Казахстанская наука совершила прорыв в добыче и переработке углеводородного сырья

Международной академией авторов научных открытий и изобретений творческой группе Национальной инженерной академии РК (НИА РК) в составе А.А.Калыбая, Б.Т.Жумагулова, Н.К.Надирова, А.К.Абжали выдан диплом на научное открытие «Явление низкотемпературной вакуумно—волновой гидроконверсии нефтяного сырья».

Инициативным квартетом ученых параллельно и технология разработана, к тому же успешно испытана в производственных условиях. Суть ноу-хау заключается в том, что под воздействием магнитноэлектрического поля и ударных волн разряжения происходит глубокая переработка углеводородного сырья с большим выходом (не менее 92%) светлых фракций, полностью очищенных от серы, металлов и солей. При этом – вот пример сверхэффективности! – происходит даже наращивание объема против исходного минимум на 4% — за счет взаимодействия углеводородов с ионизированной водой, извлечения из нее водорода и гидроокиси для технологических процессов гидрирования и образования углеводородных спиртов, что и дает дополнительную массу продукта.

Революционная для нефтехимической, нефтепере-рабатывающей и энергетической отраслей технология ведет к упразднению целого ряда звеньев из традиционной технологической цепи, в разы удешевляет производство высококачественных топлив и, что не менее важно, отвечает строжайшим современным требованиям энергетической и экологической безопасности.

О блестящем научном прорыве коллег, масштабе и значении их открытия в интервью «Казахстанской правде» рассказывает академик НИА РК Айсултан Калыбай.

— Феноменальное открытие ученых Национальной инженерной академии мало определить сенсацией. Оно, образно говоря, ставит с ног на голову весь процесс нефтепереработки. Достаточно сказать, что вода из «оппонента» превращается в союзницу процесса.

Нашим читателям, конечно же, будет интересно узнать, как сработала и «выстрелила» великолепная «четверка». Каждый из этих ученых самодостаточен и широко известен. А в данном случае они смогли составить поистине «могучую кучку», где роль каждого, должно быть, была расписана как по нотам.

— Я бы не сказал, что расписана. Здесь каждый занимался своим направлением. Но работали все синхронно, командой и, действительно, проявили себя, согласно используемой вами терминологии, сыгранным квартетом.

Начну, пожалуй, со знаковой публикации. В научной статье «Альтернативная технология эффективной переработки нефтяного сырья», опубликованной в журнале «Нефть и газ» в 2017 году, было заявлено, что установлено неизвестное ранее явление вакуумно-волновой конверсии (ВВК), и определены личные достижения каждого автора. Абылхайыр Абжалиев и Айсултан Калыбай, автор этих строк, выстроили теорию происходящих процессов данного явления. Компьютерное моделирование и визуализация ВВК проводились Бакытжаном Жумагуловым и мною. Проблемы механизма переработки, повышения качества нефтепродуктов, особенно связанные с разработкой различных добавок к топливам, исследовались Надиром Надировым.

Ранее наш одноименный доклад был заслушан на Всемирном Конгрессе инженеров и ученых «Энергия будущего: инновационные сценарии и методы их реализации» WSEC в 2017 году. Кстати сказать, Национальная инженерная академия РК была инициатором и одним из основных организаторов Конгресса, в котором приняли участие более 1500 ученых и инженеров из 60 стран, в том числе 6 лауреатов Нобелевской премии в области науки, техники, энергетики и экологии.

Мне думается, это как раз тот случай, когда не стоит скупиться на добрые слова и комплименты по адресу товарищей, которые доказали, что расходы на энергоносители могут не только не повышаться, но и существенно снижаться. И я с удовольствием поведаю вам как о совместном «детище», так и о персональном вкладе каждого.

