Filtracja procesowa w rafineriach według norm API: Specyfikacja metalowych elementów filtrujących

Filtracja procesowa w rafineriach to kontrolowane usuwanie cząstek stałych, drobnych cząstek katalizatora, zgorzeliny i zanieczyszczeń procesowych ze strumieni węglowodorów i strumieni procesowych pomiędzy instalacjami rafineryjnymi, realizowane za pomocą metalowych elementów filtracyjnych o określonej klasie ciśnieniowej oraz filtrów siatkowych specyfikowanych zgodnie z normami maszynowymi API i kodami rurociągów ciśnieniowych ASME. Dziedzina ta jest precyzyjnie określona ilościowo, a nie przybliżona: filtr oleju zawiesinowego FCC zazwyczaj usuwa drobne cząstki katalizatora w zakresie od 1 do 25 mikronów, pompa odśrodkowa API 610 jest chroniona podczas rozruchu przez tymczasowy ssawny filtr siatkowy ze stali nierdzewnej, układy oleju smarowego i uszczelniającego zespołu sprężarek API 617 wykorzystują filtry typu duplex o nominalnym stopniu filtracji 10 mikronów, a same elementy są zaprojektowane dla temperatur procesowych od 200°C do 450°C, klas ciśnieniowych do ASME Class 2500 oraz połączeń kołnierzowych obrabianych zgodnie z ASME B16.5. Ponieważ każda z tych wartości jest powiązana z wymogami norm, a nie z deklaracjami dostawców, filtracja procesowa w rafineriach jest w pierwszej kolejności dyscypliną specyfikacji, a dopiero w drugiej decyzją sprzętową — to obowiązująca norma decyduje o wyborze elementu, a nie na odwrót.

Dlaczego filtracja procesowa w rafineriach opiera się na normach API

Rafineria to zespół maszyn wirnikowych, reaktorów i wymienników ciepła, a każdy filtr istnieje po to, aby chronić jeden z tych elementów. Pojedynczy nieplanowany przestój dużej instalacji destylacji ropy naftowej lub hydrokrakingu może kosztować nawet siedmiocyfrowe kwoty dziennie z powodu utraconej przepustowości, a najszybszym sposobem na jego wywołanie jest dopuszczenie, aby drobne cząstki, zgorzelina lub odpryski spawalnicze przedostały się do uszczelnienia pompy, łożyska sprężarki lub aktywnego złoża katalizatora. American Petroleum Institute (API) opracowuje normy maszynowe, które rafinerie, licencjodawcy i wykonawcy EPC stosują jako podstawę kontraktową, a gdy norma odnosi się do filtra siatkowego lub filtra, komponent ten przejmuje klasę ciśnieniową, parametry kołnierzy, materiały oraz wymagania dotyczące czystości całego pakietu urządzeń. W zastosowaniach rafineryjnych stwierdzenie „filtr spełnia normę API...” to punkt wyjścia każdej dobrej specyfikacji.

Normy API regulujące stosowanie filtrów siatkowych i filtrów w zastosowaniach rafineryjnych

Nie istnieje jedna „norma API dotycząca filtrów”; wymagania dotyczące filtrów i filtrów siatkowych znajdują się w normach maszynowych i systemowych, z których każda odnosi się do innej części zakładu:

• API 610 — Pompy odśrodkowe. Najczęściej przywoływana norma dotycząca filtracji procesowej w rafineriach. Obejmuje ona tymczasowe siatkowe filtry ssawne do rozruchu pomp, definiuje materiał siatki oraz wymagania dotyczące powierzchni otwartej, a także określa ramy, kiedy uzasadnione jest stosowanie filtrów stałych. Niemal każdy zestaw pompowy w nowoczesnej rafinerii jest specyfikowany zgodnie z API 610, co sprawia, że zawarte w niej zapisy dotyczące filtrów siatkowych są najczęstszym wymogiem filtracyjnym w zakładzie.
• API 614 — Układy smarowania, uszczelniania wałów i oleju sterującego. Reguluje układy olejowe obsługujące sprężarki i maszyny wirnikowe, w tym dobór filtrów, konfigurację typu duplex, dokładność filtracji oraz wymagania dotyczące elementów filtracyjnych nadających się do czyszczenia dla oleju smarowego.
• API 617 — Sprężarki osiowe i odśrodkowe. Dotyczy filtracji oleju smarowego i uszczelniającego dla zespołów sprężarkowych; filtry są zazwyczaj typu duplex i mają dokładność około 10 mikronów w celu ochrony łożysk szybkoobrotowych.
• API 618 — Sprężarki tłokowe. Określa wymagania dotyczące filtracji oleju smarowego dla ram tłokowych, gdzie zanieczyszczony olej skraca żywotność krzyżulców i łożysk.
• API 676 — Pompy wyporowe — Rotacyjne. Wymaga stosowania filtrów ssawnych, aby zanieczyszczenia nie uszkodziły elementów wewnętrznych o małym luzie.
• API 682 — Pompy — Systemy uszczelnień wału. Definiuje plany płukania uszczelnień, które kierują czysty płyn płuczący przez filtry siatkowe lub filtry, na przykład zewnętrzny obieg czystego płynu Plan 32.

