專利名稱：用于溶解開采的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及開采或采礦并且尤其涉及可溶礦物的溶解開采。本申請要求2008年6 月17日提交的序號為61/132，394的美國臨時專利申請和2008年12月13日提交的序號 為12/316，398的美國專利申請的優先權，出于全部目的，這兩件申請的全部內容通過引用 被結合到本申請中。
背景技術：
許多有價值的礦物通過包括蒸發巖(或蒸發鹽)的地下礦物的溶解開采獲得。通 常，通過噴射通常為水的溶劑形成洞穴，并且使所獲得的具有所期望礦物的溶液在其被帶 到表面作為所生產的鹽溶液(或鹽水)之前飽和到可能的程度。在所生產的鹽溶液中所期 望礦物的溶解度是溫度的函數，并且所期望礦物的地下礦床通常處于大于表面環境溫度的 溫度，因此在所生產的鹽溶液中具有相對較高的所期礦物的濃度。在地面上，所生產的鹽溶 液通常通過管道運輸至處理設備，在那里該鹽溶液在致冷熱交換器中被冷卻到低于環境溫 度，以使溶解的所期望的礦物的一部分由于溫度的降低而淀析。或者，所生產的鹽溶液的溫 度可以通過通常為水的溶劑的蒸發降低，以導致所期望礦物的固體晶體淀析。所期望礦物 的晶體的漿料被處理，以回收晶體，并且在晶體被除去后耗盡鹽溶液(或廢鹽溶液)保留。 在選擇性的溶解開采中，耗盡鹽溶液可以被返回到源洞穴中。在非選擇性開采中，耗盡鹽溶 液作為廢物被丟棄。通過制冷劑冷卻和蒸發冷卻是高耗能且昂貴的。授予Jacoby等并在此通過參考引入的美國專利No. 3，348，883教導使用兩個彼此 分開的鉆入到相對高溫礦物床的井，其中一個井用于注入并且另一個井用于生產。溫熱的 所生產的鹽溶液被產生到表面，在那里該鹽溶液在蒸發熱交換器中被冷卻，以回收所期望 的礦物。這并不是最佳的工藝，因為蒸發可引起不期望的礦物、例如巖鹽淀析，并且所生產 的鹽溶液中的熱能被浪費。通過蒸發冷卻，非常少的原始產品鹽溶液將剩余，并且所剩余的 東西將被高度污染并且不適于注入礦物床中。在部分或完全蒸發的情況下，大量水必須被 替換。授予Jacoby等并通過引用結合于此的美國專利No. 3，386，768在生產井中通過環 狀空間循環加熱的水和油，以維持所生產的鹽溶液中的溫度，從而力圖阻止鹽析效應的發 生，由于鹽在流道中的沉積，這阻塞井中的流道。在表面處水或油在熱交換器中被加熱并且 向下穿過位于生產井中的鄰近所生產的鹽溶液向上流動的管的環形空間，并且當達生產井 的底部時，油或水通過另一環形空間返回熱交換器。授予Becnel. Jr等并通過引用結合于此的另一美國專利No. 5，669，734描述了在 層狀或穹狀鹽層中制造用于天然氣的地下儲藏洞穴的工藝。’ 734號專利通過利用所生產 的鹽溶液中的回收熱預熱新注入的水解決了在寒冷氣候中地下洞穴加速形成的問題。巖 鹽、氯化鈉通過溫熱的注入淡水被溶解開采，以提高形成儲藏洞穴的速度，并且周圍的冷淡 水利用熱交換器在冷淡水和溫熱的所生產的鹽溶液之間通過熱交換被加熱，以提供溫熱的 注入淡水。在'734號專利中描述的工藝的目的在于制造儲藏洞穴，因此未討論從產生的鹽溶液中回收巖鹽，但是通過簡單地降低鹽溶液的溫度獲得巖鹽將是不可行的，因為巖鹽 的溶解度僅僅是很弱的關于溫度的函數。加熱注入淡水提高了巖鹽在礦床中的溶解速率， 但并沒有從實質上改變所生產的鹽溶液中的巖鹽的濃度。授予Dahms等并通過引用結合于結的的美國專利No. 3，058，729描述了用于溶解 開采碳酸鉀、氯化鉀的方法，其中水溶液被注入到碳酸鉀礦床中并保留數月，以溶解氯化 鉀。富含氯化鉀的鹽溶液被生產出來并輸送至淺冷卻池，在冷卻池中環境溫度相對冷。氯 化鉀晶體在池中淀析，并且母液從池中抽出。小部分母液被凈化，并且水加入到大部分母液 中，以形成供給到碳酸鉀礦床的水溶液。該方法需要寒冷的氣候或者用于冷卻所生產的鹽 溶液的附加冷卻裝置。碳酸鉀、氯化鉀的溶解開采進一步在授予Garrett并通過引用結合于此的美國專 利No. 3，918，916中描述。在'916號專利中，正如參考圖6所描述的那樣，鹽溶液從碳酸鉀 礦床中產生并最初在多級真空增長型結晶器中冷卻，進一步在包括外殼和管式熱交換器的 熱交換結晶器中冷卻，隨后在大氣結晶站中進一步冷卻，在大氣結晶站中當冷卻時鹽溶液 向下流過一系列擋板，同時冷的環境空氣被向上抽取并通過風扇排出且隨后根據環境溫度 可選地使用冷卻結晶器進一步冷卻。隨著其被冷卻，所生產的鹽溶液變為含有氯化鉀晶體 的漿料。氯化鉀晶體通過物理分離設備、例如旋風分離器被分離和回收，剩下被稱為耗盡鹽 溶液的包含低濃度氯化鉀的鹽溶液。耗盡鹽溶液的一部分被再循環到位于熱交換結晶器中 的外殼和管式熱交換器中，以冷卻所生產的鹽溶液，所生產的鹽溶液加熱了耗盡的鹽溶液。 淡水被添加到被加熱的耗盡鹽溶液中，以形成注入碳酸鉀礦層中用于溶解氯化鉀并形成所 生產的鹽溶液的溶液。在'914號專利中描述的該方法需要相對昂貴、復雜并難以維護且 需要大量能量運行的設備。
發明內容
本發明在一個實施例中提供了一種用于溶解開采的工藝，其中注入導管被提供到 具有期望礦物的礦物床中。該注入導管適于將注入流體輸送至礦物床中，以用于溶解所期 望的礦物并形成生產鹽溶液。生產導管被提供到礦物床中并適于將生產鹽溶液輸送至地 面。注入流體被注入到注入導管中，其迫使生產鹽溶液流過生產導管。生產鹽溶液在其通過 輸送導管和一個或多個熱交換器被輸送到分離工廠(分離設施)時被冷卻。冷卻生產鹽溶 液使得所期望的礦物淀析(或析出)，從而形成包含位于鹽溶液中的所期望的固體礦物晶 體的漿料。所期望的固體礦物晶體在分離工廠中從鹽溶液中分離，從而形成液態耗盡鹽溶 液流并回收固體礦物晶體產物。耗盡的鹽溶液通過一個或多個熱交換器被輸送到注入導管 并作為所有或部分注入流體被注入。在一個或多個熱交換器中，熱量在生產鹽溶液和耗盡 鹽溶液之間交換，以用于冷卻生產鹽溶液以及加熱耗盡鹽溶液。固體礦物晶體產物的結晶 由于生產鹽溶液溫度的降低造成，這種發生在礦物床和分離工廠之間的生產鹽溶液溫度的 降低由生產鹽溶液的熱損失導致。當生產鹽溶液在生產導管、一個或多個熱交換器以及輸 送導管中從礦物床被輸送至分離工廠時，來自于生產鹽溶液的熱損失本質上由于在熱交換 器中熱從生產鹽溶液傳遞到耗盡鹽溶液以及從生產鹽溶液傳遞到周圍環境的熱損失造成。 優選地，在該工藝中未使用動力(或電動)熱交換器，并且優選地，唯一的工藝能量消耗是 泵送流體穿過開采系統所需的能量。耗盡鹽溶液優選被加熱回到接近于礦物床的溫度，優選地不使用外部加熱，這增大了浸出率和飽和水平。本發明在另一個實施例中提供了 一種用于從地下礦物源溶解開采礦物的工藝。該 工藝包括將注入導管提供到礦物源中以及將生產導管提供到礦物源中，其中所述注入導管 適于將注入流體輸送到礦物源中以溶解礦物并形成濃縮生產鹽溶液，所述生產導管適于將 濃縮生產鹽溶液輸送至地面。