A Review of Kinetic Modeling Methodologies for Complex Processes

Une revue de méthodes de modélisation cinétique pour des procédés complexes

Luís Pereira de Oliveira (1) , Damien P Hudebine (1) , Denis P Guillaume (1) , Jan J Verstraete (1)

1 IFPEN - IFP Energies nouvelles

In this paper, kinetic modeling techniques for complex chemical processes are reviewed. After a brief historical overview of chemical kinetics, an overview is given of the theoretical background of kinetic modeling of elementary steps and of multistep reactions. Classic lumping techniques are introduced and analyzed. Two examples of lumped kinetic models (atmospheric gasoil hydrotreating and residue hydroprocessing) developed at IFP Energies nouvelles (IFPEN) are presented. The largest part of this review describes advanced kinetic modeling strategies, in which the molecular detail is retained, i.e. the reactions are represented between molecules or even subdivided into elementary steps. To be able to retain this molecular level throughout the kinetic model and the reactor simulations, several hurdles have to be cleared first: (i) the feedstock needs to be described in terms of molecules, (ii) large reaction networks need to be automatically generated, and (iii) a large number of rate equations with their rate parameters need to be derived. For these three obstacles, molecular reconstruction techniques, deterministic or stochastic network generation programs, and single-event micro-kinetics and/or linear free energy relationships have been applied at IFPEN, as illustrated by several examples of kinetic models for industrial refining processes.

Dans cet article, les techniques de modélisation cinétique des processus chimiques complexes sont examinées. Après un bref aperçu historique de la cinétique chimique, un aperçu des bases théoriques de la modélisation cinétique d'étapes élémentaires et de réactions globales est présenté. Les techniques classiques de regroupement (lumping) sont ensuite présentées et analysées. Deux exemples de modèles cinétiques regroupés (pour l'hydrotraitement de gazole atmosphérique et pour l'hydrotraitement de résidus) développés à IFP Energies nouvelles (IFPEN) sont présentés. La plus grande partie de cette revue décrit des stratégies avancées de modélisation cinétique, dans lesquelles le détail moléculaire est retenu : les réactions entre les molécules sont représentées ou même subdivisées en étapes élémentaires. Pour être en mesure de conserver ce niveau moléculaire à la fois dans le modèle cinétique et dans les simulations de réacteurs, plusieurs obstacles doivent d'abord être éliminés : (i) la charge doit être décrite en termes de molécules, (ii) les grands réseaux réactionnels doivent être générés automatiquement et (iii) un grand nombre d'équations de vitesse avec leurs paramètres de vitesse doit être dérivé. Pour ces trois obstacles, des techniques de reconstruction moléculaire, des programmes de génération de réseaux déterministes ou stochastiques, et des modèles microcinétiques basés sur des événements constitutifs (single events) et/ou des relations linéaires d’énergie libre (Linear Free Energy Relationships) ont été utilisés à IFPEN, comme illustré par plusieurs exemples de modèles cinétiques pour des procédés de raffinage industriels.

Domaines: Chimie théorique et/ou physique

Luís Pereira de Oliveira, Damien P Hudebine, Denis P Guillaume, Jan J Verstraete. A Review of Kinetic Modeling Methodologies for Complex Processes. Oil & Gas Science and Technology - Revue d'IFP Energies nouvelles, 2016, 71 (3), pp.45. ⟨10.2516/ogst/2016011⟩. ⟨hal-01395195⟩