WO2023170328A1 - Proceso para el tratamiento de aguas y suspensiones acuosas con elevados contenidos de sales, amoníaco, ácido sulfhídrico y materia orgánica - Google Patents

Proceso para el tratamiento de aguas y suspensiones acuosas con elevados contenidos de sales, amoníaco, ácido sulfhídrico y materia orgánica Download PDF

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Gustavo FERNÁNDEZ GARCÍA
Antonio VALERO HERNÁNDEZ
Sergio Melero Talavera
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Química Técnica Ecológica, S.L.U.
Beda Water Engineering, S.L.
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Definitions

  • the present invention refers to a process for the treatment of water and aqueous suspensions with high loads of ammonia, hydrogen sulfide, salts and organic matter, such as leachates from landfills. , digestates from anaerobic digestion plants, aqueous sludge, saline rejects from reverse osmosis plants, slurry and all types of aqueous solutions and/or suspensions with high loads of inorganic/organic salts and organic matter and the reagents used therein.
  • This process allows the salts and organic matter to be separated from the aqueous suspension, evaporating the solvent from the solutes, so that both the salts and the organic matter can be reused in other production processes, also obtaining a high volume of water ( or other solvent) with low conductivity and organic load, suitable for reuse in different industrial processes.
  • One of the methods that manages to separate the water (or other solvent) from the mixture of salts + organic matter is evaporation by aerosol emission or atomization.
  • atomizer manufacturers use the hot air generated in combustion processes (steam, fuel, gas or thermal oil) as a heat source, either directly or indirectly.
  • combustion processes steam, fuel, gas or thermal oil
  • the atomizer uses the same combustion gases from liquid or gaseous fuels to heat the drying air. This mixture comes into direct contact with the product to be dried.
  • any thermal source is used to heat the drying air through a heat exchanger.
  • any thermal source is used to heat the drying air through a heat exchanger.
  • only hot atmospheric and/or previously filtered air is used.
  • the objective of the present invention is to provide a process for the treatment of aqueous suspensions/solutions that have a high content of ammonia and hydrogen sulfide together with inorganic/organic salts as well as dissolved organic matter, obtaining three fractions; one of mixing part of the inorganic/organic salts contained in the suspension and part of the organic matter, another where we will have the solvent, mainly water and a third of ammonia in the form of organic/inorganic salt along with the rest of the salts present in the aqueous solution not separated in the first fraction.
  • the present invention also discloses the reagents necessary in said process.
  • the present invention discloses a process for the treatment of aqueous suspensions that have a high value of conductivity, NH 3 , H 2 S, phosphorus, alkalinity and COD, such as landfill leachate, slurry or digestate from a digester. anaerobic, which includes the following stages:
  • STEP 1 Separate the alkalinity and hydrogen sulfide from the aqueous suspension.
  • Ca 2+ in the form of Ca(OH) 2 or CaO
  • the H 2 CO3/HCO3' content is separated and transformed into a precipitate of CaCOs.
  • Fe 3+ manages to separate, at alkaline pH, colloidal organic matter and H 2 S in the form of a Fe 2 S3 precipitate.
  • a precipitation reactor (FIG1-PHASE A) where a mixture of Ca(OH) 2 or CaO will be added to the aqueous suspension to be treated (slurry, digestate, leachate, etc.), along with iron salts; Fe 2 (SO4)3 and/or FeC, in a weight percentage ratio that varies from 50:50 to 99:1 in Ca:Fe, respectively.
  • a slurry is prepared with water, which is added to the aqueous suspension, until a value of 9.5 ⁇ pH ⁇ 10.0 is reached.
  • FS1 solid fraction 1
  • FL1 liquid fraction 1
  • This precipitate, FS1 is formed quantitatively at values of 9.5 ⁇ pH ⁇ 10.0, where NH 3 represents 99% of the NHs/NhV species and there is less than one 1% of the NH 4 + ion.
  • the precipitate (FS1) is mechanically separated from the liquid fraction (FL1), the latter being the one that will serve as feed to STAGE 2.
  • STAGE 2 Separate from the liquid fraction 1, FL1, at the exit of STAGE 1, the phosphorus, which already has values of 9.5 ⁇ pH ⁇ 10.0, is found in FL1 as H 2 PO 4 7HPO 4 2 ' .
  • Ca 2+ in the form of Ca(OH)2 or CaO
  • the phosphorus content solubilized by the presence of NH3 at basic pH, is transformed into calcium hydrogen phosphate, CaHPO4, insoluble and easily separable by decantation.
  • the addition, together with Ca 2+ , of Al 3+ /Fe 3+ salts, also manages to separate colloidal organic matter.
  • This precipitate, FS2 is formed quantitatively at values of 10.5 ⁇ pH ⁇ 11.5, where NH3 represents more than 99% of the NH3/NH 4 + species and there is less than 1% of the NH 4 + ion. .
  • the precipitate, FS2 is mechanically separated from the liquid fraction 2, FL2, the latter being the one that will serve as feed to STAGE 3.
  • STAGE 3 After the separation of the alkalinity/phosphorus/hydrogen sulfide + colloidal fraction of the organic matter and with the liquid fraction output from STAGE 2, FL2, at a value of 10.5 ⁇ pH ⁇ 11.5, the procedure will proceed. to the separation of ammonia.
  • an Ol (Reverse Osmosis) membrane system will be used, RO1 (FIG 1-STAGE3), which will filter FL2 obtaining two fractions; A permeate, P1, free of organic matter and salts and a rejection, R1, where we will have the soluble organic matter along with the salts that have not precipitated in STAGES 1 and 2, that is, sodium, potassium and magnesium salts mainly.
  • NH3 is distributed equally in the two fractions obtained in RO1 fed with FL2: P1 and R1.
