Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
La présente invention concerne un procède et une
installation de lixiviation in situé de minerais, tels que nickel,
cobalt, cuivre, uranium, etc..., à l'aide d'une solution de liai-
aviation composée d une solution de base dans laquelle on adjoint
de l'oxygène que l'on fait circuler dans une conduite placée
dans un puits d'injection, ladite conduite débouchant à son
extrémité aval dans une zone de fond dite de xiviation, avec
reprise dans un ou plusieurs puits de récupération d'une sou-
lion composite incorporant des composés métalliques extraits
du minerai, qui est traitée pour séparer lesdits composés, puis
est régénérée avec adjonction éventuelle de produits de base,
ré oxygénation et recyclage dans ledit conduit de puits d'injec-
lion. En pratique, on utilise un réseau d'une pluralité de
puits d'injection répartis en surface avec une pluralité de
puits de récupération également répartis en surface et à dis-
tance des puits d'injection. D'une façon générale, on préfère,
à titre d'oxydant, l'oxygène que l'on dissout dans la solution
de base, car Iles moins onéreux que l'eau oxygénée mais sa
faible solubilité dans les solutions aqueuses rend son emploi
délicat.
Le premier inconvénient de l'utilisation de l'oxygène
dans une solution de lixiviation réside dans la formation, au
moment de l'incorporation de quantités suffisantes d'oxygène,
de bulles d'oxygène d'un diamètre supérieur à quelques dizaines
de microns, formant ainsi un mélange diphasique qui saoule
y; difficilement au travers des micro-fractures de la roche en
sorte que l'on est obligé de fracturer artificiellement le
minerai entre un puits d'injection et un puits de récupération,
par exemple avec des explosifs, ce qui permet le paysage de la
solution lixiviante clipha~ique, mais une telle opération de
facturation est délicate et coûteuse.
-- 1 -
C'est la raison pour laquelle, dans une proportion
récente rapportée dans 12 brevet américain No. 4.116.488, on a
réalisé une solution l.ixiviante qui, bien qu'à l'état diphasique,
se présente sous forme liquide avec des micro-bulles réparties
et l'on s'est efforcé de faire en sorte d'éviter, lors de l'in-
éjection, la coalescence des bulles. D'une façon plus précise,
la solution li.xiviante diphasique injectée dans la zone de liai-
aviation est recyclée par un aspirateur du type "Vent Uri" de
lagon à empêcher la formation d'une poche gazeuse et, pour âme-
livrer encore la stabilité du mélange diphasique en luttant contre la coalescence des bulles, on prévoit d'ajouter un pro-
dut tensio-actif dans la solution lixiviante.
Cette solution connue nécessite un dispositif "Vent Uri"
aménagé au fond du puits, ce qui est délicat et risque tailleurs
de provoquer des bouchages. En fait, il est illusoire d'espérer
maintenir, sans aucune coalescence des bulles, un écoulement daigne
fluide diphasique dans un conduit vertical de plusieurs centaines
:` de mètre malgré les aménagements rappelés ci-dessus. En outre,
dans un conduit vertical d'une telle longueur, la pression est
loin d'être constante et en fait croît linéairement depuis le
niveau du sol jusqu'au sommet de la zone de lixiviation, où
elle atteint une valeur l~gèrementinférieure à une limite qui
correspond à la pression de facturation de la Roche en ce point.
En réalité donc, la pression moyenne dans le conduit d'injection
vertical est voisine de la moitié de la pression de facturation
au sommet de la zone de lixiviation et par conséquent, la con-
centrassions en oxygène dissous est au plu égale à la moitié de
ce qu'on pourrait espérer pour la pression opérationnelle dan
la zone de lixiviation. Pour toutes ces raisons, le rendement
d'ut.ili~ation en oxygène est faible, de l'ordre de 40%.
k
La présente invention a pour objet un procédé de
lixiviation in itou de minerai qui évite tous les inconvénients
~nentionnés ci-dessus en supprimant a coup sur toute formation de
bulles d'oxygène, tout en s'approchant, dans toute la zone de
lixiviation de la limite de saturation pour une pression peu
inférieure à la pression de facturation de la roche. Greco
à cette mesure, la solution lixiviante a des propriétés très
performantes en ce qui concerne la dissolution du minerai, fi
bien que l'on peut obtenir un rendement d'utilisation en oxygène
10 très voisin de 100%.
