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5PROCESSI

DI CONVERSIONE TERMICA



5.1.1 IntroduzioneIl coking è un processo di cracking termico nel quale unresiduo con basso valore, come il residuo della distilla-zione atmosferica o sotto vuoto, viene convertito in pro-dotti distillati più pregiati, oltre che in gas e coke di petro-lio; ciò permette alla raffineria di ridurre la produzionedi olio combustibile di basso valore commerciale.

Molte moderne unità sono progettate e fatte operare per rendere massime le rese in distillati e produrre coke‘grado combustibile’ come sottoprodotto. Questa tipo-logia rappresenta la maggioranza delle installazioni di

coking. Alcune unità particolari sono invece progettate per trattare cariche speciali e per produrre coke pregia-to per anodi o coke aghiforme; normalmente si tratta diunità di piccola capacità, specialmente le ultime citate.

Commercialmente, esistono due diverse classi di pro-cessi di coking: il coking ritardato (delayed coking ) e ilcoking a letto fluido. Il maggior numero di unità e lemaggiori capacità sono relativi al coking ritardato. IlFluid Coking e il Flexicoking, proposti da ExxonMobilResearch and Engineering, costituiscono una classe di processi meno diffusi rispetto al coking ritardato. Unadiscussione sui processi Fluid Coking e Flexicoking viene

riportata nel paragrafo 5.1.4.Il coking ritardato è un processo semicontinuo; pur essendo infatti il coking un processo continuo, la rimo-zione, la manipolazione e lo smaltimento del coke sonoinvece condotti in modo discontinuo. La carica è riscal-data fino alla temperatura di reazione in un forno e quin-di trasferita nelle camere di reazione (coke drum). Lareazione di coking viene ritardata fino a che la caricariscaldata è trasferita nelle camere di reazione, dove iltempo di residenza è abbastanza lungo per il completa-mento delle reazioni stesse. Il coke si deposita nella came-ra, mentre i vapori originati dal cracking escono dalla

testa della camera ed entrano nella colonna di fraziona-mento a valle. Il coke viene rimosso escludendo la camera

interessata dalla linea di processo. Le camere di reazio-ne lavorano in coppia, una in esercizio e l’altra esclusa per il decoking, in modo tale che l’unità possa lavorarein modo pressoché continuo.

5.1.2 Evoluzione e ruolonella raffineriadel processo di coking

Il coking ritardato rappresenta una evoluzione naturaledei precedenti processi di cracking termico. Alla fine del

19° secolo le raffinerie impiegavano tecniche di distil-lazione discontinua. Dato che la temperatura dei distil-latori discontinui e i tempi di residenza non erano bencontrollati, spesso l’olio era soggetto a decomposizionetermica. Il coke si accumulava nei distillatori e venivarimosso manualmente. Sviluppi successivi portaronoall’impiego di distillatori multipli in serie, per produrredistillati con diverso punto di ebollizione; il primo distil-latore lavorava alla temperatura più alta per vaporizzarela maggiore quantità del greggio. Il coke si accumulavain questo recipiente e veniva rimosso manualmente.

Nel corso degli anni Venti del 20° secolo, lo svi-

luppo di processi di distillazione continui e di proces-si più evoluti di cracking termico, come il processoBurton, aprirono la via al processo base di coking ritar-dato. Il processo Burton, sviluppato dalla Standard Oildell’Indiana, veniva impiegato per produrre benzinada gasolio; un sottoprodotto era il coke di petrolio.Aumentando negli Stati Uniti la richiesta di benzina ediminuendo quella di oli pesanti (essenzialmente resi-dui atmosferici), i raffinatori cominciarono a impie-gare la conversione termica di questi residui. Le came-re di reazione del coke a valle dei forni furono utiliz-zate per raccogliere le rese in aumento di coke. Il

processo di coking ritardato venne commercialmentelanciato dalla Standard Oil dell’Indiana nella raffineria

213VOLUME II / RAFFINAZIONE E PETROLCHIMICA

5.1

Coking



di Whiting, nel 1929. Il termine ‘ritardato’ fu attribui-to al fatto che la reazione di coking veniva ritardatafino al trasferimento della carica riscaldata nelle came-re apposite, dove si forniva il necessario tempo di resi-denza per le reazioni di coking. All’inizio si conti-nuarono a impiegare metodi di decoking manuali. Lo

sviluppo di metodi idraulici di decoking iniziò neglianni Trenta e continua tuttora. I primi sviluppi inclu-devano l’uso di scalpelli di perforazione e ugelli idrau-lici ad alta pressione per rimuovere il coke. Impiegan-do due recipienti, uno in riempimento e l’altro in con-temporaneo svuotamento, si poteva lavorare in modosemicontinuo.

L’aumentata richiesta di benzina per motori, daglianni Cinquanta agli anni Settanta, fece aumentare ilnumero di unità di coking ritardato, che permettevanoalla raffineria di convertire gli oli combustibili residuiin benzina e gasolio. Il gasolio forniva una significati-va alimentazione supplementare ai cracking catalitici,diventati gli impianti più importanti per la produzionedi benzine nella raffineria.

Gli sviluppi del coking ritardato sono ancora in attoe si devono a varie società di processo e a produttori diapparecchiature speciali. Gli sviluppi meccanici sonogeneralmente rivolti ad allungare i tempi di marcia deiforni, a diminuire il tempo dei cicli di decoking, a miglio-rare la sicurezza degli operatori e a permettere di usare

recipienti per il coke con diametro maggiore e aumen-tata capacità. Le migliorie di processo vengono fornite per permettere di lavorare residui molto pesanti e per aumentare le rese in liquidi.