  • STEP 4 The permeate fraction obtained from plant 0.1.1 of STEP3, P1, is neutralized to 6.5 ⁇ pH ⁇ 7.0 with the addition of inorganic and/or organic acid.
  • HCI, H2SO4, HNO3, H3PO4 etc... as inorganic acids and with lactic, glycolic, oxalic acid etc... as organic acids or mixtures of both.
  • the neutralization of P1 it will enter a second system of RO membranes, the RO2, which will generate two currents, one of permeate, P2, corresponding to water of very low conductivity and a rejection, R2, where and working at high pressures.
  • STEP 5 The rejection fraction R1 of the plant 0.1.1, is neutralized to 6.5 ⁇ pH ⁇ 7.0 using the same organic/inorganic acid composition of STEP 4, on P1.
  • This neutralized R1 fraction is subsequently treated by an ultrafiltration system.
  • the ultrafiltration plant working at a molecular weight cut-off of 10,000 to 100,000 Daltons, will separate the high molecular weight organic matter as well as solids in suspension from neutralized R1, in the rejection stream, R3, while in the permeate, P3, we will have a liquid solution with a saline concentration of approximately 80g/l and with the presence of soluble organic matter.
  • the rejection, R3, will be redirected to the head of the treatment system, stage 1, while the permeate, P3, a fraction that represents more than 95% of the inlet flow to the UF plant, will feed the crystallization system by aerosol emission. .
  • R2 Saline solution of ammoniacal salts at a maximum concentration of 80g/l.
  • P3 Saline solution of sodium, potassium, magnesium and ammonia salts at a concentration of 80g/l, equivalent to 20% of the initial volume of FL1, for conductivity values of 10mS/cm in FL1 STEP 6, the object of this patent, consists of the atomization, separately or together, of the R2 and P3 fractions.
  • the pressure and flow rate of the compressed air used in atomization will depend, in each case, on the type of pneumatic nozzle, which will indicate the title of the cloud formed depending on the pressure and flow rate of the liquid that feeds the nozzle and the flow rate and pressure of the air. coming from the compressor.
  • This stream of hot and dry air that will mix with the cloud of liquid atomized inside the pneumatic nozzle comes from a compressor that, working at low pressure, between 1 and 5 bar, generates a volume of dry air at a certain temperature. .
  • the pump that drives the liquid into the pneumatic nozzles will work with a pressure of between 1 and 10 bar, which will depend on the performance indicated on the nozzle.
  • the feeding to the pneumatic nozzles will preferably be carried out with centrifugal pumps. Its configuration will depend on the working pressure, delivery flow to the pneumatic nozzle and type of liquid to be pumped (viscosity, presence of solids, temperature, pH, etc).
  • the air and water flow will be controlled at the entrance to the crystallization reactor by means of an assembly that includes, before entering each pneumatic nozzle, a shut-off valve, filter and pressure regulator for both the water circuit.
  • an assembly that includes, before entering each pneumatic nozzle, a shut-off valve, filter and pressure regulator for both the water circuit.
  • Pneumatic atomizers mix compressed air (or other gas), together with the liquid to be sprayed, produce a fine atomizing spray.
  • the spray combination is made up of a liquid nozzle and an air nozzle that determine the different flow rates and spray shape.
  • the mixture of air and liquid to be sprayed can be internal or external.
  • the liquid In internal mixing, the liquid is mixed with air inside the nozzle to produce a perfectly atomized spray. In external mixing, the liquid mixture is obtained outside the air nozzle.
  • the second stream of hot air is generated from a system of thermal solar panels. These directly or indirectly heat a current of atmospheric air that enters tangentially, downstream, into the crystallization chamber, perpendicular to the atomization cloud and which will capture the humidity of the microdroplets generated at the outlet of the atomizers.
  • the hot air generated by the solar panels transports the atomized liquid through the interior of the crystallization chamber, while at the same time it manages to evaporate the water present in it, while the current that generates and transports the microdroplets comes from a low pressure screw compressor.
  • the low-pressure compressor generates a volume of hot, dry air, which is used to generate and transport microdroplets at the outlet of the pneumatic atomizers, with a size of 10pm to 100pm.
  • This cloud of microdroplets generated at the outlet of the atomizers enters the crystallizer, perpendicular to the longitudinal axis of the crystallization chamber, through its upper part, mixing intimately with the current of hot atmospheric air generated by the solar panels, which enters tangentially.
  • the hot air that transports the atomized liquid at the outlet of the pneumatic nozzle is generated in a compressor that produces a volume of hot air of 2,000 m 3 /h at 1.5 bar, with an outlet temperature, after the valve cutting, 132°C.
  • This flow of pressurized, hot and dry air will be used as a vehicle for generating the liquid droplets (dissolution/suspension) atomized at the outlet of the pneumatic nozzle, which will join the dry air stream generated by the solar panels.
  • the most commonly used atomizer is the conical-based chamber atomizer.
  • the atomization is carried out on a cylindrical atomizer, from its upper part, where the flow of dry air from the parabolic system enters it tangentially, describing an elliptical path inside the atomization reactor, which It allows us that and before the exit of the air+droplets thereof, it travels the perimeter of the reactor n times, depending n on the height of the atomization reactor and the speed of the air.
  • the collection of the solid generated inside the atomizer chamber is done by installing a cyclone with tangential, helical, axial or spiral inlet.
  • the cyclone separates the dried solids inside the atomizer from the air stream with greater or lesser efficiency, depending on the particle size, cyclone dimension, etc....
  • the average dust loss in a normal high-efficiency cyclone should not exceed 0.5%, however, environmental standards may determine that this value is too high, so a final cleaning of the air will be needed before its emission into the atmosphere.
  • Bag filters are usually used for final air cleaning.
  • a Venturi system wet scrubbers
  • the cyclone outlet air is accelerated at high speed to one of the Venturi inlets, while and through the other, a flow of the solution to be evaporated is circulated.
