulfato de sodio a 550 yuanes/tonelada, lo que resultó en unos ingresos anuales adicionales de 32 millones de yuanes.

·  Periodo de recuperación de la inversión de 1,4 años.

VII. Testimonios de clientes

El MVR de dos etapas separa completamente el litio y el sodio. El compresor ha funcionado durante 8000 horas sin fallos. La pureza de las sales de litio se ha mantenido estable, al nivel de la batería, lo que ha solucionado por completo el problema de las aguas residuales de tierras raras.