Первое слово о нашем старейшине – Надире Каримовиче Надирове. Доктор химических наук, профессор, академик, первый вице-президент НИА РК, автор свыше 1200 научных трудов и 8 научных открытий, 31 монографии, 10 учебных пособий, обладатель порядка 250 патентов и авторских свидетельств на изобретения, он получил международное признание как отец нефтяной науки Казахстана. Более 40 лет тому назад, еще будучи молодым, он высказал пророческую мысль о том, что грядет эра высоковязких, низкопотенциальных, сверхтяжелых битуминозных нефтей, для освоения огромных запасов которых необходимо разработать новые технологии добычи, транспортировки и переработки, отличные от традиционных.

Им выпущена монография в пяти томах, охватывающая все проблемные вопросы экологически чистого, технологически эффективного и экономически рентабельного способа освоения казахстанских месторождений битуминозных нефтей и природных нефтебитумов. Иначе говоря, Надир Каримович всем ходом своих научных изысканий подготавливал наше открытие.

Один из его авторов я – Айсултан Абдуллович Калыбай, доктор физико-математических наук, профессор, академик, специалист в области небесной механики и динамики космического полёта. В 1992-1998 годах занимал посты первого заместителя, затем генерального директора Национального аэрокосмического агентства при Кабинете министров Республики Казахстан – высшего органа государственного управления в области исследования и использования космоса в мирных целях. С 1999 года я – председатель Совета директоров казахстанско-российского научно-производственного объединения «ИнТ». В молодости был удостоен звания лауреата премии Ленинского комсомола КазССР (1977).

Вас, наверное, удивляет, как я, специалист в области динамики полета и баллистики искусственных небесных тел (ИНТ), пришел к теме открытия. Дело в том, что для надежного и точного расчета баллистики ИНТ нужно знать многие вещи и факторы. В частности, силу их тяги на Земле и на каждой расчетной высоте, реактивную силу отходящих газов из двигателей и их ускоряющие действия на ИНТ.

С тех пор прошло достаточное время (более 30 лет). Поэтому я могу вас осведомить о своем участии в советское время под руководством академика АН СССР С.А. Христиановича в исследовании и изучении баллистики ракетно-космической техники, в огневых испытаниях двигателей РКТ и их топлив. Так что для меня проблема топлив не нова.

Более того, для реализации и воплощения в жизнь своих разработок в нефтяной и топливно-энергетической отраслях я в 2008 году уехал в Москву,где создал Исследовательский центр с конструкторско-технологическим бюро. ИКТБ разработало весь пакет конструкторско-технологической документации технологической линии вакуумно – волновой конверсии углеводородных соединений на нефтехимические продукты и моторные топлива евростандарта 4 и 5, получило пакет государственных разрешительных документов России на ее изготовление на оборонно-промышленных заводах и применение в условиях пожаро-взрывоопасных предприятий нефтяной и энергетической отраслей. Самое главное – была построена опытно-испытательная линия, на которой впервые доказана работоспособность данной технологии.

Следующий член творческой группы – молодой и перспективный ученый-исследователь в области квантовой физики и квантовых генераторов Абылхайыр Кайратович Абжалиев, выпускник университета Калгари (Канада). Он открыл и обосновал закономерности взаимодействия магнитоэлектрического волнового поля с акустическим ударно-волновым полем разряжения в резонансном режиме. В такой постановке раньше не было даже научной проблемы, не говоря уже о применении квантово-размерного эффекта резонанса, использованного в данном открытии.

Теперь предметно становлюсь на научных работах академика НАН РК, лауреата государственной премии в области науки, техники и образования, президента НИА РК Бакытжана Турсыновича Жумагулова, поскольку его изыскания и разработки сделали процесс «видимым», управляемым и контролируемым. Вопросы математического моделирования в нефтегазодобывающей отрасли, создание информационных систем управления технологическими процессами в этой отрасли являются — поле его научных исследований. Им опубликовано более 400 научных работ и 11 фундаментальных монографий на обозначенную тему, изданных в Казахстане и странах ближнего и дальнего зарубежья.