  • the mixture of the liquid solution to be evaporated-air inside the Venturi allows the dust present in the air to dissolve in the same stream of solution/dissolution to be treated.
  • the air and the liquid are separated again, the air through the central duct and the liquid through the lower outlet to return to the tank, fed by a recirculation pump, one part and the other as a purge of the system to the spray/atomization drying system.
  • the feed solution stream that is recirculated in the vent system is loaded with solids to the point where it is purged along with the feed solution/suspension to the atomizer, so that it is again atomized with the fresh suspension/solution.
  • Control of the operation of the spray separator is by:
  • Air flow at the atomizer inlet pneumatic spray nozzles
  • Liquid/solution flow rate at the atomizer inlet pneumatic spray nozzles
  • control of the amount of solvent evaporated from the solution/suspension of inorganic/organic salts + organic matter will be a function of the T a and pressure inside the spray separator.

Abstract

La presente invención se refiere a un proceso para el tratamiento de aguas y suspensiones acuosas con elevadas cargas en amoníaco, ácido sulfhídrico, sales y materia orgánica, tales como lixiviados de vertederos, digestatos de plantas de digestión anaerobia, lodos acuosos, rechazos salinos de plantas de osmosis inversa, purines y todo tipo de disoluciones y/o suspensiones acuosas con elevadas cargas de sales inorgánicas/orgánicas y materia orgánica y los reactivos utilizados en el mismo. Dicho proceso permite separar las sales y la materia orgánica de la suspensión acuosa, evaporando el solvente de los solutos, de manera que tanto las sales como la materia orgánica se puedan reutilizar en otros procesos productivos, obteniendo, además, un elevado volumen de agua (u otro solvente) de baja conductividad y carga orgánica, apta para ser reutilizada en diferentes procesos industriales.

Description

PROCESO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS Y SUSPENSIONES ACUOSAS CON ELEVADOS CONTENIDOS DE SALES, AMONÍACO, ÁCIDO SULFHÍDRICO Y MATERIA ORGÁNICA
DESCRIPCIÓN
Objeto de la invención
La presente invención, de acuerdo a como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un proceso para el tratamiento de aguas y suspensiones acuosas con elevadas cargas en amoníaco, ácido sulfhídrico, sales y materia orgánica, tales como lixiviados de vertederos, digestatos de plantas de digestión anaerobia, lodos acuosos, rechazos salinos de plantas de osmosis inversa, purines y todo tipo de disoluciones y/o suspensiones acuosas con elevadas cargas de sales inorgánicas/orgánicas y materia orgánica y los reactivos utilizados en el mismo. Dicho proceso permite separar las sales y la materia orgánica de la suspensión acuosa, evaporando el solvente de los solutos, de manera que tanto las sales como la materia orgánica se puedan reutilizar en otros procesos productivos, obteniendo, además, un elevado volumen de agua (u otro solvente) de baja conductividad y carga orgánica, apta para ser reutilizada en diferentes procesos industriales.
Antecedentes de la invención
En la actualidad, las industrias que generan aguas de proceso con elevadas cargas salinas y orgánicas son tratadas por gestores de residuos, que utilizan todo tipo de tecnologías: Tratamientos físico-químicos, tratamientos biológicos, sistemas de evaporación, tratamiento de membranas, procesos de oxidación etc..., pero ninguno de ellos consigue separar y reutilizar cada una de las fracciones presentes en las suspensiones acuosas de materia orgánica y sales. Lo mismo ocurre con el lixiviado generado en los vertederos de RSU (Residuos Sólidos Urbanos), o bien los purines de granjas intensivas y el digestato generado en digestores anaerobios, que en su mayoría son utilizados directamente como enmienda orgánica en agricultura.
Uno de los métodos que consigue separar el agua (u otro solvente) de la mezcla de sales + materia orgánica es el de evaporación por emisión de aerosoles o atomización.
Un libro de texto estándar sobre la tecnología por atomización es Masters, Keath : Spray Drying Handbook, 5a edición, (Longman Scientific&Technical 1991). Existen diferentes patentes referidas a procesos de secado por atomización como la patente 5.632.100 que describe la utilización de un lecho fluidizado en el fondo de la cámara de secado de un atomizador, así como de equipos colectores de partículas. O el documento WOP 97/14288 dónde se sugiere la incorporación de filtros de gas rígidos dentro de la cámara de atomización. En la patente DK99/00304 se describe procedimiento e instalación de secado por atomización.
Todos los fabricantes de atomizadores utilizan como fuente de calor el aire caliente generado en procesos de combustión (vapor, fuel, gas ó aceite térmico), ya sea de forma directa ó indirecta. En el primero de los casos, el atomizador utiliza los mismos gases de combustión de combustibles líquidos o gaseosos para calentar el aire de secado. Esta mezcla entra en contacto directo con el producto a secar.
En el caso de secado indirecto, se utiliza cualquier fuente térmica para calentar el aire de secado a través de un intercambiador de calor. En este caso solamente se utiliza aire caliente atmosférico y/o previamente filtrado
La utilización de gases de combustión de combustibles líquidos ó gaseosos, generan la siguiente reacción:
CH4 + 2 O2 - ► CO2 + 2 H2O (Ejemplo para combustión de gas natural)
De esta forma, por cada mol de metano que se consume, se generan dos moles de agua. Este aporte de humedad al aire caliente de secado hace que la capacidad de evaporación de éste, en el secado directo, sea muy inferior a la de un aire atmosférico calentado a la misma temperatura, con lo que el consumo energético en el primero de los casos es muy elevado.
En el caso del secado indirecto, el rendimiento aún es inferior al del secado directo, por la pérdida energética que supone el bajo aprovechamiento del intercambiador de calor.