Le procédé selon l'invention est caractérisé par la
combinaison des mesures suivantes:
a) le diamètre interne de la conduite d'injection est choisi,
compte tenu du débit volumétrique de la solution lixiviante,
de l'accrolssement hydrostatique de la pression et de la
diminution de pression par pertes de charge lors du transi
lent de ladite solution lixiviante de l'extr~mité amont à
l'extr~mité aval de ladite conduite, de façon à ce que la
pression de ladite solution lixiviante à l'extr~mité aval
soit sensiblement égale à la pression de ladite solution
lixiviante à l'extrémit~ amont, la pression de ladite alloue-
lion dans ladite conduite ne devenant jamais, au cours de son
transfert dans ladite conduite, notablement inférieure à
la valeur de sa pression à l'extrémit~ amont de ladite con-
dite,
b) la pression de la solution lixiviante, à l'extr~mit~ amont de
ladite conduite, a une valeur inférieure à la pression de
facturation de If roche au soumet dû la zone de lixiviation,
de préférence peu inférieure à ladite pression de fractura-
lion,
ci la concentration d'oxygène dissous dans la solution lixivi-
ente, assurée un amont, est inférieure à la limite de statu
ration pour la proton amont de ladite solution et de
- 3 -
, . . . .. . .. . , . . ...
préférence, peu inférieure à ladite limite de saturation.
Compte tenu du problème posé, à soir dyne part
avoir une solution concentrée le plus possible en oxygène donc
avoir une pression d'oxygène la plus forte possible), et d'autre
part, ne pas avoir risque de dégazage provoquant la formation
de bulles d'oxygène gênantes pour l!efficacité du procédé
(c'est-à-dire éviter une chute de pression) au cours du transi
lent de la solution lixiviante dans la conduite d'injection, les
études du demandeur l'ont amené à observer que:
- d'une part, dans le cas où la conduite d'injection pressentaient
gros diamètre, la diminution de la pression due aux pertes
de charge est inférieure à l'augmentation de pression due à
l'effet hydrostatique, la pression de la solution lixiviante
à l'extr~mite aval de la conduite est donc supérieure à la
pression a l'extrémité amont, ce qui implique que l'on n'a
pas risque de dégazage, mais que, par contre, on n'a pas
dissous autant dloxygène dans la solution lixiviante que l'on
aurait pu,
- dlautre part, dans le cas où la conduite d'injection présente
un faible diamètre, la diminution de pression due aux pers
tes de charges est supérieure à lamentation de pression
due à l'e~fet hydrostatique, la pression de la solution
lixiviante à l'extr~mité aval de la conduite est donc if
fleure à la pression à l'extremité amont, ce qui implique que
l'on a pu dissoudre le plus possible d'oxygène dans la solution
lixiviante, mais que, par contre, il y a risque de dia
sage puisque l'on a une chute de pression le long de la
conduite et donc de saturation de la solution.
Compte tenu de ces observations, le demandeur a ira-
gêné de choisir une conduite d'injection de dialmetre tel que,
d'une part, les valeurs de la pression de la solution lixivi-
ente soient sensiblement gueule à l'extrémite aval et à le
trémie amont de ladite conduite, d'autre parti la pression de
la solution lixiviante au cours de son transfert daln~l La
Jo _ .. . . ... .
y
conduite ne devienne jamais notablement inférieure à la valeur
de sa pression à l'extrémité amont de ladite conduite. Ainsi,
grâce au procédé de l'invention tel que défini précédemment, on
peut établir en surface une teneur en oxygène dissous dans la
solution lixiviante voisine de la limite de saturation, sans pour
autant provoquer de dégazage intempestif ultérieur-puisqu'il n'y
a pas de chute de pression importante lors du transfert de la
solution lixiviante dans la conduite.
