СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОХЛАЖДАЮЩЕГО БАССЕЙНА И ПРОИЗВОДСТВА СОЛИ В ОПЕРАЦИИ ДОБЫЧИ РАСТВОРЕНИЕМ
METHODS AND SYSTEMS FOR IMPROVING COOLING POOL PERFORMANCE AND SALT PRODUCTION IN DISSOLUTION MINING OPERATION

Родственная заявка
Настоящая заявка испрашивает приоритет в отношении предварительной патентной заявки США № 62/093823, поданной 18 декабря 2014 г., которая во всей своей полноте включается в настоящий документ посредством данной ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая заявка относится, в общем, к системам охлаждающих бассейнов для извлечения соли из раствора соли, такого как источник концентрированного раствора соли. Более конкретно, настоящая заявка относится к регулированию глубины охлаждающего бассейна и/или помещению одного или нескольких затопленных водосливов для увеличения поверхностной конвекции и регулирования перемешивания потока, в результате чего увеличивается извлечение соли или производство соли из раствора, такого как концентрированный раствор соли.
Уровень техники, к которой относится изобретение
Извлечение или осаждение соли используется в различных отраслях промышленности для извлечения желательных или подходящих для использования встречающихся в природе солевых продуктов, суспендированных или растворенных в текучей среде. Например, хлорид калия или поташ представляет собой соль, которая встречается в природе и является подходящей для использования в разнообразных приложениях, таких как производство удобрений, пищевых продуктов и фармацевтических изделий. Поташ обычно получают двумя способами, причем технологии традиционной добычи и добычи растворением зависят от глубины и геологии месторождения. Добыча растворением часто используется в ситуациях, где месторождения являются чрезмерно глубокими или чрезмерно тонкими для технологий традиционной добычи, и добыча растворением обычно создает минимальное нарушение поверхности и мало отходов по сравнению с традиционной добычей. Другие преимущества добычи растворением включают тот факт, что можно легко удалять примеси, обеспечивая производство высококачественной соли для других целей, включая производство пищевых продуктов, химических реагентов и фармацевтических изделий. Кроме того, любые примеси (в том числе нерастворимые) легко утилизируются посредством их повторного введения в полость для добычи растворением.
При добыче растворением нагретая текучая среда, например, нагретая вода или нагретый насыщенный раствор соли, закачивается в полость, содержащую месторождение поташа или содержащую соли калия, включая сильвин (т. е. хлорид калия), галит (т. е. хлорид натрия) и сульфат натрия. Вследствие высокой растворимости указанных солей, они растворяются в нагретой текучей среде, отделяясь от других солей. Нагретая текучая среда, в которой уже присутствуют содержащие калий соли, затем перекачивается на поверхность для извлечения и последующей обработки.
Во многих операциях добычи растворением присутствуют использующие солнечную энергию испарительные бассейны, в которых испаряется вода для извлечения содержащих калий солей. В некоторых местностях уменьшенные температуры окружающей среды, обусловленные расположением рудников, предоставляют возможность охлаждения текучей среды на основе охлаждения посредством конвекции между текучей средой и атмосферным воздухом. Когда текучая среда охлаждается, достигаются пределы насыщения солей, и эти соли начинают осаждаться. Когда соли осаждаются из раствора, они оседают на дне охлаждающего бассейна, где плавающие на поверхности драги могут использоваться для извлечения и удаления осадков из охлаждающих бассейнов. Содержащие калий соли могут затем направляться на обрабатывающее устройство, где они могут обрабатываться для транспортировки и продажи.
Поскольку тепловые характеристики охлаждающих бассейнов производят непосредственное воздействие на количество солей, осаждающихся из раствора, может оказаться полезным улучшение охлаждающей способности существующих систем охлаждающих бассейнов без необходимости значительного капиталовложения или прерывания процесса производства.
Сущность изобретения
Согласно представительному варианту осуществления настоящего изобретения, система охлаждающих бассейнов согласно настоящему изобретению может включать один или несколько затопленных водосливов для увеличения охлаждающей способности системы охлаждающих бассейнов. Система охлаждающих бассейнов может использоваться для извлечения соли из раствора соли, такого как концентрированный раствор соли. Концентрированный раствор соли может быть получен из любого источника соленой воды или раствора, такого как продукт добычи растворением, водоем с соленой водой или любой другой источник раствора соли. Для простоты обычно упоминается добыча растворением, однако исходные материалы для системы охлаждающих бассейнов согласно вариантам осуществления могут быть получены из любого известного источника раствора соли.
Как правило, включение одного или нескольких затопленных водосливов в существующую систему охлаждающих бассейнов может уменьшать температуру выходящего потока, и это уменьшение составляет от приблизительно 1°F до приблизительно 5°F по сравнению с такой же системой охлаждающих бассейнов без каких-либо затопленных водосливов. Как правило, затопленные водосливы согласно настоящему изобретению действуют в качестве перегородок для усиления турбулентности и вертикального перемешивания в системе охлаждающих бассейнов, заставляя имеющий высокую температуру концентрированный раствор соли, который часто застаивается и расслаивается на нижних уровнях охлаждающих бассейнов, подниматься на поверхность для теплоотвода посредством поверхностной конвекции. Когда температура уменьшается посредством системы охлаждающих бассейнов, содержащие калий соли в большем количестве осаждаются из концентрированного соляного раствора, приводя к увеличению производства в пределах той же области охлаждения.
