Kinetic Modeling using the Single-Event Methodology: Application to the Isomerization of Light Paraffins Modélisation cinétique basée sur la méthodologie des événements constitutifs : application à l’isomérisation des paraffines légères

Abstract

The construction of kinetic models is an important step in the development of refining processes. Indeed, these models can be used to predict the performances of the process, to optimize the operation of a unit and to optimally design a reactor and the associated process (choice of the reactor configuration, determination of optimal operating conditions, use of recycles, etc.). The current demand for models is particularly focused towards the development of detailed predictive models that are able to account for significant changes in process operation. Hence, they need to allow for the extrapolation to considerably different operating conditions or to very diverse feedstocks. Kinetic modeling based on the single-event theory meets these requirements, since it allows detailed prediction of the composition, and hence the yield structure from the reactors. The single-event theory was initially developed for the radical chemistry occurring during thermal cracking [Clymans et Froment (1984) Comput. Chem. Eng. 8, 2, 137-142; Hillewaert et al. (1988) AIChE J. 34, 1, 17-24; Willems et Froment (1988a) Ind. Eng. Chem. Res. 27, 11, 1959-1966; Willems et Froment (1988b) Ind. Eng. Chem. Res. 27, 11, 1966-1971], later extended to acid catalysis [Baltanas et Froment (1985) Comput. Chem. Eng. 9, 1, 71-81; Baltanas et al. (1989) Ind. Eng. Chem. Res. 28, 899-910; Vynckier et Froment (1991) Modeling of the kinetics of complex processes upon elementary steps, in Kinetic and thermodynamic lumping of multicomponent mixtures, Astarita G., Sandler S.I. (eds), Elsevier Science Publishers BV, Amsterdam, pp. 131-161], and recently adapted to metal catalyzed processes [Lozano-Blanco et al. (2006) Oil Gas Sci. Technol. 61, 4, 489-496; Lozano- Blanco et al. (2008) Ind. Eng. Chem. Res. 47, 16, 5879-5891]. This methodology developed in the “Laboratorium voor Petrochemische Techniek” at Ghent University consists in constructing a reaction network which, although exhaustive, is described by a limited number of independent kinetic parameters. The behavior of complex feedstocks can therefore be predicted based on studies conducted on model molecules. This method is applied at IFP Energies nouvelles to several refining processes. The purpose of this article is to describe this methodology in a detailed manner and to present its application to the isomerization of C5-C6 paraffins. L’établissement de modèles cinétiques est une étape importante du développement de procédés de raffinage. En effet, ces modèles peuvent être utilisés pour prédire les performances du procédé, pour optimiser l’opération de l’unité et pour concevoir de façon optimale le réacteur et le procédé associé (choix du réacteur, détermination des conditions de marche optimale, utilisation de recyclages, etc.). La demande actuelle de modèles se focalise particulièrement sur la mise au point de modèles détaillés et prédictifs, qui sont capables de prendre en compte des variations importantes dans la conduite du procédé. De ce fait, ils doivent être extrapolables à des conditions opératoires très différentes ou à des charges très diverses. La modélisation cinétique par événements constitutifs satisfait ces critères car elle permet d’obtenir une prédiction détaillée des effluents des réacteurs. La théorie des événements constitutifs a été initialement développée pour la chimie radicalaire [Clymans et Froment (1984) Comput. Chem. Eng. 8, 2, 137-142; Hillewaert et al. (1988) AIChE J. 34, 1, 17-24; Willems et Froment (1988a) Ind. Eng. Chem. Res. 27, 11, 1959-1966; Willems et Froment (1988b) Ind. Eng. Chem. Res. 27, 11, 1966-1971] et a été étendue ultérieurement à la catalyse acide [Baltanas et Froment (1985) Comput. Chem. Eng. 9, 1, 71-81; Baltanas et al. (1989) Ind. Eng. Chem. Res. 28, 899-910; Vynckier et Froment (1991) Modeling of the kinetics of complex processes upon elementary steps, in Kinetic and thermodynamic lumping of multicomponent mixtures, Astarita G., Sandler S.I. (eds), Elsevier Science Publishers BV, Amsterdam, pp. 131-161], ainsi qu’à la catalyse métallique [Lozano-Blanco et al. (2006) Oil Gas Sci. Technol. 61, 4, 489-496; Lozano- Blanco et al. (2008) Ind. Eng. Chem. Res. 47, 16, 5879-5891]. Cette méthodologie développée au “Laboratorium voor Petrochemische Techniek” à l’Université de Gand consiste à construire un réseau réactionnel exhaustif mais décrit par un nombre limité de paramètres cinétiques indépendants. Le comportement de charges complexes peut alors être prédit sur la base d’études effectuées sur des molécules modèles. Cette méthodologie est appliquée par IFP Energies nouvelles à plusieurs procédés de raffinage. L’objet de cet article est de décrire cette méthodologie de façon détaillée et de présenter son application à l’isomérisation des paraffines C5-C6.