注入流體被注入到注入導管中，并且濃縮生產鹽溶液被輸送 至礦物提取設備，在那里礦物從濃縮生產鹽溶液中被提取(萃取)，以形成稀釋的鹽溶液 流。熱交換器被提供，以用于在相對溫熱的濃縮生產鹽溶液和相對冷的稀釋鹽溶液流之間 進行熱交換，以冷卻濃縮生產鹽溶液，由此礦物的一部分將由于較低的溫度結晶。礦物提取 設備除去結晶礦物，以形成礦物流或漿料。稀釋鹽溶液流被輸送至注入導管，在那里其被用 作注入流體，如果需要該注入流體還可以包含一些補充水。或者，補充水可以通過單獨的管 道加入到熱交換器中。盡管詞語濃縮的和稀釋已經用于識別特定的流體流，在本發明中，鹽溶液在溶解 礦物后基本上保持飽和，但在流體流中溶解的礦物的量隨溫度變化。具有在從生產井中離 開時的特定溫度的飽和鹽溶液被稱為濃縮鹽溶液。當冷卻時，晶體將在濃縮鹽溶液中形成， 形成在液體中具有固體顆粒的液體漿料。固體顆粒可通過各種類型的分離工廠從漿料中除 去。在固體顆粒從漿料中除去之后，具有低于濃縮鹽溶液溫度的溫度的剩余飽和鹽溶液被 稱為稀釋或耗盡鹽溶液流。在優選實施例中，管中管式熱交換器用于在濃縮生產鹽溶液和稀釋鹽溶液流之 間進行熱交換，并且優選地，管中管式熱交換器也作為用于將濃縮鹽溶液輸送到礦物提取 設備并用于將稀釋鹽溶液流輸送到注入導管的重要裝置。優選地，濃縮生產鹽溶液被引晶 (加入晶種)，以促進礦物的結晶，優選地利用從濃縮生產鹽溶液中回收的礦物顆粒引晶。本發明在另一實施例中提供了一種適于從地下礦物源中提取礦物的系統，其中注 入管從地面延伸進入地下礦物源，并且生產管延伸進入地下礦物源，以用于將溫熱的、濃縮 的包含礦物的生產鹽溶液從地下礦物源輸送到地面。用于從濃縮生產鹽溶液中獲取礦物的 設備在將礦物與濃縮生產鹽溶液分離之后提供相對冷的稀釋鹽溶液。熱交換器被提供，以 用于在相對冷的、稀釋鹽溶液和相對溫熱的、濃縮生產鹽溶液之間進行熱交換，并且冷的、 稀釋鹽溶液被加熱，以提供泵送至注入導管中的注入流體。熱交換器優選為管中管式熱交 換器，但是其它類型的諸如外殼和管式的交換器也可以使用。用于從濃縮生產鹽溶液中獲 取礦物的設備優選包括分離器，優選為Varisieve型分離器，并優選地由離心機跟隨。在光 鹵石處理的情況下，分離器優選由裂化設備(化學分解罐)跟隨并且接著優選跟隨有離心 機。來自于離心機的底流包括小顆粒、泥渣，其可以當生產鹽溶液在熱交換器中冷卻時作為 晶種(籽晶)，以促進生產鹽溶液中的結晶。在一個實施例中，渦流分離器用于從包含泥渣 的稀釋、回流鹽溶液中回收晶種顆粒。稀釋鹽溶液將晶種顆粒攜帶返回至熱交換器，并且渦 流分離器除去一些晶種顆粒，其隨后在熱交換器的溫熱端附近被注入生產鹽溶液。渦流分 離器已經被描述，但是任何能夠從液態、稀釋、回流鹽溶液中分離泥渣或小晶種顆粒的設備 均可以使用。在另一實施例中，分離和篩分設備被提供，因此回收礦物的一部分通過顆粒尺 寸或粒徑被分離，并且所期望數量的期望尺寸的顆粒被注入到稀釋、回流鹽溶液中，以用于 在渦流分離器中回收，并注入溫熱的生產鹽溶液中，以促進所期望尺寸的晶體形成。本發明的一個實施例提供一種用于從具有地下礦物源的地點開采礦物的工藝，其中該地點已經配置有進入礦物源的注入導管，以用于將注入流體注入礦物源，從而溶解礦 物并形成濃縮生產鹽溶液，并且其中該地點進一步配置有進入礦物源的生產導管，用于將 濃縮生產鹽溶液輸送至地面。該工藝包括將注入流體注入到注入導管中，將濃縮生產鹽溶 液輸送至礦物提取設備，從濃縮生產鹽溶液中提取礦物，從而形成稀釋鹽溶液流和礦物流， 排出稀釋鹽溶液流，將礦物溶解流引入熱交換器；以及在熱交換器中在濃縮生產鹽溶液和 礦物溶解流之間進行熱交換。在該實施例中，礦物溶解流體冷卻濃縮生產鹽溶液，從而在濃 縮生產鹽溶液中形成結晶的礦物顆粒，同時礦物溶解流被濃縮生產鹽溶液加熱。注入流體 包括在熱交換器中被加熱后的礦物溶解流體并且礦物溶解流體通常為淡水或鹽水。在本發明的另一個方面中，提供了一種準備用于溶解開采地下礦物源的地點(工 地現場)的方法，其包括安裝在地面和地下礦物源之間延伸的注入導管和生產導管，安裝 適于從生產鹽溶液中獲取礦物的設備，在生產導管和用于獲取礦物的設備之間安裝熱交換 器；以及安裝適于從生產導管穿過熱交換器、穿過用于獲取礦物的設備和向下進入注入導 管循環流體的管道和泵，其中熱交換器適于在來自生產導管的流體和來自適于獲取礦物的 設備的流體之間交換熱，并且其中熱交換器適于作為用于冷卻來自生產導管的流體并且從 而淀析礦物晶體的主要和最重要的裝置。
當以下闡明的示例性詳細描述結合附圖考慮時，本發明可以得到更好的理解，其 中圖Ia是根據本發明的溶解開采工藝的示意圖，其中注入導管安裝在延伸進入礦 物床的一個井中，并且生產導管安裝在延伸進入礦物床的另一個井中；圖Ib是根據本發明的溶解開采工藝的示意圖，其采用雙管完成方式，其中注入導 管和生產導管分別安裝在延伸進入礦物床的單一井中；圖2是根據本發明的溶解開采工藝的簡化示意圖，特別是示出了用于結晶期望的 礦物的熱交換器；以及圖3是根據本發明的溶解開采過程的簡化示意圖，特別是示出了可以在分離工廠 中使用以用于回收礦物產品并用于將耗盡鹽溶液輸送至熱交換器的設備。
具體實施例方式有價值的蒸發巖礦物通常借助于傳統的開采通過溶解開采或通過從高飽和湖泊、 例如死海中回收礦物來獲得。在大部分情況下，有必要形成并處理礦物溶液，以便所期望的 礦物從溶液中淀析。本發明涉及溶解開采，其中水被泵送入蒸發巖礦石體、通常為地下礦 床。礦床中的所期望的礦物被溶解，并且包含所期望礦物的溶液被輸送至表面。在這里所 期望的礦物從溶液中回收。實施該過程的一種方式通過蒸發，或者在干燥的氣候中使用蒸 發池，或者在其他氣候條件下使用機械加熱和蒸發。這兩種方法典型地用于生產氯化鈉鹽， 即巖鹽。另一種方法是在處理設備中使用制冷工藝，以冷卻由溶解開采產生的幾乎飽和的 溶液，從而導致礦物淀析。制冷對于溶解度高度依賴于溫度的礦物、例如碳酸鉀礦石(如鉀 鹽或光鹵石)而言是有效的。本發明涉及這些后面所述類型的礦物，其中溶解度依賴于溫 度。