Согласно одному представительному варианту осуществления, система охлаждающих бассейнов включает один или несколько охлаждающих бассейнов. Система охлаждающих бассейнов может включать один или несколько затопленных водосливов в одном или нескольких охлаждающих бассейнах. Согласно некоторым вариантам осуществления, один или несколько затопленных водосливов могут иметь водослив, которого составляет от приблизительно 25 футов до приблизительно 100 футов. Согласно некоторым вариантам осуществления, один или несколько затопленных водосливов могут включать водослив по всей ширине или, в качестве альтернативы, клиновидный водослив, проходящий на протяжении лишь части ширины охлаждающего бассейна. Согласно некоторым вариантам осуществления, один или несколько затопленных водосливов могут иметь глубину погружения, составляющую от приблизительно 1 фута до приблизительно 4 футов при измерении от верхнего уровня водослива до поверхности бассейна.
Согласно еще одному представительному варианту осуществления, система охлаждающих бассейнов согласно настоящему изобретению может включать множество охлаждающих бассейнов, расположенных последовательно. Система охлаждающих бассейнов может включать один или несколько затопленных водосливов в одном или нескольких охлаждающих бассейнах. Согласно некоторым вариантам осуществления, один или несколько затопленных водосливов могут иметь глубина погружения, составляющую приблизительно от 1 фута до 3 футов при измерении от верхнего уровня водослива до поверхности бассейна. Вследствие величины осаждения в расположенных выше по потоку бассейнах по сравнению с расположенными ниже по потоку бассейнами, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут включать расположенные выше по потоку бассейны с одним или несколькими затопленными водосливами, имеющими увеличенную глубину погружения по сравнению с расположенными ниже по потоку бассейнами с одним или несколькими затопленными водосливами, имеющими меньшую глубину погружения.
Согласно еще одному представительному варианту осуществления, настоящее изобретение может включать способ увеличения охлаждения и, следовательно, осаждения, в системе охлаждающих бассейнов. Способ может включать образование одного или нескольких затопленных водосливов в одном или нескольких охлаждающих бассейнах. Согласно некоторым вариантам осуществления, способ образования может включать образование одного или нескольких проходящих по всей ширине водосливов в одном или нескольких охлаждающих бассейнах, в то время как, согласно альтернативному варианту осуществления, способ образования может включать образование одного или нескольких клиновидных водосливов, которые не проходят по всей ширине одного или нескольких охлаждающих бассейнов. Согласно некоторым вариантам осуществления, способ образования может включать образование одного или нескольких затопленных водосливов таким образом, что они имеют глубину погружения от приблизительно 1 фута до приблизительно 3 футов. Согласно некоторым вариантам осуществления, способ образования может включать извлечение полученного осадка для образования одного или нескольких затопленных водосливов. Согласно некоторым вариантам осуществления, способ образования может включать перекачивание суспензии в охлаждающий бассейн с образованием одного или нескольких затопленных водосливов. Согласно другим вариантам осуществления, один или несколько затопленных водосливов могут образовываться с использованием других строительных материалов, включая, например, гравий, камень, гальку, полимерные материалы, такие как полиэтиленовые блоки, побочные продукты или отходы, такие как ненужный или непригодный для использования осадок, и другие материалы или их сочетания.
Согласно представительному альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения, может быть сооружена система охлаждающих бассейнов, включающая один или несколько охлаждающих бассейнов для охлаждения концентрированный раствор соли таким образом, чтобы заставлять содержащие калий соли осаждаться из раствора. Каждый охлаждающий бассейн имеет глубину бассейна, определяемую между дном бассейна и поверхностью бассейна. Согласно некоторым вариантам осуществления, верхняя поверхность слоя продукта или осажденной соли, находящего на дне бассейна, определяет дно бассейна. Глубина бассейна может избирательно увеличиваться или уменьшаться для изменения охлаждающих характеристик каждого бассейна посредством увеличения или уменьшения скорости потока, в результате чего увеличивается или уменьшается число Рейнольдса. Посредством усиления перемешивания концентрированного раствора соли, охлаждение бассейна может регулироваться вследствие изменения потери тепла в процессе конвекции и испарения на поверхности бассейна. Согласно некоторым вариантам осуществления, глубина бассейна может избирательно регулироваться для использования или приобретения преимущества повышения движущих сил на основании сезонных изменений, таких как охлаждение и/или уменьшение влажности атмосферного воздуха, или, другими словами, повышения движущих сил, присутствующих в определенные времена года.
Согласно еще одному представительному варианту осуществления, способ изменения скоростей осаждения содержащих калий солей в системе охлаждающих бассейнов может включать стадию избирательного регулирования глубины бассейна для изменения скорости потока и числа Рейнольдса. Согласно одному представительному варианту осуществления, способ может включать стадию уменьшения глубины бассейна для увеличения скорости потока и числа Рейнольдса. Посредством увеличения числа Рейнольдса, перемешивание концентрированного раствора соли усиливается, приводя к увеличению потери тепла за счет теплопроводности и испарения на поверхности бассейна, и в результате этого усиливается охлаждение, и увеличивается осаждение содержащей калий соли. Согласно еще одному представительному варианту осуществления, способ может включать стадию увеличения глубины бассейна для уменьшения скорости потока и числа Рейнольдса. Посредством снижения числа Рейнольдса перемешивание концентрированного раствора соли уменьшается, приводя к уменьшению потери тепла за счет теплопроводности и испарения на поверхности бассейна, и в результате этого подавляется охлаждение, и уменьшается осаждение содержащей калий соли. Согласно некоторым вариантам осуществления, стадия избирательного регулирования глубины бассейна может дополнительно включать сезонное регулирование глубины бассейна для регулирования осаждения содержащей калий соли на основе сезонных изменений условий окружающей среды, влияющих на эксплуатационные характеристики охлаждающего бассейна, включая температуру воздуха, относительную влажность, скорость ветра и другие условия, с целью доведения до максимума производительности бассейна или оптимизации производства на основании потребительского спроса на продукт.
