Filtrazione per processi di raffineria secondo gli standard API: Specificare gli elementi filtranti metallici

La filtrazione di processo in raffineria è la rimozione controllata di particolato, polveri di catalizzatore, scaglie e detriti di processo dai flussi di idrocarburi e di processo tra le unità della raffineria, eseguita con elementi filtranti metallici resistenti alla pressione e filtri a cestello specificati in conformità agli standard API per macchinari e ai codici ASME per tubazioni in pressione. Questa disciplina è quantificata piuttosto che approssimativa: un filtro per olio di slurry FCC rimuove tipicamente le polveri di catalizzatore nell'intervallo da 1 a 25 micron, una pompa centrifuga API 610 è protetta all'avviamento da un filtro di aspirazione temporaneo in acciaio inossidabile, i sistemi dell'olio di lubrificazione e di tenuta di un treno di compressori API 617 utilizzano filtri duplex con una valutazione nominale di 10 micron, e gli elementi stessi sono progettati per temperature di processo da 200 °C a 450 °C, classi di pressione fino a ASME Class 2500 e connessioni flangiate lavorate secondo ASME B16.5. Poiché ciascuno di questi dati è ancorato a un requisito normativo piuttosto che a una dichiarazione del fornitore, la filtrazione di processo in raffineria è innanzitutto una disciplina di specifica e solo in secondo luogo una decisione sull'hardware: lo standard di riferimento guida la scelta dell'elemento, non il contrario.

Perché la filtrazione di processo in raffineria si basa sugli standard API

Una raffineria è un insieme di macchinari rotanti, reattori e scambiatori di calore, e ogni filtro esiste per proteggere uno di essi. Un singolo arresto non programmato in una grande unità di greggio o di idrocracking può costare cifre a sette zeri al giorno in termini di perdita di produzione, e il modo più rapido per causarne uno è lasciare che polveri, scaglie o detriti di saldatura raggiungano la tenuta di una pompa, il cuscinetto di un compressore o un letto catalitico attivo. L'American Petroleum Institute (API) redige gli standard per i macchinari che i raffinatori, i licenziatari e i contrattisti EPC utilizzano come base contrattuale e, quando uno standard fa riferimento a un filtro a cestello o a un filtro, tale componente eredita la classe di pressione, il rating della flangia, i materiali e i requisiti di pulizia del pacchetto. Nel servizio di raffineria, "il filtro è conforme a API..." è la frase di apertura di ogni buona specifica.

Standard API che regolano i filtri a cestello e i filtri nel servizio di raffineria

Non esiste un unico "standard API per i filtri"; i requisiti per filtri e filtri a cestello si trovano all'interno degli standard dei macchinari e dei sistemi, ciascuno dei quali si riferisce a una parte diversa dell'impianto:

• API 610 — Pompe centrifughe. Lo standard più citato per la filtrazione di processo in raffineria. Copre i filtri di aspirazione temporanei per l'avviamento delle pompe, definisce il materiale della rete e le aspettative sull'area libera, e stabilisce quando i filtri permanenti sono giustificati. Quasi tutti i pacchetti pompa in una moderna raffineria sono specificati secondo API 610, rendendo le sue clausole sui filtri a cestello il requisito di filtrazione più comune nell'impianto.
• API 614 — Sistemi di lubrificazione, tenuta dell'albero e olio di controllo. Regola i sistemi dell'olio a servizio di compressori e turbomacchine, inclusa la selezione dei filtri, la configurazione duplex, le valutazioni dei filtri e i requisiti degli elementi pulibili per l'olio lubrificante.
• API 617 — Compressori assiali e centrifughi. Fa riferimento alla filtrazione dell'olio di lubrificazione e di tenuta per i treni di compressori; i filtri sono tipicamente duplex e con una valutazione di circa 10 micron per proteggere i cuscinetti ad alta velocità.
• API 618 — Compressori alternativi. Definisce i requisiti di filtrazione dell'olio lubrificante per i telai alternativi, dove l'olio contaminato riduce la durata di teste a croce e cuscinetti.
• API 676 — Pompe volumetriche — Rotative. Richiede filtri in aspirazione affinché i detriti non danneggino i componenti interni a tolleranza ridotta.
• API 682 — Pompe — Sistemi di tenuta dell'albero. Definisce i piani di flussaggio della tenuta che convogliano il fluido di lavaggio pulito attraverso filtri a cestello o filtri, ad esempio il circuito esterno a fluido pulito Plan 32.

