Development of a General Modelling Methodology for Vacuum Residue Hydroconversion

Développement d’une méthodologie générale de modélisation pour l’hydroconversion de résidu sous vide

¹ IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize - France
² Laboratoire de Chimie, École Normale Supérieure, 69364 Lyon Cedex 07 - France
e-mail: Jan.verstraete@ifpen.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

This work concerns the development of a methodology for kinetic modelling of refining processes, and more specifically for vacuum residue conversion. The proposed approach allows to overcome the lack of molecular detail of the petroleum fractions and to simulate the transformation of the feedstock molecules into effluent molecules by means of a two-step procedure. In the first step, a synthetic mixture of molecules representing the feedstock for the process is generated via a molecular reconstruction method, termed SR-REM molecular reconstruction. In the second step, a kinetic Monte-Carlo method (kMC) is used to simulate the conversion reactions on this mixture of molecules. The molecular reconstruction was applied to several petroleum residues and is illustrated for an Athabasca (Canada) vacuum residue. The kinetic Monte-Carlo method is then described in detail. In order to validate this stochastic approach, a lumped deterministic model for vacuum residue conversion was simulated using Gillespie’s Stochastic Simulation Algorithm. Despite the fact that both approaches are based on very different hypotheses, the stochastic simulation algorithm simulates the conversion reactions with the same accuracy as the deterministic approach. The full-scale stochastic simulation approach using molecular-level reaction pathways provides high amounts of detail on the effluent composition and is briefly illustrated for Athabasca VR hydrocracking.

Résumé

Ce travail porte sur le développement d’une méthodologie de modélisation cinétique de procédés de raffinage, et plus particulièrement de procédés pour la conversion de résidus sous vide. L’approche proposée permet de surmonter le manque de détail moléculaire des fractions pétrolières et de simuler la transformation des molécules de la charge en molécules de l’effluent au moyen d’une procédure en deux étapes. Dans la première étape, un mélange synthétique de molécules représentant la charge du procédé est généré par une méthode de reconstruction moléculaire appelée SR-REM. Dans la seconde étape, une méthode de Monte-Carlo cinétique est utilisée pour simuler les réactions de conversion sur ce mélange de molécules. La reconstruction moléculaire a été appliquée à plusieurs résidus pétroliers et est illustrée pour un résidu sous vide Athabasca (Canada). La méthode de Monte-Carlo cinétique est ensuite décrite en détail. Afin de valider cette approche stochastique, un modèle déterministe regroupé pour la conversion de résidu sous vide a été simulé en utilisant l’algorithme de simulation stochastique de Gillespie. Malgré le fait que les deux approches sont fondées sur des hypothèses très différentes, l’algorithme de simulation stochastique simule les réactions de conversion avec la même précision que l’approche déterministe. En utilisant des voies réactionnelles au niveau moléculaire, l’approche de simulation stochastique fournit ainsi des informations détaillées sur la composition de l’effluent et est brièvement illustrée pour l’hydrocraquage du résidu sous vide d’Athabasca.