巨大的巖鹽礦床、例如鹽穹或位于巨大沉積盆地中的礦床由于鹽較高的熱導率而 具有比其他區域溫度高的趨勢。如果礦床足夠深，由于鹽的高熱導率，位于巖層底部的較高 溫度產生遍及礦床的較高溫度。通常，這些溫度大于標準地熱梯度大約1. 8下每百英尺。或 者，如果蒸發巖只是深而沒有相關的巨大鹽體，地熱梯度本身可以顯著提高蒸發巖的溫度 超過地面的溫度。通過使用溶解開采，這些情況均允許通過將生產鹽溶液冷卻到表面環境 溫度來淀析任何溶解礦物。何種礦物以及各自的淀析量將取決于表面處經歷的溫度下降以 及用于溶解礦物的系統的相圖。期望的是，當生產鹽溶液上升到表面時維持生產鹽溶液的 溫度盡可能高，這樣生產管柱將不會由于管壁上的冷卻誘導淀析而鹽析并且被阻塞。生產 管柱中的溫度下降可以通過使生產管柱絕熱而最小化，并且管壁上淀析的礦物可以通過利 用淡水周期性地沖洗生產管柱來除去。現在轉到附圖，圖Ia示出了根據本發明用于溶解開采礦物床D的系統10。注入井 12通過從表面鉆出井孔Bl進入礦床被置入礦物床D，在井中放置注入導管12，并圍繞注入 導管泵送水泥，以在注入導管12和土制井孔Bl的壁之間密封環狀空隙。注入井頭部1 提供了進入注入井12的入口并且提供了與適當的閥和管連接之間的連接點。具有生產井 頭部Ha的生產井14類似地安裝在井孔B2中并且利用水泥C2密封，以提供用于從礦床D 產生流體的導管。礦物床D可以被破裂，以提供從注入井12到生產井14的穿過礦床D的 流道，例如以非常高的壓力通過向下泵送流體到注入井12中實現。通常為水溶液的溶劑穿 過管16被供給到加熱溶劑的熱交換器18。被加熱的溶劑穿過管道20流到注入井頭部1 并且從注入井12向下進入礦物床D。溶劑流經礦物床D，在礦床中溶解一種或多種礦物并 形成具有濃縮的期望溶解礦物的生產鹽溶液。礦床D的溫度以及生產鹽溶液的溫度高于表 面環境溫度。所期望的礦物的溶解度依賴于溫度，其中鹽溶液的飽和狀態在高溫下的濃度 高于其在低溫下的濃度。因此，與較低的溫度相比，更大量所期望的礦物可以在較高的溫度 下溶解在給定體積的溶劑中。生產鹽溶液向上流動穿過生產井14到達生產井頭部1 并 穿過管道22到達熱交換器18。生產鹽溶液在其流經熱交換器18時被冷卻，由于在較低溫 度時的較低溶解度使得所期望礦物的固體晶體形成。所生產的鹽溶液中的所期望礦物的固 體晶體漿料流經管道24，并且如下面解釋的那樣該晶體被分離并且回收。在圖Ib中，單一的井孔B3被鉆穿土地進入礦物床D。注入導管1以及生產導管P 在井孔B3中利用水泥C3密封。井頭部H提供閥以及用于注入導管1和生產導管P的連接 點。因為注入導管1和生產導管P緊鄰，其不必破裂礦床D。水溶液被供給穿過管線觀到 達熱交換器E，在那里溶液被加熱，并隨后穿過管線30到達注入導管1。礦床D中的所期望 的礦物由水溶液溶解，以產生富含所期望礦物的溫熱鹽溶液，該鹽溶液穿過生產導管P被 生產。所生產的鹽溶液流過管線32并且在熱交換器E中被冷卻，淀析所期望礦物的晶體并 形成漿料，其流過管線34到達物理分離設備(未示出)。圖2提供了根據本發明的溶解開采工藝40的簡圖。在圖2中，單一井孔B4鉆穿 土地進入礦物床M。外殼或外管42利用水泥C4密封在井孔B4中。內管44放置在外管42 的內部，形成同心井管柱。環形間隙42a由內管44的外表面和外管42的內表面限定。環 形間隙4 充當注入導管，同時內管44充當生產導管。水溶液或溶劑被供給穿過環形間隙 4 到達礦物床M。所期望的礦物被溶解，鹽溶液形成并且其具有相對高的所期望礦物的濃 度。由礦物床M的相對溫熱的溫度導致的相對溫熱的鹽溶液被產生穿過內管44并被輸送至井頭部46。同心井管柱充當管中管式熱交換器，其具有以下優點一生產鹽溶液趨于保持 其相對溫熱的溫度，其使生產管中的鹽析最小化，并且注入流體可以以與礦床中大約相同 的溫度被輸送至礦床，這有助于防止在礦床中冷卻并允許溶解在與其可能自然發生的溫度 一樣高的溫度下發生。當通常的產物將穿過內管44時，內管44或環形間隙42a中的任一 個可以用于產生鹽溶液，并且流動方向可以逆轉，尤其用于從生產導管除去鹽。圖la、lb和 2所示的任何井的構型均可以使用，并且任何數量的井均可用于開采礦物床。參考圖2，在啟動期間，水W穿過管道48被輸送到達管中管式熱交換器50，在那里 水流過熱交換器50內部的環形間隙50a到達通往井頭部46并提供與位于同心套管中的環 形間隙42a的流體連接的管道52。淡水因此通過注入導管環形間隙4 被輸送到達礦物 床M，以用于溶解所期望的礦物。當水平衡到礦物床M中的溫度時，其溶解所期望的礦物并 形成具有相對高濃度的所期望的礦物的生產鹽溶液，其溶解度依賴于溫度。如此形成的富 含礦物的鹽溶液被產生穿過內管44并流過井頭部46，通過管道M到達位于熱交換器50內 部的內管50c的入口 50b。內管50c穿過熱交換器50的長度到達與管56連接的出口 50d。 產生的富含礦物的鹽溶液隨著生產鹽溶液中的熱被傳遞到流過環形間隙50a的水被冷卻。 因為期望礦物的溶解度取決于含有其的溶液的溫度，所期望的礦物在生產鹽溶液的溫度下 降時在管道50c內部作為固體晶體淀析，形成鹽溶液中的晶體的漿料。該漿料流過管線56 到達分離工廠58。在分離工廠58內部的分離或礦物提取設備從漿料中分離所期望礦物的 固體晶體并留下已經從其中分離出晶體的鹽溶液，即所謂的稀釋或耗盡鹽溶液。所期望礦 物的固體晶體作為產品60被回收。耗盡鹽溶液的溫度大體低于管線M中的溫熱的富生產 鹽溶液的溫度，并且具有大體較低濃度的溶解在其中的所期望礦物。耗盡鹽溶液的溫度與 環境溫度大致相同。在淀析的礦物從生產鹽溶液中除去并作為產品69回收以后，稀釋或耗盡的鹽溶 液被再循環到井，流經管道62到達高壓泵64。泵64泵送耗盡鹽溶液穿過管道66到達熱交 換器50內部的環形間隙50a，以再循環用于附加溶解開采礦物床M的礦物的耗盡鹽溶液。 泵64升高稀釋(返回)鹽溶液的壓力，因此其足以將該鹽溶液輸送至并穿過熱交換器50 進入礦床M中的洞穴，并隨后返回穿過生產管44、熱交換器50，并回到分離工廠58。在分離工廠58中，優選按尺寸篩選的礦物顆粒被注入到耗盡鹽溶液中，以用于在 管線M中的生產鹽溶液中引晶，盡管該步驟在圖2中未示出。分離工廠58應具有用于從 漿料中分離所期望礦物晶體的適宜設備，優選根據尺寸分離晶體，并將晶體的一部分注入 到耗盡鹽溶液中，用于在生產鹽溶液中引晶。晶體充當用于當鹽溶液溫度降低時形成結晶 的成核點。關于引晶的進一步討論在以下提供。管道66中的包含晶種礦物晶體的耗盡鹽 溶液流過除去大部分晶種的渦流分離器68。凈化流中的礦物晶體流過管道70，以用于在熱 交換器入口 50b的上游注入到管線M中的生產鹽溶液。渦流分離器被舉例說明，但任何適 于分離晶種或籽晶的設備均可以使用。或者，晶種溶液可以從分離工廠58被輸送至熱交換 器50的溫熱入口 50b。在晶種在渦流分離器68中從耗盡返回鹽溶液中除去以后，耗盡返回 鹽溶液流過管道72進入入口 50e，進入靠近生產鹽溶液出口 50d的熱交換器50的冷端的環 形間隙50a。入口 50e提供穿過限定熱交換器50的外表面的外管50f的開口。環形間隙 50a由外管50f的內表面和內管50c的外表面限定。流出渦流分離器68進入管線72的耗盡鹽溶液通常處于或接近環境溫度，其與礦床M內部礦物的形成溫度以及管線M中的生產鹽溶液的溫度相比通常相對較冷。熱交換 器50優選為很長的管中管式熱交換器或者多個串聯布置的較短管中管式熱交換器。或者， 熱交換器50可以是多個并聯布置的外殼和管式熱交換器，或者任何用于根據本發明的熱 交換的適宜裝置均可以被使用。如圖2所示，相對冷的耗盡鹽溶液通過入口 50e流入熱交換器50的環形間隙50a。 