Evaporation (ZLD)

L'evaporazione, come l'essiccazione, rimuove le sostanze volatili da una soluzione, ma i due processi differiscono per i seguenti aspetti:

• Evaporazione
  • Rimozione della maggior parte dell'acqua da una soluzione
  • Avviene normalmente al punto di ebollizione dell'acqua
• Essiccazione
  • Rimozione di una piccola quantità di acqua (umidità) da un materiale solido
  • Avviene a temperature inferiori al punto di ebollizione ed è tipicamente influenzata dall'umidità

Gli evaporatori includono uno scambiatore di calore il cui compito è quello di far bollire la soluzione e dispongono anche di un metodo per separare il vapore dalla soluzione in ebollizione. I tipi di evaporatore possono essere classificati in base alla loro lunghezza e al posizionamento (orizzontale o verticale) dei tubi dell'evaporatore (Fig. 1), che possono essere all'interno o all'esterno del recipiente principale.

La maggior parte dei materiali non tollera le alte temperature, quindi normalmente gli evaporatori operano a pressione ridotta in modo da abbassare il punto di ebollizione (BP). Ciò significa che è necessaria una pompa a vuoto o un sistema di vuoto a eiettore a getto sull'ultimo stadio dell'evaporatore.

Fig. 1, Tipi di evaporatore. (a) Tubo orizzontale, (b) Tubo verticale, (c) Tubo verticale lungo e (d) Circolazione forzata

1. Selezione dell'evaporatore più adatto

La scelta dell'evaporatore più adatto, caso per caso, si basa su una serie di fattori, tra cui:

1. Alimentazione
2. Viscosità della soluzione (e il suo aumento durante l'evaporazione)
3. Natura del prodotto e del solvente (ad esempio, sensibilità al calore e corrosività)
4. Caratteristiche di incrostazione
5. Caratteristiche di formazione di schiuma

Tipo di evaporatore	Condizioni di alimentazione							Adatto per calore sensibili
	colspan="3">Viscosità, cP	Schiumatura	Ridimensionamento oppure Sporco	Cristalli produzione	Solidi in Sospensione
	Alto >1000			Medio 100-1000		Basso <100
Calandria (tubo corto verticale)
Circolazione forzata
Film cadente
Circolazione naturale
Pellicola agitata (passaggio singolo)
Film cadente a tubo lungo
Pellicola di sollevamento per tubi lunghi

2. Evaporatori a singolo effetto vs. a effetti multipli

Fig. 2, Configurazioni di evaporatori a singolo e a effetti multipli.

Esistono tre criteri che influenzano le prestazioni di un evaporatore:

1. Capacità (kg vaporizzati/tempo)
2. Economia (kg vaporizzati/kg di vapore in ingresso)
3. Consumo di vapore (kg/ora)

Dove Consumo = Capacità / Economia.

L'economia (o economia del vapore) è rappresentata dai chilogrammi di acqua vaporizzata da tutti gli effetti (per chilogrammo di vapore utilizzato). Per un evaporatore a singolo effetto, l'economia del vapore è di circa 0,8 (<1), il che si traduce in 0,8 tonnellate di vapore necessarie per evaporare 1 tonnellata di acqua.

Per ridurre l'economia del vapore dell'evaporatore, la progettazione a effetti multipli utilizza i vapori di scarico del prodotto per riscaldare l'effetto di evaporazione a valle e ridurre il consumo di vapore.

La capacità di un evaporatore a effetti multipli (n effetti) è circa n * capacità dell'evaporatore a singolo effetto e l'economia è circa 0,8 * n.

Gli evaporatori necessitano anche di pompe, tubi di interconnessione e valvole, necessarie per il trasferimento del liquido da un effetto all'altro, e ciò aumenta sia le spese in conto capitale (CAPEX) che le spese operative (OPEX) del processo.

	Vapore in diretta	Vapore	Economia del vapore
Impianto a 1 effetto	1 kg/h	1 kg/h	100%
Impianto a 3 effetti	1 kg/h	3 kg/h	33%

Tabella 1, Riduzione del consumo di vapore dell'evaporatore utilizzando un evaporatore a tre effetti

Evaporatore a singolo effetto (SE)

• Capacità ridotta ma spreco di energia (1 kg di vapore vaporizza 1 kg di acqua)
• La caduta di temperatura complessiva per il singolo effetto è pressoché uguale a quella per gli effetti multipli

Evaporatore a effetti multipli (ME)

• Ogni singolo effetto avrà una differenza di temperatura minore, quindi una maggiore superficie di scambio termico
• Costo iniziale più elevato
• Costo di esercizio: consumo di vapore, necessario solo per il primo effetto (1 kg di vapore vaporizza 3 kg di acqua)

3. Tipi di evaporatore

La temperatura del fluido di alimentazione ha un effetto importante sull'economia e sulle prestazioni dell'evaporatore. Se non è già al punto di ebollizione, è necessario che si verifichino effetti termici. Se il fluido di alimentazione è al di sopra del punto di ebollizione, si utilizza l'evaporazione istantanea all'ingresso.