Obok norm maszynowych API, ASME B31.3 (Rurociągi procesowe) reguluje rurociągi wokół filtra oraz konstrukcję obudowy filtra, podczas gdy ASME B16.5 określa wymiary kołnierzy, wartości znamionowe ciśnienia i temperatury oraz przylgi stosowane do podłączenia obudowy do linii. Obudowy budowane jako zbiorniki ciśnieniowe mogą być projektowane zgodnie z ASME Section VIII Division 1. Materiały są zgodne z gatunkami ASTM/EN stosowanymi w zakładzie — standardowo stal nierdzewna 304L i 316L, a w przypadku pracy w wysokich temperaturach lub środowiskach korozyjnych — 904L, duplex oraz stopy niklu.

Typy metalowych elementów filtracyjnych do zastosowań rafineryjnych: spiekane vs tkane vs szczelinowe

Element to miejsce, w którym specyfikacja staje się fizycznym komponentem. Trzy rodziny elementów metalowych pokrywają zdecydowaną większość zastosowań w filtracji procesów rafineryjnych, a każda z nich odpowiada innej kombinacji drobnych cząstek, temperatury i filozofii czyszczenia.

Elementy spiekane są domyślnym wyborem, gdy problemem są drobne cząstki, ponieważ oferują absolutną retencję — sztywną strukturę porów, która zachowuje swoją dokładność filtracji podczas płukania wstecznego i cykli termicznych. Siatka tkana pozostaje niezastąpionym rozwiązaniem w filtrach siatkowych i ochronie zgrubnej, gdzie ekonomia i powierzchnia otwarta przeważają nad dokładnością absolutną. Sita szczelinowe sprawdzają się w miejscach, gdzie ładunek ciał stałych jest na tyle duży, że mógłby zatkać siatkę w ciągu kilku godzin; profil szczeliny V pozwala cząstkom przechodzić, zamiast klinować się w otworze. Aby uzyskać dokładniejsze porównanie dwóch najpopularniejszych rodzin, przewodnik KAIFIL dotyczący filtrów z metalu spiekanego vs filtrów z siatki drucianej szczegółowo omawia te kompromisy.

Specyfikacja filtrów ssawnych pomp zgodnych z API 610

Najczęstsza specyfikacja filtracji w rafinerii jest również najbardziej rutynową: filtr ssawny na pompie odśrodkowej. Norma API 610 wymaga, aby agregaty pompowe były zdolne do rozruchu z tymczasowym filtrem siatkowym zamontowanym w rurociągu ssawnym, a sposób specyfikacji tego filtra decyduje o tym, czy rozruch przebiegnie sprawnie, czy zostanie wstrzymany.

Znaczenie mają trzy parametry. Siatka filtracyjna — filtry rozruchowe mają zazwyczaj wielkość oczek 60 mesh (prześwit około 250 mikronów), natomiast 100 mesh (około 150 mikronów) stosuje się tam, gdzie spodziewane są drobne zanieczyszczenia i pozwala na to zapas NPSH pompy. Powierzchnia czynna — większość specyfikacji projektowych wymaga, aby efektywna powierzchnia czynna filtra była od dwóch do trzech razy większa od powierzchni króćca ssawnego, dzięki czemu element filtracyjny nie dławi pompy podczas rozruchu. Geometria demontażu — filtry stożkowe i koszowe są preferowane, ponieważ oferują większą powierzchnię filtracji niż płaskie sito przy tej samej średnicy rurociągu oraz mogą być wyciągane i czyszczone bez konieczności rozcinania rurociągu.