Согласно еще одному представительному варианту осуществления, способ регулирования эксплуатационных характеристик охлаждающего бассейна, в том числе, но не ограничиваясь этим, в операции добычи растворением, может включать регулирование глубины бассейна охлаждающего бассейна для избирательного увеличения или уменьшения осаждения содержащей калий соли.
Согласно еще одному представительному варианту осуществления, способ сезонного регулирования скорости осаждения в системе охлаждающих бассейнов может включать избирательное регулирование глубины бассейна на основании изменений погодных условий окружающей среды, например, температуры, относительной влажности и скорости ветра, которые влияют на эксплуатационные характеристики охлаждающего бассейна.
Материалы и способы, описанные выше, не ограничиваются добычей растворением поташа и содержащих калий солей. Материалы и способы согласно вариантам осуществления могут использоваться в любых типах процессов и систем для добычи растворением или в отношении других источников раствора соли или концентрированного раствора соли, в которых является желательным извлечение или осаждение соли. Приведенный выше краткий обзор разнообразных представительных вариантов осуществления настоящего изобретения не предназначается для описания каждого проиллюстрированного варианта осуществления или каждого варианта реализации настоящего изобретения. Напротив, варианты осуществления выбраны и описаны таким образом, что специалисты в данной области техники могут оценивать и понимать принципы и практические применения настоящего изобретения. Чертежи в следующем подробном описании более конкретно иллюстрируют на примерах указанные варианты осуществления.
Краткое описание чертежей
Далее разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны в качестве примеров целях улучшенного понимания настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг. 1 представляет вид сверху охлаждающего бассейна согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет изображение в частичном разрезе охлаждающего бассейна на фиг. 1.
Фиг. 3 представляет схематическую иллюстрацию системы охлаждающих бассейнов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет вид сбоку системы охлаждающих бассейнов с разнообразными затопленными водосливами согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет вид сбоку охлаждающего бассейна согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет вид сбоку охлаждающего бассейна на фиг. 5 с плавучей драгой.
Фиг. 7 представляет вид сбоку охлаждающего бассейна с системой распыления суспензии согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет вид сверху системы охлаждающих бассейнов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9 представляет вид сверху системы охлаждающих бассейнов согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 10 представляет изображение системы охлаждающих бассейнов на фиг. 9 в разрезе по линии 2-2 на фиг. 9.
Фиг. 11 представляет схематическое изображение системы охлаждающих бассейнов согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Хотя настоящее изобретение может быть преобразовано в разнообразные модификации и альтернативные формы, его специфические особенности будут представлены посредством примера на чертежах и подробно описаны. Однако следует понимать, что не предусматривается ограничение настоящего изобретения конкретными описанными вариантами осуществления. Напротив, предусматривается распространение на все модификации, эквиваленты и альтернативы, которые находятся в пределах идеи и объема настоящего изобретения, как определяет прилагаемая формула изобретения.
Подробное описание чертежей
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся, в общем, к системам охлаждающих бассейнов для использования с источником раствора соли или концентрированного раствора соли, такого как, например, поток от добычи растворением, масса соленой воды, циркулирующий или возвратный поток кристаллизатора или любой другой подходящий источник соленой воды, где является желательным извлечение соли. Более конкретно, варианты осуществления предусматривают размещение одного или нескольких затопленных водосливов и/или регулирование глубины охлаждающего бассейна. Глубина бассейна и системы охлаждающих водосливов, которые используются индивидуально или в сочетании, усиливают конвекцию на поверхности бассейнов и/или регулируют перемешивание потока, и в результате этого увеличивается производство соли.
Охлаждающие водосливы
Далее рассмотрим фиг. 1, где представительный охлаждающий бассейн 100 согласно настоящему изобретению может включать футерованный бассейн 102, имеющий длину 104 бассейна и ширину 106 бассейна. Как правило, охлаждающий бассейн 100 может включать расположенный выше по потоку конец 108 с входящим потоком 110 концентрированного раствора соли и расположенный ниже по потоку конец 111 с выходящим потоком 112 концентрированного раствора соли. Как правило, входящий поток 110 концентрированного раствора соли включает нагретый концентрированный раствор соли на уровне или вблизи насыщения, который перекачивается из полости поташа, вытекающий из кристаллизатора и/или вытекающего из другого аналогичного очистного устройства поток и может включать содержащие калий соли, в том числе, например, сильвин (т. е. поташ), галит (т. е. хлорид натрия) и сульфат натрия, а также разнообразные примеси, такие как хлорид кальция, сульфат кальция, хлорид магния, сульфат магния и т. д. Выходящий поток 112 концентрированного раствора соли, как правило, включает охлажденный концентрированный раствор соли, из которого содержащие калий соли были удалены в практичных с промышленной точки зрения количествах посредством осаждения при охлаждении нагретого концентрированного раствора соли.
Как видно на фиг. 1, охлаждающий бассейн 100 может включать один или несколько затопленных водосливов 120 на протяжении ширины бассейна 106. Затопленные водосливы 120 могут включать проходящей по всей ширине водослив 122, покрывающий полную ширину 106 бассейна. В качестве альтернативы, затопленные водосливы может включать клиновидный водослив 124, проходящий на протяжении части ширины бассейна 106 и имеющий отверстие водослива 126. Каждый из затопленных водосливов 120 имеет длину 128 водослива. Согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения, длина 128 водослива может составлять от приблизительно 25 футов до приблизительно 100 футов в направлении ширины.
