Reduction of Single Event Kinetic Models by Rigorous Relumping: Application to Catalytic Reforming Réduction de modèles cinétiques basée sur les événements constitutifs à l’aide d’un regroupement rigoureux : application au reformage catalytique

Abstract

Modeling of refining processes using metal-acid bifunctional catalysts involves an exponentially increasing number of species and reactions, which may rapidly exceed several thousands for complex industrial feedstocks. When building a model for such a process, a priori lumped kinetic models by chemical family do no longer meet the current requirements in terms of simulation details, predictive power and extrapolability. Due to the large number of elementary steps occurring in bifunctional catalysis, it would be quite unrealistic to manually build a detailed kinetic network of this scale. Hence, computer generation of the reaction network according to simple rules offer an elegant solution in such a case. Nevertheless, it remains difficult to determine and solve the kinetic equations, mainly due to the lack of analytical detail required by a detailed model. For several refining processes, however, reasonable assumptions on the equilibria between species allow to perform an a posteriori relumping of species, thus reducing the network size substantially while retaining a kinetic network between lumps that is strictly equivalent to the detailed network. This paper describes a network generation tool and the a posteriori relumping method associated with the single-event kinetic modeling methodology. This a posteriori relumping approach is illustrated for and successfully applied to the kinetic modeling of catalytic reforming reactions. 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.