Raffinerie di conversione dei residui

L’economia della raffinazione può essere aumenta-ta considerevolmente aggiungendo una unità di con-versione dei residui, come quella di coking. Il cokingritardato converte infatti il residuo della distillazionesotto vuoto in prodotti più leggeri e pregiati, oltre chein coke di petrolio. Uno schema semplificato di raf-fineria di conversione dei residui è mostrato in fig. 1(v. anche cap. 1.1). Il residuo di vacuum è inviato auna unità di coking anziché essere miscelato con l’olio

214 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

PROCESSI DI CONVERSIONE TERMICA

naphtha

gaso oa c ato e ne C3-C4

GPL C3-C4

enzina

ese

et fue

naphthaa coking

LCGO

HCGO

co e

nap t a eggera

regg o

enz na eggera

enz na pesante

o r c c o eggero

slurry oi

enz na somer zzata

naphtha pesante

cherosene cherosene/jet fuel

ese

ese

iese

LVGO

HVGO

enz na r ormata

fig. 1. Raffineria di conversione dei residui basata sul coking ritardato.LVGO, Light Vacuum Gas Oil (gasolio leggero da vuoto); HVGO, Heavy Vacuum Gas Oil (gasolio pesante da vuoto).



combustibile. L’unità produce un’ampia gamma di pro-dotti, che devono essere ulteriormente lavorati nella raf-

fineria insieme alle altre correnti intermedie. Il gasolio

pesante da coking (HCGO, Heavy Coker Gas Oil) viene

trattato con idrogeno e impiegato come alimentazione

per il cracking catalitico (FCC, Fluid Catalytic Cracking),

mentre il gasolio leggero (LCGO, Light Coker Gas Oil)viene trattato con idrogeno e impiegato come compo-

nente dei gasoli diesel. Il gas e la benzina non stabiliz-

zata vengono ulteriormente trattati nell’unità di recupero dei vapori, al f ine di produrre gas combustibile,

GPL (C3-C

4) e prodotti C

5 che bollono nell’intervallo

delle benzine; il coke di petrolio è un sottoprodotto. Nella tab. 1 sono mostrate le rese globali di una raffi-

neria di conversione che lavora una miscela 50/50 di

greggio Arabian Light e Arabian Heavy, confrontate con

le rese di una raffineria senza unità di coking.

Progettazione dell’unità di coking

Le caratteristiche di progetto del coking variano in

funzione del tipo di coke prodotto. Le unità che produ-cono coke per anodi operano in condizioni più severe ditemperatura e pressione; normalmente includono reci-

pienti di minor diametro per il coke, pompe jet ad alta

pressione, ecc.

Gli impianti che producono coke aghiforme opera-

no a pressioni e temperature ancora più alte. Inoltre, ilriciclo è generalmente superiore (tipicamente, maggio-re del 50%). Gli attuali progetti riguardano soprattutto i

coking per combustibili, progettati per operare a bassa pressione e ridotto rapporto di riciclo, onde massimiz-

zare le rese in prodotti liquidi.

5.1.3 Chimica di processo

Reazioni del coking

Il coking ritardato è un processo termico di crackingche converte completamente il residuo da vuoto in

coke di petrolio solido e in prodotti idrocarburici piùleggeri della carica. Il coke di petrolio non è un sem-

plice composto chimico e neppure una forma di carbonio elementare puro, sebbene le rassomigli (SRI

Consulting, 1971; Ballard et al ., 1981). Può essereconsiderato una miscela impura di composti di carbo-

nio elementare e di idrogeno, in cui il rapporto car-

bonio/idrogeno è molto alto, spesso superiore a 20 in peso. Tale rapporto aumenta ben oltre 1.000 quando il

coke viene calcinato.

Nel processo si verificano simultaneamente molte

reazioni di tipo diverso, cosicché una spiegazione accu-rata del meccanismo di reazione è difficile.

Le reazioni principali possono essere così riassunte:

• decomposizione di grandi molecole in molecole più piccole, inclusi radicali liberi;

• i radicali liberi sono specie molto reattive, dotate ditempi di vita brevi; reagiscono con altri idrocarburi,

si combinano con altri radicali liberi neutralizzan-

dosi, o si decompongono ulteriormente formando

olefine e radicali più piccoli e così via;• il cracking termico di cariche pesanti procede a stadi

attraverso una serie di prodotti aventi progressiva-

mente peso molecolare minore, per esempio da gaso-

li pesanti a gasoli leggeri, a benzine, a gas, con rea-

zioni simultanee;• le altre reazioni secondarie del coking sono la poli-merizzazione e la condensazione. Le reazioni di

decomposizione e polimerizzazione danno composti

aromatici policondensati. Quando questi composti

planari si ricombinano e si riarrangiano in una dire-

zione fissa, lo stato viene detto mesofase (o stato cri-

stallino liquido);

• con ulteriore riscaldamento e forze interfaccialiaumentate, si formano sfere mesofasiche che cre-

scono fino a dare goccioline disperse nell’olio. Lesfere continuano a crescere e coalescono in una meso-

fase più grossolana;• un ulteriore riscaldamento produce formazione dicoke sia ‘a mosaico’, sia fibroso. La struttura del coke può essere correlata alla composizione chimica emolecolare dell’alimentazione. I parametri operati-vi più critici sono la temperatura, il tempo di resi-denza e la velocità del flusso del gas.In sintesi, il meccanismo di reazione del coking ritar-

dato è complesso, ma è caratterizzato da tre differentistadi: nel forno, la carica è parzialmente vaporizzata edebolmente crackizzata; nelle camere di reazione, i vapo-

ri subiscono il cracking durante il passaggio attraverso

di esse; la carica liquida pesante, date le temperature esi-stenti nelle camere di reazione e il tempo di residenza,


COKING

tab. 1. Rese globali di raffinazione basate

su una miscela 50/50 di greggio Arabian Light

e Arabian Heavy (base 100.000 bbl/d di greggio)

Rese globali di

raffineria (senzaunità di coking)

Rese globali

di raffineria (conunità di coking)

Prodotto (volume liquido %) (volume liquido %)

Componenti C3 3,3 4,9

Componenti C4 1,8 2,5

Benzina 44,0 53,4

Jet fuel 4,9 5,2

Diesel 26,3 34,1

Olio combustibile 19,6 0,0

Coke (t/d) – 1.075

Zolfo (t/d) 142 224



viene contemporaneamente crackizzata a vapori, poli-

merizzata e condensata a coke.

Struttura del coke di petrolio

Sono stati fatti vari studi per spiegare la formazio-

ne e la struttura del coke. Il coke di petrolio possiede

una struttura cristallina disordinata. Diversamente dallemolecole delle resine e degli asfalteni, il modello strut-

turale dei carbeni e carboidi, che costituiscono la mag-

gior parte del coke di petrolio, probabilmente non con-

siste di singoli membri capaci di essere spezzati duran-

te il riscaldamento, ma di nuclei policiclici condensati

con corte catene laterali metiliche e di altro tipo. Ete-

rocomposti (con O, S, N, ecc.) possono essere presenti

sia nelle catene laterali sia negli anelli. Le dimensioni

e l’ordine dei cristalli di coke determinano soprattuttole sue proprietà fisiche (conducibilità termica ed elet-trica, densità, ecc.) mentre le catene laterali (CH

3

,

SH,

H) influenzano la sua reattività chimica. Inol-tre, il coke appena prodotto ( green coke) contiene dal 2

al 10% di intermedi di decomposizione, quali prodotti

adsorbiti che hanno effetto sulle tecnologie di calcina-

zione del coke.

