Тұтқыр мұнайды өңдеудің жаңа технологиясы

Ғалымдардың бұл бастамасының технологиясы әзірленіп, өндірістік жағдай­да­ғы сынақтан табысты өтті. Ноу-хаудың мәні магнит-электр өрісі мен тербеліс толқындарының әсерінен күкірттен, металдардан және тұздардан толығымен тазартылған ашық фракциялардың үлкен шы­ғуымен (кемінде 92%) көмірсутек шикізатының терең өңделуі болып табылады. Бұл реттегі тиімділіктің мысалы – көмір­сутектердің иондалған сумен өзара әрекет­тесуі әсерінен бастапқы шикізаттың су­текті салмағы кем дегенде 4%-ға артады. Сутектендіру және көмірсутек спирт­те­рі­нің түзілу технологиялық процесі үшін одан сутегі мен гидрототықты алу өнімнің қосым­ша массасын береді.

Мұнай-химия, мұнай өңдеу және энергетика салалары үшін революциялық тех­но­­логия дәстүрлі технологиялық тіз­бек­­тен бірнеше буындарды жоюға алып келіп, жоғары сапалы отындар өндірісін бірне­ше есе арзандатады, ең маңыздысы – энер­гетикалық және экологиялық қауіп­сіз­діктің заманауи талаптарына жауап береді.

Ұлттық инженерлік академия ға­лым­­дарының феноменалдық ашқан жаңа­лы­ғын сенсация деу аздық етеді. Бұл жаңа­лық мұнай өңдеу саласында төңкеріс жаса­ды. Ендігі жерде су «қарсыластан» про­цес­тің одақтасына айналды.

Осындай жаңалық ашқан бірнеше са­ла­ ғалымдарының бірлесіп қандай жұ­мыс атқарып, қалай жетістікке жеткені жай­лы айтқым келеді. Шығармашылық топтағы әрқайсысының ерен еңбегі, бағын­дыр­ған шыңы бар танымал ғалымдар. Мұнда әркім өз бағытымен айналысты. Бірақ бәрі бір бағытта, топ болып жұмыс істеді және шын мәнінде, үлкен ізденіс, жыл­­дар бойы жасалған еңбек нәтижесін көр­сетті.

Мұнай өңдеу саласындағы проблемалармен қазақстандық ғалымдар 40 жылдан астам уақыт айналысып келеді. Бұл мәселеде әр ғалым өз технологияларын жасап, көптеген ғылыми мақала жазылды. Әлемдік ғылымда мұнай өнімділігін 1-2% арттыру үлкен жетістік саналады.

Мақалаға арқау болып отырған ға­лымдар мен мұнай саласының ин­же­нер­ле­рінің жаңа технологиясымен 2017 жылы «Мұнай және газ» журналы таныстырды. Бұдан бұрын бұл баяндама ЭКСПО-2017 аясын­да өткізілген «Болашақ эн­ер­­гиясы: ин­но­вация^­­лық сценарийлер және оларды жүзеге асыру әдістері» WSEC инженер­лер мен ғалымдардың бүкіл­­әлемдік конг­ресінде тыңдалды. Айта кету керек, Ұлт­тық инженерлік академиясы конгрестің бастамашысы және негізгі ұйымдастырушыларының бірі болды, оған 60 елден 1500-ден астам ғалымдар мен инженерлер, оның ішінде ғылым, техника, энергетика және экология саласындағы Нобель сыйлығының 6 лауреаты қатысты.

Жылдар өткен сайын қазба байлығы мұнайды жер астынан шығару қиындап барады, себебі бұрынғыдай жер астынан өз қы­сымымен атқылап, шапшып шығып жат­қан мұнай жоқ. Сондықтан қазіргі мұнай-газ кен орындарының көбінде тұт­қыр­­лығы және парафині жоғары, «ауыр» мұнай өндірілуде.

Менің ойымша, бұл – энергия тасы­мал­дағыштарды өндіруге жұмса­ла­тын шығындар «ауыр» мұнай жағдайында, тек қана көтеріле бермей, сонымен қатар айтарлықтай төмендетуге болатынын дәлелдеген ғалымдар мақтау мен жақсы сөздерді тартынбай айтуға тұрарлық.