Insieme agli standard API per i macchinari, ASME B31.3 (Process Piping) disciplina le tubazioni intorno al filtro e la progettazione del corpo filtro, mentre ASME B16.5 stabilisce le dimensioni delle flange, i valori nominali di pressione-temperatura e le superfici di tenuta utilizzate per collegare il corpo filtro alla linea. I corpi filtro costruiti come recipienti a pressione possono essere progettati in conformità a ASME Sezione VIII Divisione 1. I materiali seguono i gradi ASTM/EN dell'impianto — acciaio inossidabile 304L e 316L come standard, con 904L, duplex e leghe di nichel per servizi ad alta temperatura o corrosivi.

Tipologie di elementi filtranti metallici per raffineria: sinterizzati vs rete tessuta vs filo a cuneo

L'elemento è il punto in cui la specifica diventa hardware. Tre famiglie di elementi metallici coprono la stragrande maggioranza delle applicazioni di filtrazione nei processi di raffineria, e ciascuna si adatta a una diversa combinazione di particelle fini, temperatura e filosofia di pulizia.

Gli elementi sinterizzati sono la scelta predefinita quando il problema sono le particelle fini, poiché offrono una ritenzione assoluta — una struttura rigida dei pori che mantiene il proprio grado di filtrazione durante il controlavaggio e i cicti termici. La rete tessuta rimane il cavallo di battaglia per filtri e protezione grossolana, dove l'economia e l'area libera prevalgono sul grado di filtrazione assoluto. Il filo a cuneo (wedge wire) trova la sua collocazione ideale dove i carichi di solidi sono così pesanti da intasare una rete in poche ore; il profilo delle fessure a V consente il passaggio delle particelle anziché incunearsi nell'apertura. Per un confronto più approfondito tra le due famiglie più comuni, la guida KAIFIL su filtro in metallo sinterizzato vs filtro in rete metallica esamina in dettaglio i compromessi.

Specificare i filtri di aspirazione della pompa API 610

La specifica di filtrazione più comune in una raffineria è anche la più ordinaria: il filtro di aspirazione su una pompa centrifuga. Lo standard API 610 richiede che i gruppi pompa siano in grado di avviarsi con un filtro temporaneo installato nella tubazione di aspirazione, e il modo in cui tale filtro viene specificato determina se la messa in servizio avverrà senza problemi o subirà ritardi.

Tre parametri sono fondamentali. Rete metallica — i filtri di avviamento sono tipicamente da 60 mesh (aperture di circa 250 micron), con 100 mesh (circa 150 micron) dove si prevede la presenza di detriti fini e il margine NPSH della pompa lo consente. Area libera — la maggior parte delle specifiche di progetto richiede che l'area libera netta del filtro sia da due a tre volte l'area dell'ugello di aspirazione, in modo che la rete non lasci la pompa priva di alimentazione all'avviamento. Geometria di rimozione — i filtri a cono e a cestello sono preferiti perché offrono un'area maggiore rispetto a un filtro piatto della stessa dimensione della linea e possono essere estratti e puliti senza tagliare le tubazioni.

Il materiale e la costruzione sono comunque specificati: rete in acciaio inossidabile 304L o 316L, un telaio e una flangia di uscita della stessa classe ASME B16.5 della linea di aspirazione, e un accesso per l'ispezione e la pulizia. Laddove il processo rimanga sporco più a lungo, il filtro temporaneo lascia il posto a un filtro a cestello permanente o a un sistema duplex, in modo che un cestello possa essere pulito mentre l'altro rimane in servizio. La linea di filtri a cono e a cestello KAIFIL copre le geometrie coniche e a cestello utilizzate in questo servizio.

Filtrazione dei fini di catalizzatore: elementi sinterizzati da 1 a 25 micron

L'operazione di filtrazione a più alto valore aggiunto in una moderna raffineria è la rimozione dei fini di catalizzatore. In un'unità di cracking catalitico a letto fluido (FCC), il catalizzatore circola tra il reattore e il rigeneratore ed è continuamente soggetto ad attrito; i fini nell'intervallo 1–25 micron fuoriescono con l'olio di slurry e devono essere rimossi prima che il flusso venga venduto come olio combustibile o avviato a un'ulteriore lavorazione. Nelle unità di idrotrattamento, la stessa logica si applica a monte: i filtri di alimentazione proteggono i letti catalitici, poiché un letto carico di particolato perde attività e costringe a una costosa sostituzione prematura.