En ningún caso se utiliza como vehículo de atomización, una corriente de aire caliente y seco procedente de un compresor, trabajando a baja presión, junto con una segunda corriente de aire caliente generada a través de energía solar como vehículo de secado. En este caso, se consigue un aire caliente y muy seco, con una elevada capacidad de adsorción de agua.
Tampoco se divulga en ningún documento, el pretratamiento de las soluciones acuosas con elevados contenidos en materia orgánica, amoníaco (NH3), ácido sulfhídrico (H2S) y sales inorgánicas/orgánicas antes de su entrada al sistema de cristalización, que permita obtener y valorizar sales, materia orgánica y agua.
Descripción de la invención
La presente invención tiene como objetivo, por tanto, proporcionar un proceso para el tratamiento de las suspensiones/disoluciones acuosas que presentan un contenido elevado en amoníaco y ácido sulfhídrico junto con sales inorgánicas/orgánicas así como materia orgánica disuelta, obteniendo tres fracciones; una de mezcla de parte de las sales inorgánicas/orgánicas contenidas en la suspensión y parte de la materia orgánica, otra dónde tendremos el solvente, agua principalmente y una tercera de amoníaco en forma de sal orgánica/inorgánica junto con el resto de las sales presentes en la solución acuosa no separadas en la primera fracción. La presente invención también divulga los reactivos necesarios en dicho proceso.
La presente invención divulga un proceso para el tratamiento de suspensiones acuosas que presentan un elevado valor de conductividad, NH3, H2S, fósforo, alcalinidad y de D.Q.O., tales como un lixiviado de vertedero, un purín o bien el digestato de un digestor anaerobio , que comprende las siguientes etapas:
ETAPA 1 : Separar de la suspensión acuosa la alcalinidad y el ácido sulfhídrico. Mediante la adición de Ca2+, en forma de Ca(OH)2 o de CaO, se separa el contenido de H2CO3/HCO3' que se transforma en un precipitado de CaCOs. La adición de Fe3+, consigue separar, a pH alcalinos, materia orgánica coloidal y H2S en forma de precipitado de Fe2S3. Para ello utilizaremos un reactor de precipitación (FIG1-FASE A) dónde se adicionará, sobre la suspensión acuosa a tratar (purín, digestato, lixiviado, etc....), una mezcla de Ca(OH)2 o CaO, junto con sales de hierro; Fe2(SO4)3 y/o FeC , en una proporción en porcentaje en peso , que varía desde 50:50, hasta 99:1 en Ca:Fe, respectivamente. Con esta mezcla de Ca:Fe, se prepara una lechada con agua, que es la que se adiciona sobre la suspensión acuosa, hasta alcanzar un valor de 9,5 < pH < 10,0. La adición de la lechada de Ca2+/Fe3+ , ya sea como Ca(OH)2 + Fe2(SÜ4)3 y/o FeCh ó bien como CaO + Fe2(SO4)3 y/o FeCh, sobre el reactor 1 , con agitación, genera la formación de un precipitado mixto de CaCOs + Fe2Ss + CaSÜ4 + parte de la materia orgánica coloidal presente en la suspensión acuosa, FS1 (fracción sólida 1 ), precipitado que es separado de la fracción líquida, FL1 (fracción líquida 1 ), por decantación. Este precipitado, FS1 , se forma cuantitativamente a valores de 9,5 < pH < 10,0, dónde el NH3 supone un 99% de la especie NHs/NhV y hay menos de un 1 % del ión NH4 +. Tras la decantación en el Reactor 1 (FIG 1 ), se procede a la separación mecánica del precipitado (FS1 ) de la fracción líquida (FL1 ), siendo ésta última la que servirá de alimentación a la ETAPA 2.
ETAPA 2 : Separar de la fracción líquida 1 , FL1 , a la salida de la ETAPA 1 , el fósforo, que y a valores de 9,5 < pH < 10,0, se encuentra en FL1 como H2PO47HPO4 2' . Mediante la adición de Ca2+, en forma de Ca(OH)2 o de CaO, el contenido en fósforo .solubilizado por la presencia de NH3 a pH básicos, se transforma en hidrogeno fosfato cálcico, CaHPO4, insoluble y fácilmente separable por decantación. La adición, junto con el Ca2+, de sales de Al3+/Fe3+, consigue, además, separar materia orgánica coloidal. Para separar el fósforo de FL1 , utilizaremos un reactor de precipitación (FIG1 -ETAPA 2) dónde se adicionará, a FL1 , una mezcla de Ca(OH)2 o CaO, junto con una mezcla de sales de aluminio y hierro; AI2(SO4)3, Fe2(SO4)3, AICI3 y/o FeCh, en una proporción en porcentaje en peso , que varía desde 50:25:25, hasta 98:1 :1 en Ca:AI:Fe, respectivamente. Con esta mezcla de Ca:AI:Fe se prepara una lechada con agua, que es la que se adiciona en el reactor 2 sobre la FL1 , hasta alcanzar 10,5 < pH < 11 ,5. La adición de la lechada de Ca2+/AI3+/Fe3+ , ya sea como Ca(OH)2 + AI2(SO4)3 y/o AICI3 + Fe2(SO4)3 y/o FeCh ó bien como CaO + Al2(SO4)3 y/o AICI3 + Fe2(SO4)3 y/o FeCh, sobre el reactor 2, con agitación, genera, a 10,5 < pH < 11 ,5, la formación de un precipitado mixto de CaHPO4 + parte de la materia orgánica coloidal presente en la suspensión acuosa, precipitado que es separado de la fracción líquida por decantación. Este precipitado, FS2, se forma cuantitativamente a valores de 10,5 < pH < 11 ,5, dónde el NH3 supone más de un 99% de la especie NH3/NH4 + y hay menos de un 1 % del ion NH4 +. Tras la decantación en el Reactor 2(FIG 1 ), se procede a la separación mecánica del precipitado, FS2, de la fracción líquida 2, FL2, siendo ésta última la que servirá de alimentación a la ETAPA 3.