Selon une première variante du procédé, le diamètre
interne de la conduite d'injection est choisi de façon à ce que
la pression de la solution lixiviante soit substantielle ment
constante au cours de son transfert dans ladite conduite. De
façon plus précise, on calcule le diamètre interne d de la
conduite par des méthodes classiques telles que celles décrites
dans le manuel "Unit Opérations of Chemical Engineering FI de
Warren L Ma Cube et Julien C. Smith. Par exemple, le diamètre
d peut être déterminé par la relation:
d = ¦ 32 fi
L (~)2g
dans laquelle:
Q est le débit volumétrique de la solution en mis 1
f - 0,0014 0,125 Ré '3 avec Ré = y Q
dû
CI = 9,81 mis 2
eût la masse spécifique de la solution en kg.m 3
est la viscosité dynamique de la solution en
poiseuille.
Selon une deuxième variante de ralliassions glu procédé,
le diamètre interne de la conduite d'injection est choisi de
façon à ce que la pression de la solution lixiviante! augmente de
pr~f~rence, l~gerement, au cours aie Lon transfert dans Ladite
- 5 -
conduite, la valeur de la pression de ladite solution à
l'extrémité aval de ladite conduite étant ramenée à une valeur
juste égale à celle de la pression de ladite solution à l'extré-
mité amont de ladite conduite, par détente de ladite solution
à travers des moyens d'étranglement placés dans la partie inné-
fleure de ladite conduite.
Selon une troisième variante de réalisation du procédé,
le diamètre interne de la conduite d'injection est choisi de
façon à ce que la pression de la solution lixiviante augmente,
de préférence, légèrement, au cours de son transfert dan la
dite conduite, la valeur de la pression de ladite solution à
l'extrémité aval de ladite conduite étant ramenée à une valeur
à peine supérieure à celle de la pression de ladite solution
à l'extrémité amont de ladite conduite, par détente de ladite
solution à travers des moyens d'étranglement placés dans la
partie inférieure de ladite conduite. L'écart entre la pression
à l'extrémité aval et la pression à l'extr~mité amont est de
préférence inférieur ou égal à 1 bar
Dans le cas des deuxième et troisième variantes du
procède de l'invention, les moyens d'étranglement placés à la
partie inférieure de la conduite d'injection peuvent être, par
exemple, constitués par un orifice en mince paroi ou par une
vanne dont on peut régler l'ouverture par des moyens appropriés
placés en surface. Le calcul du diamètre de l'orifice d'étran-
glement en fonction de l'effet recherché s'effectue par des
méthodes classiques telles que celles décrites dans le manuel
"Unit paraissions of .Chemical Engineering" cité précédemment
Selon ces deuxième et troisième variantes du proc~d~,
le diamètre interne d de la conduite d'injection peut cire, par
exemple, déterrnin~ par la relation suivante:
3L~Z6~
d 5
) g J
dans laquelle:
Q est le débit volumétrique de la solution en mis 1
f = 0,0014 + 0,125 Ré 0~32 avec Ré = y Q
ad
g = 9,81 mis 2
P est la masse spécifique de la solution en kg.m 3
est la viscosité dynamique de la solution en
poiseuille.
L'invention a également pour objet une installation de
: mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
L'installation de lixiviation in situé de minerai
considérée est du genre comprenant un puits d'injection dans
lequel est placé une conduite d'injection raccordée, à son
extrémité amont, à un oxygenateur lui-même alimenté en solution
lixiviante régénérée par une pompe de pression. Elle se
caractérise en ce qu'elle comporte un organe de mesure de débit
et en ce que le diamètre interne d de la conduite d'injection
est choisi de façon à ce que le pression de la solution liai-
vivante à l'extrémité aval de ladite conduite soit sensiblement
étale à la pression de ladite solution lixiviante à lettre
,
mite amont de ladite conduite.
: Selon une caractéristicIue de l'installation conforme
à Invention le diamètre interne d de la conduite d'injection
est déterminé par la relation suivante:
_.
30 clé 32 f Q. 1
Or g
,
7 -
dans laquelle f, Q et g répondent aux définitions données
ci-dessus.
Selon une variante de réalisation, des moyens dû
étranglement sont placés à la partie inférieure de la conduite
injection
Les caractéristiques et avantages de l'in~ention ressort
liront de la description qui suit, à titre d'exemple, en ré
fonce aux dessins annexés sur lesquels:
- la figure 1 représenté une vue schématique en coupe
d'un premier mode de réalisation d'une installation selon
l'inventlon
- la figure 2 représente une vue schématique en coupe
d'un deuxième mode de réalisation d'une installation selon
l'invention,
- la figure 3 représente des courbes donnant d'une part
la variation du diamètre de l'orifice de la conduite d'injection
de la solution lixiviante et de la pression de cette même
solution.