La formazione del coke aghiforme coinvolge soprat-

tutto la polimerizzazione e la condensazione degli aro-

matici fino a un livello che porta, alla fine, alla forma-

zione di coke. Il coke prodotto è apparentemente più cri-stallino rispetto a quello asfaltico ottenuto dai residui

convenzionali da vuoto. Gli eterocomposti sono presen-

ti in piccolissima quantità e giocano un ruolo solo mar-ginale nel meccanismo di coking.

5.1.4 Processi di coking

Coking ritardato

Il coking ritardato rappresenta la maggioranza delle

unità commerciali di coking. Uno schema di flusso semplificato del coking ritardato è mostrato in fig. 2.

Sezioni principali del processo

Lo schema può essere suddiviso nelle seguenti sezio-ni: a) coking; b) frazionamento; c) recupero dei vapori;

d ) blowdown a circuito chiuso; e) rimozione del coke.

Sezione di coking

La carica fresca (residuo) è inviata sul fondo dellafrazionatrice, dove è miscelata con il materiale di rici-clo proveniente dalla sezione di lavaggio. La carica

combinata viene quindi pompata dal fondo della colon-

na verso il forno. Nel forno, la carica viene rapidamente

riscaldata alla temperatura di coking e inviata alle came-

re del coke inserite nel processo, dove avvengono le

reazioni con produzione di coke e di vapori di idrocar-

buri leggeri. Il coke si accumula nelle camere mentre i

vapori escono superiormente e vengono inviati alla fra-

zionatrice. In testa alla camera del coke viene inviato

gasolio per raffreddare i vapori prodotti e minimizza-

re la formazione di coke nelle linee. Nei tubi del forno

viene inviato vapore ad alta pressione (o condensato)

per mantenere una minima velocità di flusso, ridurre il

tempo di residenza e quindi minimizzare la formazio-ne di coke nei tubi stessi.



t o r r e

r a z o n a m e n t o

as di pur o

PL

nap t a

apor

L

HCGO

vapore

BFW

umparounFa ore

orno

acqua ac a

u

u

c a m e r e

r e a z o n e

a recuperovapor

olio di slop

re ntegroacqua

co e

alimentazioneel resi uo

fig. 2. Schema

semplificato

del processo

di coking ritardato.

BFW,

Boiler Feed Water

(acqua

alimentazione

caldaia).



Sezione di frazionamento

Il tipo più convenzionale di frazionatrice è dotatodi piatti speciali sopra la zona di alimentazione, con

una sezione di lavaggio immediatamente sopra i piat-

ti. I vapori delle camere del coke attraversano i piatti e

la sezione di lavaggio ed entrano nella sezione di fra-

zionamento del gasolio, dove viene impiegato un riflus-so circolante ( pumparound ) per rimuovere il calore e

condensare i vapori di gasolio. In progetti a basso rici-

clo, la sezione interna della colonna in prossimità delfondo deve essere minimizzata per evitare il coking,

dovuto alla bassa velocità dell’olio di lavaggio. In tali progetti è comunemente impiegato un tipo di camera‘a spruzzo aperto’ (open spray). Il gasolio pesante dacoking (HCGO) viene estratto dal riflusso circolante

freddo. Una frazione del gasolio è inviata di nuovo incolonna come olio di lavaggio. La porzione più pesan-te dei vapori provenienti dalle camere di reazione viene

condensata nella sezione di lavaggio e costituisce il rici-

clo, che viene miscelato con la carica fresca e rinviato

al forno. Il calore recuperato con il riflusso circolante

viene normalmente impiegato per preriscaldare la cari-

ca fresca, per fornire calore nelle colonne di recupero

dei vapori e per generare vapor d ’acqua. La successi-va frazione estratta lateralmente, ovvero il gasolio leg-

gero da coking (LCGO), è sottoposta a stripping in unacolonna laterale di stripping per allontanare i leggeri;

successivamente viene raffreddata e inviata a stoccag-

gio. Una porzione del gasolio leggero LCGO non sotto-

posto a stripping viene usata come olio di assorbimento

fresco nell’assorbitore secondario della sezione di recupero dei vapori. L’olio di assorbimento saturo è invia-to di nuovo alla frazionatrice per recuperare gli idro-

carburi assorbiti.

I vapori di testa della frazionatrice vengono par-

zialmente condensati nel condensatore di testa. I vapo-

ri non condensati sono separati nell’accumulatore ditesta e inviati alla sezione di recupero vapori per la

separazione del GPL (Gas di Petrolio Liquefatto). Una

porzione del liquido condensato ritorna in testa alla

colonna come riflusso, mentre la restante porzione

viene inviata alla sezione di recupero dei vapori per

essere stabilizzata. Le condense acide raccolte nel-

l’accumulatore di testa sono inviate al trattamentoeffluenti.

Sezione di recupero dei vapori

Uno schema semplificato della sezione di recupe-

ro dei vapori è mostrato in fig. 3. I vapori di testa dellafrazionatrice vengono compressi e raffreddati; i risul-

tanti flussi di vapore e di liquido sono inviati alla colon-

na di assorbimento-stripping. I vapori sono alimentati

nel fondo della sezione di assorbimento della colonna,

mentre il liquido viene inviato in testa alla colonna di

stripping. La corrente liquida della testa frazionatrice èinviata in testa alla sezione di assorbimento come olio

fresco. Normalmente quest’olio non è sufficiente per ottenere il recupero voluto di GPL; si usa quindi anche

una porzione della naphtha stabilizzata proveniente dalla

debutanizzatrice a valle, frazione che viene raffreddata


COKING

GPL atrattamento

naphtha all y rotreat ng

as com ust e

asolio leggero saturo

aso o eggero

as combustibileal trattamento

c o o n n a

s t r i p p i n g

a s s o r i t o r e

e u t a n i z z a t r i c e

a s s o r b

i t o r e

p r i m a r i o

raz one qu ae a raz onatr ce

acqua ac a

acquaac a

acqua dilavaggio

acqua di lavaggio

vapore di

razionamento

compressoredel gas umido

fig. 3. Schema di flusso della sezione per il recupero dei vapori.



e riciclata in testa alla sezione di assorbimento come olio

supplementare.