在環形間隙50a中耗盡鹽溶液與來自于源W的水混合，形成注入流體，并在啟動后水W的量 可以根據需要減少。注入流體流過環形間隙50a，其與管道50c內的生產鹽溶液的流動相 反。溫熱、富生產鹽溶液中的熱能流過管道50c的內壁進入環形間隙50a中的注入流體，其 既冷卻生產鹽溶液，又加熱包括來自于管線72的耗盡鹽溶液和來自于管線48的補充水的 注入流體。一些熱能將也可能通過外管50f的壁損失在周圍環境中。實際上，可能期望的 是，將熱交換器50埋在地面之下，在該情況下，地球表面提供了具有相對恒定溫度的散熱 片。隨著生產鹽溶液冷卻，可以溶解在生產鹽溶液中的所期望的礦物的量減少。隨著 生產鹽溶液的溫度由于在熱交換器50中從生產鹽溶液到環形間隙50中a的耗盡鹽溶液和 補充水注入流體的熱能傳遞被降低，所期望礦物的晶體形成，特別是圍繞通過從渦流分離 器68經過管道70引入到生產鹽溶液的晶種提供的成核點形成。隨著生產鹽溶液從熱端入 口 50b流到冷端出口 50d，形成漿料，該漿料通過管線56被輸送至分離工廠58。隨著產品 60和耗盡鹽溶液通過泵64被再循環至熱交換器50，所期望的固體晶體被分離并回收。當在 分離工廠58中時礦物晶種被添加到耗盡鹽溶液中，并且該晶種在耗盡鹽溶液中通過泵64 和管線62、66被輸送至渦流分離器68。該礦物晶種通過渦流分離器回收并通過管線70被 輸送且被注入到管線M中的生產鹽溶液中。在晶種在渦流分離器68中除去之后，耗盡鹽 溶液通過管線72流入熱交換器50。來自源W的所期望量的補充淡水通過管線48被添加， 以形成注入流體，其通過熱交換器50中的生產鹽溶液被加熱。注入流體通過管線52被輸 送至井頭部46并通過同心井管柱中的環形間隙4 注入礦物床M。離開熱交換器的管線 52中的注入流體是適度溫熱的，因為其通過生產鹽溶液從附近環境溫度被加熱。注入流體 在井管柱環形間隙42a中的流動與在內井管柱管道44中的生產鹽溶液的向上流動相反地 流動，從而提供了絕熱層，其在將注入流體加熱到幾乎與礦物床M的溫度相同的溫度的同 時，有助于防止熱量從生產鹽溶液大量損耗。進入礦物床M中的洞穴的注入流體因此是適 度溫熱的，這提高了在礦床M中溶解所期望礦物的溶解度并增大了可以在給定量的注入流 體中溶解所期望礦物的量，因為所期望礦物的溶解度取決于注入流體的溫度。在足夠的時 間段溶解所期望礦物之后，富的、更濃縮生產鹽溶液形成，其溫度基本上與礦物床的溫度相 同，假定該時間段足夠長，以允許溫度平衡。生產鹽溶液通過內井管柱管道44和管線討被 輸送至熱交換器50，以繼續連續的循環。隨著礦床M中的洞穴被擴大，隨著礦物被除去時，淡的或含鹽的補充水被添加，以 填充留在礦床M中的空穴。補充水的源W通常為水井、池、湖泊或鹽水源，但水也可以被運 輸且在罐中儲藏。如圖2所示，水優選被加入到熱交換器中，或者被加入到管線72中，但補 充水可以在分離工廠58處注入稀釋鹽溶液返回管線62。然而，在這種情況下，耗盡鹽溶液 不能承載晶種或籽晶，因為礦物晶體將在稀釋鹽溶液中溶解。為了仍然實現引晶，晶種罐可 以布置在帶有用于將晶種注入到生產鹽溶液中的泵的熱交換器50的溫熱端入口 50b的附近。一個晶種罐可以供給多個生產井。轉向圖3，其示出了根據本發明用于生產和處理光鹵石漿料的簡化工藝流程圖 70。光鹵石漿料根據參考圖2描述的工藝生產，其在圖3中通過步驟72識別。盡管未在圖 3中圖解，步驟72包括將同心井管柱放置到具有作為所期望礦物的光鹵石的地下礦床中。 注入流體溶解光鹵石，并且生產流體被形成，其相對溫熱并富含光鹵石。生產流體在步驟72 中產生并在步驟72中經過管中管式熱交換器的內管。在步驟72中生產流體在熱交換器中 被冷卻，并且包含光鹵石晶體的漿料在步驟72中形成。漿料通過管道74被輸送至分離工 廠76，在那里漿料被供給到varisieve型分離器78，其從漿料中的液體鹽溶液中分離固體 光鹵石晶體，并且在步驟72中大約90%到大約95%的液體鹽溶液(這里被稱作耗盡鹽溶 液)通過管道80再循環到熱交換器，其中熱量從生產鹽溶液傳遞到耗盡鹽溶液，以用于冷 卻生產鹽溶液并加熱耗盡鹽溶液。注入流體包括該加熱的耗盡鹽溶液，其用于在步驟72中 在再循環回路中溶解更多的光鹵石并形成更多的生產流體。固體光鹵石晶體與殘留有固體晶體的液體鹽溶液一起通過管線82輸送到分解罐 84。淡水通過管道86被添加到光鹵石晶體中，使得光鹵石分解為固體氯化鉀(KCl)和液體 氯化鎂(MgCl2)鹽溶液。包含固體氯化鉀和液體氯化鎂的漿料從分解罐84通過管線88被 輸送到離心機90。離心機90從液體氯化鎂中分離固體氯化鉀。液體氯化鎂鹽溶液流經管 道92到達保存池94，該保存池可以覆蓋高達50英畝。氯化鎂產品96通過傳統的手段從保 存池94中回收。由離心機90回收的固體氯化鉀通過管線98被輸送并隨后穿過管線98a 到達干燥器100或通過管線98a到達濕存儲罐102，濕的氯化鉀產品104可以從濕存儲罐 102中被裝載。干燥器100從濕的氯化鉀中除去水分，提供干燥的固體KCl晶體，該晶體通 過管線106被輸送至篩網108。篩網108將氯化鉀顆粒分離為不同尺寸范圍，并且被分離的 氯化鉀晶體通過一個或多個管線110輸送至干燥儲藏設施112。干燥氯化鉀產品114被裝 載到卡車和/或軌道車輛中。如果生產出的晶體沒有大到可以用于商業出售，增稠器或者 壓實器可以加入到該工藝中。特定尺寸范圍的KCl顆粒的一部分通過管線116被輸送到返回鹽溶液注入泵的低 壓入口(未示出)處。管線116可以包括輸送帶和用于以受控制的速率將氯化鉀晶種顆粒 注入管線80的給料斗。從篩網108輸送到耗盡鹽溶液管線80的固體氯化鉀顆粒將在步驟 72中的熱交換器的生產側充當晶種，正如以上參考圖2討論的那樣。管線80中的耗盡返 回鹽溶液將具有通過varisieve型分離器78的小氯化鉀顆粒，因此通過管線116的附加引 晶是可選的，但是優選的。如果使用了通過管線116的引晶，用于最優引晶的優選顆粒大小 或顆粒大小的分布以及顆粒的數目應根據實驗確定。普遍認為，更少和更大的晶種將導致 較大晶體的形成，除非注入太少的晶種，并且如果太少的晶種被添加，大部分生產鹽溶液流 將不會被引晶。晶種的最佳尺寸和數量將取決于涉及的礦物以及熱交換器的狀況和設計。 所期望礦物的淀析也可以通過向熱交換器中注入鹽溶液來增加，該鹽溶液包含將置換所期 望的礦物的溶解礦物。這種情況的一個例子是將MgCl2的飽和鹽溶液注入位于熱交換器中 的KCl鹽溶液。根據實際狀況，用于該混合物的相圖指示KCl可以被優先淀析。而且，授予 Print等并通過引用結合于此的美國專利No. 4，283, 372描述了用于通過利用包含氨的水 溶液從包含碳酸氫鈉的礦石中回收堿或重獲堿值的方法。圖2和3共同提供了根據本發明用于對地下礦物源溶解開采的方法的簡化描述。