Cristalización (Descarga Cero de Líquidos – ZLD)

1. Qué es cristalización?

La cristalización es la producción de un sólido (cristal o precipitado) formado desde un líquido homogéneo que es concentrado a niveles de supersaturación (concentración > solubilidad) a esa temperatura.

Los procesos de cristalización disponibles son los siguientes tres:

1. Supersaturación por enfriamiento de la solución con evaporación trivial
2. Supersaturación por evaporación del solvente con poco enfriamiento
3. Evaporación por una combinación de enfriamiento y evaporación en evaporadores adiabáticos (cristalizadores al vacío)

Los cristalizadores pueden soportar la cristalización continua de todas las sales sódicas alta y escasamente solubles, tales como el cloruro de sodio y el sulfato de sodio, sin incrustaciones y frecuencias de limpieza excesivas. Esto significa mayor consumo de energía específico (OPEX) y costos de capital específicos más altos (CAPEX).

Normalmente usan steam vivo, pero pueden también utilizar tecnología MVR (circulación forzada) para reciclar el vapor con el fin de reducir el consumo de energía y así el OPEX.  Los cristalizadores de circulación forzada concentran la purga de salmuera desde los equipos de concentración aguas arriba. A través de pequeños flujos de agua residual a veces son tratados directamente con cristalizadores de circulación forzada. Los subproductos sólidos dan la opción de recuperar valiosas sales al final del proceso de ZLD.

2. Explicación del Proceso

La cristalización ocurre en el evaporador-cristalizador de circulación forzada, donde tenemos la regeneración y aumento de cristales dentro de la solución en masa (fig. 1). El esquema del evaporador/cristalizador es seguido por un dispositivo de deshidratación (centrífuga o filtro de presión), el cual separa los cristales de sal del lodo del producto. El licor madre es retornado al cristalizador para promover la concentración.

Figura 1. Proceso del Cristalizador.

El evaporador de circulación forzada es normalmente alimentado por una fuente externa de calentamiento de steam que es usado debido al alto punto de ebullición elevada (BPR en inglés) de la solución a concentración alta. El cristalizador necesita ca. a un poco más de 1 ton de steam para evaporar 1 ton de agua.

3. Sales Altamente Solubles y Evaporador BPR

Usando un evaporador de película descendente para minimización del volumen de salmuera, estamos habilitados para remover 75% a 95% de agua. Con la presencia de sales solubles más altas en la corriente de alimentación, el último 5% a 25% de agua es difícil de evaporar.

Tomemos como ejemplo el cloruro de calcio (CaCl₂) que es la principal sal disuelta en la purga de FGD de caliza húmeda. La figura 2 muestra el incremento en la temperatura del punto de ebullición a medida que la concentración de cloruro de calcio incrementa en la solución. Las dos curvas se intersecan al límite de solubilidad de cloruro de calcio en una solución hirviente. El cloruro de calcio es muy soluble en agua; a medida que una solución es concentrada por evaporación a atmósfera (atm) 1, su punto de ebullición continúa creciendo, hasta que el límite de solubilidad de cerca del 75% en peso es alcanzado y el dihidrato de cloruro de calcio (CaCl₂2H₂O) se cristaliza fuera de la solución. La figura 2 intenta mostrar que una solución saturada de cloruro de calcio a una presión de 1 atm tiene una temperatura de ebullición de casi 176,6°C (350 F), un BPR de 58,8 °C (138 F).

Figura 2. Representación gráfica de la relación entre la temperatura de ebullición para la solución de cloruro de calcio puro contra su curva de solubilidad a presión atmosférica. A medida que el porcentaje de peso del cloruro de calcio aumenta en solución, también lo hace el punto de ebullición de la solución.  

A esta temperatura alta el cloruro de calcio, como el cloruro de manganeso (MgCl₂) y el cloruro de amonio (NH₄Cl), sostiene hidrólisis en agua, lo que significa que libera ácido hidroclórico que atacará agresivamente al acero. A mayor temperatura, mayor velocidad de hidrólisis, los recipientes evaporadores y la superficie de transferencia de calor necesitan materiales de construcción que tengan la habilidad de resistir la naturaleza extremadamente corrosiva de estas sales a concentraciones y temperaturas altas. Hay muchas aleaciones nobles costosas, tales como paladio-titanio aleado y aleaciones altas de níquel-cromo-molibdeno, que disparan el CAPEX y potencian el uso de cristalizadores económicamente desafiantes en la mayoría de las aplicaciones de ZLD.