Il fondo della colonna di stripping, contenente gli

idrocarburi C3 e quelli più pesanti, passa alla debuta-nizzatrice dove il GPL viene recuperato in testa e gli idro-

carburi C5 in fondo. Il prodotto C

5 viene raffreddato e

inviato a stoccaggio. I GPL C3-C4 sono ulteriormentetrattati per allontanare i composti dello zolfo, inclusi sol-

furo di idrogeno, mercaptani, ecc., e inviati ai trattamenti

ulteriori.

Il gas di testa dalla sezione di assorbimento, che con-

tiene soprattutto gli idrocarburi C2

e componenti più leg-geri, oltre a una porzione di C3 non recuperato, viene ali-

mentato sul fondo dell’assorbitore dove entra in contat-to con l’olio fresco. I residui C5 e gli idrocarburi più pesanti presenti nel gas che esce dall’assorbitore ven-gono recuperati nell’assorbitore e rinviati alla fraziona-trice come olio di assorbimento. Il gas di testa dell’as-sorbitore è infine trattato con una soluzione di ammina per rimuovere il solfuro di idrogeno, prima di essere sca-

ricato nel sistema fuel gas di raffineria.

Sistema di blowdown a circuito chiuso

Il sistema di scarico a circuito chiuso mostrato in

fig. 4 viene impiegato per separare e recuperare i vapo-

ri di idrocarburi e d ’acqua generati durante il tratta-mento con vapore ( steaming ) e le operazioni di raf-

freddamento. I vapori provenienti dalle camere del coke

vengono condensati nella colonna di lavaggio del blow-

down per contatto con olio circolante estratto dal fondo

della colonna stessa. I vapori non condensati, soprat-

tutto vapor d ’acqua e vapori leggeri di idrocarburi, ven-gono condensati nel condensatore di testa prima di entra-

re nel recipiente di blowdown, dove l’olio leggero èseparato dal condensato di vapor d ’acqua e pompato alsistema di slop di raffineria, mentre l’acqua è inviataal trattamento; inizialmente tale acqua viene trattatanella colonna di stripping delle acque acide e quindi

inviata al serbatoio dell’acqua depurata, onde essereusata di nuovo per la rimozione del coke. Il gas prove-

niente dal separatore delle acque di blowdown viene

inviato al compressore del gas umido o ad altro siste-

ma adatto di recupero degli idrocarburi. Il fondo della

colonna di lavaggio del blowdown, contenente code

paraff iniche, viene rimosso e inviato di nuovo o alla

frazionatrice o al sistema di slop di raffineria.

Sezione di rimozione del coke

Le camere di reazione piene di coke vengono esclu-

se dalla linea di processo, trattate con vapore a pressio-

ne e raffreddate con acqua. I vapori generati durante il

trattamento con vapore e durante il raffreddamento sono

inviati alla colonna di lavaggio del blowdown per il recu-

pero degli idrocarburi e del vapore. Il coke viene rimos-

so mediante decoking idraulico.

Le modalità di gestione del coke sono varie, inclusol’impiego di fosse speciali, il caricamento tramite appo-siti cestelli, il carico diretto in vagoni ferroviari, la movi-

mentazione idraulica. Le prime due modalità sono quel-

le usate più comunemente.



serbatoio acqua diquench

serbatoio oli di slop

ritorno dell’acqua ditrattamento del coke

al recipiente di flashdell’acqua acida

al recupero vapore

oli di slop arilavorazione

blowdowndella cameradi reazione

reintegroLCGO

olio pesante alla frazionatrice

getto d ’acqua alle camere di reazione

acqua di quench alle camere di reazione

reintegroacqua

condensatore

c o l o n n a d i

l a v

a g g i o d e l b l o w d o w n

recipiente di blowdown

fig. 4. Sistema

di blowdown a

circuito chiuso.



Principali considerazioni sul progetto

Forno

Il forno del coking fornisce il calore necessario alla

carica per raggiungere la temperatura di reazione. Delle

due tipologie di forni, a camera di combustione singola

o doppia (fig. 5), oggi viene soprattutto usata la secon-

da, che può fornire calore ai tubi da entrambi i lati e pro-duce un maggior flusso di calore, con conseguente tem-

peratura di picco minore e tempo di permanenza dell’a-

limentazione nei tubi inferiore.La metallurgia dei tubi è stata migliorata; vengonoimpiegati acciai legati contenenti il 9% di cromo e acciai

inossidabili tipo 347, che permettono maggiori tempe-

rature di pelle e cicli più lunghi.La velocità dell’olio freddo varia da 1,8 a 2,4 m/s e

il flusso medio del calore radiante è approssimativamentedi 43.000 W/m2. È pratica comune l’iniezione di vapo-re nella sezione radiante, specie quando si trattano cari-

che pesanti; il vapore aumenta la velocità di flusso e quin-di riduce notevolmente il tempo di permanenza e la poten-

ziale formazione di coke nei tubi.

Camera di reazione

Il dimensionamento della camera di reazione è deter-minato dalla velocità superficiale del vapore, dal tempo diogni ciclo e da un parametro specifico definito con il ter-

mine outage. La velocità del vapore determina tipicamen-te il diametro della camera, mentre il tempo del ciclo ne

definisce il volume. La velocità del vapore è funzione dellasua densità e della tendenza allo schiumeggiamento dellacarica. Velocità tipiche del vapore sono comprese tra 0,1 e0,2 m/s, anche se in certe unità le velocità sono superioria 0,2 m/s. Il parametro outage è dato dalla differenza di

altezza tra la linea tangente superiore (alla camera) e illivello massimo del coke nella camera stessa; è tipicamente

compreso tra 4 e 6 m e viene determinato sulla base del

tipo di carica, della sua tendenza a schiumeggiare e delle

condizioni operative. Lo schiumeggiamento è controllatomediante aggiunta di additivi chimici antischiuma (gene-

ralmente una miscela con un fluido distillato) durante le

ultime ore del ciclo. Il livello del coke, indicativo dell’an-damento del processo di coking e della necessità di by-pas-sare il reattore, viene controllato con uno strumento che

misura la riflessione della radiazione nucleare, montato

all’esterno della camera; questo serve altresì a misurare il

livello della schiuma quando la camera si riempie. Nel passato le unità di coking erano progettate per cicli di produzione di 20-24 ore (ciclo completo della

camera pari a 40-48 ore). Attualmente i cicli sono più brevi, nell’ordine delle 14-18 ore. La programmazionedei cicli fissa il volume totale richiesto dalla camera di

reazione che, per un dato diametro, determina essen-

zialmente le dimensioni totali della camera. Nelle unitàcommerciali sono di uso corrente diametri di circa 9 m.