參考圖2，提供了用于產生所期望礦物的鹽溶液、在熱交換器中冷卻鹽溶液并從而導致所期 望礦物淀析并從生產鹽溶液將熱量傳遞到從分離工廠返回的耗盡鹽溶液的描述。耗盡鹽溶 液用于從分離工廠將晶種輸送至熱交換器，在那里渦流分離器68除去用于注入到熱交換 器上游的生產鹽溶液的晶種。參考圖3，提供了分離工廠的一個實施例的描述，其描述了所 期望的礦物產品和可以用于引晶生產鹽溶液的晶種的分離和回收。用于本發明的已經描述 的熱交換系統在需要或希望處理稀釋鹽溶液流的情況下也是有效的。在此情況下，通常為 淡水或含鹽水的礦物溶解流體被注入到熱交換器中，在那里稀釋或耗盡鹽溶液流將另外被 引入，其在礦物溶解流體被注入礦物床之前冷卻生產鹽溶液的同時加熱礦物溶解流體。現在轉到圖2中的熱交換器50，許多類型的熱交換器適用于本發明，假設淀析結 晶不阻塞熱交換器和例如傳熱面積的其他需求被滿足。然而，圖2中的管中管式熱交換器 50由于以下原因特別適合于該應用其便宜；其可以在野外構造并維修；其可以很容易地 被加襯或涂覆，以最小化鹽析；其可以很容易被延長，以減少穿過壁到達溫熱流體的平均溫 度下降；并且其可以用作在井和分離工廠之間的流體連接的重要部分。越過交換器壁的高 溫度下降促進鹽析。通常由于它們的緊湊性用在工廠中的外殼和管式熱交換器可以使用但 不能提供以上優點。也可以在生產井中安裝管中管式熱交換器，如果需要，使用較小的管注 入晶種和其他鹽溶液。由于難以維護熱交換器，其通常不被優選安裝。然而，對于給定礦石 體的長時間的經驗，熱交換器表面的維護地點已經變得最小，井內接近將變為優選地利用 已經位于適當位置的同心管來注入并從井中生產。圖2中示出的同心井管柱的構造有效地 將熱交換器延伸進入井以用于增加熱交換器表面積，雖然其不包括引晶或將鹽溶液注入接 近礦物床M的生產導管44中以用于促進生產導管44中的生產鹽溶液中結晶的能力。除了圖2中的熱交換器50外，可能有必要使用輔助熱交換器，盡管這樣的交換器 沒有在圖中示出。如果不是多數礦石體，許多礦石體沒有足夠大的溫升來在表面上產生足 夠的淀析。在這種情況下，可以使用輔助外部熱交換器。輔助熱交換器可以安裝在位于熱 交換器50和注入井頭部46之間的圖2中的管線52中，以加熱注入流體。用于輔助熱交換 器的熱源可以是低級天然氣、例如來自于發電廠、太陽能熱等的處理熱。由輔助熱交換器產 生的至少部分熱將由熱交換器50從產生于洞穴的鹽溶液回收。較溫熱的注入流體產生包 含由生產鹽溶液中溫熱溫度導致的較高濃度的期望礦物的生產鹽溶液。該方法是否經濟取 決于輔助能源的成本和用于回收期望礦物的可選方法的成本。然而，利用輔助熱交換器加 熱注入流體具有優于使用不同類型的冷卻系統來冷卻生產鹽溶液的優點，因為事實上可以 使用任何輔助熱源，因為設備(特別是管中管式熱交換器)的簡單，并且事實上礦物床中的 自然熱被回收并高效地使用。如果被加熱的注入鹽溶液的溫度高于礦石體，將優選使用注 入和生產導管，即彼此分離的導管而不是同心管柱。簡言之，本發明提供了一種用于溶解開采的方法和工藝，其中熱交換器用于冷卻 包含被溶解的來自于礦石體的礦物的生產鹽溶液，從而使得礦物淀析，而與生產鹽溶液處 于熱交換關系的先前耗盡冷鹽溶液被加熱并返回到洞穴中，以用于進一步溶解礦物。優選 地，熱交換器為簡單的管中管式設計。熱交換器優選形成位于井和礦物回收處理廠之間的 流體連接部分，這減少了管道成本。可選擇地，管中管式熱交換器可以安裝在生產井本身中 而不是安裝在表面上(或者除了表面安裝熱交換器以外)，如果期望的話，具有連接到其上 的用于注入晶種和其他鹽溶液的管道。
被加熱的重新注入的鹽溶液優選地與承載來自洞穴的井中生產鹽溶液的管道處 于熱交換關系，其使生產鹽溶液的冷卻最小化并因此使生產管道中的淀析最小化。如果需 要的話，第二熱交換器可以設置在第一熱交換器和井頭部之間，以進一步加熱耗盡的超過 第一交換器能力的重新注入的鹽溶液，其中第二熱交換器使用來自生產井的熱源以外的熱 源。如果需要，熱交換器面積可以增加，以使沿著熱交換器內管壁的平均溫度減少，因此降 低壁和生產鹽溶液之間的溫差并從而降低在熱交換器內壁上鹽析的可能性。本發明優選進一步提供注入到熱交換器鹽溶液產生側以形成促進礦物淀析的晶 核的選定尺寸和數量的期望礦物的晶種，該注入晶種的數量和尺寸分布用于確定從熱交換 器生成的礦物晶體尺寸并使交換器壁上的鹽析最小化。在一個實施例中，熱交換器的淀析 側被涂覆或加襯有使交換器壁上的淀析最小化的物質。本發明改進了冷卻誘導淀析過程和蒸發過程。對于前者，其提供了非常簡單和低 的資金總額成本以及在能量使用方面的非常低的操作成本。盡管選擇性的和非選擇性的溶 解開采的方法均可以適用于本發明，選擇性開采使得用水量最小化，主要是用于如光鹵石 礦的分解的補充水，并且留在表面上的廢物幾乎為零。這與大多數溶解開采項目形成鮮明 的對比。本方法可以適用淡水或者含鹽水。使用該工藝的礦有充分理由成為現有的最潔凈 的礦之一。對于非選擇性開采，可以使用含鹽水，并且優選使用地下鹽溶液廢料。根據被開 采的礦物，可能沒有分離的要求，因為沒有鹽淀析。與蒸發過程相比，優點包括如上所述的 內容，但甚至更大。沒有昂貴且會對環境造成負擔的水的流失蒸發，通常在地面上不需要礦 物的分離，并且沒有遺留產生環境問題的礦渣。將本發明與在授予Garrett并通過引用結合于此的美國專利No. 3，918，916中描 述的用于溶解開采碳酸鉀的典型現有技術的工藝相比，本發明更簡單、操作和維護成本更 低并更可靠。‘916號專利被認為描述了用于溶解開采氯化鉀的工藝，該工藝包括以下步 驟(a)通過將溶解流體注入碳酸鉀礦床開采碳酸鉀礦床，利用溶解流體溶解碳酸鉀 并產生相對溫熱的被稱為生產鹽溶液的富含氯化鉀的鹽溶液；(b)將生產鹽溶液輸送到包含外殼和管式熱交換器的第一級熱交換器結晶站，由 此熱交換器生產鹽溶液的溫度被降低，以形成包含氯化鉀晶體的被稱為第一級漿料的漿 料；(c)將第一級漿料輸送到包含大氣冷卻器的第二級冷卻器，其中第一級漿料的溫 度被進一步通過熱交換器利用冷的環境空氣降低，從而在被稱為第二級漿料的漿料中形成 附加的氯化鉀晶體；(d)將第二級漿料輸送至包含制冷劑冷卻的用于降低第二級漿料溫度的第三級結 晶站，從而在被稱作第三級漿料的漿料中形成附加的氯化鉀晶體；(e)利用物理分離設備回收氯化鉀結晶和相對冷的來自于第三級漿料的耗盡鹽溶 液；(f)將相對冷的耗盡鹽溶液再循環到第一級熱交換器結晶站，其中熱量的轉移冷 卻生產鹽溶液并加熱相對冷的耗盡鹽溶液，從而形成被加熱的耗盡鹽溶液；以及(g)在溶解流體中使用被加熱的耗盡鹽溶液。在'916號專利中，第一級熱交換器結晶站優選地包括最初使生產鹽溶液通過多級真空增長型結晶器。本發明是對描述在'916號專利中的現有技術的改進，這是因為第 二級冷卻器和最終結晶站從本發明中省去。