ETAPA 3: Tras la separación de la alcalinidad/fósforo/sulfhídrico + fracción coloidal de la materia orgánica y con la fracción líquida de salida de la ETAPA 2, FL2, a un valor de 10,5 < pH < 11 ,5 , se procederá a la separación del amoníaco. Para ello se utilizará un sistema de membranas de O.l. (Osmosis Inversa), O.I.1 (FIG 1-ETAPA3), que filtrarán FL2 obteniendo dos fracciones; Un permeado, P1 , libre de materia orgánica y de sales y un rechazo, R1 , dónde tendremos la materia orgánica soluble junto con las sales que no han precipitado en las ETAPAS 1 y 2, esto es, sales sódicas, potásicas y magnésicas principalmente. El NH3 se reparte de igual forma en las dos fracciones obtenidas en la O.I.1 alimentada con FL2: P1 y R1. ETAPA 4: La fracción del permeado obtenida de la planta 0.1.1 de la ETAPA3, P1, es neutralizada hasta 6,5 < pH < 7,0 con adición de ácido inorgánico y/o orgánico. Trabajaremos con HCI, H2SO4, HNO3, H3PO4 etc... cómo ácidos inorgánicos y con ácido láctico, glicólico, oxálico etc... cómo ácidos orgánicos ó mezclas de ambos. Tras la neutralización de P1 , ésta entrará en un segundo sistema de membranas de O.I., la O.I.2, que generará dos corrientes, una de permeado, P2, correspondiente a agua de muy baja conductividad y un rechazo, R2, dónde y trabajando a altas presiones(70 a 84 bar), tendremos una solución salina neutra de una concentración cercana a 80g/l en sales amoniacales. Las sales amoniacales obtenidas en R2 serán orgánicas y/o inorgánicas , según sea el ácido utilizado en la neutralización de la ETAPA 4. Así, podemos obtener una solución de lactato amónico utilizando ácido láctico ó bien nitrato amónico si utilizamos ácido nítrico como ácido en la neutralización de P1 en la ETAPA 4.
ETAPA 5: La fracción de rechazo R1 de la planta 0.1.1 ,, es neutralizada hasta 6,5 < pH < 7,0 utilizando la misma composición de ácido orgánico/inorgánico de la ETAPA 4, sobre P1. Esta fracción R1 , neutralizada, es posteriormente tratada por un sistema de ultrafiltración. La planta de ultrafiltración, trabajando a un corte de peso molecular de 10.000 a 100.000 Daltons, conseguirá separar la materia orgánica de alto peso molecular así como sólidos en suspensión de R1 neutralizada, en la corriente de rechazo, R3, mientras que en la corriente del permeado, P3, tendremos una solución líquida de una concentración salina de 80g/l aproximadamente y con presencia de materia orgánica soluble. El rechazo, R3, será reconducido a cabecera del sistema de tratamiento, etapa 1 , mientras que el permeado, P3, fracción que supone más del 95% del caudal de entrada a la planta de UF, alimentará al sistema de cristalización por emisión de aerosoles.
En resumen y partiendo de un líquido con elevadas cargas salinas, NH3, H2S y carga orgánica, con el pretratamiento descrito en las ETAPAS 1 a 5, hemos conseguido separar: FS1 : CaCOs + Fe2Ss + materia orgánica coloidal FS2: CaHPÜ4 + materia orgánica coloidal
P2: Agua de muy baja conductividad y carga orgánica en un volumen cercano al 80% del volumen inicial de FL1 , para valores de conductividad de 10mS/cm en FL1
R2: Solución salina de sales amoniacales a una concentración máxima de 80g/l.
P3: Solución salina de sales sódicas, potásicas, magnésicas y amoniacales a una concentración de 80g/l, equivalente al 20% del volumen inicial de FL1 , para valores de conductividad de 10mS/cm en FL1 La ETAPA 6, objeto de la presente patente, consiste en la atomización, por separado o bien conjuntamente de las fracciones R2 y P3.
En el caso del tratamiento de la solución de sales amoniacales de R2, obtendremos una solución concentrada, únicamente de sales amoniacales, en forma de cristales junto con una corriente de aire saturada en vapor de agua, mientras que y en el caso del tratamiento de la fracción P3, obtendremos una salida de agua(u otro solvente) en forma de corriente de aire saturada en forma de vapor de agua y una segunda salida, de sólido en forma de microchstales, dónde tenemos la mezcla de sales (orgánicas + inorgánicas) y la materia orgánica que había estado disuelta en P3.
Cuando se traten las dos fracciones conjuntamente en el cristalizador por emisión de aerosoles, R2+P3, se obtendrá una salida de agua(u otro solvente) en forma de corriente de aire saturada en forma de vapor de agua y una segunda salida, de sólido en forma de microchstales, dónde tenemos la mezcla de sales (orgánicas + inorgánicas) y la materia orgánica que había estado disuelta en P3.
Para realizar la atomización de la presente invención, podemos trabajar con dos tipos de boquillas, neumáticas, alimentadas con aire comprimido y el líquido a atomizar ó hidráulicas, alimentadas únicamente por el líquido a atomizar.
Para la realizar la atomización de la suspensión con boquillas neumáticas, precisamos de una corriente de aire comprimido, generada en un compresor y que es utilizada para vehicular el líquido a atomizar. La mezcla del líquido(suspensión/d¡soluc¡ón) y el aire comprimido, pasarán por el interior de las boquillas neumáticas(mezcla interna ó mezcla externa ) de forma que se generará una mezcla de aire seco, procedente del compresor, y gotas de un tamaño de 10pm a 100p, que será impulsada al interior del reactor de cristalización, en forma de nube.