Sûr la figure 1, on a reprisent une installation qui
comporte, dan le sol, une pluralité de puits d'injection, dont
un seulement est représenté en 1, qui sont répartis de façon
uniforme en surface et de puits de récupération, dont un
seulement est représenté en 2, également répartis entre les-
dits puits d'injection. Chaque puits d'injection est kil
d'une conduite d'injection 3 débouchant à son extrait aval
dans une zone de llxiviation 4. La conduite Je traverse un
joint d'~tanchéit~ 5 avec le puits 1, le joint 5 ôtant placé
un peu Aude su de l'extr~mit~ aval de ladite conduite 3.
Chaque conduite d'injection 3 eût alimente un solution liai
vivante par un conduit 6 aboutissant d'une part à l'extremit~ de~urface de la conduite d'injection 3, d'autre part a lettre
mit de surface d' un conduit de récup~rati.on t na dîna
~26~
chaque puits de récupération 2, chaque conduit 7 présentant une
extrémité inférieure à un niveau plus vas que celui d'une Côte
d'injection 3, mais cependant en un niveau intermédiaire de la
zone de lixiviation 4. Chaque conduit de récupération 7
incorpore une pompe 11 située près de son émît in~erieure, qui
eût mise en mouvement par exemple par un arbre vertical 12 à
partir d'un excentrique menant 13. De la sorte, la solution
lixiviante chargée en composés métalliques dissous extraits du
minerai et qui saoule selon le sens de la flèche F est
reprise par la pompe 11 et est recyclée par le conduit 6 vers
un puits d'injection 3, ce conduit 6 incorpore successivement
à partir du conduit de récupération 7, un dispositif de sépia-
ration 20, dont on extrait en 21 les métaux de la solution
lixiviante, une pompe de pression 22 portant la solution
lixiviante à une pression élevée peu inférieure à la pression
de facturation de la roche puis, à cette pression, un oxydé-
nageur à sur saturation 23, un séparateur de phase 24, la phase
;: liquide étant seule dirigée vers le puits d'injection 3 par
un organe de mesure de débit 25, tandis que la phase gazeuse 26
est recyclée par un surpresseur 27 vers l'oxygenateur 23, de
préférence sur un conduit d'alimentation en oxygène 28 Abdou-
tissant à cet oxygénateur 23~ L'oxygénateur 23 est, de pré-
fronce un réacteur du type tuyau tel-que décrit, par exemple,
dans article de RAI Ch. E. Journal de septembre 1964 "vas
Phase Contrôler Mass Transfert into Phases Annuler Horizontal
Flou" par JE Andersen, RUE. Bollin~er et DÉ ami
Selon un mode de réalisation reprisent à la figure 1,
on choisit le diamètre interne d de la conduite d'injection 3
(par exemple, selon la relation d = 32 f Que 1 _
. y 1
¢
_ g _
3~2~
de façon telle que la pression de la solution lixiviante, qui
avait la valeur P à l'extrémité amont fa de la conduite 3
fa
reste constante au cours de son transfert dans ladite conduite.
De façon plus précise, de l'extrémité amont fa jusqu'à le
trait aval 3b, à chaque niveau élémentaire de la conduite 3,
la diminution de pression due aux pertes de charges est
juste égale à l'augmentation de pression due à l'effet hydre-
statique, ce qui fait que la pression de la solution reste
constante tout au long de son trajet dans la conduite 3 et
que sa valeur Pub à l'extremité aval 3b est égale à la valeur
Pua à l'extrémité amont fa. Ainsi, on peut choisir une valeur
de Pua maximale (mais toutefois légèrement inférieure à la
pression de facturation de la roche), donc une teneur en exil-
gène dissous la plus élevée possible, sans risque de dégazage
de l'oxygène puisque la pression de la solution lixiviante
reste constante et que Pub = Pua'
Le fait d'avoir installé en fond d'un conduit de
récupération 7 une pompe volumétrique dont le débit est le
débit Q transféré par la conduite d'injection si le nombre de
conduits de récupération est égal au nombre de conduites
d'injection) permet d'assurer une autorégulation en cas de
modification de la perméabilité du terrain intéressé par loup
ration. En effet, le changement correspondant de la perte de
charge est alors exactement compensé par une variation du
niveau h de la solution dans les puits de r~cup~ration: le dé-
bit Q mesuré par le décimètre 25 et les pression aux points
fa et 3b sont conservés. Il est à noter qu'allcune vanne ou
dispositif similaire n'est nécessaire pour assurer cette ru
talion.