在'916號專利中，第二級大氣式冷卻器基本 上為冷卻塔，其中鹽溶液向下流動超過一組擋板，同時風扇向上抽出空氣穿過擋板，以通過 敏感的熱交換器并通過從鹽溶液中蒸發水來冷卻鹽溶液。生產鹽溶液中的熱量散發到大氣 中，并且冷卻塔的建造和維修與本發明中的熱交換器相比是相當昂貴的。其次，本發明的熱 交換器充分利用礦物床的熱量，因為生產鹽溶液中的熱量幾乎在本發明的熱交換器中完全 回收。當在'916號專利中描述的包括外殼和管式熱交換器的第一級熱交換結晶站在產品 鹽溶液和耗盡回收鹽溶液之間交換熱量時，生產鹽溶液的熱回收受到相當的限制，正如在 很冷的氣候中具有第二大氣制冷器的需要以及此外在不是很冷的氣候下需要第三級制冷 劑制冷的需要所證明的那樣。本發明的熱交換器適于利用從生產鹽溶液到周圍環境的熱傳 遞并適于具有在生產鹽溶液和耗盡回收鹽溶液之間的足夠的傳熱面，以充分冷卻生產鹽溶 液，因此與僅利用第一級熱交換器結晶站而沒有使用第二級大氣(蒸發)冷卻器以及沒有 第三級制冷劑冷卻器的情況相比，顯著更大量的氯化鉀晶體被回收。本發明的工藝中的熱交換器逐漸降低生產鹽溶液的溫度到達一點，在該點處，所 期望或最佳量的生產礦物被結晶在單級和單一的簡單設備、即熱交換器中。盡管'916號 專利描述了多個外殼和管式熱交換器，其中一些有限量的熱量從生產鹽溶液傳遞到耗盡 回收鹽溶液，‘916號專利沒有企圖充分地降低生產鹽溶液的溫度，以僅僅利用耗盡回 收鹽溶液和環境溫度充分結晶所期望的礦物，從而達到生產鹽溶液所需冷卻的目的。相 反，‘916號專利預期利用第二級蒸發冷卻和第三級制冷劑冷卻。本發明尤其設想利用管 中管式熱交換器，其應當被設計為將生產鹽溶液的溫度降低與通過'916號專利中描述的 熱交換器、蒸發冷卻器以及制冷劑冷卻器實現的降溫相當的量。因此，相對于'916號專利，本發明提供了包括如下內容在內的改進⑴取消了 第二級冷卻器以及最終結晶站；(ii)利用管中管式熱交換器代替包含外殼和管式熱交換 器在生產鹽溶液和相對冷的耗盡鹽溶液之間進行熱交換，其中管中管式熱交換器適于利用 從生產鹽溶液到周圍環境的熱傳遞并具有在生產鹽溶液和耗盡鹽溶液之間的足夠的傳熱 面，以充分冷卻生產鹽溶液，因此與僅利用第一級熱交換結晶站而沒有第二級蒸發冷卻器 以及沒有使用制冷劑冷卻的第三級結晶站的情況相比，顯著大量的氯化鉀晶體被回收。在 生產導管和分離工廠之間的濃縮生產鹽溶液溫度的降低在沒有使用顯著的蒸發冷卻以及 沒有使用顯著的制冷劑冷卻的情況下實現。在生產導管和分離工廠之間的濃縮鹽溶液溫度 的降低基本上通過在一個或多個熱交換器中將熱能從濃縮生產鹽溶液傳遞到稀釋鹽溶液 流以及通過將熱能通過管道從濃縮生產鹽溶液傳遞到周圍環境來實現。通過另一種方式對 此進行說明，在熱交換器中熱量在濃縮鹽溶液和耗盡鹽溶液之間交換，以用于冷卻生產鹽 溶液和加熱耗盡鹽溶液，其中由于生產鹽溶液冷卻造成的熱能損失作為加熱稀釋鹽溶液的 熱量被獲得，并且該獲得通過穿過用于回收所期望礦物固體晶體的管道系統和液固分離設 備將熱量傳遞到周圍環境實現。在'916號專利中描述的溶解開采工藝中需要呈電的形式的人造能量，以在蒸發 冷卻器中以及在制冷劑冷卻系統中驅動風扇，而用于冷卻生產鹽溶液的本發明的熱交換系 統沒有使用大量的人造能源來冷卻生產鹽溶液。與'916號專利中描述的溶解開采工藝相 比，本發明的熱交換系統因此充當單獨的結晶器，其中在'916號專利中需要包含外殼和管熱交換器的第一級，使用類似于冷卻塔的第二級蒸發冷卻系統以及充當第三級的制冷劑 冷卻系統，其是否需要依賴于環境溫度的情況。在一定程度上，本發明使用周圍環境作為用 于冷卻生產鹽溶液的散熱片(通過熱能的自然對流損耗)，但是從生產鹽溶液(由于其冷卻 以產生所期望的礦物淀析)失去的大部分熱能在耗盡鹽溶液中被回收并返回到礦物床(因 此從礦物床中損失最少的熱能)。如果損失到周圍環境中的熱能太大，應當在耗盡鹽溶液被 注入到礦物床中之前對其進行輔助加熱。此外，交換器、表面管路和處理設備可以被絕熱， 以使損耗最小化。本發明進一步考慮了井頭部與分離工廠之間的長距離，并且在現有技術中，管已 經安裝，以將生產鹽溶液和/或漿料輸送至分離工廠，其很可能還包括例如在'916號專利 中描述的用于冷卻生產鹽溶液的設備。在本發明中，第二管以同心構造圍繞用于將生產鹽 溶液輸送到分離工廠的管安裝，這因而提供了管中管式熱交換器。因此，基本上'916號專 利中外殼和管式熱交換器、蒸發冷卻器和制冷劑冷卻器的資金成本和維護成本被減小至圍 繞第一管安裝第二管以形成本發明的管中管式熱交換器的成本。與在'916號專利中的外 殼和管式熱交換器、蒸發冷卻器以及制冷劑冷卻器相比，本發明的管中管式熱交換器的資 金成本和維護成本被最小化。本發明的管中管式熱交換器的可靠性和易于維修是其另外的 優點和好處。輸送生產鹽溶液穿過本發明的熱交換器的管的內壁可以被容易地涂覆或加 襯，以抑制在管內壁上鹽的形成，并且熱交換器一側的生產鹽溶液和另一側的耗盡鹽溶液 之間的最小溫差進一步降低了用于在本發明的熱交換器中的生產導管的內壁上聚積鹽的 趨勢。如上所述，與以'916號專利為代表的現有技術系統相比，本發明提供了諸多好處和 優點。考慮總體能量平衡，在分離工廠中的礦物提取設備處理期間存在到周圍環境的能 量損耗。因此，輸送到熱交換器的耗盡鹽溶液接近環境溫度，其提供了用于熱交換器中的生 產鹽溶液的冷卻。然而，因為熱交換器設計為提供用于生產鹽溶液而不是到周圍環境中的 損耗的基本上所有冷卻，當生產鹽溶液從熱交換器中流出時的溫度同樣接近于環境溫度， 盡管其溫度略高于生產鹽溶液的溫度。在熱交換器出口端的生產鹽溶液和在熱交換器入口 端的耗盡鹽溶液之間的溫差最小，這有助于使發生礦物淀析的在生產鹽溶液側的熱交換器 的內壁上的鹽析最小化。在總體能量平衡中需要考慮的因素包括當生產鹽溶液離開礦物床 時具有的熱能，因為熱源具有與周圍表面溫度相比的礦物床的高溫，生產導管中的如參考 圖2描述的同心管裝置中的耗盡鹽溶液注入流體的熱損失以及從注入流體和生產鹽溶液 到地面周圍的熱損失，從井頭部以及從井頭部和熱交換器之間的管到周圍環境的熱損失， 在一個或多個熱交換器中從生產鹽溶液到耗盡鹽溶液的熱傳遞，從用于在熱交換器和分離 工廠之間輸送的管或其它導管到周圍環境的熱損失，在分離工廠中到周圍環境的熱損失， 從泵送耗盡鹽溶液到熱交換器獲得的熱，來自于太陽照射在暴露設備和管上的熱輻射的獲 得，在引晶回路例如來自于渦流分離器中的到周圍環境的熱損失，以及如果輔助加熱器用 于在耗盡鹽溶液注入礦床之前被加熱時耗盡鹽溶液獲得的熱。到周圍環境的熱傳遞取決于 通常可變的環境溫度。管中管式熱交換器可以被埋在地面以下，這將提供適當的恒定環境 溫度并且排除來自于熱交換器的生產鹽溶液的出口溫度的一些可變性，盡管耗盡鹽溶液仍 然是可變的，因為分離設備將大概設置在露天環境中。可以看出，在一個或多個熱交換器的 設計中應當考慮許多因素。
