Through a glass, darkly: Kinetics and reactors for complex mixtures syncrude innovation award lecture

Authors

  • Murray R. Gray

    Corresponding author
    1. Department of Chemical and Materials Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 2G6, Canada
    • Department of Chemical and Materials Engineering, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 2G6, Canada
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Abstract

The concepts of chemical reaction engineering are powerful, because the most basic design equations are applicable to a wide range of physical phenomena. For example, the applicability of the ideal continuous-flow stirred tank reactor goes far beyond chemical reactors to include biological, medical and environmental processes. The difficulty in analyzing these processes is not in formulating an appropriate reactor equation, but in modeling the chemical kinetics. The challenge is to define kinetic rate equations that allow for the mixtures of reactants and mixtures of catalysts, especially given incomplete information. Examples drawn from biology and medicine illustrate reaction kinetics that are complex due to the nature of the catalyst.

In contrast, processes for upgrading of bitumen to more valuable products exhibit ill-defined reaction chemistry and mixtures of thousands of reactants and products. The need to define kinetics for such mixtures has given rise to several distinct approaches, including empirical rate equations, simplification to model reactions, lumped kinetics and Monte Carlo simulation. A summary of these methods shows that the key element for successful kinetic modeling is creative definition of a model, followed by vigorous testing of the model to determine its ability to predict performance.

Abstract

Les concepts du génie de la réaction chimique sont puissants, car les équations de conception les plus fondamentales sont applicables à un large éventail de phénomènes physiques. Par exemple, l'applicabilité du réacteur parfaitement agité à écoulement continu idéal dépasse largement le cadre des réacteurs chimiques pour inclure également les procédés biologiques, médicaux et environnementaux. La difficulté dans l'analyse de ces procédés ne réside pas dans la formulation d'une équation de réacteur appropriée, mais dans la modélisation des cinétiques chimiques. Le défi consiste à définir des équations cinétiques qui tiennent compte des mélanges de réactifs et des mélanges de catalyseurs, souvent à partir d'une connaissance partielle des phénomènes. Des exemples tirés de la biologie et de la médecine illustrent des cinétiques de réaction qui sont complexes en raison de la nature du catalyseur.

À l'opposé, les procédés de valorisation des bitumes ont une chimie réactionnelle mal définie et comportent des mélanges de milliers de réactifs et de produits. Le besoin de définir des cinétiques pour de tels mélanges a favorisé l'émergence d'approches différentes, notamment les équations de vitesse empiriques, les réactions modèles, la cinétique de groupes et la simulation Monte Carlo. Un résumé de ces modèles montre que la clef pour réussir la modélisation cinétique réside dans la définition originale d'un modèle, suivie d'une vérification rigoureuse du modèle afin de déterminer sa capacité à prédire la performance.

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