Далее рассмотрим фиг. 2, где охлаждающий бассейн 100, как правило, имеет поверхность 130 бассейна, дно 132 бассейна и глубину 134 бассейну. Затопленные водосливы 120, как правило, имеют расположенную выше по потоку стенку 136, расположенную ниже по потоку стенку 138 и верхнюю поверхность 140 водослива. Высота 142 водослива определяется между дном 132 бассейна и верхней поверхностью 140 водослива. Глубина погружения 144 определяется между поверхностью 130 бассейна и верхней поверхностью 140 водослива. Согласно разнообразным вариантам осуществления настоящего изобретения, глубина погружения 144 может составлять от приблизительно 1 фута до приблизительно 3 футов. В охлаждающем бассейне 100 концентрированный раствор соли 146, как правило, имеет различные уровни расслоения концентрированного раствора соли, причем более концентрированный или более плотный раствор соли 148 находится вблизи дна бассейна 132, и менее концентрированный или менее плотный раствор соли 150 находится вблизи поверхности бассейна 130.
Когда работает охлаждающий бассейн 100 в своей простейшей форме, входящий поток 110 концентрированного раствора соли поступает в футерованный бассейн 102 в расположенный выше по потоку конец 108, как представлено на фиг. 1. Как правило, входящий поток 110 концентрированного раствора соли может поступать из операции добычи растворением или полости и включает растворенные содержащие калий соли. Когда входящий поток 110 концентрированного раствора соли проходит в направлении длины 104 бассейна из расположенного выше по потоку конца 108 в расположенный ниже по потоку конец 111, ближайшая к концентрированному раствору соли 146 поверхность 130 бассейна испытывает конвекционное охлаждение, которое заставляет концентрированный раствор соли 146 охлаждаться. Когда концентрированный раствор соли 146 охлаждается, предел растворимости содержащих калий солей в концентрированном растворе соли 146 снижается до уровня, при котором содержащие калий соли, превышающие предел растворимости, осаждаются из раствора и накапливаются на дне 132 бассейна.
Чтобы доводилось до максимума охлаждение, один или несколько затопленных водосливов 120 образуются на протяжении ширины бассейна 106. Как правило, затопленные водосливы 120 нарушают уровни расслоения концентрированного раствора соли посредством увеличения числа Рейнольдса входящего потока 110 концентрированного раствора соли, когда он достигает затопленного водослива 120, и, таким образом, усиливаются турбулентность и перемешивание концентрированного раствора соли 146. Посредством усиления турбулентности и перемешивания более плотный концентрированный раствор соли 148, который, следовательно, имеет более высокую температуру, чем менее плотный концентрированный раствор соли 150, вертикально перемешивается и выталкивается к поверхности 130 бассейна. Вследствие увеличения разности температур между атмосферным воздухом и более плотным концентрированным раствором соли 148, увеличивается скорость охлаждения концентрированного раствора соли 146. Когда увеличивается скорость охлаждения концентрированного раствора соли 146, предел растворимости концентрированного раствора соли 146 дополнительно уменьшается, и в результате этого увеличивается осаждение содержащих калий солей.
Далее рассмотрим фиг. 3, где система 200 охлаждающих бассейнов согласно варианту осуществления настоящего изобретения может включать множество охлаждающих бассейнов 100, например, расположенный выше по потоку охлаждающий бассейн 202 и расположенный ниже по потоку охлаждающий бассейн 204. Следует понимать, что система охлаждающих бассейнов может включать любое число охлаждающих бассейнов 100, причем такие факторы, как доступное пространство, капитальные ресурсы и разнообразные параметры концентрированного раствора соли зависят от конструкции системы 200 охлаждающих бассейнов. Как правило, система 200 охлаждающих бассейнов включает входящий поток 206 концентрированного раствора соли, промежуточный поток 208 между бассейнами и выходящий поток 211 концентрированного раствора соли. Кроме того, система 200 охлаждающих бассейнов может включать один или несколько вытекающие из очистного устройства потоки 212 в один или оба из расположенного выше по потоку охлаждающего бассейна 202 и расположенного ниже по потоку охлаждающего бассейна 204. Вытекающие из очистного устройства потоки 212 могут включать обработанные потоки из кристаллизатора или других процессов очистки и могут включать концентрированный раствор соли в концентрациях, которые превышают концентрации в необработанных входящих потоках из полости для добычи поташа.
Как видно на фиг. 3, один или несколько затопленных водосливов 120 могут располагаться на протяжении всей системы 200 охлаждающих бассейнов для ускоренного охлаждения концентрированного раствора соли 146. Как видно на фиг. 3 и 4, разнообразные типы конфигураций могут использоваться для каждого из затопленных водосливов 120. Например, расположенный выше по потоку охлаждающий бассейн 202 может включать первый затопленный водослив 220 и второй затопленный водослив 222. Как проиллюстрировано на чертеже, каждый из первого и второго затопленных водосливов 220, 222 проходят по всей ширине 122 водосливов, покрывая полностью ширину 106 бассейна для расположенного выше по потоку охлаждающего бассейна 202. Как правило, первый и второй затопленные водосливы 220, 222 могут иметь длины водосливов, составляющие от приблизительно 25 футов до приблизительно 100 футов. Расположенный ниже по потоку охлаждающий бассейн 204 может включать третий затопленный водослив 224 и четвертый затопленный водослив 226. Как проиллюстрировано на чертеже, третий затопленный водослив 224 может включать клиновидный водослив 124. Четвертый затопленный водослив 226 может, в основном, включать два водослива 226a, 226b уменьшенной ширины, например, два водослива шириной 25 футов, которые занимают пространство одного затопленного водослива с длиной водослива 100 футов.