Materiał i konstrukcja są nadal ściśle określone: siatka ze stali nierdzewnej 304L lub 316L, rama i kołnierz wylotowy o tej samej klasie ASME B16.5 co rurociąg ssawny oraz dostęp do inspekcji i czyszczenia. Tam, gdzie proces technologiczny przez dłuższy czas przebiega przy dużym zanieczyszczeniu, filtr tymczasowy ustępuje miejsca stałemu filtrowi koszowemu lub układowi typu duplex, dzięki czemu jeden kosz może być czyszczony, podczas gdy drugi pozostaje w użyciu. Oferowana przez KAIFIL linia filtrów stożkowych i koszowych obejmuje geometrie stożkowe i koszowe stosowane w tych zastosowaniach.

Filtracja drobnych cząstek katalizatora: elementy spiekane o dokładności 1–25 mikronów

Najbardziej kluczowym zadaniem filtracyjnym w nowoczesnej rafinerii jest usuwanie drobnych cząstek katalizatora. W instalacji fluidalnego krakingu katalitycznego (FCC) katalizator krąży między reaktorem a regeneratorem i ulega ciągłemu ścieraniu; drobne cząstki w zakresie 1–25 mikronów przedostają się wraz z olejem zawiesinowym i muszą zostać usunięte, zanim strumień zostanie sprzedany jako olej opałowy lub skierowany do dalszego przetwarzania. W instalacjach hydroprocesów ta sama logika ma zastosowanie na wcześniejszym etapie: filtry zasilania chronią złoża katalizatora, ponieważ złoże obciążone cząstkami stałymi traci aktywność i wymusza kosztowną, przedwczesną wymianę.

Spiekane elementy metalowe dominują w tym zastosowaniu z trzech powodów. Po pierwsze, zapewniają one absolutną dokładność filtracji w zakresie 1–25 mikronów, dzięki czemu urządzenia znajdujące się za nimi są projektowane pod kątem konkretnej, stałej wartości. Po drugie, wytrzymują one wysoką temperaturę — zawiesina FCC opuszcza główną kolumnę frakcjonującą w temperaturze 300°C i wyższej, znacznie przekraczającej możliwości mediów polimerowych i wkładów filtracyjnych, a spiekana struktura zachowuje swoje parametry podczas cykli termicznych. Po trzecie, mogą być czyszczone na miejscu: cykl płukania wstecznego unosi placek filtracyjny ze sztywnego medium, a element powraca do pracy, co sprawia, że filtracja bardzo drobnych cząstek jest ekonomiczna przy natężeniach przepływu w rafinerii. Oferowana przez KAIFIL pięciowarstwowa siatka spiekana jest medium najczęściej stosowanym w tych elementach, a linia spiekanych metalowych elementów filtracyjnych przedstawia formaty wkładów używane w instalacjach filtracji oleju zawiesinowego, wsadu do hydrorafinacji oraz filtracji amin.

Temperatura, klasa ciśnienia i kołnierze ASME B16.5

Filtracja procesowa w rafineriach rzadko odbywa się w temperaturze otoczenia. Elementy i obudowy są rutynowo projektowane do pracy w temperaturach 200–450°C, gdzie media metalowe zdecydowanie przewyższają wszelkie inne rozwiązania. Dobór stopu zależy od przepływającego medium: stale nierdzewne 304L i 316L obsługują większość zastosowań do około 450°C pracy ciągłej, zanim pełzanie i sensytyzacja staną się czynnikami decydującymi o konstrukcji; stale 904L, duplex oraz stopy niklu rozszerzają te możliwości tam, gdzie wysoka temperatura łączy się z korozją. Spiekane media zachowują geometrię porów i wytrzymałość w wysokich temperaturach, ponieważ ich struktura jest połączona metalurgicznie, a nie tkana mechanicznie – to zaleta, której żadne uszczelnienie polimerowe nie jest w stanie dorównać przy 400°C. Artykuł KAIFIL na temat materiałów na wysokotemperaturowe rury filtracyjne ze stali nierdzewnej wyjaśnia ograniczenia stopów w bardziej szczegółowy sposób.