Gli acciai impiegati per le camere di reazione sono del

tipo 1-Cr e 0,5-Mo, con rivestimento interno di acciaio

inossidabile (410S, 11-13 Cr).

Una valvola, solitamente del tipo a sfera a quattrovie, posta all’ingresso della camera di reazione, serve adeviare la carica da una camera all’altra e a by-passarele camere durante gli avviamenti e le fermate.

Frazionatrice

La colonna di frazionamento separa i vari prodotti

dai vapori generati dalla camera di reazione; tali prodotti

includono gas umido, benzine, gasolio leggero da coking

(LCGO) e gasolio pesante (HCGO). La sezione di fondo

della colonna, fino all’estrazione del gasolio pesante, èsoggetta a facile sporcamento a causa delle particelle di

coke trasportate dai vapori, nonché delle alte tempera-ture. Le moderne colonne riducono perciò al minimo la


COKING

uscitauscitauscita

vecchi bruciatorifiamme basse

tipo a camera singola tipo a camera doppia

bruciatori moderni a bassa emissione di NOxfiamme lunghe e sottili

flusso di picco

flusso medio

uscita

1,2flusso di picco

flusso medio 1,8

fig. 5. Forni per

coking a camera di

combustione

singola o doppia.


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(riser ) angolare e da uno verticale. Il forno opera nor-

malmente a 500-600 °C, a pressione leggermente supe-riore a quella atmosferica. Il coke freddo dal reattore èriscaldato per contatto diretto con i gas caldi. Il calore

per la reazione proviene dalla combustione parziale di

una porzione del coke prodotto nel reattore. I gas com-

bustibili contengono soprattutto ossido di carbonio(CO), ossidi di zolfo (SO

x) e inerti e possono essere

utilizzati nella caldaia di combustione del CO (CO-boil-

er ). Il coke netto prodotto dal processo esce dalla sezio-

ne di riscaldamento.

Flexicoking

L’obiettivo del Flexicoking è quello di ridurre ulte-riormente la quantità di coke prodotto nel reattore, impie-gando un gassificatore per convertire il coke in gas di

sintesi. Il gassificatore è altresì usato per riscaldare ilcoke in circolazione e per fornire il calore richiesto per

la reazione di coking. Uno schema di flusso del proces-

so Flexicoking è mostrato in fig. 7.Il processo produce una notevole quantità di gas a

basso potere calorifico. Tale gas viene usualmente raf-

freddato e trattato per rimuovere le particelle di coke e

il solfuro di idrogeno. Esso può essere usato in brucia-tori progettati per funzionare con gas a basso potere calo-

rifico (ca. 3,5-4,8 MJ/m3).

I processi di coking sono tutti processi di conver-

sione termica severa, che si attuano secondo meccani-

smi di reazione simili. Simili sono anche le quantità di

coke prodotte dai processi di coking ritardato, Fluid Coking e Flexicoking; simile è pure l’energia termicarichiesta. Il Fluid Coking consuma circa il 20% del coke

prodotto per fornire il calore necessario alla reazione;

il Flexicoking consuma una aliquota ulteriore di

coke per produrre il gas di sintesi. Circa il 90-97% del

coke prodotto viene quindi consumato dal processo di

Flexicoking.

Le rese tipiche ottenute lavorando un residuo da

vuoto proveniente da un greggio arabo (fornite dalla

ExxonMobil Research and Engineering, licenziataria

del processo), vengono illustrate nella tab. 2. Le rese

di prodotti liquidi e di coke direttamente provenienti

dalla reazione sono le stesse, mentre la produzione netta

(finale) di coke è sostanzialmente minore di quella delFluid Coking.

Gli investimenti per l’unità di Fluid Coking sono circagli stessi di quelli per il coking ritardato, mentre quelli per il Flexicoking sono sensibilmente superiori (30-40%),

a causa della necessità di aggiungere un gassificatore,


COKING

cokei spurgo

particelle finii coke secco

ar a vapore

particelle finii coke umi o

vapore

c c on

terz ar

colonna iavaggio

Venturi

gas a basso potere ca or co

a mentaz one

vapore

pro otto a araz onatr ce

iettore

fig. 7. Schema semplificato

del processo Flexicoking.

tab. 2. Rese tipiche dei processi Fluid Coking

e Flexicoking (alimentazione 4,4 °APIe 24,4% in peso di residuo carbonioso)

FOE, Fuel Oil Equivalent (equivalente olio combustibile)

Rese dei prodotti Fluid Coking Flexicoking

Butani e superiori(% in peso)

13,1 13,1

C5-510 °C (% in volume) 65,1 65,1

Coke grezzo (% in peso) 30,7 30,7

Coke netto (% in peso) 24,9 0,6

Gas a basso poterecalorifico(FOE-% in volume)

– 18,8



un sistema di purificazione del gas e una soffiante per

l’aria più grande. La compressione dell’aria rappresen-ta anche il maggior costo di esercizio delle unità di Fluid Coking e Flexicoking.

5.1.5 Variabili di processo

Di seguito sono prese in esame le alimentazioni del

coking, le rese e la qualità dei vari prodotti del coking,oltre alle variabili che influenzano le rese e le qualità dei prodotti.

Alimentazioni

Le unità di coking ritardato possono essere alimen-tate con qualsiasi materiale oleoso pesante disponibile

in raffineria. Pur essendo l’alimentazione tipica il resi-duo della distillazione diretta sottovuoto, possono esse-

re impiegati vari altri residui e intermedi di raffineria.

La capacità di un’unità di coking di trattare una vastagamma di alimentazioni è dimostrata dall’intervallo didensità (da 5 a 15 °API) e dal contenuto di residuocarbonioso (dal 4 al 40% in peso) dei materiali che l’u-nità stessa può processare.