Как видно на фиг. 4, разнообразные затопленные водосливы в системе 200 охлаждающих бассейнов может быть сконструированы таким образом, что они имеют различные глубины погружения 144 в зависимости от своего расположения в системе 200 охлаждающих бассейнов 200 и на основании своей предполагаемой производительности или «загрузки» бассейна. Например, когда концентрированный раствор соли 146 перемещается из расположенного выше по потоку места в расположенное ниже по потоку место, содержащие калий соли будут осаждаться, снижая, таким образом, концентрацию по мере того, как концентрированный раствор соли 146 перемещается вниз по потоку. Однако чем больше разность температур между расположенными выше по потоку местами и атмосферным воздухом, тем больше степень охлаждения в расположенных выше по потоку местах, и в результате этого происходит ускоренное осаждение и накопление содержащих калий солей в расположенных выше по потоку местах по сравнению с расположенными ниже по потоку местами. Хотя концентрация концентрированного раствора соли 146 уменьшается при перемещении из расположенного выше по потоку места в расположенное ниже по потоку место, охлаждение концентрированного раствора соли 146 заставляет концентрированный раствор соли 146 оставаться на уровне насыщения. Чтобы сохранялась производительность системы 200 охлаждающих бассейнов, может оказаться полезным увеличение глубины погружения 144 для расположенных выше по потоку водосливов по сравнению с расположенными ниже по потоку водосливами в целях обеспечения большей площади для накопления содержащих калий солей на расположенных выше по потоку водосливах. Например, первый затопленный водослив 220 может иметь глубину погружения 144, составляющую приблизительно 5 футов, второй затопленный водослив 222 иметь глубину погружения 144, составляющую приблизительно 3,5 футов, третий затопленный водослив 224 может иметь глубину погружения 144, составляющую приблизительно 2 фута, и четвертый затопленный водослив 226 может иметь глубину погружения 144, составляющую 1 фут. Чтобы ускорить конвективное охлаждение, сохранение минимальной глубины погружения 144 представляет собой преимущество, хотя указанное преимущество следует сопоставлять с предполагаемой загрузкой бассейна (накоплением осадка содержащей калий соли) и возможной способностью извлечения.
Затопленные водосливы 120 могут, как правило, изготавливаться разнообразными способами. Например, охлаждающий бассейн 100 может содержать слой осадка 300, который образуется и накапливается на дне 132 бассейна, как представлено на фиг. 5. Используя плавучую драгу 302, как представлено на фиг. 6, слой осадка 300 можно вычерпывать таким образом, чтобы из самого слоя осадка 300 получались расположенная выше по потоку стенка 136, расположенный ниже по потоку стенка 138 и верхняя поверхность водослива 140. С течением времени плавучая драга 302 может использоваться для восстановления новых затопленных водосливов 120, когда предшествующие затопленные водосливы вычерпываются и направляются на переработку. Согласно альтернативному варианту осуществления, представленному на фиг. 7, один или несколько потоков суспензии 304 могут использоваться для распыления раствора суспензии 306, которая может осаждаться на дно 132 бассейна и образовывать затопленный водослив 120.
Далее рассмотрим фиг. 8, где использование и преимущества затопленных водосливов 120 были динамически моделированы для существующей системы 400 охлаждающих бассейнов. Система 400 охлаждающих бассейнов, как правило, включает всего одиннадцать охлаждающих бассейнов, проиллюстрированных как охлаждающие бассейны 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 409, 410, и 411 соответственно. Система 400 охлаждающих бассейнов включает входящий поток 420 концентрированного раствора соли, вытекающий из очистного устройства поток 422 и выходящий поток 424. Охлаждающая способность системы 400 охлаждающих бассейнов была моделирована для трех различных сценариев, как описано ниже в таблице 1:
Таблица 1
Сценарий
Затопленные водосливы
Конфигурация затопленных водосливов
1
Нет
Не применяется
2
Да
Бассейн 402: (3) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 403: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 404: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 405: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 406: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 407: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 408: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 футаБассейн 409: (3) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 4 фута
3
Да
Бассейн 402: (3) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 3 футаБассейн 403: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 3 футаБассейн 404: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 1 футБассейн 405: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 1 футБассейн 406: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 1 футБассейн 407: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 1 футБассейн 408: (2) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 3 футаБассейн 409: (3) затопленных водослива, длина водосливов 100 футов, глубина погружения 3 фута
* Для каждого сценария представлены характеристики, включающие скорость потока, температуру и концентрацию концентрированного раствора соли для входящего потока 420 и возвратного потока 422 концентрированного раствора соли. В сценариях 2 и 3 каждый из затопленных водосливов 120 имеет конструкцию на полную ширину. Кроме того, для всех сценариев сохранялись одинаковыми температура окружающего воздуха и скорость ветра. Каждый бассейн имеет глубину 134 бассейна, составляющую 9 футов.
Охлаждающая способность и, следовательно, процентное увеличение производства (производства осадка) для сценариев 2 и 3 по сравнению с базовым сценарием 1, кратко представлены ниже в таблице 2:
Таблица 2
Сценарий
Температура выходящего потока 424 (°F)
Увеличение производства (%)
1
31,6
Не применяется
2
28,7
5,3%
3
28,0
8,1%
Как проиллюстрировано в таблицах 1 и 2, использование затопленных водосливов 120 в системе охлаждающих бассейнов увеличивает охлаждающую способность системы охлаждающих бассейнов и приводит к увеличению количества содержащих калий солей, извлекаемых из системы охлаждающих бассейнов. Кроме того, конструкция затопленных водосливов 120, имеющих уменьшенную глубину погружения, может дополнительно увеличивать мощность охлаждения и извлечение продукта. Однако глубину погружения следует сравнивать с другими технологическими условиями, включающими способность извлечения и производительность, чтобы определять наилучшую конструкцию для затопленных водосливов 120 в любой конкретной системы охлаждающих бассейнов.
