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

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. Les concepts du genie de la reaction chimique sont puissants, car les equations de conception les plus fondamentales sont applicables a un large eventail de phenomenes physiques. Par exemple, l'applicabilite du reacteur parfaitement agite a ecoulement continu ideal depasse largement le cadre des reacteurs chimiques pour inclure egalement les procedes biologiques, medicaux et environnementaux. La difficulte dans l'analyse de ces procedes ne reside pas dans la formulation d'une equation de reacteur appropriee, mais dans la modelisation des cinetiques chimiques. Le defi consiste a definir des equations cinetiques qui tiennent compte des melanges de reactifs et des melanges de catalyseurs, souvent a partir d'une connaissance partielle des phenomenes. Des exemples tires de la biologie et de la medecine illustrent des cinetiques de reaction qui sont complexes en raison de la nature du catalyseur. A l'oppose, les procedes de valorisation des bitumes ont une chimie reactionnelle mal definie et comportent des melanges de milliers de reactifs et de produits. Le besoin de definir des cinetiques pour de tels melanges a favorise l'emergence d'approches differentes, notamment les equations de vitesse empiriques, les reactions modeles, la cinetique de groupes et la simulation Monte Carlo. Un resume de ces modeles montre que la clef pour reussir la modelisation cinetique reside dans la definition originale d'un modele, suivie d'une verification rigoureuse du modele afin de determiner sa capacite a predire la performance.