Ciśnienie jest określane w klasach ASME, a element must być przystosowany do ciśnienia różnicowego, jakie może wystąpić w procesie, a nie tylko do ciśnienia w rurociągu. Typowa obudowa rafineryjna jest budowana w klasach od ASME Class 150 do Class 2500, w zależności od instalacji; pętle hydroprocesów pracują w górnym zakresie tych wartości. Odporność elementu na zapadnięcie (collapse rating) – czyli jego odporność na spłaszczenie pod wpływem ciśnienia różnicowego, gdy placek filtracyjny blokuje przepływ – jest kluczową pozycją w specyfikacji, a media spiekane są wybierane właśnie dlatego, że ich sztywna struktura porów toleruje wysokie ciśnienia różnicowe generowane przez zanieczyszczony element.

Każda obudowa łączy się z rurociągiem procesowym za pomocą kołnierzy ASME B16.5, dlatego rozmiar, klasa i przylga kołnierza (z przylgą podwyższoną – RF lub z rowkiem pod uszczelkę metalową – RTJ) stanowią część specyfikacji filtra. Kołnierz Class 900 RTJ nie jest zamienny z kołnierzem Class 600 RF, a wylot elementu – niezależnie od tego, czy jest to dno sitowe wkładu, czy kołnierz kosza – musi pasować do obudowy i rurociągu. Biorąc pod uwagę warunki pracy, klasę rurociągu i szczegóły dotyczące kołnierzy, producent może zaoferować kompletny zestaw obejmujący obudowę i elementy filtracyjne. W przypadku kompletnych jednostek, strona KAIFIL poświęcona zastosowaniom w przemyśle naftowym, gazowym i petrochemicznym szczegółowo omawia wdrożenia w instalacjach rafineryjnych i zakładach przetwarzania gazu.

Praktyczna lista kontrolna specyfikacji dla rafineryjnych elementów filtracyjnych

Przygotowując zapotrzebowanie na filtr rafineryjny lub filtr siatkowy, przed skontaktowaniem się z dostawcą należy umieścić w arkuszu danych następujące informacje:

1. Medium i strumień. Jednostka, linia i płyn — ropa naftowa, olej zawiesinowy, wsad do hydrotreatera, amina lub olej smarowy — wraz z ciężarem właściwym, lepkością i opisem ciał stałych w warunkach roboczych.
2. Zadanie filtracyjne. Mikronaż i informacja, czy jest nominalny, czy absolutny; rozkład wielkości cząstek drobnych; oraz dopuszczalna skuteczność usuwania (współczynnik beta), tam gdzie cząstki drobne mają znaczenie.
3. Warunki procesowe. Temperatura i ciśnienie robocze oraz projektowe, przepływ normalny i maksymalny, a także dopuszczalne ciśnienie różnicowe dla elementu czystego i zanieczyszczonego.
4. Typ elementu. Metal spiekany, siatka tkana lub siatka szczelinowa, wraz z materiałem i konstrukcją medium; długość, średnica i przyłącze elementu dopasowane do obudowy.
5. Wymagania dotyczące obudowy. Rozmiar, klasa i przylga kołnierza ASME B16.5; konstrukcja zgodna z ASME B31.3 lub Section VIII; liczba elementów; oraz metoda czyszczenia — elementy zapasowe, płukanie wsteczne lub przełączanie typu duplex.
6. Normy i dokumentacja. Obowiązująca norma API (610, 614, 617 lub 618), certyfikaty materiałowe oraz wszelka dokumentacja badań NDE lub prób ciśnieniowych wymagana w projekcie.

Kompletna karta danych technicznych pozwala producentowi zaoferować element mieszczący się już w kopercie wymiarowej API, zamiast ogólnego produktu, który wymaga dostosowania — to różnica między filtrem, który przetrwa rozruch, a takim, który zostanie wymieniony podczas pierwszego przestoju remontowego.

Najczęściej zadawane pytania

Jaka jest różnica między filtrem siatkowym a filtrem w filtracji procesowej w rafinerii?

Filtr siatkowy to urządzenie do ochrony zgrubnej, zazwyczaj w postaci kosza z siatki tkanej lub stożka, które zatrzymuje duże zanieczyszczenia – zgorzelinę, odpryski spawalnicze, osady z rur – mogące uszkodzić urządzenia obrotowe; klasycznym przykładem jest tymczasowy filtr ssawny zgodny z API 610 na pompie odśrodkowej. Filtr to certyfikowane urządzenie separacyjne, które usuwa drobne cząstki stałe, takie jak drobne frakcje katalizatora, do określonej dokładności mikronowej. Granicę wyznacza ich funkcja: filtry siatkowe chronią urządzenia, filtry chronią jakość produktu i złoża katalizatora, a oba rozwiązania są powszechnie instalowane w tym samym układzie.