本發明優選的熱交換器被預想為具有可能大約一英里長的很長長度的單一管中 管式熱交換器。該類型的交換器可以在礦所在的地點進行現場構造。單一分離工廠可以包 括多個生產井，并且來自于各生產井的生產鹽溶液可以通過管中管式熱交換器從井輸送到 分離工廠。然而，在一些應用中，可以優選在工廠中構建熱交換器或簡單地購買熱交換器制 造商為一般使用制造的市售熱交換器。可以使用不同類型的熱交換器，并且一種以上的熱 交換器可以并聯或串聯組合或并串聯組合使用。例如，標準長度的管中管式熱交換器可以 是市售的，并且多個單元可以以串聯的方式裝配在一起，以將生產流體輸送至分離工廠同 時利用耗盡鹽溶液進行熱交換。熱交換器的選擇和設計應當依據包括資金成本、操作成本、 維修成本特別是關于鹽阻塞和腐蝕的維修成本、以及易于安裝和操作在內的多種因素。慮 及到周圍環境的熱能凈損失，熱交換器應當被設計為提供基本上生產所期望礦物的所期望 產品所需的生產鹽溶液的所有溫度降低。實例鉀鹽礦石的溶解開采。作為說明性和假設性的實例，由巖鹽(NaCl)和鉀鹽(KCl)組成的蒸發巖礦床具有 由井底溫度測量獲得的150 溫度。礦床具有50%的鉀鹽和50%的巖鹽，這使得礦床可 以選擇性地被浸出。在選擇性浸出中僅僅更易溶解的鉀鹽被溶解，并且巖鹽保持在適當的 位置。開采通過在礦床底部執行底切被啟動。這通過在目標礦床底部上方幾英尺的地方安 裝類似油的不混溶的流體實現。溶解開采隨后在墊子之下發生，在遠離井的徑向的方向開 采。這產生具有直徑大約200英尺、大約2英尺高的圓盤。一旦底切完成，大約100天之 后，阻止底切向上浸出的墊子被除移，并且生產浸出通過向上浸出被啟動。注入鹽溶液的流 速被調整，以使得生產鹽溶液在洞穴中處于輕微飽和狀態。其在管中管式熱交換器處達到 大約145 且完全飽和具有大約基于可在文獻中獲得KCl-NaCl-H2O相圖的16%的KCl。 經過熱交換器，其可以為大約5000英尺長，但其長度可以根據需要確定，生產鹽溶液降到 幾乎接近于大約60 °F的當地環境溫度，在該點處KCl的濃度降到大約10%，重量降低大約 6%，這在生產鹽溶液中形成KCl晶體的漿料。漿料流動到處理或分離工廠，如結合圖3描 述的那樣，在那里超過一定尺寸的固體KCl晶體被分離和處理。隨著固體被除去，現在的耗 盡鹽溶液通過分離管利用高壓泵回收到熱交換器，在那里其被溫熱的生產鹽溶液加熱，并 注入回到洞穴中，以繼續處理。分離工廠回收的耗盡鹽溶液仍然是KCl飽和的，但是該鹽溶 液處于較低的環境溫度下，因此較少的KCl在較低的溫度下溶解在鹽溶液中。因為KCl在 熱交換器中淀析，在那里巖鹽不能獲得，鹽溶液不再巖鹽飽和，并且在此意義上其可以被認 為是稀釋鹽溶液。浸出在洞穴中繼續，直到達到礦床的頭部并且另一個井必須被鉆出，假設 其中在井中只有一個礦床。該實例涉及鉀鹽的溶解開采，與光鹵石相對照，并且結合圖3描 述的用于溶解開采光鹵石的工藝的分解罐不需要用于開采鉀鹽。熱交換器的精確尺寸、長 度和直徑以及其傳熱面應當通過使用開采項目的特定條件的數值分析確定。在該實例中， 礦石中高KCl含量允許選擇性浸出。然而，本發明同樣可以使用非選擇性浸出。如果礦石 體例如含有25%的KC1，選擇性浸出可能不會成功。在這種情況下，淡水或含鹽水可以被注 入熱交換器，在那里返回之前，耗盡鹽溶液被注入。淡水或含鹽水在注入礦之前在熱交換器 中通過生產鹽溶液加熱，并且溶解流體的較高溫度增加了在生產鹽溶液中承載的KCl的量 的溶解率和可能性，其中生產鹽溶液的形成根據礦石體的溫度是否達到平衡確定。當獲得 的生產鹽溶液穿過熱交換器的中心管時，KCl如以前那樣被淀析并且在工廠中分離。然而，在此處，現在的稀釋鹽溶液被處理，通常在處理井中被處理，但是一些也可以被出售用于不 同的用途。如上所述，該鹽溶液由淡水或含鹽水取代。此外，由于返回的水太稀以至于不能 維持晶種，需要單獨的晶種注入方法。其可以是如上所述的晶種罐或小的單獨晶種管道。
以上已經對本發明進行了描述，技術、過程、材料和設備的不同修改對本領域技術 人員來說是顯而易見的。所有處于本發明的精神和范圍內的這些變化均應被認為包括在本 發明所附權利要求的范圍之內。本發明的權利要求跟隨該說明書，并且該權利要求通過引 用被并入說明書中，以用于本發明的進一步描述。
權利要求
1.一種用于溶解開采的工藝，包括以下步驟提供注入導管進入具有期望的礦物的礦物床，其中注入導管適于將注入流體輸送到礦 物床中，以用于溶解期望的礦物并形成生產鹽溶液；提供生產導管進入礦物床中，其適于將生產鹽溶液輸送至地面； 將注入流體注入到注入導管中；冷卻生產鹽溶液，同時將生產鹽溶液輸送通過輸送導管以及一個或多個熱交換器到達 分離工廠，其中冷卻生產鹽溶液導致期望的礦物淀析，從而形成包含鹽溶液中的期望的固 體礦物晶體的漿料；在分離工廠中從鹽溶液中分離期望的固體礦物晶體，從而形成液態耗盡鹽溶液流并回 收固體礦物晶體產物；將耗盡鹽溶液輸送通過所述一個或多個熱交換器到達注入導管，其中注入流體包括耗 盡鹽溶液；以及在所述一個或多個熱交換器中在生產鹽溶液和耗盡鹽溶液之間進行熱交換，以用于冷 卻生產鹽溶液和用于加熱耗盡鹽溶液，其中固體礦物晶體產物的結晶由于發生在礦物床和 分離工廠之間的由于生產鹽溶液的熱損失導致的生產鹽溶液的溫度降低導致，其中生產鹽 溶液的熱損失基本上由在熱交換器中從生產鹽溶液到耗盡鹽溶液的熱傳遞以及當生產鹽 溶液在生產導管、所述一個或多個熱交換器以及輸送導管中從礦物床輸送至分離工廠時生 產鹽溶液到周圍環境的熱損失導致。
2.一種用于溶解開采的工藝，包括以下步驟提供注入導管進入地下礦物源，其中注入導管適于將注入流體輸送到礦物源中，以用 于溶解礦物并形成濃縮生產鹽溶液；提供生產導管進入礦物源中，其適于將濃縮生產鹽溶液輸送至地面； 將注入流體注入到注入導管中；將濃縮生產鹽溶液通過結晶器輸送至分離工廠，其中在結晶器中的結晶通過冷卻濃縮 生產鹽溶液實現，其中結晶器基本上由熱交換系統組成；從濃縮生產鹽溶液中提取礦物，從而形成稀釋鹽溶液流和礦物流； 將稀釋鹽溶液流通過熱交換系統輸送至注入導管，其中注入流體包括稀釋鹽溶液流；以及在熱交換系統中利用稀釋鹽溶液流冷卻濃縮生產鹽溶液。
3.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，熱交換系統基本上由用于在濃縮鹽溶液和 稀釋鹽溶液流之間進行熱交換的一個或多個管中管式熱交換器組成。
4.如權利要求3所述的工藝，其特征在于，所述一個或多個管中管式熱交換器也充當 用于將濃縮鹽溶液輸送到分離工廠和用于將稀釋鹽溶液流輸送到注入導管的主要裝置。
5.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，進一步包括對濃縮生產鹽溶液進行引晶以 促進礦物的結晶。
6.如權利要求5所述的工藝，其特征在于，礦物流提供用于引晶的晶種源。