Le cariche al coking possono essere classificate nelle

seguenti categorie principali:

• residui diretti di distillazione, sia atmosferica sia sot-to vuoto, e asfalteni provenienti da processi di de-

asphalting;

• cariche altamente aromatiche, come decant oil e slurryoil dei cracking catalitici FCC, residui (tar ) di crackingtermici, estratti aromatici provenienti dalla lavora-

zione degli oli lubrificanti, residui da pirolisi degli

impianti di etilene;

• altri materiali, come residui da visbreaking, oli dislop, fondi fangosi dei serbatoi, peci di catrame di

carbone, ecc.

Le citate alimentazioni portano a diverse qualità delcoke e degli altri prodotti.

Oltre all’origine e ai trattamenti a monte, altre pro- prietà della carica che influenzano resa e qualità dei prodotti sono: la densità, il residuo carboniosoConradson (CCR), il contenuto in zolfo, i metalli e gli

asfalteni. La tab. 3 riassume le proprietà di alcune ali-mentazioni tipiche.

Variabili operative

Le tre variabili principali che influenzano le rese e la

qualità dei prodotti sono: la pressione della camera direazione, il rapporto di riciclo, la temperatura delle came-

re di reazione.

Le condizioni operative sono scelte in dipendenza

della qualità della carica e degli obiettivi del proces-so. Tali condizioni variano notevolmente tra i tre tipi

di processi citati, in dipendenza degli obiettivi econo-

mici globali.

Pressione della camera di reazione

La pressione di riferimento per le reazioni di coking

è generalmente la pressione operativa in testa alla came-ra di reazione. Essa è controllata in pratica nell’accu-mulatore di riflusso situato presso la testa della frazio-

natrice dell’unità di coking. L’aumento della pressionenella camera di reazione (coking), ovvero nell’unità, faaumentare le rese in coke, riduce le rese in liquido e fa

diminuire altresì il punto finale del gasolio. L’aumento

di pressione fa aumentare inoltre le rese di gas e benzi-ne. Nel passato erano comuni pressioni operative di 2

bar per la produzione di coke spugnoso, mentre oggi le

unità sono progettate e ristrutturate per lavorare alla pres-sione di 1 bar. La tab. 4 mostra gli effetti della pressio-

ne di reazione e del riciclo sulle rese dell’unità di cokingritardato, a una data temperatura (Sloan et al ., 1992;

Bansal et al ., 1993). Con cariche pesanti contenenti



tab. 3. Caratteristiche tipiche delle alimentazioni del coking

Coke per anodi Coke gradocombustibile Coke aghiforme

Alimentazione Residuo da vuoto Residuo da vuoto Slurry oil Tar da processo termico

Fonte di alimentazione Greggio africano50/50 leggero/pesante

miscela greggio araboFCC Cracking termico

Densità a 15 °C 1,01 1,041 1,052 1,21

Densità API 9,2 4,5 3,5 1,1

Carbonio Conradson

(% in peso)18,9 25,0 5,0 8,6

Zolfo (% in peso) 0,9 5,0 0,22 0,37

Vanadio (ppm) 39 161 – –

Nichel (ppm) 89 46 – –



elevati CCR e asfalteni, si può limitare la formazione dicoke, riducendo la pressione e il riciclo.

Maggiori pressioni operative vengono impiegate per

produrre coke per anodi e coke aghiforme e sono gene-

ralmente giustificate per via del maggior valore del coke

prodotto. Mentre i processi per la produzione di coke per

anodi arrivano a 2-3 bar, non è infrequente arrivare a pres-sioni di 4-6 bar per la produzione di coke aghiforme.

Rapporto di riciclo

Il rapporto di riciclo è dato dalla quantità di materia-le riciclato (tipicamente 540 °C) separato sul fondo dellafrazionatrice e riciclato al forno e alla camera di reazione

(insieme alla carica fresca), onde aumentare la conver-

sione. Aumentando il rapporto di riciclo, si aumentano lerese in coke, si riduce la resa liquida e si produce un gaso-

lio con minore punto finale. La maggiore resa in coke pro-

duce parallelamente più gas e benzina. Alti rapporti di rici-clo producono gasoli pesanti (HCGO) più puri e con puntofinale, residuo carbonioso e metalli minori. Nel passato,

le unità di coking erano progettate con rapporti di riciclodal 10 al 15% per produrre gasoli più puri, dati i limitidelle unità a valle nel trattare i contaminanti. Oggi, congli sviluppi nelle tecnologie di hydrotreating, hydrocracking

e FCC, possono essere tollerate maggiori quantità di con-taminanti nell’HCGO e le unità possono essere progetta-

te con rapporti di riciclo del 5% o minori; in effetti moltedi esse operano con il 2-3% di riciclo.

Alti rapporti di riciclo sono comunemente impiega-

ti per la produzione di coke per anodi e aghiforme e sono

giustificati dal più alto valore del coke prodotto. Mentre

le unità per la produzione di coke per anodi sono tipica-mente limitate a ricicli del 25-30%, le unità per cokeaghiforme arrivano a ricicli del 50-80%.

Temperature della camera di reazione

La temperatura è la variabile operativa più impor-tante del coking ritardato. Sebbene la temperatura dellacamera di reazione non sia direttamente controllata, il

ristretto intervallo di temperature di uscita di una deter-

minata carica del forno è critico per una buona condu-zione e per mantenere un ragionevole ciclo di funzio-

namento del forno. Temperature troppo basse portano

a conversioni incomplete nelle camere di reazione, con

produzione di coke non completamente solidif icato.

Una temperatura molto alta, d ’altro canto, produce uncoke troppo duro che sarebbe difficile rimuovere dalla

camera. Una più alta temperatura della camera di rea-zione può essere ottenuta solo tramite una elevata temperatura di uscita dal forno, con conseguente deposito

di coke nei tubi e necessità di pulizia frequente del fornostesso. Anche il sistema in testa alla camera (tubazio-

ni, valvole fino al punto di raffreddamento) può esse-re soggetto a eccessiva formazione di coke, con con-

seguente aumento dei periodi di sosta. La temperatura

ottimale per una data carica è un compromesso tra bene-ficio di alte rese, funzionalità dell’impianto e limitioperativi delle apparecchiature.

Per la produzione di coke aghiforme e per anodi sono

necessarie temperature più elevate. Nel caso del coke per

anodi tali temperature sono solo di poco superiori (5 °C),mentre per il coke aghiforme si raggiungono tempera-ture molto più alte nella camera di reazione, compresetra 450 e 460 °C. Si ricorda che gli impianti per cokecombustibile operano a temperature di 435-440 °C.

