Reduction of Single Event Kinetic Models by Rigorous Relumping: Application to Catalytic Reforming

Abstract

Résumé -Réduction de modèles cinétiques basée sur les événements constitutifs à l'aide d'un regroupement rigoureux : application au reformage catalytique -La modélisation des procédés de raffinage utilisant des catalyseurs bifonctionnels métal-acide fait intervenir un nombre exponentiellement croissant d'espèces et de réactions qui peut rapidement dépasser plusieurs milliers pour des charges industrielles complexes. Lors de la réalisation d'un modèle de procédé, l'utilisation de modèles cinétiques de regroupement a priori par familles chimiques ne satisfait plus les besoins actuels de simulation détail-lée, de prédictivité et d'extrapolabilité. À cause du grand nombre d'étapes élémentaires impliquées dans la catalyse bifonctionnelle, il est déraisonnable de vouloir construire à la main un réseau cinétique détaillé d'une telle ampleur. La génération informatique du réseau réactionnel à partir de règles simples propose une solution élégante dans un tel cas. Malgré cela, l'établissement des équations cinétiques et leur résolu-tion reste difficile, essentiellement à cause du manque de détail analytique demandé par un modèle détaillé. Néanmoins, pour plusieurs procédés de raffinage, des hypothèses raisonnables concernant les équilibres entre espèces permettent d'effectuer un regroupement a posteriori des espèces, réduisant de cette manière la taille du réseau réactionnel tout en maintenant un réseau cinétique entre familles chimiques qui est strictement équivalent au réseau détaillé. Nous présentons ici les outils de génération de réseau et la méthode de regroupement a posteriori associés à la méthode de modélisation cinétique par événements constitutifs. Cette approche de regroupement a posteriori est illustrée et appliquée à la modélisation cinétique des réactions de reformage catalytique. Abstract

Single Event Kinetic Modelling without Explicit Generation of Large Networks: Application to Hydrocracking of Long Paraffins

“…As explained elsewhere (Vynckier and Froment, 1991;Cochegrue et al, 2011), the calculation of the lumping coefficient only requires the knowledge of the detailed reaction network of elementary steps and of the choice of the lumps, but does not require the knowledge of the single event rate coefficients, as these have been explicitly isolated in the expressions above. Hence, the lumping coefficients need to be calculated only once.…”

“…The single event methodology has already been extensively described in the literature. This acid-catalyzed modelling approach has been applied to isomerization (Guillaume et al, 2003a;Surla et al, 2004Surla et al, , 2011, alkylation (Martinis and Froment, 2006), olefin oligomerization (Guillaume, 2006;Shahrouzi et al, 2008), methanol-to-olefins Froment, 2001a, b, 2004;Al Wahabi and Froment, 2004;Froment, 2005), catalytic reforming (Sotelo-Boyás and Froment, 2009;Cochegrue et al, 2011), catalytic cracking (Feng et al, 1993;Dewachtere et al, 1999;Beirnaert et al, 2001;Moustafa and Froment, 2003;Froment, 2005;Quintana-Solórzano et al, 2005, b, 2010 and hydrocracking (Baltanas and Froment, 1985;Baltanas et al, 1989;Vynckier and Froment, 1991;Svoboda et al, 1995;Schweitzer et al, 1999;Martens and Froment, 1999;Martens et al, 2000Thybaut et al, 2001Thybaut et al, , 2009Thybaut and Marin, 2003;Laxmi Narasimhan et al, 2003a, b, 2004, 2006Chavarría-Hernández et al, 2004Kumar and Froment, 2007a, b;Chavarría-Hernández and Ramírez, 2009;Mitsios et al, 2009;Choudhury et al, 2010).…”

A Review of Kinetic Modeling Methodologies for Complex Processes

“…When the kinetic equations between species are known and sets of species are in thermochemical equilibrium, one can group the species in equilibrium into lumps, and write a new reduced kinetic network between lumps that is exactly equivalent to the original network (Wei and Kuo, 1969;Li and Rabitz, 1989;Vynckier and Froment, 1991;Cochegrue et al, 2011). In this sense, this is strictly an exact lumping technique as defined by Wei and Kuo (1969), since the composition of each lump is known through the equilibrium relations.…”

“…For example, the PCP isomerizations are fully described by four kinetic parameters although hundreds of thousands of PCP isomerizations can occur in complex mixtures. Additional thermodynamics constraints and assumptions allow the further reduction of the number of kinetic parameters Cochegrue et al, 2011).…”

“…This modeling approach has been applied for acid-catalyzed processes such as: -isomerization (Guillaume et al, 2003a,b,c;Surla et al, 2004Surla et al, , 2011, -alkylation (Martinis and Froment, 2006), -olefin oligomerization Shahrouzi et al, 2008;Toch et al, 2015), -methanol-to-olefins Froment, 2001a,b, 2004;Kumar et al, 2013a,b), -catalytic reforming (Sotelo-Boyás and Froment, 2009;Cochegrue et al, 2011), -catalytic cracking Dewachtere et al, 1999;Beirnaert et al, 2001;Moustafa and Froment, 2003;Quintana-Solórzano et al, 2005, 2007a,b, 2010Xue et al, 2014), -hydrocracking (Baltanas and Froment, 1985;Baltanas et al, 1989;Vynckier and Froment, 1991;Svoboda et al, 1995;Schweitzer et al, 1999;Martens and Froment, 1999;Martens et al, 2000Thybaut et al, 2001Thybaut et al, , 2009Thybaut and Marin, 2003;Laxmi Narasimhan et al, 2003a, 2007Chavarría-Hernández et al, 2004Valéry et al, 2007;Kumar and Froment, 2007a,b;Chavarría-Hernández and Ramírez, 2009;Mitsios et al, 2009;Choudhury et al, 2010;Vandegehuchte et al, 2012Vandegehuchte et al, , 201...…”