Gli elementi in metallo sinterizzato dominano questa applicazione per tre motivi. In primo luogo, mantengono un grado di filtrazione assoluto nella banda 1–25 micron, consentendo di progettare le apparecchiature a valle su un valore preciso. In secondo luogo, resistono alla temperatura: lo slurry FCC lascia il frazionatore principale a 300 °C e oltre, ben al di sopra dei limiti dei media polimerici e a cartuccia, e la struttura sinterizzata mantiene il suo grado di filtrazione anche attraverso i cicli termici. In terzo luogo, sono lavabili in loco: un ciclo di controlavaggio (back-flush o backwash) rimuove il pannello dal mezzo filtrante rigido e l'elemento ritorna in servizio, il che rende la filtrazione dei fini ultrasottili economica alle portate tipiche di una raffineria. La gamma di rete sinterizzata a cinque strati è il mezzo filtrante più comunemente integrato in questi elementi, e la linea di elementi filtranti in metallo sinterizzato mostra i formati di cartuccia utilizzati nei servizi di slurry-oil, alimentazione dell'idrotrattore e filtrazione delle ammine.

Temperatura, classe di pressione e flange ASME B16.5

La filtrazione dei processi di raffineria è raramente un problema di temperatura ambiente. Gli elementi e i corpi filtro vengono abitualmente specificati per servizi a 200–450 °C, ed è qui che i media filtranti metallici si distinguono nettamente da tutti gli altri. La lega segue il flusso: l'acciaio inossidabile 304L e 316L copre la maggior parte delle applicazioni fino a circa 450 °C in servizio continuo, prima che il creep e la sensibilizzazione diventino fattori determinanti per la progettazione; le leghe 904L, duplex e di nichel estendono i limiti operativi laddove si combinano temperatura e corrosione. Il mezzo filtrante sinterizzato mantiene la geometria dei pori e la resistenza meccanica in temperatura perché la struttura è legata metallurgicamente e non tessuta meccanicamente — un vantaggio che nessuna guarnizione polimerica può eguagliare a 400 °C. L'articolo di KAIFIL su materiali per tubi filtranti in acciaio inossidabile per alte temperature spiega i limiti delle leghe in modo più approfondito.

La pressione è specificata in classi ASME, e l'elemento deve essere dimensionato per la pressione differenziale que il processo può imporre, non solo per la pressione di linea. Un tipico corpo filtro da raffineria è costruito secondo le classi ASME da Class 150 a Class 2500 a seconda dell'unità; i circuiti di idroprocessamento operano nella fascia più alta di questo intervallo. La pressione di collasso dell'elemento — la sua resistenza allo schiacciamento sotto pressione differenziale quando la torta di filtrazione blocca il flusso — è una voce di specifica fondamentale, e il mezzo filtrante sinterizzato viene scelto proprio perché la sua struttura rigida dei pori tollera le elevate pressioni differenziali generate da un elemento intasato.

Ogni corpo filtro si collega alle tubazioni di processo tramite flange ASME B16.5, pertanto le dimensioni, la classe e il tipo di faccia (faccia rialzata o giunto ad anello) fanno parte delle specifiche del filtro. Una flangia Class 900 RTJ non è intercambiabile con una flangia Class 600 RF, e l'uscita dell'elemento — che si tratti della piastra tubiera della cartuccia o della flangia del cestello — deve corrispondere al corpo filtro e alla linea. Date le condizioni di servizio, la classe della linea e i dettagli della flangia, un produttore può quotare un pacchetto completo di corpo filtro ed elemento. Per le unità complete, la pagina di KAIFIL dedicata alle applicazioni per petrolio, gas e petrolchimico illustra l'impiego nei vari servizi di raffineria e impianti di trattamento del gas.

Una lista di controllo pratica per le specifiche degli elementi filtranti da raffineria

Quando si redige una richiesta d'acquisto per un filtro o un filtro a cestello da raffineria, inserire i seguenti dati nella scheda tecnica prima di contattare qualsiasi fornitore:

1. Servizio e flusso. Unità, linea e fluido — greggio, slurry oil, alimentazione dell'idrotrattore, ammina o olio lubrificante — con gravità specifica, viscosità e descrizione dei solidi alle condizioni operative.
2. Servizio di filtrazione. Grado di filtrazione in micron e se nominale o assoluto; la distribuzione granulometrica delle particelle fini; e l'efficienza di rimozione accettabile (rapporto beta) dove le particelle fini sono rilevanti.
3. Condizioni di processo. Temperatura e pressione operative e di progetto, portata normale e massima, e pressione differenziale ammissibile a filtro pulito e sporco.
4. Tipo di elemento. Metallo sinterizzato, rete metallica tessuta o wedge wire, con materiale e costruzione del media filtrante; lunghezza, diametro e connessione dell'elemento corrispondenti al corpo filtro.
5. Requisiti del corpo filtro. Dimensioni, classe e tipo di flangia ASME B16.5; progettazione ASME B31.3 o Sezione VIII; numero di elementi; e la filosofia di pulizia — elementi di ricambio, controlavaggio o commutazione duplex.
6. Codici e documentazione. Lo standard API di riferimento (610, 614, 617 o 618), i certificati dei materiali e qualsiasi documentazione relativa a NDE o test di pressione richiesta dal progetto.