Która norma API reguluje kwestię filtrów ssawnych pomp?

Norma API 610, Pompy odśrodkowe dla przemysłu naftowego, petrochemicznego i gazu ziemnego, reguluje kwestię filtrów ssawnych pomp w pracy rafineryjnej. Określa ona wymagania dotyczące tymczasowych filtrów rozruchowych w pompach odśrodkowych, obejmujące materiał siatki filtrującej oraz oczekiwaną powierzchnię otwartą, zapobiegającą niedozasileniu pompy. Filtry stałe, jeśli są stosowane, są zazwyczaj dobierane pod kątem tych samych klas kołnierzy i ciśnień.

Jaka dokładność filtracji w mikronach jest wymagana do usuwania drobnych cząstek katalizatora w rafinerii?

Drobne cząstki katalizatora w oleju zawiesinowym FCC mają zazwyczaj wielkość od około 1 do 25 mikronów, dlatego filtry do tego zastosowania są dobierane w tym zakresie, przy czym elementy o bezwzględnej dokładności filtracji 1–5 mikronów są stosowane tam, gdzie procesy na dalszych etapach wymagają jakości zbliżonej do filtracji polerującej. Spiekane elementy metalowe stanowią standardowy wybór, ponieważ zachowują bezwzględną dokładność filtracji przy tych rozmiarach, wytrzymują temperaturę zawiesiny wynoszącą ponad 300°C oraz mogą być płukane wstecznie i ponownie wykorzystywane.

Czy spiekane elementy ze stali nierdzewnej mogą pracować w wysokich temperaturach roboczych panujących w rafinerii?

Tak. Spiekane elementy ze stali nierdzewnej są rutynowo specyfikowane do pracy w rafineriach w temperaturach 200–450°C. Metalurgicznie wiązana struktura porów zachowuje swoje parametry filtracji i wytrzymałość mechaniczną w wysokiej temperaturze, dlatego spiekane materiały filtracyjne — a nie polimerowe lub mechanicznie tkane — są preferowane w procesach wysokotemperaturowych, takich jak filtracja zawiesiny FCC i pętle hydroprocesingu. Powyżej około 450°C pracy ciągłej stop zmienia się z 304L/316L na 904L, duplex lub stopy niklu, aby przeciwdziałać pełzaniu i korozji.

Czy spiekane metalowe elementy filtracyjne nadają się do czyszczenia i ponownego użycia?

Tak. Spiekane metalowe elementy filtracyjne są zaprojektowane do wielokrotnego czyszczenia — poprzez płukanie wsteczne, przemywanie wsteczne lub czyszczenie ultradźwiękowe — i powracają do pracy z nienaruszoną strukturą porów. Ponieważ materiał filtracyjny jest sztywny i metalurgicznie wiązany, nie ulega on rozluźnieniu ani przesunięciu, jak może to mieć miejsce w przypadku materiałów tkanych, co czyni elementy spiekane ekonomicznymi w zastosowaniach o wysokiej zawartości drobnych cząstek, które szybko zużyłyby wkłady jednorazowe.

Dobieraj elementy filtracyjne do rafinerii z pełnym zaufaniem — skontaktuj się z KAIFIL

Każda specyfikacja filtracji procesowej w rafinerii sprowadza się do tego samego pytania: czy element spełnia normę, zanim trafi do procesu? KAIFIL projektuje i produkuje spiekane metalowe elementy filtracyjne, wkłady filtracyjne ze spiekanej siatki drucianej, filtry koszowe i sita szczelinowe ze stali nierdzewnej oraz stopów wysokotemperaturowych, wykonane zgodnie z wymaganiami API i ASME omówionymi w tym przewodniku. Jeśli określasz specyfikację filtra ssawnego API 610, filtra do usuwania drobnych cząstek katalizatora o dokładności 1–25 mikronów lub elementu wysokotemperaturowego do pętli hydroprocesingu, prześlij firmie KAIFIL swoje warunki pracy oraz kartę danych technicznych, aby otrzymać rekomendację dopasowaną do normy, a nie do gotowych produktów z półki. Skontaktuj się z KAIFIL już dziś, aby zamówić certyfikowane, udokumentowane elementy filtracyjne do swoich instalacji rafineryjnych.