La presión y caudal del aire comprimido utilizado en la atomización dependerán, en cada caso, del tipo de boquilla neumática, que indicará el título de la nube formada según sea la presión y caudal del líquido que alimenta la boquilla y del caudal y presión del aire procedente del compresor. Esta corriente de aire caliente y seco que se mezclará con la nube de líquido atomizada en el interior de la boquilla neumática proviene de un compresor que y trabajando a baja presión, entre 1 y 5 bar, genera un volumen de aire seco a una temperatura determinada.
La bomba que impulsa el líquido al interior de las boquillas neumáticas trabajará con una presión de entre 1 y 10 bar, que dependerá del desempeño indicado en la boquilla.
La alimentación a las boquillas neumáticas, preferentemente se realizará con bombas centrífugas. La configuración de la misma dependerá de la presión de trabajo, caudal de impulsión a la boquilla neumática y tipo de líquido a bombear (viscosidad, presencia de sólidos, temperatura, pH, etc...)
En cada caso, el flujo de aire y el de agua estarán controlados a la entrada del reactor de cristalización mediante montaje que incluye, antes de la entrada a cada boquilla neumática, válvula de cierre, filtro y regulador de presión tanto para el circuito de agua como para el circuito de aire:
O3 B ill áti de atomización
Figure imgf000009_0001
Líquido
Los atomizadores neumáticos mezcla de aire comprimido (u otro gas), junto con el líquido a pulverizar, producen una pulverización de atomización fina. La combinación de pulverización se compone de una boquilla de líquido y una boquilla de aire que determinan los diferentes caudales y forma de pulverizado. La mezcla del aire y del líquido a pulverizar puede ser interna ó externa.
En la mezcla interna, en el interior de la boquilla se mezcla el líquido con el aire para producir una pulverización perfectamente atomizada. En la mezcla externa, la mezcla del líquido se obtiene fuera de la boquilla del aire.
Utilizamos más la mezcla externa en líquidos altamente viscosos, de elevada densidad ó con presencia de pequeñas partículas en suspensión. La segunda corriente de aire caliente, vehículo de secado, se genera a partir de un sistema de paneles solares térmicos. Éstos calientan directa ó indirectamente una corriente de aire atmosférico que entra tangencialmente, a favor de corriente, en la cámara de cristalización, perpendicular a la nube de atomización y que es la que capturará la humedad de las microgotas generadas a la salida de los atomizadores.
En la presente invención, el aire caliente generado por los paneles solares, vehicula el líquido atomizado por el interior de la cámara de cristalización, a la vez que consigue evaporar el agua presente en el mismo, mientras que la corriente que genera y vehicula las microgotas proviene de un compresor de tornillo a baja presión. El compresor de baja presión genera un volumen de aire caliente y seco, que es utilizado para generar y vehicular microgotas a la salida de los atomizadores neumáticos, de un tamaño de 10pm a 100pm. Esta nube de microgotas generada a la salida de los atomizadores, entra en el cristalizador, perpendicular al eje longitudinal de la cámara de cristalización, por su parte superior, mezclándose íntimamente con la corriente de aire atmosférico caliente generada por los paneles solares, que entra tangencialmente por la parte superior del cristalizador, perpendicularmente al flujo de salida de los atomizadores, generando una corriente de aire que circula helicoidalmente por el interior de la cámara de cristalización dándole n vueltas(según altura cilindrica y velocidad aire entrada).
Como ejemplo, el aire caliente que vehicula el líquido atomizado a la salida de la boquilla neumática se genera en un compresor que produce un volumen de aire caliente de 2.000 m3/h a 1 ,5 bar , con una temperatura de salida , tras la válvula de corte, de 132°C.
Para un aire de entrada al compresor a 20°C y con un 60% de HR, a la salida del compresor tenemos un caudal de 2.000m3/h a 1 ,5 bar y 132°C, con una HR < 0,1%.
Este caudal de aire presuhzado, caliente y seco será utilizado como vehículo generador de las gotas del líquido (disolución/suspensión) atomizadas a la salida de la boquilla neumática, que se unirá a la corriente de aire seco generada por los paneles solares.
De esta manera y con la ayuda de boquillas de aspersión neumáticas(de mezcla interna ó externa), se producirá una mezcla de aire-gotas(suspensión/d¡soluc¡ón) en la entrada del atomizador, que viajarán por el interior de éste, hasta llegar a la parte inferior del atomizador, gracias al caudal de aire seco y caliente generado en el compresor de baja presión, junto con el caudal de aire seco y caliente generado por los paneles solares que actuarán como vehículo de secado, entrando éste último caudal de aire caliente y seco de forma tangencial al interior del atomizador(por su parte superior) y que gracias a entrar de forma tangencial, acompañarán a la nube de gotas formadas en la salida de las boquillas durante un tiempo que dependerá del número de vueltas que recorra cada gota antes de llegar a la salida del reactor.
El tiempo de residencia de la mezcla aire-gotas se calcula como: tresidencia = Vcámara atomización/Q aire entrada
En los procesos convencionales de atomización, el atomizador más comúnmente utilizado es el de cámara de base cónica.
En nuestro caso, la atomización se realiza sobre un atomizador cilindrico, por su parte superior, dónde el flujo de aire seco del sistema de parabólicas entra al mismo de forma tangencial, describiendo en el interior del reactor de atomización un camino en forma elíptica, que nos permite que y antes de la salida del aire+gotas del mismo, recorra el perímetro del reactor n veces, dependiendo n de la altura del reactor de atomización y de la velocidad del aire.
Figure imgf000011_0001
La recolección del sólido generado en el interior de la cámara del atomizador se hace mediante la instalación de un ciclón con entrada tangencial, helicoidal, axial ó espiral.