D'autre part, ai, pour une raison accidentelle, y
écoulement de la solution à travers le terrain venait
-- 10 --
y
brusquement à être interrompu (bouchage total), cet incident
est facilement détecté en observant une croissance brusque de
la pression au point fa et une décroissance brusque du débit
extrait. On prévient alors une augmentation dangereuse de la
pression au point 3b simplement en arrêtant la pompe d'injectlon
22.
Sur la figure 2, Cil a représenté une installation de
lixiviation in situé de minerai dont une grande partie est
analogue à l'installation représentée à la figure 1 (les
mêmes références ont ôté affectées aux mêmes éléments). Cette
installation comporte une pluralité de puits d'injection 1 et
de puits de récupération 2. Chaque puits de récupération 2
est analogue au puits de récupération représenté sur la figure
1, le conduit de récupération 7 est relié, à son extrémité de
surface, à un conduit 6 qui comporte, successivement, un dis-
positif de séparation 20, une pompe de pression 22, un oxydé-
nageur a sur saturation 23, un séparateur de phases 24, un organe
de mesure de débit 25, et qui aboutit à l'extrémité de surface
de la conduite d'injection 33 du puits d'injection 1.
; 20 Cette conduite d'injection 33 présente un diamètre
supérieur à celui de la conduite d'injection 3 de l'installa-
lion de la figure 1. La conduite 33 traverse un joint dan
cuit 35 qui est placé, par exemple, à la partie supérieure
du puits d'injection 1. La conduite 33 comporte à son extra-
mit aval un orifice en mince paroi 36 qui réduit son diamètre
à cet endroit là.
Selon le mode de réalisation reprisent à la figure
2, on choisit le diamètre interne d de la conduite d'injection
33 (par exemple selon la relation d y 1 là ) dû
L y
façon telle que la prison de La solution lixiviallte qui avait
la valeur P à l'extrémité amont a de la conduite 33
a
augmente légèrement de préférence, au cours de son
transfert dans ladite conduite jusqu'à une valeur P33c. De
façon plus précise, de l'extrémit~ amont 33aau niveau que
juste en amont de l'orifice en mince paroi 36, à chaque niveau
élémentaire de la conduite 33, la diminution de pression due
aux pertes de charges est inférieure à l'augmentation de pros-
Sion due à l'effet hydrostatique, ce qui fait que la pression de
la solution lixiviante atteint au niveau que, une valeur P33c
là supérieure, et de préférence légèrement supérieure, à la valeur
Pas. Cette augmentation de pression est compensée par détente
de la solution au travers de l'orifice 36 et la pression de la
solution lixiviante est ramenée à l'extrémité aval 33b à une
valeur P33b qui est, selon le diamètre choisi pour l'orifice
36, soit juste égale à la pression amont Pas, soit à peine
supérieure à Pas ~l'ecart entre P33b et P33 , dans ce cas là,
ne dépassant pas, de préférence, 1 bar.
De préférence, l'écart entre la pression P33c de la
solution lixiviante en amont de l'orifice 36 et la pression
P33b de ladite solution en aval dédit orifice 36 est inférieur
à 5 bars.
On donne, ci-dessous, à titre non limitatif, trois
exemples de réalisation du procédé conforme à l'invention.
Exemple 1
On met en oeuvre le procédé dans l'installation
représentée à la figure 1.
La conduite d'injection 3 du puits 1 a une longueur
de 110 m et un diamètre interne de 18,58 mm.
On envoi la solution lixiviante dans la conduite 3 à
un débit de 1,25 sec Cette solution contient y goitre
dû SCEAU , 6,25 goitre de Caïque et 1,75 goitre de CaSO4. Sa
concentration en oxygène Diouf est de 200 ppm,
- 12
y
La température au sol est de QUE et la température en
fond de puits de QUE, soit une température moyenne dans la
conduite 3 de QUE..