La tab. 5 riassume le condizioni operative per i vari

tipi di coke che, come visto, possono variare in modo

significativo.

Rese dei prodotti

La tab. 6 riporta le rese tipiche di unità che trattanooli residui convenzionali e alimentazioni adatte a pro-

durre coke aghiforme. Nella tabella vengono trattati iseguenti casi di rese: alimentazione costituita da residui

a basso contenuto di zolfo e basso CCR per le produ-

zioni di coke per anodi; alimentazioni con alto conte-

nuto di zolfo, CCR e metalli per produrre coke grado


COKING

tab. 4. Effetto della bassa pressione e del riciclo

ridotto sulle rese del coking

(alimentazione con 20,5% di residuo carbonioso)

Progetti

del passato

Trend

attuale

Pressione della camera (bar) 2,1 1,0

Rapporto di riciclo

(% in volume)10 5

Resa di coke (% in peso) 32,1 29,7

Rese in C5 liquido

(% in volume)69,7 72,6

tab. 5. Intervallo di condizioni operative del coking

Grado combustibile Coke per anodi Coke aghiforme

Pressione della camera (bar) 1,0-1,5 1,5-3,0 4,0-7,0

Rapporto di riciclo (% in volume) 5-10 25-30 50-80

Temperatura della camera (°C) 435-440 440-445 450-455



combustibile; alimentazioni molto aromatiche per pro-

durre coke aghiforme.

La stima di queste rese è stata fatta mediante i model-li KBR (Kellogg Brown and Root).

Proprietà dei prodotti

I prodotti del coking sono fissati principalmente dalla

gamma dei prodotti di raffineria, dalle specifiche e dal-

l’abilità delle unità di processo della raffineria nel gesti-re i successivi trattamenti.

Le proprietà stimate per vari prodotti del coking sono

riassunte nella tab. 7 per una miscela di greggi arabi. Glistadi del trattamento e gli usi finali sono riassunti nella

tab. 8. In genere, tutti i prodotti del coking sono alta-

mente olefinici. Il numero di bromo, che è un indice delgrado di olefinicità, varia da 10 a 70. Lo zolfo e l’azotosono distribuiti tra i vari prodotti, anche se è il coke chene trattiene la maggior quantità, come avviene anche,essenzialmente, per tutti i metalli della carica.

Il gas prodotto dal coking (coker gas) include idrocar-

buri come metano, etano ed etilene e quantità più piccoledi idrogeno. Tale gas viene solitamente prodotto come gas

‘umido’dal separatore del gas e contiene la maggior partedel GPL e porzioni di idrocarburi più pesanti; deve essere

trattato in una unità di recupero dei vapori (VRU, Vapour Recovery Unit) per recuperare il GPL e la benzina.



tab. 6. Rese tipiche del coking ritardato

Coke per anodiCoke grado

combustibile

Alimentazione Residuo da vuoto Residuo da vuoto Slurry oil Tar da processo termico

Fonte di alimentazione Greggio africano Miscela di greggi arabi FCC Cracking termico

Gas a secco 4,3 6,08,8 9,5

Componenti C3-C

4 4,0 4,1

Benzina (C5-205°C) 15,6 15,6 7,5 7,7

LCGO 18,9 20,839,3 35,9

HCGO 31,2 20,9

Coke 26,0 32,6 44,4 46,9

Totale 100,0 100,0 100,0 100,0

Coke aghiforme

tab. 7. Proprietà dei prodotti del coking ritardato, basate su una alimentazione di una miscela 50/50di greggio Arabian Light e Arabian Heavy

Naphtha da coking LCGO HCGO

Densità a 15 °C 0,740 0,857 0,946

Densità API 59,5 33,5 18,0

Zolfo (% in peso) 0,65 2,2 3,8

Azoto (% in peso) 0,09 0,14 0,40

Numero di bromo 60 30 12

Indice di cetano – 40 –

Numero di ottano RON (chiaro) 80 – –

Residuo carbonioso (% in peso) – – 0,3

Pone

Paraffine 45,0 – –

Olefine 30,0 – –

Nafteni 10,0 – –

Aromatici 8,0 – –

RON, Research Octane Number; PONA, Paraffin Olefin Naphtenes Aromatics

Rese (% in peso)

Pona (% in volume)



La benzina di coking (coker gasoline) viene recupe-

rata e stabilizzata nell’unità VRU; è quindi inviata al-l’hydrotreating e poi al reforming catalitico per l’au-mento del numero di ottano, prima di essere miscelata

con benzina raffinata.

Il gasolio leggero da coking (LCGO) viene solita-

mente miscelato con gli altri componenti del gasolio per

diesel, provenienti da altre unità della raffineria, e invia-to al trattamento per la desolforazione e produzione di

diesel a basso (500 ppm) e bassissimo contenuto di

zolfo (10 ppm).

Il gasolio pesante da coking (HCGO) viene altresìtrattato con idrogeno o sottoposto a hydrocracking insie-

me al gasolio di distillazione diretta; viene poi inviato

come alimentazione all’unità FCC.

Qualità del coke

La qualità del coke prodotto non solo determina l’e-conomicità dell’unità ma influenza anche la gestione,l’affidabilità, la manutenzione e la sicurezza. Tipiche proprietà del coke sono riassunte nella tab. 9.

Attualmente esistono essenzialmente tre tipologie di

coke prodotto dall’industria del petrolio: coke spon-giforme regular grade, estesamente impiegato nell’in-dustria dell’alluminio per la fabbricazione di elettrodi(coke per anodi, o anode coke); coke aghiforme di alta

qualità (high grade), impiegato per fabbricare elettrodi per l’industria dell’acciaio; coke combustibile ( fuel grade), impiegato soprattutto come combustibile nelle

centrali termoelettriche e nei cementifici.

Coke per anodi

Molte unità di coking ritardato producono coke per anodi, che ha struttura spugnosa e porosa e presenta una

certa consistenza. Normalmente il contenuto di zolfo èinferiore al 3% e il contenuto di metalli non supera le

350 ppm. Il coke per anodi è generalmente prodotto damateriali paraffinici o asfaltici. La qualità del coke pro-

dotto varia notevolmente in dipendenza del residuo cheviene alimentato. In genere, il contenuto di zolfo e metalli

deve essere sufficientemente basso per rispettare le spe-

cifiche commerciali.

