Crystallization (ZLD)

1. Wat is kristallisatie?

Kristallisatie is de productie van een vaste stof (kristal of neerslag) gevormd uit een homogene vloeistof die geconcentreerd is tot oververzadigingsniveaus (concentratie > oplosbaarheid) bij die temperatuur.

De beschikbare kristallisatieprocessen zijn de volgende drie:

1. Oververzadiging door koeling van de oplossing met minimale verdamping
2. Oververzadiging door verdamping van het oplosmiddel met weinig koeling
3. Verdamping door een combinatie van koeling en verdamping in adiabatische verdampers (vacuümkristallisatoren)

Kristalliseerinstallaties kunnen de continue kristallisatie van alle slecht en zeer goed oplosbare natriumzouten, zoals natriumchloride en natriumsulfaat, aan, zonder overmatige kalkaanslag en reinigingsfrequentie. Dit betekent een hoger specifiek energieverbruik (OPEX) en hogere specifieke investeringskosten (CAPEX). Normaal gesproken gebruiken ze stoom, maar ze kunnen ook MVR-technologie (geforceerde circulatie) gebruiken om de stoom te recyclen en zo het energieverbruik en daarmee de OPEX te verlagen. Kristallisatoren met geforceerde circulatie concentreren pekel die vrijkomt bij de stroomopwaartse concentratieapparatuur, hoewel kleine afvalwaterstromen soms direct met een kristallisator met geforceerde circulatie worden behandeld. De vaste bijproducten bieden de mogelijkheid om de waardevolle zouten aan het einde van het ZLD-proces terug te winnen. Procesuitleg

Kristallisatie vindt plaats in de verdamper-kristallisator met geforceerde circulatie, waar kristallen worden gevormd en de hoeveelheid ervan toeneemt in de bulkoplossing (Fig. 1). Na het verdamper/kristallisator-schema volgt een ontwateringsinrichting (centrifuge of drukfilter), die de zoutkristallen scheidt van de productslurry. De moederloog wordt teruggevoerd naar de kristallisator voor verdere concentratie.

Fig. 7, Kristallisatieproces.

De geforceerde circulatieverdamper wordt normaal gesproken gevoed door een externe stoombron, die wordt gebruikt vanwege de hoge kookpuntstijging (BPR) van de oplossing bij hoge concentratie. De kristallisator heeft ongeveer iets meer dan 1 ton stoom nodig om 1 ton water te verdampen.

3. Zeer oplosbare zouten en BPR van de verdamper

Door gebruik te maken van een vallendefilmverdamper voor het minimaliseren van het pekelvolume kunnen we 75% tot 95% van het water verwijderen. In de aanwezigheid van zeer oplosbare zouten in de toevoerstroom is de laatste 5% tot 25% van het water moeilijk te verdampen.

Wanneer de ionenconcentratie van de zouten toeneemt, neemt ook het kookpunt van de oplossing toe. De toename van het kookpunt van een oplossing boven dat van water bij een gegeven druk wordt de BPR genoemd.

Laten we bijvoorbeeld calciumchloride (CaCl₂) nemen, het belangrijkste opgeloste zout in natte kalksteen-FGD-splijtstof. Figuur 2 toont de toename van het kookpunt naarmate de concentratie calciumchloride in de oplossing toeneemt. De twee curven snijden elkaar bij de oplosbaarheidsgrens van calciumchloride in een kokende oplossing. Calciumchloride is zeer goed oplosbaar in water; Wanneer een oplossing wordt geconcentreerd door verdamping bij 1 atmosfeer (atm), blijft het kookpunt stijgen, totdat de oplosbaarheidsgrens van ongeveer 75 gewichtsprocent is bereikt en calciumchloridedihydraat (CaCl₂·2H₂O) uit de oplossing kristalliseert. Figuur 2 laat verder zien dat een verzadigde oplossing van calciumchloride bij een druk van 1 atm een kooktemperatuur heeft van bijna 176,6 °C (350 °F) en een BPR van 58,8 °C (138 °F).

Fig. 2, Grafische weergave van het verband tussen de kooktemperatuur van een zuivere calciumchlorideoplossing en de oplosbaarheidscurve bij atmosferische druk. Naarmate het gewichtspercentage calciumchloride in de oplossing toeneemt, stijgt ook het kookpunt van de oplossing.

Bij deze hoge temperatuur ondergaat calciumchloride, net als magnesiumchloride (MgCl₂) en ammoniumchloride (NH₄Cl), hydrolyse in water, wat betekent dat het zoutzuur vrijgeeft dat staal agressief aantast. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de hydrolysesnelheid. Daarom moeten de constructiematerialen van verdampingsvaten en warmteoverdrachtsoppervlakken bestand zijn tegen de extreem corrosieve aard van deze zouten bij hoge concentraties en temperaturen. Dit zijn zeer dure edelmetalen, zoals palladium-gelegeerd titanium en hoogwaardige nikkel-chroom-molybdeenlegeringen, die de investeringskosten (CAPEX) enorm verhogen en het gebruik van een kristallisator economisch gezien een uitdaging maken in de meeste ZLD-toepassingen.