La pression de la solution lixiviante Pua, a l'extré-
mité amont de la conduite 3, est de 6,5 bars. Comme cette
pression reste constante tout au long du trajet de la solution
dans la conduite 3, la pression Pub à l'extr~mité aval de la
conduite est également de 6,5 bars.
Dans ces conditions, la concentration maximale en
oxygène dissous en fonds de puits est de 200 ppm.
Il est à noter que l'on aurait pu dissoudre en surface
dans la solution lixiviante un peu plus que 200 ppm d'oxygène
(par exemple 210 ppm). Mais, pour éviter -tout risque de déca-
sage, dû à l'augmentation de température, on dissout un peu
moins d'oxygene que la concentration maximale possible.
Exemple 2
On met en oeuvre le procédé dans l'instal}ation
représentée à fa figuré 2.
La conduite d'injection 33 du puits 1 a une longueur
de 110 m et un diamètre interne de 20,96 mm. Le diamètre de
l'orifice 36 est de 9,23 mm.
La solution lixiviante a la môme composition que
celle de l'exemple 1. Sa concentration en oxygène dissous est
de 200 pu Elle est envoyée dans la conduite 33 à un débit de
1,25 sec
La température moyenne dans la conduite 33 est de
QUE température au sol QUE ut température en fond QUE).
La pression de la solution lixiviante Pas a
llextr~mit~ amont de la conduite 33 est de y bars. Elle
augmente légèrement au cour du trhn~fert dan la conduite 33
13 -
y
et atteint au niveau que, juste en amont de l'orifice 36, une
valeur P33c de 11 bars. Après passage de la solution dans
l'orifice 36, la pression est ramenée à une valeur P33b de 6,5
bars.
Dans ces conditions, la concentration maximale en
oxygène dissous en fonds de puits est de 200 ppm.
En ce qui concerne la concentration maximale en exil-
gène dissous qu'aurait pu avoir la solution lixiviante en surf-
ce, on peut faire la même remarque que dans l'exemple 1 ci-
dessus.
Exemple 3
On met en oeuvre le procédé dans l'installation
représentée à la figure 2.
La conduite d'injection 33 du puits 1 a une longueur
de 110 m et le joint d'étanchéité est placé à 55 m de l'extré-
mité de surface du puits 1.
La solution lixiviante contient 0,5 goitre dû
6,25 goitre de Caïque et 1,75 goitre de CaSO4. Sa concentra-
lion en oxygène dissous est de 180 ppm. On l'envoie dans la
conduite d'injection 33 à un débit de 1,25 sec
fa température au sol est de QUE et en fond de puits
de QUE, soit une température moyenne dans la conduite 33 de
QUE.
On souhaite que la pression de la solution lixiviante
Pas, à l'extrémité amont de la conduite 33 soit de 5,5 bars
et que la pression P à l'extrémit~ aval de ladite conduite
33b
soit de S bars.
Dans ce conditions, la concentration maximale en
oxygène dissous en fonds de puits est de 180 ppm.
Le diamètre de l'orifice 36 eût fonction du cliasnètre
de la conduite 33, du débit de la allusion lixiviant:e~ de
a et Val P33b choisie ainsi Le de
.. , . , . .. . . . . . . .. . .
caractéristiques de la solution lixiviante.
On a représenté, sur la figure 3 jointe, les courbes
donnant, compte-tenu des paramètres choisis rappelés ci-dessus,
d'une part le diamètre Do de l'orifice 36, d'autre part la
pression P33c de la solution lixiviante juste en amont de
l'orifice 36, en fonction du diamètre interne D de la conduite
d'injection 33.
Ainsi, par exemple, si l'on dispose d'une conduite
d'injection de diamètre interne D = 21 mm, en se reportant à
la figure 3, on voit, d'après la courbe I que le diamètre Do
de l'orifice 36 doit être de 9,65 mû d'après la courbe II, on
voit que la pression P33c de la solution lixiviante, juste en
amont de l'orifice, atteindra une valeur de 10,35 bars.
On rappelle que l'écart entre la pression P33c en
amont de l'orifice 36 et la pression P33b en aval dédit orifice
36 doit être de préférence inférieur à 5 bars. Dans le cas
présent, il ne faut donc pas que P33c dépasse 11,5 bars-
- 15 -