El ciclón separa los sólidos secados en el interior del atomizador, de la corriente de aire con una mayor o menor eficiencia, según sea el tamaño de partícula, dimensión del ciclón etc....
El promedio de pérdida de polvo en un ciclón normal de alta eficiencia no debería exceder el 0,5%, Sin embargo, las normas ambientales podrían determinar que este valor es demasiado elevado, por lo que se necesitará una limpieza final del aire antes de su emisión a la atmósfera.
Habitualmente son utilizados filtros de mangas para la limpieza final del aire. En nuestro caso y como segundo sistema de separación de partículas del aire de salida del ciclón, se utilizará un sistema Venturi (Lavadores de vía húmeda), dónde el aire de salida del ciclón es acelerado a gran velocidad a una de las entradas del Venturi, mientras que y por la otra se hace circular un caudal de la solución a evaporar. La mezcla de la solución líquida a evaporar-aire en el interior del Venturi permite que el polvo presente en el aire se disuelva en la misma corriente de solución/disolución a tratar. A la salida del Venturi el aire y el líquido son nuevamente separados, el aire por el conducto central y el líquido a través de la salida inferior para volver al tanque, alimentado por una bomba de recirculación una parte y la otra como purga del sistema al sistema de secado por aspersión/atomización.
La corriente de solución de alimentación que se recircula en el sistema véntuh, se va cargando en sólidos hasta el punto en que se purga junto con la solución/suspensión de alimentación al atomizador, de forma que es nuevamente atomizado con la suspensión/disolución fresca.
Ventajas de operar con el sistema propuesto:
1.: Energéticamente; en el lavador vía húmeda, recuperamos calor del aire emitido a la atmósfera, calentando la suspensión/disolución a atomizar, obteniendo un mayor rendimiento energético del proceso al necesitar una Ta del aire de entrada inferior para generar el mismo volumen de solvente evaporado.
2.: El aumento en la cantidad de sólidos disueltos generado en el lavador vía húmeda, produce un menor consumo de calor expresado en Kcal/Kg producto seco.
3.: Aumentar la diferencia de temperaturas: AT(Entrada-Salida), con reducción de la temperatura de salida, reduce el calor necesario para evaporar 1 Kg de agua o solvente.
4.: Efecto de la humedad: al trabajar con aire comprimido y seco(HR<0,1%) evita tener que deshumidificar el aire a la entrada. El contenido en agua del fluido térmico utilizado por otros sistemas incluye el agua de evaporación generada en la combustión de gas, fuel, etc... que deberá ser eliminada, mientras que en nuestro caso, el aire se calienta sin ningún aporte de agua de combustión. 5.: Efecto de la temperatura de la solución/disolución : Incrementando la temperatura de la solución/disolución a tratar, se reduce el calor necesario para producir una unidad másica de producto seco.
El control del funcionamiento del separador por aspersión es por:
1 . Temperatura del aire en la entrada del atomizador y salida atomizador-entrada ciclón
2. HR del aire de entrada del atomizador y salida atomizador-entrada ciclón
3. Presión del aire a la entrada del atomizador y salida atomizador-entrada ciclón
4. Caudal aire a la entrada del atomizador: boquillas neumáticas de aspersión
Corriente directa del compresor, tangencial , a la entrada del atomizador
5. Caudal de líquido/disolución a la entrada del atomizador: boquillas neumáticas de aspersión
Estas son las 5 variables físicas que permiten controlan el proceso de secado, basado en:
625P, 14 = - - - s 736(P + 1,033) - Pa
Dónde:
• Ws : Humedad de saturación expresada en gr.vapor agua/Kg aire seco
• Pa : Presión de vapor del agua a la temperatura deseada expresada en mmHg
• P : Presión efectiva de servicio en Kg/cm2
En función de la presión en el interior de la cámara de aspersión/atomización expresada en Kg/cm2 y de la Ta en °C se obtiene el valor de la humedad de saturación en el interior de la cámara de aspersión/atomización expresada en gr(H20)v/ Kg aire seco
Así pues, el control de la cantidad de solvente evaporado de la solución/suspensión de sales inorgánica/orgánica + materia orgánica será función de la Ta y presión en el interior del separador por aspersión.

Claims

REIVINDICACIONES
1- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, para la separación del solvente(agua u otro solvente orgánico) y las sales(orgánicas/inorgánicas) + materia orgánica, dónde la primera etapa consiste en la separación de la alcalinidad y el ácido sulfhídrico mediante la adición de un compuesto mixto de sales de calcio y hierro, en forma de lechada Ca2+/Fe3+ , ya sea como Ca(OH)2 + Fe2(SO4)3 y/o FeCfe ó bien como CaO + Fe2(SO4)3 y/o FeCh, trabajando a valores finales de 9,5 < pH < 10,0, que consigue separar la alcalinidad por precipitación de CaCOs y el H2S en forma de Fe2Ss junto con parte de la materia orgánica coloidal y parte de los sólidos en suspensión.
2- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según la reivindicación 1 , dónde la proporción en porcentaje en peso para el calcio y el hierro añadidos como lechada, varían desde 50:50, hasta 99:1 en Ca:Fe, respectivamente.
3- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según la reivindicación 1 , dónde la adición del compuesto mixto de sales de calcio y hierro, en forma de lechada, a la disolución/suspensión acuosa, se realiza sobre un reactor, dónde se generan dos fracciones, una fracción líquida FL1 y una fracción sólida FS1 rica en CaCOs, Fe2S3 y materia orgánica coloidal.
4- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación 1 , dónde la segunda etapa de tratamiento consiste en la separación del fósforo de FL1 , mediante la adición de un compuesto mixto de sales de calcio, aluminio y hierro, ya sea como Ca(OH)2 + Al2(SÜ4)3 y/o AICI3 + Fe2(SO4)3 y/o FeCfo ó bien como CaO + Ah(SO4)3 y/o AICI3 + Fe2(SO4)3 y/o FeCh ,en forma de lechada, trabajando a valores finales de 10,0 < pH < 11 ,5, que consigue separar el fósforo presente en forma de H2PO47HPO42',por precipitación de CaHPÜ4 Junto con parte de la materia orgánica coloidal y parte de los sólidos en suspensión. 5- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según la reivindicación 4, dónde la proporción en porcentaje en peso para el calcio, el aluminio y el hierro añadidos sobre FL1 como lechada, varían desde 50:25:25, hasta 98:1 :1 en Ca:AI:Fe, respectivamente.
6- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según la reivindicación 4, dónde la adición del compuesto mixto de sales de calcio y hierro a FL1 , se realiza sobre un reactor, en forma de lechada, dónde se generan dos fracciones, una fracción líquida FL2 y una fracción sólida FS2 rica en CaHPO4 y materia orgánica coloidal.
7- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación 1 , dónde la tercera etapa de tratamiento consiste en el tratamiento de la fracción líquida, FL2, de salida de la etapa 2, mediante sistema de membranas de O.I., 0.1.1 , dónde se obtienen dos fracciones, una de permeado, P1 , correspondiente a una solución líquida de baja conductividad y conteniendo la misma concentración de NH3 que FL2, y un rechazo, R1 , dónde tenemos todas las sales sódicas, potásicas, magnésicas y amoniacales a 10,0 < pH < 11 ,5.
8- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación
7, dónde la cuarta etapa de tratamiento consiste en la neutralización de la fracción de permeado obtenida en 0.1.1 , P1 , hasta 6,5 < pH < 7,0, mediante la utilización de ácido inorgánico y/o orgánico. Trabajaremos con HCI, H2SO4, HNO3,H3PO4 etc., cómo ácidos inorgánicos y con ácido láctico, glicólico, oxálico etc... cómo ácidos orgánicos ó mezclas de ambos.
9- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación
8, dónde la fracción de permeado obtenida en 0.1.1 , P1 , neutralizada hasta 6,5 < pH < 7,0, sirve de alimentación a un segundo proceso de membranas de O.I., O.I.2, dónde se obtienen dos corrientes, una de permeado, P2, correspondiente a un agua de muy baja conductividad y sin carga orgánica y una fracción de rechazo, R2, dónde y trabajando a altas presiones(70 a 84 bar), tendremos una solución salina neutra de una concentración cercana a 80g/l en sales, únicamente, amoniacales.
10- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación 7, dónde la fracción R1 , neutralizada hasta 6,5 < pH < 7,0, sirve de alimentación a un sistema de membranas de ultrafiltración, UF1 , dónde y trabajando a un corte de peso molecular de 10.000 a 100.000 Daltons se obtienen dos corrientes, una de rechazo, R3, dónde encontramos la materia orgánica de alto peso molecular así como sólidos en suspensión y una segunda de permeado, P3, dónde tendremos una solución líquida neutra de una concentración salina de 80g/l aproximadamente y con presencia de materia orgánica soluble que servirá de alimentación al cristalizador por emisión de aerosoles.
11- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación 10, dónde la fracción de rechazo obtenida en la planta de UF, R3, es reconducida a ETAPA 1 .
12- Proceso para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas, materia orgánica, amoníaco y ácido sulfhídrico, según reivindicación 1 , dónde la sexta etapa se corresponde a un proceso de atomización/aspersión por separado ó bien uniendo las dos fracciones, de R2 y P3, mediante la utilización de aire presurizado a baja presión generado en un compresor como vehículo de atomización de fluido térmico y un generador de gotas de 1 a 100pm.
13- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 12, caracterizado por la utilización de boquillas de aspersión neumáticas(de mezcla interna ó externa) para la generación de gotas finas de 1 a 100pm, a partir de la disolución/suspensión a tratar y el aire presurizado a baja presión, de 1 a 5 bar, procedente de un compresor.
14- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 13, dónde la mezcla líquida de la disolución/suspensión generada en las boquillas de aspersión neumáticas y el aire caliente y seco generado en el compresor, es enviado al interior de una cámara de atomización cilindrica de base plana, entrando dicha corriente de forma perpendicular al eje longitudinal de la cámara de atomización, por su parte superior.
15- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 12, caracterizado por la utilización de aire caliente generado en un sistema solar de parabólicas como vehículo de secado de las finas gotas de 1 a 100pm generadas a la salida de las boquillas de atomización.
16- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 15, dónde la corriente de aire caliente generado en un sistema solar de parabólicas, entra en la cámara de atomización por su parte superior, tangencialmente, perpendicular a la nube de atomización de las boquillas, generando una corriente de aire caliente y seco helicoidal que envuelve a las microgotas generadas en los atomizadores, dándoles n vueltas al interior de la cámara de atomización, con n dependiente de la longitud de la cámara y de la velocidad de entrada del aire caliente.
17- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 14, dónde la mezcla de la disolución/suspensión generada en las boquillas de aspersión y el aire caliente y seco generado en el sistema solar de parabólicas y enviado al interior de una cámara de atomización cilindrica de base plana, generan, a la salida del atomizador, un volumen de aire caliente y húmedo junto con sólidos cristalizados que son recogidos y separados en un ciclón a la salida de la cámara de atomización.
18- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 17, dónde el aire caliente y húmedo que sale del ciclón entra en un separador por vía húmeda, tipo véntuh, dónde se retienen las partículas sólidas de menor tamaño.
19- Proceso de atomización para el tratamiento de disoluciones/suspensiones acuosas cargadas de sales orgánicas/inorgánicas y materia orgánica según la reivindicación 18, dónde el separador por vía húmeda, tipo véntuh, conduce el concentrado líquido de sólidos retenidos en su interior, en saturación, nuevamente a la corriente de alimentación líquida del atomizador.
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