Normalmente, la soluzione di alimentazione viene riscaldata con uno scambiatore di calore preliminare per ridurre il fabbisogno di calore per l'evaporazione, trasferendo calore dal condensato caldo al flusso di alimentazione.

Il fluido di alimentazione riscaldato viene quindi miscelato con il liquido dell'evaporatore e la miscela viene riscaldata dallo scambiatore di calore principale, che può utilizzare vapore, elettricità, olio caldo o altre forme di energia disponibili. La miscela bolle, producendo un flusso di liquido concentrato e un flusso di vapore acqueo che può essere scaricato o condensato.

L'evaporazione a compressione di vapore (VC) è stata la tecnologia ZLD standard negli ultimi decenni, recuperando circa il 95% dell'acqua dal fluido di alimentazione.

Il flusso liquido concentrato (salamoia) può quindi essere convogliato a un cristallizzatore per essere solidificato.

L'evaporazione è piuttosto costosa e non economicamente fattibile con elevate portate di alimentazione, motivo per cui al processo ZLD viene applicata una fase di preconcentrazione.

Esistono diversi tipi di evaporatori,

1. film cadente
2. film ascendente
3. circolazione forzata
4. superficie raschiata/film sottile
5. evaporatore combinato

I principali sono:

1. Evaporatori a film cadente (FFE)

Gli FFE offrono numerose funzionalità di risparmio energetico, evaporazione a effetti multipli e ricompressione meccanica del vapore. Un FFE opera a temperature molto basse e consente:

• controlli semplici
• avvio e arresto rapidi grazie a una minima ritenzione di liquido

Gli FFE sono scelti per flussi viscosi con basse concentrazioni di solidi sospesi. Un FFE ha una capacità di portata da piccola a grande.

1. Evaporatori a circolazione forzata (FCE)

A causa dell'elevata portata di circolazione e dell'evaporazione che avviene esternamente allo scambiatore di calore, gli FCE vengono scelti per flussi altamente viscosi contenenti un'alta concentrazione di solidi sospesi e contaminanti incrostanti. Hanno una capacità di portata da media a grande.

1. Evaporatori a film sottile (TFE)/Essiccatori

I TFE vengono scelti principalmente per ridurre il contenuto di acqua fino a <5% (cristallizzazione). Come gli FFE, questa tecnologia è facile da controllare e veloce da avviare e arrestare grazie a una bassissima ritenzione di liquido. I TFE sono scelti per prodotti altamente incrostanti e fluidi ad alta viscosità. Hanno una capacità di portata da bassa a media.

Il flusso di distillato degli evaporatori ha solitamente una concentrazione di solidi disciolti totali (TDS) inferiore a 10 ppm. Il metodo più utilizzato è quello dell'evaporatore a flusso continuo (chiamato anche concentratore di salamoia), che può portare la concentrazione dell'acqua di alimentazione fino a 300.000 ppm, causando un aumento del punto di ebollizione (BPR) della salamoia e richiedendo un'ampia superficie di scambio termico (elevato CAPEX) o un'elevata temperatura di riscaldamento (elevato OPEX).

4. Spiegazione del processo

Gli evaporatori possono trattare flussi ad alta concentrazione di cloruri e, teoricamente, separare l'acqua da tutte le specie disciolte, producendo un prodotto solido stabile che può essere smaltito in discarica e un'acqua distillata di alta qualità.

Le fasi del processo di evaporazione sono (Fig. 3):

• Aggiunta di sostanze chimiche (serbatoio di alimentazione)
• Preriscaldamento (preriscaldatore di alimentazione)
• Degasatura
• Evaporazione primaria (concentratore di salamoia)

Fig. 3, Processo di evaporazionediagramma di flusso e foto di un modulo reale. 

Fasi 1 e 2 L'acido viene aggiunto al serbatoio di alimentazione per neutralizzare l'alcalinità del bicarbonato, in modo che la soluzione possa essere preriscaldata negli scambiatori di calore a piastre. Vengono inoltre aggiunti anticalcare per prevenire la formazione di incrostazioni nei preriscaldatori con carbonato di calcio.

Fase 3 Il flusso preriscaldato viene degassato utilizzando il vapore dell'evaporatore (linea rossa nella Figura 3) per rimuovere l'anidride carbonica disciolta (riduzione dell'alcalinità), l'ossigeno disciolto e qualsiasi altro gas non condensabile, al fine di ridurre il rischio di corrosione dell'evaporatore.