Разработанные Б.Т.Жумагуловым математические модели и алгоритмы их численного решения были применены для описания исследуемого явления. Особое внимание уделено моделированию взаимодействия магнитноэлектрического поля и ударных волн разряженияна гидродинамические процессы переработки нефти способом вакуумно-волновой технологии. Учёт магнитного поля и ударных волн дал возможность приблизиться к исследованию реального объекта, уменьшил степень абстрактности физической и, соответственно, математической модели, что позволило внести поправки к принятым гидродинамическим методам расчёта нефтепереработки. Эти исследования показали высокую эффективность низкотемпературной вакуумно-волновой гидроконверсии нефтяного сырья в целом и высоковязких, низкопотенциальных, сверхтяжелых, неэкспортных нефтей в частности.

Важно объяснить смысл термина «низкотемпературная вакуумно-волновая гидроконверсия нефтяного сырья» и отличительные особенности открытия, рассматриваемого как технология, отличная от традиционных способов глубокого передела нефти на моторные топлива. Слово «конверсия» (conversation) в переводе на русский язык имеет смысл «превращение чего-то во что-то» и применительно к нефти означает превращение единой длинной цепи углеводородных соединений в несколько цельных коротких цепей углеводородов, составляющих молекулы бензина, керосина и дизельного топлива. Эти короткие цепи появляются в результате разрыва электромагнитных связей между электронами атома углерода с атомом углерода (С – С – связь), атомом серы (C– S– связь), атомом металла, например, ванадия (C– V– связь) и т.д. Они обладают исключительной особенностью – нехваткой в них атомов водорода и называются ненасыщенными или непредельными.

Традиционно разрыв указанных связей осуществляют действием высокотемпературного (+450℃ и выше) термического поля, высокого давления (более 200 атмосфер при гидрокрекинге) в атмосфере водорода и различных катализаторов, особенно дорогих на платиновой подложке. Для этих термических процессов губительно присутствие серы, металлов и воды; они отравляют катализаторы и могут привести к взрывам внутри колонн. Из-за высокой температуры сырье обугливается, и уголь толстым слоем откладывается на стенках колонн, образуя монолит. Поэтому традиционные НПЗ останавливаются на плановые технические обслуживания два раза в году с минимум по месяцу.

Мы осуществляем описанный процесс с точностью до наоборот: температура разогрева сырья +70℃ и ниже с целью снижения его вязкости и нагрузки на перекачивающие насосы. При этом вода (до 12%) принимает участие в процессе конверсии и отдает свои водороды для гидрирования. Вот почему процесс называется гидроконверсией. Учитывая межэлектронные связи различных атомов, образующих углеводородные молекулы, мы воздействуем на них магнитоэлектрическим полем и способной работать с ним в унисон (в резонансном режиме) акустической волной высокой интенсивности, порядка четырех мегаватт на квадратный метр.

Пусть вас не пугает столь внушительная цифра, так как генератор такого волнового поля разряжения питается от источника 2 кВт час стоимостью 50 тенге в час на 25 тонн сырья. Проще говоря, расходуется 2 тенге на тонну сырья.

Описанный процесс гидроконверсии в целом потребляет 17кВт час на тонну конечного продукта, состоящего на 92% (и более) из смеси моторных топлив и еще на 12% (8+4) из судового топлива. Это – не фокус и не чародейство, а нормальная физика с реальным применением в отдельно взятой области реальной экономики. Выводы можете делать сами.

— Айсултан Абдулович, что подвигло казахстанских ученых заниматься исследованием процесса гидроконверсии нефтяного сырья?

— Согласно ежегодным отчетам Международного энергетического агентства (МЭА), практически весь прирост разведанных запасов углеводородов приходится на долю так называемого нетрадиционного нефтяного сырья (ННС): высоковязкую битуминозную нефть, природные нефтебитумы, нефтебитуминозные породы, такие как сланцевая нефть, киры, нефтесодержащие пески. Подтвержденный мировой запас ННС составляет около тысячи млрд тонн. Порядка 30% от общей массы ежегодных поставок энергоносителей на мировой нефтяной рынок составляют ННС с ростом их доли на 3% в год.