Una scheda tecnica completa consente a un produttore di rispondere con un elemento già conforme ai requisiti API, anziché con un prodotto generico da adattare: la differenza tra un filtro che supera la messa in servizio e uno che viene sostituito alla prima fermata di manutenzione.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra uno strainer e un filtro nella filtrazione di processo in raffineria?

Uno strainer è un dispositivo di protezione grossolana, solitamente un cestello o un cono in rete metallica che trattiene i detriti di grandi dimensioni (scaglie, spruzzi di saldatura, scorie di tubazione) che potrebbero danneggiare le apparecchiature rotanti; l'esempio classico è lo strainer di aspirazione temporaneo API 610 su una pompa centrifuga. Un filtro è un dispositivo di separazione classificato che rimuove i solidi fini, come i fini di catalizzatore, secondo una specifica micrometrica definita. La differenza risiede nel compito: gli strainer proteggono le apparecchiature, i filtri proteggono la qualità del prodotto e i letti catalitici, ed entrambi sono comunemente installati nella stessa unità.

Quale standard API disciplina gli strainer di aspirazione delle pompe?

La norma API 610, Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries, disciplina gli strainer di aspirazione delle pompe nei servizi di raffineria. Stabilisce i requisiti per gli strainer temporanei di avviamento sulle pompe centrifughe, definendo il materiale dell'elemento filtrante e i requisiti di area libera per evitare che la pompa rimanga non alimentata. Gli strainer permanenti, ove utilizzati, sono generalmente specificati con le stesse classi di flangia e pressione.

Quale grado di filtrazione micrometrico è necessario per rimuovere i fini di catalizzatore in una raffineria?

I fini di catalizzatore nell'olio di slurry FCC variano tipicamente da circa 1 a 25 micron, pertanto i filtri per questo servizio sono specificati in tale intervallo, con elementi assoluti da 1–5 micron laddove l'applicazione a valle richieda una qualità quasi di finitura. Gli elementi in metallo sinterizzato rappresentano la scelta standard poiché mantengono un grado di filtrazione assoluto a queste dimensioni, resistono a temperature dello slurry superiori a 300 °C e possono essere controlavati e riutilizzati.

Gli elementi in acciaio inossidabile sinterizzato possono sopportare le elevate temperature operative di raffineria?

Sì. Gli elementi in acciaio inossidabile sinterizzato sono comunemente specificati per servizi di raffineria a 200–450 °C. La struttura dei pori legata metallurgicamente mantiene il proprio grado di filtrazione e la resistenza meccanica alla temperatura di esercizio; per questo motivo i media filtranti sinterizzati, anziché quelli polimerici o tessuti meccanicamente, sono preferiti nei servizi ad alta temperatura come lo slurry FCC e i circuiti di idrotrattamento. Al di sopra di circa 450 °C in servizio continuo, la lega passa da 304L/316L a 904L, duplex o leghe di nichel per gestire lo scorrimento viscoso e la corrosione.

Gli elementi filtranti in metallo sinterizzato sono lavabili e riutilizzabili?

Sì. Gli elementi filtranti in metallo sinterizzato sono progettati per una pulizia ripetuta (controlavaggio, lavaggio in controcorrente o pulizia a ultrasuoni) e ritornano in servizio con la loro struttura dei pori intatta. Poiché il media filtrante è rigido e legato metallurgicamente, non si allenta né si sposta come può accadere ai media tessuti, il che rende gli elementi sinterizzati economici per applicazioni ad alto contenuto di fini che consumerebbero rapidamente le cartucce monouso.

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Ogni specifica di filtrazione per i processi di raffinazione si riduce alla stessa domanda: l'elemento soddisfa lo standard prima di essere impiegato nel processo? KAIFIL progetta e produce elementi filtranti in metallo sinterizzato, cartucce filtranti in rete metallica sinterizzata, filtri a cestello e schermi wedge wire in acciaio inossidabile e leghe per alte temperature, realizzati in conformità ai requisiti API e ASME trattati in questa guida. Se state specificando un filtro di aspirazione API 610, un filtro per fini di catalizzatore da 1–25 micron o un elemento per alte temperature per un circuito di idroprocesso, inviate a KAIFIL le vostre condizioni di esercizio e la scheda tecnica per ricevere una raccomandazione conforme allo standard, non un prodotto da scaffale. Contattate KAIFIL oggi stesso per elementi filtranti certificati e documentati per le vostre unità di processo di raffineria.