Fase 4 La maggior parte dell'evaporazione dell'acqua avviene all'interno del concentratore di salamoia, che viene inoculato con solfato di calcio per ridurre al minimo la formazione di incrostazioni. Le acque reflue sono in genere sature di solfato di calcio, che precipiterà e formerà incrostazioni sui tubi dell'evaporatore. Utilizzando cristalli di innesco di solfato di calcio, il solfato di calcio disciolto precipita preferenzialmente sui cristalli di innesco piuttosto che sui tubi dell'evaporatore.

Il processo richiede anche energia elettrica per il ciclo di compressione meccanica del vapore (MVC). Poiché l'MVC ricicla il calore latente di vaporizzazione, l'apporto energetico è piuttosto basso,nell'ordine di 15 kWh/m³ di alimentazione. Per minimizzare le dimensioni e i costi del separatore di vapore e del compressore, l'evaporazione avviene a pressione atmosferica.

Risparmio energetico
5. Risparmio energetico

Alcuni dei metodi applicati per minimizzare il consumo energetico degli impianti di evaporazione includono:

• Sistema a effetti multipli (ME)
• Ricompressione termica del vapore (TVR)
• Ricompressione meccanica del vapore (MVR)
• Compressione meccanica del vapore (MVC)
• Utilizzo dell'energia di scarto

Per gli evaporatori, l'approccio MVC è il più diffuso.

5.1 Compressione meccanica del vapore

Nell'evaporatore MVC, il calore viene trasferito al flusso circolante condensando il vapore proveniente dal/dai compressore/i (aumentando la temperatura e la pressione del vapore). In questo modo richiede molta meno energia rispetto a un evaporatore tradizionale.

Durante il processo (Fig. 4), il vapore generato dal flusso di circolazione possiede una grande quantità di energia sotto forma di calore latente alla temperatura di ebollizione delle acque reflue. Affinché lo scambiatore di calore principale funzioni, è necessaria una temperatura più elevata. Per raggiungere la temperatura desiderata, il vapore viene compresso dal compressore di vapore. La compressione del vapore ne aumenta la pressione (e quindi anche la temperatura di saturazione) e produce il trasferimento di calore necessario nello scambiatore di calore principale, consentendo il riciclo dell'energia contenuta nel vapore e migliorando notevolmente l'efficienza energetica complessiva.

1. Le acque reflue in ingresso passano dalla pompa di alimentazione allo scambiatore di calore e quindi al flusso di circolazione.
Lo scambiatore di calore del fluido di alimentazione trasferisce il calore sensibile dal condensato caldo al fluido di alimentazione più freddo.

Fig. 4, Processo di compressione meccanica del vapore

2. La pompa di ricircolo fa circolare le acque reflue dal serbatoio di separazione attraverso lo scambiatore di calore principale, fino alla piastra forata e di nuovo nel serbatoio di separazione. Il calore latente del vapore compresso viene trasferito alle acque reflue tramite lo scambiatore di calore principale.
3. Una piastra forata viene utilizzata per ridurre la pressione del flusso di circolazione. La pressione a valle è sufficientemente bassa da consentire la vaporizzazione del flusso di circolazione in componenti liquide e gassose.
4. Il liquido e il vapore fluiscono quindi nel serbatoio di separazione dove vengono separati. Il vapore liquido esce dal serbatoio dal basso e rifluisce verso la pompa di ricircolo. Il flusso di vapore esce dal serbatoio dall'alto e fluisce verso il/i compressore/i di vapore.
5. Nella parte superiore del serbatoio di separazione è presente un filtro nebulizzatore per rimuovere le piccole goccioline di liquido dal vapore.
6. Il compressore di vapore comprime il vapore (aumentandone la temperatura e la pressione) e lo invia allo scambiatore di calore principale, dove trasferisce il suo calore latente alle acque reflue nel circuito di ricircolo.
7. La condensa ad alta temperatura esce dallo scambiatore di calore principale e fluisce nel serbatoio di condensazione, dove il vapore residuo viene separato. La condensa calda viene quindi pompata allo scambiatore di calore di alimentazione, dove trasferisce calore sensibile alle acque reflue in ingresso.
8. Una volta raggiunto lo stato stazionario alla concentrazione desiderata, le acque reflue concentrate vengono scaricate dal circuito di ricircolo tramite la valvola di residuo. A seconda del bilancio energetico, è possibile aggiungere energia al sistema tramite riscaldatori elettrici/vapore di processo oppure rimuovere l'energia in eccesso dal sistema tramite la valvola di sicurezza del vapore.