Specifiche tipiche per il coke per anodi sono ripor-

tate nella tab. 10.


COKING

tab. 8. Stadi di trattamento dei prodotti del coking e usi finali

Prodotto Stadio di trattamento Uso finale

Olefine C3-C

4 Estrazione dei mercaptaniGPL

Alimentazione per alchilazione

Naphtha leggera Estrazione dei mercaptaniFormulazione delle benzine

Alimentazione per isomerizzazione

Naphtha pesante IdrodesolforazioneAlimentazione per reforming

Formulazione delle benzine

LCGO Idrodesolforazione Miscelazione dei diesel

HCGOIdrodesolforazione

HydrocrackingAlimentazione FCC

tab. 9. Proprietà tipiche del coke

Proprietà Valore

Zolfo (% in peso) 7,0

Azoto (ppm) 6.000

Materiale volatile (% in peso) 10-12

Vanadio (ppm) 141

Nichel (ppm) 489Densità di volume (kg/m3) 880

Specifica(% in peso)

Green coke Coke calcinato

Umidità 8-12 0,3

Materiale volatile

combustibile (VCM)

8-12 0,5

Zolfo 1,0-3,5 1,0-3,5

Silicio 0,02 0,02

Ferro 0,02 0,02

Nichel 0,02 0,03

Cenere 0,25 0,04

Vanadio 0,02 0,03

Densità di volume(kg/m3)

720-800 720 – 800

Densità reale (g/cm3

) – 2,06

VCM, Volatile Combustibile Material.

tab. 10. Specifiche tipiche del coke per anodi



Coke aghiforme

Il coke aghiforme è il più pregiato di tutti i tipi dicoke prodotti. Viene soprattutto impiegato per la pro-

duzione di elettrodi per l’industria dell’acciaio (forniad arco elettrico). È caratterizzato da proprietà come basso contenuto di zolfo e metalli, basso coefficiente

di espansione termica (CTE, Coefficient of ThermalExpansion), struttura aghiforme e alta conducibilitàelettrica; i migliori coke aghiformi hanno basso CTE.

Le specifiche tipiche per il coke aghiforme sono ripor-

tate nella tab. 11. La produzione di coke aghiforme

necessita di una alimentazione speciale, ricca di aro-

matici, povera di asfalteni, zolfo e metalli. Inoltre, le

unità devono operare in condizioni che favoriscono la produzione di coke aghiforme di buona qualità. Le ali-mentazioni più adatte includono lo slurry oil e il decantoil proveniente dalle unità FCC, o i residui delle unitàdi cracking termico. Anche gli estratti aromatici delle

unità per lubrificanti, nonché i residui della pirolisidegli impianti per etilene e alcune peci di catrame sono

considerate alimentazioni adatte.

Coke combustibile

L’attuale tendenza delle raffinerie a lavorare greggi pesanti influenza la qualità del coke prodotto. Moltiimpianti sono stati convertiti per trattare greggi pesanti

onde migliorare i margini economici di raffinazione. Ciòha comportato la produzione di coke di minor qualità,non adatto alla produzione di anodi. A causa dell’eleva-

to contenuto di zolfo, metalli e altre impurità, il coke prodotto è adatto solo all’uso come combustibile in cen-trali termoelettriche e nei cementifici e viene pertanto

definito grado combustibile.

5.1.6 Operazioni ausiliariedi supporto

Le operazioni ausiliarie di supporto al processo princi-

pale includono alcune operazioni meccaniche associate

al coking ritardato, oltre al processo di calcinazione del

coke, quali:• il decoking (rimozione del coke dalle camere di rea-

zione);

• la depressurizzazione delle camere;• il decoking idraulico mediante getti di acqua ad alta

pressione;

• la ricezione e il trattamento del coke (separazionedell’acqua);

• la gestione dell’acqua di raffreddamento;• la calcinazione del coke.

Di seguito verr à brevemente considerato solo il pro-cesso di calcinazione del coke. Le altre operazioni hanno

un carattere operativo e meccanico, che esula dagli scopidella presente trattazione.

Calcinazione del coke

Il coke di petrolio ( green coke), sia aghiforme sia per

anodi, viene calcinato in forni rotanti per stabilizzarlo

ed eliminare le frazioni più leggere adsorbite; questa ope-razione viene spesso fatta al di fuori della raffineria. Le

caratteristiche del coke calcinato dipendono soprattutto

dalle proprietà del green coke alimentato, ma anche dallemaggiori variabili operative, come la velocità di riscal-damento, la temperatura della zona di calcinazione, il

tempo di residenza e le velocità di raffreddamento. Ilcoke calcinato viene usato soprattutto per la produzione

di anodi per l’industria dell’alluminio. Il consumo dicoke calcinato varia notevolmente nelle industrie speci-

fiche, come mostrato nella tab. 12.

Le specifiche tipiche con confronto tra il green coke

e il coke calcinato sono presentate nella tab. 10 e nella

tab. 11.

In un tipico impianto di calcinazione, il coke viene

trattato in un forno rotante. Il calore è fornito al proces-so da un bruciatore. Altra fonte di calore per il processo

sono i vapori e i gas che si evolvono nel forno. Nel forno

può essere bruciato anche coke con varie quantità di pro-dotti volatili. Dal forno, il coke calcinato viene scarica-

to in un raffreddatore rotante, dove viene raffreddato da

getti di acqua iniettati all’ingresso. Un ulteriore raffred-damento viene fornito dall’immissione di una corrented ’aria. Il coke scaricato dai raffreddatori viene inviato aisilos di stoccaggio.



tab. 11. Specifiche tipiche del coke aghiforme

Specifica(% in peso)

Green coke Coke calcinato

Umidità 6-10 0,1

Materiale volatile

combustibile (VCM)4-7 0,5

Zolfo 0,2-0,5 0,2-0,5

Cenere 0,1 0,1

Densità di volume(kg/m3)

CTE (°C)

720-800

–

670-720

1-5

10

7

Densità reale (g/cm3) – 2,11

tab. 12. Consumi specifici del coke calcinato

IndustriaConsumo specifico

del coke calcinato (kg/kg)

Alluminio 0,5

Carburo di silicio 1,4

Fosforo 1,8

Carburo di calcio 0,69

Grafite 1,25

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