Сөзімді ақсақалымыз Надир Кәрімұлы Надировтан бастайын. Ол химия ғылым­да­рының докторы, профессор, академик, ҰИА бірінші вице-президенті, 1200-ден астам ғылыми еңбектің және 8 ғылыми жаңа­лықтың, 31 монографияның, 10 оқу құралының авторы, 250-ге жуық патент­тің және өнертабысқа авторлық куәлік­тер­дің иегері, халықаралық деңгейде Қазақстанның мұнай ғылым саласының әкесі ретінде мойындалған тұлға. 40 жылдан астам уақыт бұрын, жас бола тұра, ол аса тұтқыр, төмен әлеуетті, аса ауыр битуминозды мұнай дәуірінің келе жатқаны тура­лы ой айтып, оның үлкен қорын игеру үшін дәстүрлі емес өндіру, тасымалдау және қайта өңдеудің жаңа технологияларын әзірлеу қажет екенін жеткізген еді. Ол қазақстандық битуминоздық мұнай кен орындарын және табиғи мұнай битумдарын игерудің экологиялық таза, тех­но­­логиялық тиімді және экономикалық рентабельді тәсілінің барлық мәселелерін қам­титын бес томдық монография шы­ғар­ды. Өзге сөздермен айтқанда, Нәдір Кәрімұлы өзінің ғылыми ізденістері ар­қы­­лы біздің ғылыми жаңалығымызды дайын­­дады.

Авторлардың бірі – Айсұлтан Абдул­ұлы Қалыбай, физика-математика ғы­лым­дарының докторы, профессор, академик, аспан механикасы және ғарыш­тық ұшу динамикасы саласының маманы. Айсұлтан Абдулұлын студент кезімнен жақсы біле­мін. Жоғары курс­­тарда оқып жүргенде ғылыми семинарларына қатысып әлемдік ғы­лым­дағы жетістіктер жайлы ақпарат ала­тын едік.

Футболда допты алып жүру «техни­ка­­сы» деген ұғым бар, сол сияқты мате­ма­тика, тұтас ортаның механикасы, фи­­зика, химия ғылымдарында да зерт­теу­­­шінің күрделі теңдеулермен жұмыс іс­теу «техникасы» деген ұғым бар. Талантты ғалым жас кезінде ҚазКСР Ленин комсомолы сыйлығының лауреа­ты атағын иеленді (1977 жыл). Еліміз тәуелсіздік алған жылда­ры Министрлер Кабинеті жанындағы Ұлттық аэроғарыш агенттігінің бірінші орынбасары, одан кейін бас директоры – ғарышты бейбіт мақсаттарда зерттеу және пайдалану саласындағы мемлекеттік басқарудың жоғары органының басшысы қызметтерін атқарды. 1999 жылдан бастап «ИнТ» Қазақстан – Ресей ғылыми-өндірістік бірлес­тігінің Директорлар кеңесінің төра­ға­сы болды.

Ұшу динамикасы және жасанды аспан денелерінің баллистикасы саласындағы ма­ман ретінде КСРО ҒА академигі С.А.Христиановичтің басшылығымен зы­мы­ран-ғарыш техникасының баллис­­тикасын зерттеуге, зымыран-ғарыш техникасы қозғалтқыштарының от сынақ­та­ры­на және олардың отындарына Кеңес уақытында қатысқан. Сондықтан отын мәселесін де жақсы білетін маман.

Сонымен қатар мұнай және отын-энергетика салаларындағы өз әзірлемелерін жү­зеге асыру үшін 2008 жылы Мәскеуге барып, онда конструкторлық-техно­ло­­гиялық бюросы (КТБ) бар зерттеу ор­та­­лығын құрды. КТБ 4 және 5 евро­стан­­дарттың мұнай-химия өнімдері мен мотор отындарына көмірсутекті қосы­лыс­тардың вакуумдық – толқындық конвер­сиясының технологиялық желісі­нің конструкторлық-технологиялық құ­жат­­тамасының барлық пакетін әзірледі, оны қорғаныс-өнеркәсіп зауыттарында дайын­дауға және мұнай және энергетика салаларының өрт-жарылыс қауіпті кәсіпорындары жағдайында қолдануға Ресейдің Мемлекеттік рұқсат беру құжат­та­рының пакетін алды. Ең бастысы, осы технологияның жұмысқа қабілеттілігі ал­ғаш рет дәлелденген тәжірибелік-сынақ же­лісі салынды.

