Cristallisation (ZLD)

1. Qu'est-ce que la cristallisation ?

La cristallisation est la production d'un solide (cristal ou précipité) formé à partir d'un liquide homogène qui est concentré à des niveaux de sursaturation (concentration > solubilité) à cette température.

Les procédés de cristallisation disponibles sont les trois suivants,

1. Sursaturation par refroidissement de la solution avec évaporation triviale
2. Sursaturation par évaporation du solvant avec peu de refroidissement
3. Évaporation par une combinaison de refroidissement et d'évaporation dans des évaporateurs adiabatiques (cristallisateurs sous vide)

Les cristallisoirs peuvent supporter la cristallisation continue de tous les sels de sodium peu et hautement solubles tels que le chlorure de sodium et le sulfate de sodium, sans entartrage et fréquences de nettoyage excessifs. Cela signifie une consommation d'énergie spécifique (OPEX) plus élevée et un coût d'investissement spécifique (CAPEX) plus élevé.

Ils utilisent normalement de la vapeur vive mais peuvent également utiliser la technologie MVR (circulation forcée) pour recycler la vapeur afin de réduire la consommation d'énergie et donc l'OPEX. Les cristallisoirs à circulation forcée concentrent la purge de saumure provenant de l'équipement de concentration en amont, bien que les petits débits d'eaux usées soient parfois traités directement avec un cristallisoir à circulation forcée. Les sous-produits solides offrent la possibilité de récupérer les sels précieux à la fin du procédé ZLD.

2. Explication du processus

La cristallisation se produit dans l'évaporateur-cristalliseur à circulation forcée, où nous avons la génération et l'augmentation des cristaux dans la solution en vrac (Fig.1). Le schéma évaporateur/cristalliseur est suivi d'un dispositif de déshydratation (centrifugeuse ou filtre sous pression), qui sépare les cristaux de sel de la bouillie de produit. La liqueur mère est renvoyée dans le cristallisoir pour une concentration supplémentaire.

Fig.7, processus de cristallisation.

L'évaporateur à circulation forcée est normalement alimenté par une source externe de chauffage à la vapeur qui est utilisée en raison de la forte élévation du point d'ébullition (BPR) de la solution à forte concentration. Le cristallisoir a besoin d'env. un peu plus d'1 tonne de vapeur pour évaporer 1 tonne d'eau.

3. Sels hautement solubles et évaporateur BPR

En utilisant un évaporateur à film tombant pour minimiser le volume de saumure, nous sommes en mesure d'éliminer 75 à 95 % de l'eau. En présence de sels hautement solubles dans le flux d'alimentation, les derniers 5 à 25 % d'eau sont difficiles à évaporer.

Lorsque la concentration en ions des sels augmente, la température d'ébullition de la solution augmente également. L'augmentation de la température d'ébullition d'une solution au-dessus de celle de l'eau à une pression donnée est appelée BPR.

Prenons par exemple le chlorure de calcium (CaCl2) qui est le principal sel dissous dans la purge FGD de calcaire humide. La figure 2 montre l'augmentation de la température du point d'ébullition à mesure que la concentration de chlorure de calcium augmente dans la solution. Les deux courbes se coupent à la limite de solubilité du chlorure de calcium dans une solution bouillante. Le chlorure de calcium est très soluble dans l'eau; lorsqu'une solution est concentrée par évaporation à 1 atmosphère (atm), son point d'ébullition continue d'augmenter jusqu'à ce que la limite de solubilité d'environ 75 % en poids soit atteinte et que le chlorure de calcium dihydraté (CaCl2.2H2O) cristallise de la solution. La figure 2 montre en outre qu'une solution saturée de chlorure de calcium à une pression de 1 atm a une température d'ébullition de près de 176,6 oC (350F), un BPR de 58,8 oC (138F)

Fig.2, Représentation graphique de la relation entre la température d'ébullition d'une solution de chlorure de calcium pur et sa courbe de solubilité à pression atmosphérique. Au fur et à mesure que le pourcentage en poids du chlorure de calcium augmente en solution, le point d'ébullition de la solution augmente également.

À cette température élevée, le chlorure de calcium, comme le chlorure de magnésium (MgCl2) et le chlorure d'ammonium (NH4Cl), entretient l'hydrolyse dans l'eau, ce qui signifie qu'il libère de l'acide chlorhydrique qui attaquera agressivement l'acier. Plus la température est élevée, plus le taux d'hydrolyse est élevé, de sorte que les récipients de l'évaporateur et la surface de transfert de chaleur nécessitent des matériaux de construction capables de résister à la nature extrêmement corrosive de ces sels à des concentrations et des températures élevées. Ce sont des alliages nobles très coûteux, tels que le titane allié au palladium et les alliages à haute teneur en nickel-chrome-molybdène qui montent en flèche le CAPEX et constituent l'utilisation d'un cristalliseur économiquement difficile dans la plupart des applications ZLD.