В этой связи МЭА констатирует технологическую отсталость мировой нефтеперерабатывающей индустрии и ее неспособность эффективно осваивать ННС в целях производства моторных, судовых и энергетических топлив.

На фоне этих пессимистических заявлений МЭА – официального консультанта правительств 26 государств с ведущей экономикой по вопросам энергетической безопасности, в том числе, США, Японии, Кореи и стран Евросоюза, потребляющих порядка 70% мировых ресурсов, мне бы хотелось процитировать документ «Третья модернизация Казахстана: глобальная конкурентоспособность». Это Послание Нурсултана Назарбаева народу Казахстана от 31 января 2017 г. Елбасы констатирует обороты начавшейся в мире Четвертой промышленной революции, главным императивом которой будет несырьевая циклическая цифровая экономика с мощным внешним вызовом на сырьевые нецикличные модели развития. В этом же Послании Н.А.Назарбаев первым приоритетом обозначает ускоренную технологическую модернизацию экономики Казахстана. Здесь он пошагово определяет основные условия такой модернизации: первое – существенное повышение производительности труда; второе – развитие конкурентоспособных экспортных производств в приоритетных областях; третье – развитие горно-металлургической и нефтегазовой отраслей, имеющих стратегическое значение в устойчивом экономическом росте. И при этом особо подчеркивает: такое развитие должно быть жестко увязано с углублением комплексной переработки сырья.

Мы, авторы открытия, восприняли этот документ как личное поручение Елбасы. В качестве доказательства такой нацеленности можем указать на пять научных статей, в которых мы освещали ход развития технологии гидроконверсии, реализующих ее технологических нанореакторов, приводили результаты испытаний реакторов, анализировали полученные конечные продукты, материально-технических затраты, сводили материально-энергетические балансов и т.д..

В целом же взятое за основу явление низкотемпературной вакуумно-волновой гидроконверсии раскрывает новые и весьма широкие возможности в вопросах многократного снижения удельных капитальных затрат (КАРЕХ) и удельных операционных затрат (ОРЕХ) на производство одной тонны конечного нефтепродукта из нетрадиционного сырья.

— Вы с оптимизмом смотрите на перспективы интеграции науки и производства в нефтегазодобыче? Может ли наш конкретный случай, связанный с научным открытием и созданием новой технологии, повлиять на общую ситуацию в отрасли?

— При постоянном росте мирового спроса на энергоресурсы и необходимости эксплуатации месторождений с трудноизвлекаемыми запасами нефтяные компании нуждаются во все более эффективных технологиях добычи нефти, основанных на кардинально новых подходах и принципах.

Дело в том, что запасов тяжелых нефтей на порядок больше, чем традиционных. Но во всем мире они почти не разрабатываются из-за отсутствия оптимальных технологий. Так что у нас появляется реальный шанс выхода на мировой рынок.

Кстати, начало тому уже положено. К примеру, компания «АМОСО» сотрудничает с нашей Национальной инженерной академией, которая совместно с американским партнером «GALEXENERGY» (г.Хьюстон, США) предлагает перспективную технологию добычи тяжелых, остаточных нефтей и освоения заводненных месторождений. Себестоимость одного барреля добытой нефти в этом проекте составляет 4-5 долларов США вместо 30-35, как прежде.

Кроме того, АО «НК «КазМунайГаз» в ближайшее время проведет опытно-промышленные испытания нашей новинки на участке Молдабек Восточное месторождения Кенбай.

Надо отметить, что эта технология впервые была испытана на месторождении Кырыкмылтык в 2012 году.

Одно из определяющих преимуществ нового метода – низкотемпературный режим, на уровне 70°С, тогда как на традиционных НПЗ — 450°С и выше. Причем в равной степени глубоко перерабатываются все виды тяжелого нефтяного сырья, даже нефтяные остатки. Без преувеличения могу сказать, что начинается новая эра в эффективной переработке нефтяного сырья.

И здесь мы можем многое реализовать на практике впервые в мире.