Шығармашылық топтың келесі мүшесі – кванттық физика және квант­тық генераторлар саласындағы жас әрі болашағы зор ғалым-зерттеуші, Калгари университетінің түлегі (Канада) Абылхайыр Қайратұлы Әбжали. Ол магнит­электрлік толқын өрісінің акусти­ка­лық соққы-толқындық кернеу өрісімен резонанстық режімде өзара әрекеттесу заңдылықтарын ашып, негіздеді. Мұндай қойылымда бұрын ғылыми жаңалық ашуда қолданылған резонанстың кванттық-өлшемдік әсерін қолдану түгілі, тіпті ғы­лы­ми проблема да болған жоқ.

Ендігі автор ҰҒА академигі, ғылым, техника және білім саласындағы Мем­ле­кеттік сыйлықтың лауреаты, ҰИА пре­зиденті Бақытжан Тұрсынұлы Жұма­ғұ­ловтың ғылыми еңбектерінің бұл ғылыми жаңалыққа қосқан үлесі зор. Бақытжан Тұрсынұлының ізденістері мен әзірле­ме­лері үдерісті «көзге көрінетіндей» етіп, басқару мен бақылауға мүмкіндік берді. Оның ғылыми зерттеулерінің өрісі – мұнай-газ өндіру саласындағы матема­тикалық модельдеу мәселелері, осы са­ладағы технологиялық процестерді басқа­ру­дың ақпараттық жүйелерін құру болып табылады. Ол Қазақстан мен таяу және алыс шетелдерде жарық көрген
400-ден астам ғылыми жұмыс пен белгі­ленген тақы­рыптағы 11 іргелі моно­гра­фия­ның авторы.

Б.Т.Жұмағұловтың әзірлеген мате­ма­ти­калық модельдері мен олардың сандық шешімінің алгоритмдері зерт­те­летін құбы­лысты сипаттау үшін қол­да­нылды. Вакуумды-толқынды технология тәсілімен мұ­най өңдеудің гидро­ди­намикалық про­цес­теріне магнит-электр өрісі мен кер^­неу­ліктің соққы толқындарының өзара әрекеттесуін модель­деуге ерекше назар аударылды. Магнит өрісі мен соққы толқындарын есепке алу нақты объек­тіні зерттеуді жеңіл­детіп, физи­ка­лық және математикалық үлгінің абстрак­тілік дәрежесін азайтып, мұнай өңдеу­ді есептеудің қабылданған гидро­ди­на­ми­калық әдістеріне түзетулер енгізу­ге мүм­кіндік берді. Бұл зерттеулер мұнай шикі­затының төмен температуралы вакуумдық-толқындық гидро­кон­вер­сия­сы­ның жоғары тиімділігін көрсетті.

«Мұнай шикізатының төмен температуралы вакуумдық-толқындық гидрокон­вер­сиясы» терминінің мағынасын және мұнайды мотор отынына дейін терең бө­лудің дәстүрлі тәсілдерінен ер­ек­­ше­ленетін технология ретінде қарас­ты­­рылатын бұл ғылыми жаңалықтың ма­ңыз­ды ерекшеліктері бар. «Конверсия» (conversation) сөзі қазақ тіліне аударғанда «бір нәрсені бір нәрсеге айналдыру» деген мағынаға ие. Сондай-ақ мұнайға қатысты көмірсутекті қосылыстардың бірыңғай ұзын тізбегінің бензиннің, керосиннің және дизель отынының молекулаларын құрайтын көмірсутекті бірнеше тұтас қысқа тізбектеріне айналуын білдіреді. Бұл қысқа тізбектер көміртегі атомы элек­­­­­трон­дарының көміртегі атомымен, кү­кірт атомымен, металл атомымен, мы­салы, ванадий және т.б. арасындағы элек­тро­магниттік байланыстардың үзілуі нәти­же^­­сінде пайда болады. Бұлардың сутегі атомдарының жетіспеушілігінен туындайтын айрықша ерекшеліктері бар.