Глубина бассейна
Далее рассмотрим фиг. 9 и 10, где представительный охлаждающий бассейн 1000 согласно настоящему изобретению может включать футерованный бассейн 1002, имеющий длину 1004 бассейна и ширину 1006 бассейна. Как правило, охлаждающий бассейн 1000 может включать расположенный выше по потоку конец 1008, имеющий входящий поток 1010 концентрированного раствора соли, и расположенный ниже по потоку конец 1011, имеющий выходящий поток 1012 концентрированного раствора соли. Как правило, входящий поток 1010 концентрированного раствора соли включает нагретый концентрированный раствор соли на уровне или вблизи насыщения, который перекачивается из полость для добычи поташа, вытекающий поток из кристаллизатора и/или другие аналогичный вытекающий из очистного устройства поток, и может включать содержащие калий соли, включающие, например, сильвин (т. е. поташ), галит (т. е. хлорид натрия) и сульфат натрия, а также разнообразные примеси, такие как хлорид кальция, сульфат кальция, хлорид магния, сульфат магния, и т. д. Выходящий поток 1012 концентрированного раствора соли, как правило, включает охлажденный концентрированный раствор соли, из которого содержащие калий соли были удалены в практичных с промышленной точки зрения количествах посредством осаждения при охлаждении нагретого концентрированного раствора соли.
Далее рассмотрим фиг. 10, где охлаждающий бассейн 1000, как правило, имеет поверхность 1030 бассейна, и дно 1032 бассейна. Слой продукта осаждается на дне 1032 бассейна, и в результате этого определяется настил 1048 бассейна, имеющий высоту 1049 настила. В охлаждающем бассейне 1000, концентрированный раствор соли 1046 находится выше настила 1048 на высоте, измеряемой от поверхности бассейна 1030 до верхней поверхности 1047 настила 1048, и в результате этого определяется глубина 1034 бассейна. Концентрированный раствор соли, как правило, имеет различные уровни расслоения концентрированного раствора, причем более концентрированный или более плотный раствор соли 1046a находится вблизи верхней поверхности 1047 настила 1048, и менее концентрированный или менее плотный раствор соли 1046b находится вблизи поверхности бассейна 1030.
Когда охлаждающий бассейн 1000 работает в своей простейшей форме, как описано выше по отношению к вариантам осуществления охлаждающего водослива, входящий поток 1010 концентрированного раствора соли поступает в футерованный бассейн 1002 в расположенном выше по потоку конце 1008, как представлено на фиг. 9. Как правило, входящий поток 1010 концентрированного раствора соли может поступать из операции добычи растворением или полости и включает растворенные содержащие калий соли. Когда входящий поток 1010 концентрированного раствора соли перемещается в направлении длины бассейна 1004 от расположенного выше по потоку конца 1008 до расположенного ниже по потоку конца 1011, концентрированный раствор соли 1046 и, более конкретно, в расслоенной системе, менее плотная часть вблизи поверхности бассейна 1030 испытывает конвекционное охлаждение, которое заставляет концентрированный раствор соли 1046 охлаждаться. Когда концентрированный раствор соли 1046 охлаждается, предел растворимости содержащих калий солей в концентрированном растворе соли 1046 снижается до уровня, при котором содержащие калий соли, превышающие предел растворимости, осаждаются из раствора и накапливаются на дне бассейна 1032 в качестве настила 1048. Согласно одному конкретному варианту осуществления, когда накапливается настил 1048, и его высота 1049 увеличивается, продукт 1048 или его часть не удаляется в качестве альтернативы способу регулирования глубина бассейна. Согласно еще одному альтернативному варианту осуществления, формируется часть настила 1048, образуя один или несколько затопленных водосливов 120, как описано выше.
Чтобы увеличивалась охлаждающая способность охлаждающего бассейна 1000, может усиливаться перемешивание между разделенными слоями, включая более плотный концентрированный раствор соли 1046a вблизи поверхности 1049 настила 1048 и менее концентрированный или менее плотный раствор соли 1046b вблизи поверхности бассейна 1030. Перемешивание может усиливаться посредством увеличения числа Рейнольдса таким образом, что поток в охлаждающем бассейне 1000 становится более турбулентным, что, в свою очередь, приводит к увеличению потери тепла посредством конвекции. Один способ увеличения числа Рейнольдса может включать увеличение скорости потока концентрированного раствора соли 1046 через охлаждающий бассейн 1000. Когда охлаждающий бассейн 1000 имеет фиксированную ширину 1006 бассейна, скорость концентрированного раствора соли 1046 может увеличиваться посредством уменьшения глубины бассейна 1034 при сохранении объема входящего потока 1010 концентрированного раствора соли и выходящего потока 1012 концентрированного раствора соли.
В фактической технологической среде система 1050 охлаждающих бассейнов для осаждения содержащих калий солей, как правило, включает множество соединенных друг с другом охлаждающих бассейнов 1000, как представлено на фиг. 11. Например, система 1050 охлаждающих бассейнов может включать всего одиннадцать охлаждающих бассейнов 1000, в том числе охлаждающие бассейны 1051, 1052, 1053, 1054, 1055, 1056, 1057, 1058, 1059, 1060 и 1061. Охлаждающие бассейны 1051, 1052, 1053, 1054, 1055, 1056, 1057, 1058, 1059, 1060 и 1061 могут располагаться последовательно, параллельно или в сочетании последовательной и параллельной конфигураций. Система 1050 охлаждающих бассейнов может включать множество входящих потоков 1010 концентрированного раствора соли, включая, например, первый входящий поток 1064 и второй входящий поток 1066. Каждый входящий поток 1064 и 1066 может включать, например, поток концентрированного раствора соли непосредственно из полости добычи, т. е. поток исходного материала из полости (CRF), поток концентрированного раствора соли, вытекающий из кристаллизатора/очистного устройства (XLR O/F), или их сочетания. Согласно определенным вариантам осуществления, первый и второй входящие потоки одновременно представляют собой сочетания CRF и XLR O/F.