7.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，分離工廠包括varisieve型分離器，并且其 中varisieve型分離器形成稀釋鹽溶液流和礦物流。
8.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，進一步包括使稀釋鹽溶液流的至少一部分穿過渦流分離器； 回收礦物顆粒流；以及利用礦物顆粒流對濃縮生產鹽溶液引晶，以促進礦物的結晶。
9.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，分離工廠包括varisieve型分離器，并且其 中varisieve型分離器形成稀釋鹽溶液流和礦物流，該工藝進一步包括對礦物顆粒篩選并按尺寸分級，以獲取期望尺寸的礦物顆粒； 選擇期望數目的具有期望尺寸的顆粒，以獲取礦物顆粒晶種； 將礦物顆粒晶種注入稀釋鹽溶液流； 使稀釋鹽溶液流的至少一部分穿過渦流分離器； 回收礦物顆粒晶種的至少一部分，以提供晶種供給流；以及 利用晶種供給流對濃縮生產鹽溶液弓I晶，以促進礦物的結晶。
10.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，熱交換系統基本上由用于在濃縮生產鹽溶 液和稀釋鹽溶液流之間進行熱交換的管中管式熱交換器組成；其中管中管式熱交換器包括 用于輸送濃縮生產鹽溶液的第一管道，并且其中第一管道通過適于使第一管道的壁上的礦 物淀析最小化的物質涂敷或加襯。
11.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，在熱交換系統中利用稀釋鹽溶液流冷卻濃 縮生產鹽溶液的步驟發生在地面以下。
12.如權利要求2所述的工藝，其特征在于，進一步包括利用輔助熱源加熱稀釋鹽溶液流。
13.一種用于溶解開采的工藝，包括以下步驟提供注入導管進入含有期望的礦物的礦物源，其中注入導管適于將注入流體輸送到礦 物源中，以用于溶解期望的礦物并形成濃縮生產鹽溶液；提供生產導管進入礦物源中，其適于將濃縮生產鹽溶液輸送至地面； 將注入流體注入到注入導管中；在冷卻濃縮生產鹽溶液的同時將濃縮生產鹽溶液輸送至礦物提取設備，其中冷卻濃縮 生產鹽溶液導致期望的礦物晶體形成；從濃縮生產鹽溶液中提取期望礦物的結晶，從而形成稀釋鹽溶液流和期望的礦物流； 在加熱稀釋鹽溶液流的同時將稀釋鹽溶液流輸送至注入導管，其中注入流體包括稀釋 鹽溶液流；以及在濃縮生產鹽溶液和稀釋鹽溶液流之間進行熱交換，以用于冷卻濃縮生產鹽溶液以及 用于加熱稀釋鹽溶液流，其中從濃縮鹽溶液中損失的熱能的大部分被傳遞到稀釋鹽溶液流 并且從濃縮生產鹽溶液中損失的熱能的小部分被損失到周圍環境中。
14.一種用于溶解開采的工藝，包括以下步驟提供注入導管進入含有期望的礦物的礦物床，其中注入導管適于將注入流體輸送到礦 物床中，以用于溶解期望的礦物并形成生產鹽溶液；提供生產導管進行礦物源中，其適于將生產鹽溶液輸送至地面； 將注入流體注入到注入導管中；在熱交換系統中冷卻生產鹽溶液，其中冷卻生產鹽溶液使得期望的礦物晶體形成，從 而形成鹽溶液漿料；將鹽溶液漿料輸送至分離工廠； 將鹽溶液漿料分離為礦物產物和耗盡鹽溶液； 將耗盡鹽溶液輸送至熱交換系統；在生產鹽溶液和耗盡鹽溶液之間進行熱交換，以用于冷卻生產鹽溶液和用于加熱耗盡 鹽溶液；以及在耗盡鹽溶液在熱交換系統中被加熱后將其輸送至注入導管，其中注入流體包括耗盡 鹽溶液，其中熱交換系統未使用大量的人造能源來冷卻生產鹽溶液。
15.一種適于從地下礦物源提取礦物的系統，其基本上由以下構件組成 從地面延伸進入地下礦物源的注入管；從地面延伸進入地下礦物源的生產管，該生產管適于將相對溫熱的、包含來自地下礦 物源的礦物的濃縮生產鹽溶液輸送至地面；適于冷卻生產鹽溶液并淀析礦物晶體從而形成漿料的熱交換器； 用于從漿料中分離和回收礦物晶體的設備，由此在礦物晶體從漿料中除去后，冷的液 態稀釋鹽溶液殘留；以及用于將該稀釋鹽溶液輸送到并穿過熱交換器以及輸送到并進入注入管的管道和泵，由 此稀釋鹽溶液通過熱交換器中的生產鹽溶液被加熱；以及用于在生產管、熱交換器以及用于分離礦物晶體的設備之間流體連通所需的導管。
16.如權利要求15所述的系統，其特征在于，用于從濃縮生產鹽溶液中獲取礦物的設 備包括varisieve型分離器。
17.如權利要求15所述的系統，其特征在于，熱交換器基本上由管中管式熱交換器組成。
18.如權利要求17所述的系統，其特征在于，管中管式熱交換器在生產管與用于分離 和回收礦物晶體的設備之間提供主要管道部分。
19.如權利要求15所述的系統，其特征在于，注入管和生產管同心地嵌套設置。
20.一種準備用于溶解開采地下礦物源的地點的方法，包含以下步驟 安裝在地面和地下礦物源之間延伸的注入管和生產管；安裝用于從生產鹽溶液中獲取礦物的設備； 在生產管和適于獲取礦物的設備之間安裝熱交換器；以及安裝適于從生產管循環穿過熱交換器、穿過用于獲取礦物的設備并且向下到達注入管 的管和泵，其中熱交換器適于在來自于生產管的流體和來自于適于回收礦物的設備的流體之間 進行熱交換，并且其中熱交換器適于充當用于冷卻來自于生產管并從而淀析礦物晶體的流體的主要和最重要的裝置。
21.一種用于從具有地下礦物源的地點開采礦物的工藝，其中該地點配置有進入礦物 源用于將注入流體注入礦物源以溶解礦物并形成濃縮生產鹽溶液的注入導管，其中該地點 進一步配置有進入礦物源中以用于將濃縮生產鹽溶液輸送至地面的生產導管，該工藝包括 以下步驟將注入流體注入到注入導管中； 提供熱交換器；將濃縮生產鹽溶液通過熱交換器輸送至礦物提取設備； 從濃縮生產鹽溶液中提取礦物，從而形成稀釋鹽溶液流和礦物流； 處理稀釋鹽溶液流； 將礦物溶解流體引入熱交換器；在熱交換器中在濃縮鹽溶液和礦物溶解流體之間進行熱交換，其中礦物溶解流體冷卻 濃縮生產鹽溶液，從而在濃縮生產鹽溶液中形成結晶的礦物顆粒，其中礦物溶解流體通過 濃縮生產鹽溶液被加熱，并且其中注入流體包括在熱交換器中被加熱后的礦物溶解流體。
全文摘要
相對溫熱的礦物床通過使注入流體穿過鉆入到礦床中的井以及溶解礦物以形成生產鹽溶液被溶解開采。溫熱的生產鹽溶液在表面利用作為結晶器的熱交換器被冷卻，以在熱交換器中淀析礦物并形成漿料。漿料中的礦物晶體在分離工廠中被回收而留下相對冷的稀釋或耗盡鹽溶液，其通過熱交換器被輸送，以用于隨后注入到礦物床中而溶解更多的礦物，從而提供連續的過程。管中管式熱交換器被優選地使用，并且在一定意義上該熱交換器還充當用于將生產鹽溶液和/或漿料從井輸送到分離工廠的主要裝置。
文檔編號E21B43/28GK102066692SQ200980123069
公開日2011年5月18日 申請日期2009年5月13日 優先權日2008年6月17日
發明者W·M·畢曉普 申請人:皮那克萊波塔什國際有限公司