Аталған байланыстардың үзілуі дәс­түр­лі түрде Жоғары температуралы (+450℃ және одан жоғары) термиялық өріс­тің, сутегі атмосферасында жоғары қы­­сымды (гидрокрекинг кезінде 200 атмосферадан астам) және әртүрлі ката­ли­заторлардың, әсіресе қымбат платина төсенішінде жүзеге асады. Бұл тер­миялық процестер үшін күкірттің, метал­дардың және судың болуы катализатор­лар­ды уландырып, колонналардың ішін­дегі жа­рылысқа әкелуі мүмкін. Темпе­ра­ту­ра­­ның жоғары болуына байланысты ши­кізат көмірленеді және көмір қалың қабат­пен монолит қабат жасай отырып, колон­на­лардың қабырғаларына жабысады. Сон­дық­тан дәстүрлі мұнай өңдеу зауыттары (МӨЗ) жоспарлы техникалық қызмет көрсетуге жылына екі рет кем дегенде бір айға тоқтайды.

Жаңалық авторларының технологиясы бойынша жоғарыда сипатталған процес керісінше жүзеге асырылады: тұтқырлығы мен айдау сорғыларына жүктемені азайту мақсатында шикізат қыздыру температурасы +70℃ және одан төмен. Бұл ретте су (12% - ға дейін) конверсия процесіне қатысады және сутектендіреді. Сондықтан бұл процесс гидроконверсия деп аталады. Көмірсутекті молекулаларды құрайтын түрлі атомдардың элек­тра­ра­лық байланыстарын ескере отырып, біз оларға магнитэлектрлік өріске және жоғары қарқындылықтағы акустикалық тол­қынмен шаршы метрге шамамен төрт мегаватт жұмыс істеуге қабілетті резонанс­тық режімде әсер етеміз.

Мұндай толқын өрісінің генераторы 2 кВт сағат көзінен құны 50 теңге тұратын 25 тонна шикізатты қоректендіреді. Бір сөз­бен айтқанда, бір тонна шикізатқа 2 теңге жұмсалады.

Гидроконверсияның сипатталған про­це­сі моторлы отындар қоспасынан 92%-ға (және одан да көп) және кеме отыны­нан 12%-ға (8+4) тұратын түпкілікті өнімнің тоннасына жалпы 17кВт сағат тұты­нады. Бұл ешқандай да фокус емес, тек нақты эко­номиканың жеке саласында қолда­ны­ла­тын қалыпты физика.

Қазақстандық ғалымдардың мұнай шикізатын гидроконверсиялау процесін зерттеумен терең айналысуына не себеп болды?

Халықаралық энергетикалық агент­тік­тің (ХЭА) жыл сайынғы есептеріне сәйкес көмірсутектердің барланған қор­ларының іс жүзінде барлық өсімі дәс­түр­лі емес мұнай шикізатының үлесіне тиеді: жоғары тұтқыр битуминозды мұнай, табиғи мұнай битумдары, сланец мұ­найы, құрамында мұнай бар құм сияқ­ты мұнай битуминозды жыныс­­тар. Дәстүрлі емес мұнай шикізатының рас­тал­ған әлемдік қоры шамамен мың млрд тоннаны құрайды. Әлемдік мұнай нары­ғына энергия тасығыштардың жыл сайынғы жеткізілімдерінің жалпы масса­сының шамамен 30%-ын дәстүрлі емес мұнай шикізаты құрайды, оның үлес салмағы жылына 3%-ға өсуде. Осы­ған байланысты ХЭА әлемдік мұнай өңдеу индустриясының технологиялық артта қалғанын және оның моторлы, кеме­лік және энергетикалық отындарды өндіру мақсатында дәстүрлі емес мұнай шикі­за­тын тиімді игеруге қабілетсіздігін көрсе­те­ді.