Согласно одному конкретному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 11, первый и второй входящие потоки 1064 и 1066 соединяются в один поток 1060b после того, как каждый из них проходит через один или несколько охлаждающих бассейнов. В частности, как представлено на фиг. 11, поток 1064 проходит через охлаждающие бассейны 1051, 1052, 1053, 1054, 1055 и 1056 и выходит из бассейна 1056 как поток 1056a. Поток 1066 проходит через охлаждающие бассейны 1057, 1058, 1059 и 1060 и выходит из бассейна 1060 как поток 1060a. Потоки 1056a и 1060a затем соединяются, образуя поток 1060b, который поступает в бассейн 1061, прежде чем он выходит из системы 1050 как выходящий поток 1012.
Влияние изменения глубины 1034 бассейнов продемонстрировано далее на неограничительных примерах, которые представлены ниже.
Пример 1:
В первом примере была смоделирована система 1050 охлаждающих бассейнов, включающая охлаждающие бассейны 1051, 1052, 1053, 1054, 1055, 1056, 1057, 1058, 1059, 1060 и 1061, имеющие глубины 1034 бассейнов, составляющие 9 футов, 6,5 футов и 5 футов. Для целей модели эффективная глубина 1034 бассейна считалась одинаковой в каждом из охлаждающих бассейнов 1051, 1052, 1053, 1054, 1055, 1056, 1057, 1058, 1059, 1060 и 1061. Модель была построена как для летних, так и для зимних технологических условий, причем летние результаты представлены в таблице 3, и зимние результаты представлены в таблице 4.
Таблица 3. Результаты с учетом летних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Процентное изменение уменьшения температуры (от средней температуры впусков 1064 и 1066 до температуры выпуска 1012)
9
61,5
65
20
21,6%
6,5
61,5
65
20
29,8%
5
61,5
65
20
31,7%
Таблица 4. Результаты с учетом зимних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Процентное изменение уменьшения температуры (от средней температуры впусков 1064 и 1066 до температуры выпуска 1012)
9
8,8
75
20
52,3%
6,5
8,8
75
20
57,2%
5
8,8
75
20
61,0%
Результаты моделирования летних и зимних условий, кратко представленные в таблицах 3 и 4, демонстрируют, что система 1050 охлаждающих бассейнов, сконструированная из отдельные охлаждающие бассейны 1000, имеющих меньшие глубины 1034 бассейнов, проявляет повышенную охлаждающую способность. Имеющие меньшие глубины охлаждающие бассейны 1000 имеют более высокие скорости по сравнению с сопоставимым охлаждающим бассейном, имеющим увеличенную глубину. Более высокие скорости приводят к увеличению числа Рейнольдса в охлаждающем бассейне 1000, и в результате этого усиливается перемешивание потока в разделенном на слои вертикальном столбе концентрированного раствора, содержащем концентрированный раствор соли 1046. Когда усиливается перемешивание потока, температура концентрированного раствора соли на поверхность 1030 бассейна увеличивается, приводя к увеличению потери тепла за счет теплопроводности и испарения на поверхности 130 бассейна. Увеличение потери тепла на поверхности бассейна 1030 в системе 1050 охлаждающих бассейнов непосредственно воздействует на выходящий поток 1012 концентрированного раствора соли и, в конечном счете, приводит к уменьшению температуры выходящего потока концентрированного раствора соли.
Пример 2:
В примере 2 был смоделирован температурный профиль охлаждения в отношении первого входящего потока 1064 через часть системы 1050 охлаждающих бассейнов перед объединением с выходящим потоком 160a. Рассмотрим фиг. 10, где влияние глубины бассейна на температуру выходящего потока концентрированного раствора соли для различных выходящих потоков 1051a, 1052a, 1053a, 1054a, 1055a и 1056a концентрированного раствора соли, связанных с их соответствующими охлаждающими бассейнами 1051, 1052, 1053, 1054, 1055 и 1056, было смоделировано для летних и зимних условий. Охлаждающие бассейны 1050, 1051, 1052, 1053, 1054 и 1055 были смоделированы для глубин 1034 бассейнов, составляющих 9 футов, 6,5 футов и 5 футов. Для целей моделирования глубина 1034 бассейна считалась одинаковой в каждом из охлаждающих бассейнов 1051, 1052, 1053, 1054 и 1055. Модель для механизма теплопереноса, воздействующего на концентрированный раствор соли, представляющий собой объемную текучую среду (маточный раствор) в бассейне, была построена для летних и зимних технологических и атмосферных условий, причем летние результаты представлены в таблице 5, и зимние результаты представлены в таблице 6.