— Далёкие от процессов нефтепереработки люди часто спрашивают, почему нефть дешёвая, а получаемые из него топлива дорогие?

— Как известно, сырая нефть до получения из нее горючего – бензинов, дизельных, авиационных, судовых и других топлив – подвергается многочисленным процессам переработки и облагораживания, которые накладывают новые расходы, повышающие себестоимость продукции.

На нефтепромыслах добытая с больших глубин нефть отделяется от воды и механических примесей. Это – подготовительная к транспортировке стадия. Далее на нефтеперерабатывающих заводах обезвоживание продолжается, затем сырье подвергается крекингу (расщеплению) глубиной в среднем 50-60% с последующим получением различных фракций (бензиновых, дизельных, мазута). Однако эти топлива низкой кондиции и не подлежат использованию. Для повышения качества, скажем, до бензинов АИ-92, АИ-95, АИ-98, зимних, летних дизельных топлив, первичные фракции подвергаются дорогостоящим каталитическим процессам – рафинации, изомеризации, алкилированию. Если во фракциях еще содержатся сернистые соединения – дополнительной гидроочистке, содержатся парафиновые соединения – депарафинизации и т.д. Причем эти процессы происходят при высоких температурах (400 – 450°C) и давлениях (сотни атмосфер). Все это и ведет к удорожанию топлив.

— Давайте теперь вкратце подытожим плюсы и выгоды от применения новой технологии переработки нефти. И можно ли уже говорить о высоком КПД научного открытия?

— Преимущества налицо.

Во-первых, отпадает сложный, энергоемкий процесс обезвоживания нефти на промыслах и заводах до переработки; вода, напротив, становится необходимым компонентом для увеличения количества и повышения качества производимых нефтепродуктов.

Во-вторых, утрачивают смысл процессы обессоливания, обессеривания и деметаллизации исходного углеводородного сырья.

В-третьих, отпадают современные дорогостоящие процессы гидроочистки, изомеризации и риформинга.

В-четвертых, обеспечивается эффективная переработка любого нефтяного сырья независимо от его состава и вязкости.

В-пятых, улучшаются реологические свойства нефтяного сырья со снижением вязкости до соляровых топлив, температуры застывания до — 20°С, температуры кипения — 430°С и ниже.

В-шестых, исключаются потери углеводородного сырья (на современных НПЗ плановые потери составляют от 3 до 10%); при предлагаемом процессе объем производимых топлив увеличивается за счет взаимодействия ионизированной воды с углеводородами.

В-седьмых, исключаются высокие температуры (400-450°С), используемые в настоящее время на НПЗ, вакуумно-волновая гидроконверсия сырья осуществляется при температурах до 70°С.

В-восьмых, значительно повышается качество получаемых нефтепродуктов, к тому же оно становится необратимым при длительном хранении.

Наконец, такие аргументы в пользу новшества. Удельные капитальные затраты с внедрением прорывной технологии будут в 4-6 раз, а эксплуатационные – в 10-12 раз ниже сравнительно с традиционным НПЗ аналогичной мощности и глубины переработки.

— Непроизвольно напрашивается вывод: нам надо строить четвертый нефтеперерабатывающий завод. Что называется, по последнему слову науки и техники. Любопытно, как рождалось в недрах академии столь значительное и значимое для отрасли открытие?

— Смею уверить, в современном мире большие открытия, я уж не говорю о великих, внезапно, без длительной подготовки не совершаются. Вот и нашими учеными теоретические и прикладные исследования по глубокой конверсии нефти путем турбулентно-волновой молекулярной деструкции были начаты еще в первые годы с «двумя нулями».

И время научной многогранности давно миновало. Открытие, которым коллектив академии по праву гордится, – коллективный плод усилий сплоченной, сцементированной общею целью команды.

Характерно и то, что никогда прежде производство не зависело от успехов науки в такой степени, как теперь. Поэтому с нетерпением ждем широкого внедрения ноу-хау madeinQazaqstan.

https://www.kazpravda.kz/articles/view/trudnoi-nefti-bolshe-net