Әлемдік ресурстардың шамамен 70%-ын тұтынатын энергетикалық қауіп­сіз­дік мәсе­лелері бойынша экономикалық жағы­нан жетекші 26 мемлекет, оның ішінде АҚШ, Жапония, Корея және Еуро­одақ елдері үкіметтерінің ресми консультанты ХЭА-ның осындай пессимистік болжамы бар. Осы бол­жам­ға жауап ретінде «Қазақ­станның Үшінші жаңғыруы: жаһан­дық бәсекеге қабі­леттілік» құжа­тын­да­ғы мәліметті кел­тіруге болады. Бұл – Нұрсұлтан Назар­баев­тың 2017 жыл­ғы 31 қаңтардағы Қазақстан халқына Жол­дауы. Елбасы әлемде басталған Төртін­ші өнеркәсіптік революцияның айналы­мын көрсетеді. Оның басты мақсаты шикі­зат­қа тәуелсіз, циклдік сандық қуатты эконо­мика­ға көшу. Шикізаттан тәуелді, циклдік емес даму модельдерін жаңа прогрессивті модельмен алмастыру.

Ғылыми жаңалық авторлары бұл құ­­жат­­ты Елбасының жеке тапсырма­сы ретін­­­­­­­де қабылдап оны орындау үс­тінде. Мұн­дай мақсаттың дәлелі ретінде авторлар техноло­гиялық реактор­лар­ды іске асыратын гидро­конверсия тех­но­ло­гиясының даму ба­рысын жария етіп отыр. Реак­тор­лар­ды сынау нәтижелерін келтірген, соңғы алынған өнімдерді, материалдық-техни­калық шығындарды талдаған, мате­риал­­дық-энергетикалық баланстар мен т.б. жинақтаған бес ғы­лы­ми мақаланы жариялады.

Бүгінгі таңда мұнай-газды өндіру сала­сы дамуының ғылымға негізделуі қажет­тілікке айналды. Ашылған ғылыми жаңа­лық, жаңа технология еліміздің кен орын­дарында алғашқы сынақтан өтуде.

Энергоресурстарға әлемдік сұраныс ұдайы өсуде және күрделі алынатын қорлары бар кен орындарын пайдалану қажеттілігі кезінде мұнай компаниялары түбегейлі жаңа тәсілдер мен қағидаттарға негізделген мұнай өндірудің барынша тиімді технологияларын қажет етеді.

Себебі ауыр мұнай қоры дәстүрлі мұнайға қарағанда әлдеқайда көп. Әлемде ол оңтайлы технологияның жоқтығынан әзірленбейді. Сондықтан бізде әлемдік нарыққа шығудың жаңа мүмкіндігі пайда болып отыр.

Оның негізі қаланып та қойды. Мы­са­лы, «АМОСО» компаниясы Ұлттық инже­нерлік академиямен бірлесіп, амери­ка­лық серіктесі «GALEXENERGY»-мен бірге ауыр, қалдық мұнай өндіру және зауыттық кен орындарын игеру технологиясын ұсынады. Бұл жобада өндірілген мұнайдың бір баррелінің өзіндік құны 30-35 АҚШ долларының орнына 4-5 АҚШ долларын құрайды.

Сонымен қатар «ҚазМұнайГаз» ҰК» АҚ жақын арада Кенбай Шығыс кен орны­ның Молдабек учаскесінде біздің жаңа өнім­дерімізді тәжірибелік-өнеркәсіптік сынақ­тан өткізеді.

Айта кету керек, бұл технология алғаш рет 2012 жылы Қырықмылтық кен ор­нында сынақтан өткізілді. Жаңа әдіс­­тің артықшылықтарының бірі – 70°С дең­гейін­де төмен температура, ал дәстүрлі МӨЗ-де 450°С және одан жоғары. Бұл жағ­дай­да ауыр мұнай шикізатының барлық түрі, тіпті мұнай қалдықтары да бірдей дәре­жеде өңделеді. Мұнай шикізатын тиім­ді өңдеудің жаңа дәуірі басталғанын нық сеніммен айта аламын.

Ғалымдарымыздың ашқан жаңалығы арқы­лы біз әлемде алғашқы болып көп нәрсені іс жүзінде жүзеге асыра аламыз.