Таблица 5. Охлаждение первого входящего потока 1064 с учетом летних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Разность температур между 1064 и 1051a (°F)
Разность температур между 1051a и 1052a (°F)
Разность температур между 1052a и 1053a (°F)
Разность температур между 1053a и 1054a (°F)
Разность температур между 1054a и 1055a (°F)
Разность температур между 1055a и 1056a (°F)
Полная разность температур между 1064 и 1056a (°F)
9
61,5
65
20
-7,7
-5,1
-3,8
-3,2
-2,3
-2,0
-24,1
6,5
61,5
65
20
-8,7
-5,4
-4,0
-3,4
-2,3
-2,0
-25,8
5
61,5
65
20
-9,4
-5,9
-4,1
-3,4
-2,4
-1,9
-27,1
Таблица 6. Результаты первого входящего потока 164 с учетом зимних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Разность температур между 1064 и 1051a (°F)
Разность температур между 1051a и 1052a (°F)
Разность температур между 1052a и 1053a (°F)
Разность температур между 1053a и 1054a (°F)
Разность температур между 1054a и 1055a (°F)
Разность температур между 1055a и 1056a (°F)
Полная разность температур между 1064 и 1056a (°F)
9
8,8
75
20
-13,6
-9,7
-7,7
-7,8
-5,7
-5,4
-49,9
6,5
8,8
75
20
-15,2
-10,6
-8,5
-8,2
-6,4
-6,1
-55,0
5
8,8
75
20
-16,7
-11,3
-9,0
-8,5
-6,8
-6,4
-58,7
Пример 3:
В примере 3 был смоделирован температурный профиль охлаждения в отношении второго входящего потока 1066 через часть системы 1050 охлаждающих бассейнов перед объединением с выходящим потоком 1056a. Рассмотрим фиг. 3, где воздействие глубины бассейна на температуру выходящего потока концентрированного раствора соли для различных выходящих потоков 1057a, 1058a, 1059a и 1060a концентрированного раствора соли, связанных с их соответствующими охлаждающими бассейнами 1057, 1058, 1059 и 1060, было смоделировано для летних и зимних условий. Охлаждающие бассейны 1057, 1058, 1059 и 1060 были смоделированы для глубин 1034 бассейнов, составляющих 9 футов, 6,5 футов и 5 футов. Для целей моделирования глубина 1034 бассейна считалась одинаковой в каждом из охлаждающих бассейнов 1057, 1058, 1059 и 1060. Модель для второго входящего потока 1066 была построена для летних и зимних технологических условий, причем летние результаты представлены в таблице 7, и зимние результаты представлены в таблице 8.
Таблица 7. Результаты второго входящего потока 1066 с учетом летних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Разность температур между 1066 и 1057a (°F)
Разность температур между 1057a и 1058a (°F)
Разность температур между 1058a и 1059a (°F)
Разность температур между 1059a и 1060a (°F)
Полная разность температур между 1064 и 1056a (°F)
9
61,5
65
20
-4,5
-3,4
-3,0
-2,4
-13,3
6,5
61,5
65
20
-4,9
-3,8
-3,3
-2,5
-14,5
5
61,5
65
20
-5,5
-4,0
-3,5
-2,5
-15,5
Таблица 8. Результаты второго входящего потока 1166 с учетом зимних технологических условий.
Глубина бассейна (футов)
Температура окружающего воздуха (°F)
Относительная влажность окружающего воздуха (%)
Средняя скорость ветра (км/ч)
Разность температур между 1066 и 1057a (°F)
Разность температур между 1057a и 1058a (°F)
Разность температур между 1058a и 1059a (°F)
Разность температур между 1059a и 1060a (°F)
Полная разность температур между 1064 и 1056a (°F)
9
8,8
75
20
-9,1
-7,4
-6,7
-5,6
-28,8
6,5
8,8
75
20
-9,2
-9,1
9,1
-7,4
-32,1
5
8,8
75
20
-9,2
-10,7
-7,9
-7,0
-34,8
В сопоставлении воздействия глубины 1034 бассейна на охлаждающую способность для трех описанных выше примеров сравнение летних и зимних результатов показывает, что охлаждающая способность в отношении выходящего потока 1012 концентрированного раствора соли является менее чувствительной к изменениям глубины 1034 бассейна в течение летних месяцев. Оказывается, что значительно более высокая температура окружающего воздуха в летние месяцы приводит к уменьшению движущей силы теплопереноса, что неблагоприятно воздействует на охлаждающую способность.
На основании полной охлаждающей способности системы 1050, которая представлена в таблицах 3 и 4, производство содержащих калий солей было смоделировано для летних и зимних периодов в расчете на глубины, составляющие 5 футов, 6,5 футов и 9 футов. Оцениваемые уровни производства представлены в таблице 9.
Таблица 9. Процентный выход в производстве содержащих калий солей.
Глубина 1034 бассейна (футов)
Процентное увеличение зимнего производства (по сравнению с производством при глубине 9 футов)
Процентное увеличение летнего производства (по сравнению с производством при глубине 9 футов)
9
-
-
6,5
11,9%
6,4%
5
21,0%
11,4%
На основании производственных данных в таблице 9, один способ регулирования или достижения производственных целей в течения года представляет собой регулирование глубины бассейна 1034 в качестве альтернативы увеличению скоростей входящих потоков для входящих потоков 1010, включая, например, первый входящий поток 1064 и второй входящий поток 1066.
Как описано в приведенном выше тексте, система охлаждающих бассейнов согласно настоящему изобретению использует один или несколько затопленных водосливов и/или изменения глубины охлаждающих бассейнов для увеличения охлаждающей способности и извлечения продукта из концентрированного раствора соли, включая, но не ограничиваясь этим, введение в полость исходного концентрированного раствора соли в операциях добычи растворением, вытекающих из кристаллизатора и/или вытекающих из очистки потоков в операциях добычи растворением или традиционным способом, массы соленой воды или любого другого источника концентрированного раствора соли. Следует понимать, что конструкция системы охлаждающих бассейнов может превращаться в разнообразные модификации и альтернативные формы на основе доступной площади, капитальных расходов и параметров потока концентрированного раствора соли. Предусматривается не ограничение настоящего изобретения конкретными описанными и проиллюстрированными вариантами осуществления, но, напротив, распространение на все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в пределах идеи и объема настоящего изобретения.