Енді мұнай өңдеудің жаңа техноло­гиясын қолданудың пайдасы мен артық­шы­лықтарын қысқаша қорытын­ды­лайық. Ғылыми жаңалықтың жоғары пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) туралы айтуға бола ма?

Артықшылықтары айқын көрінеді.

Біріншіден, қайта өңдеуге дейінгі кә­сіп­­орындар мен зауыттарда мұнай­ды құрғатудың күрделі, энергияны қажет­сі­не­тін процесі жойылады; керісінше, су өндірілетін мұнай өнімдерінің көлемі мен сапасын арттыру үшін қажетті компонентке айналады.

Екіншіден, бастапқы көмірсутекті шикізатты тұзсыздандыру, күкіртсіз­ден­ді­ру және деметализациялау процес­терінің мағынасын жоғалтады.

Үшіншіден, гидротазалаудың, изо­мери­зацияның және риформингтің зама­науи қымбат процестері жойылады.

Төртіншіден, құрамына және тұт­қыр­лығына қарамастан кез келген мұнай шикізатын тиімді өңдеу қамтамасыз етіледі.

Бесіншіден, мұнай шикізатының тұтқырлығы дизель отындарына дейін төмендеу, қату температурасы 20°С дейін төмендеу, ал қайнау температурасы 430°С дейін өсу нәтижесінде реологиялық қасиеттері жақсарады.

Алтыншыдан, көмірсутегі шикі­за­тының ысырабы жойылады (қазіргі за­ман­ғы МӨЗ-де жоспарлы ысыраптар 3-тен 10%-ға дейін құрайды); ұсы­ны­лып отырған процесс кезінде өндірі­летін отын көлемі иондалған су­дың көмір­су­тектермен өзара іс-қимылы есебінен ұлғаяды.

Жетіншіден, қазіргі уақытта МӨЗ-де қолданылатын жоғары температуралар (400-450°С) қажеттілігі болмайды, шикізаттың вакуумдық-толқындық гидроконверсиясы 70°с дейінгі температурада жүзеге асырылады.

Сегізіншіден, алынатын мұнай өнім­де­­рі­нің сапасы айтарлықтай артып, ұзақ сақтау кезінде қайтымсыз болады.

Ақырында, мұндай дәлелдер жаңа­лық­­тың өміршеңдігін көрсетеді. Серпінді тех­нологияны енгізумен үлестік күрделі шы­ғын­дар 4-6 есе, ал пайдалану шы­ғын­дары – қайта өңдеу қуаты мен терең­ді­гіне байланысты дәстүрлі МӨЗ-мен салыстырғанда 10-12 есе төмен болады.

Ғылым мен техниканың соңғы сөзіне сүйенсек, дұрысы қалай? Ұлттық инже­нер­лік академиясының мұнай саласы үшін жасаған маңызды ашылулары қалай пайда болды?

– Ғылымдағы үлкен жаңалықтар аяқ астынан ашылмайды, жылдар бойғы қажырлы еңбекті, дайындық пен та­бан­ды­лықты қажет етеді. Ға­лым­да­рымыздың турбулентті-толқынды молеку­ла­лық деструкция жолымен мұнайды терең конверсиялау бойынша теориялық және қолданбалы зерттеулері екінші мың­жыл­дықтың аяғында басталған болатын.

Жеке дара бір ғалымның ғылыми-өндірістік жаңалық жасауы сияқты ғылы­ми көпқырлылық уақыты өтіп кетті. Ака­де­мияның ұжымы мақтан тұтатын ғылыми жаңалық ашу – ортақ мүддеге ұмтылған, ұйымшыл күш-жігердің ұжымдық жемісі.

Бұрын өндіріс қазіргідей ғылымның жетістігіне тәуелді емес еді. Сондықтан да ноу-хау «Made in Qazaqstan»-ның өн­ді­ріске енгізілуін асыға күтеміз.

Нұрлан ТЕМІРБЕКОВ,

физика-математика ғылымдарының докторы, профессор, ҰИА академигі, ҰҒА корреспондент мүшесі, ҰИА вице-президенті