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TESIS 
 
Que para obtener el título de 
 
Ingeniera Química 
 
 
P R E S E N T A 
Mirna Jimena Hernández Sánchez 
 
 
 
 
 
Ciudad Universitaria, Cd. Mx., 2016 
IMPLEMENTACIÓN EN ASPEN DE UN MODELO DE 
REACCIÓN PARA LA PRODUCCIÓN DE DIÉSEL 
VERDE A PARTIR DE ACEITE DE PALMA EN UN 
REACTOR DE LECHO FIJO. 
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 Facultad de Química, UNAM 
 
 
 
JURADO ASIGNADO: 
PRESIDENTE: Profesor: Rodolfo Zanella Specia 
VOCAL: Profesor: José Luis López Cervantes 
SECRETARIO: Profesor: Luis Felipe Ramírez Verduzco 
1er. SUPLENTE: Profesor: Antonio García Vila 
2° SUPLENTE: Profesor: Alejandra Mendoza Campos 
SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: 
LABORATORIO DE PLANTAS PILOTO Y ESCALAMIENTO DE CATALIZADORES, SECCIÓN 
MICROPLANTAS, INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO. 
 
ASESOR DEL TEMA: 
 
________________________________________ 
Dr. Luis Felipe Ramírez Verduzco 
 
SUSTENTANTE: 
 
_______________________________________ 
Mirna Jimena Hernández Sánchez 
 
 
 
 
 
 
 
 Facultad de Química, UNAM 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A la Universidad Nacional Autónoma de México y a su programa de Licenciatura 
en Ingeniería Química que se imparte en la Facultad de Química. 
Especialmente agradezco a mi asesor el Dr. Luis Felipe Ramírez por el gran apoyo 
brindado durante la realización de este trabajo, por la paciencia que me ha 
tenido a lo largo de estos meses, los conocimientos que ha compartido conmigo 
y el tiempo que me ha dedicado. 
Al Instituto Mexicano del Petróleo por darme la oportunidad de integrarme al 
proyecto D.61013. A los integrantes de dicho proyecto, cuyo trabajo del día a día 
contribuyó a la obtención de resultados que fueron utilizados en la elaboración 
de ésta tesis. 
A los sinodales, los cuales dedicaron tiempo y esfuerzo en revisar mi trabajo de 
tesis, haciendo las observaciones pertinentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Facultad de Química, UNAM 
 
 
 
DEDICATORIA 
A dios. 
A mis papás Susana y Fernando pilares fundamentales en mi vida, por brindarme 
su apoyo incondicional día con día, por todo el cariño que he recibido de ellos, 
por las llamadas de atención y los consejos que me han dado porque gracias a 
eso he crecido mucho como ser humano. 
A mi tía Ángeles por todos los momentos felices que hemos vivido juntas, por estar 
a mi lado en los momentos en que la he necesitado, y por el cariño que me tiene. 
Al profesor Néstor Noé† por ser uno de los mejores profesores que he conocido, 
aunado al hecho de ser un excelente ser humano, por aclarar mis inquietudes 
profesionales y ser un ejemplo a seguir en el ámbito profesional como en el 
espiritual. 
Y para no pecar por omisión a todos los amigos que me han acompañado a lo 
largo de la vida ya que siempre he recibido un cariño afectuoso de su parte. 
 
 
 
 Facultad de Química, UNAM 
 
 
 
I 
 
ÍNDICE 
0. RESUMEN ….………………………………………………………………………………...1 
1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 2 
1.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 4 
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 6 
2.1 CALENTAMIENTO GLOBAL DEBIDO AL USO DE COMBUSTIBLES FÓSILES. .............................. 6 
2.2 FUENTES RENOVABLES PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES. ............................... 9 
2.3 HIDROPROCESAMIENTO DE ACEITES VEGETALES. .......................................................... 13 
2.4 CATALIZADORES UTILIZADOS EN HAV. ......................................................................... 17 
2.5. IMPORTANCIA DE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS. .......................................................... 19 
2.6 DISEÑO DE EXPERIMENTOS. ........................................................................................ 20 
2.5.1 Directrices para el diseño de experimentos. .................................................. 21 
2.5.2 Método de Taguchi. ....................................................................................... 23 
3. METODOLOGÍA ....................................................................................................... 25 
3.1 DISEÑO DE EXPERIMENTOS. ........................................................................................ 25 
3.1.1 Identificación del problema. ........................................................................... 25 
3.1.2 Factores, y niveles. ........................................................................................ 25 
3.1.3 Variables de respuesta. ................................................................................. 26 
3.1.4 Diseño experimental. ..................................................................................... 26 
3.1.5 Ejecución del experimento. ............................................................................ 28 
3.1.6 Análisis cromatográfico de las muestras. ....................................................... 30 
3.1.7 Resultados experimentales del diseño de experimentos. .............................. 31 
3.1.8 Análisis de resultados del diseño de experimentos........................................ 34 
RESPUESTA 1: CONVERSIÓN DE TRIGLICÉRIDOS. ................................................................ 35 
RESPUESTA 2: RENDIMIENTO DE DIGLICÉRIDOS. ................................................................. 38 
RESPUESTA 3: RENDIMIENTO DE MONOGLICÉRIDOS. ........................................................... 40 
3.1.9 Optimización del modelo. ............................................................................... 43 
3.2 PLANTEAMIENTO DE ECUACIONES EMPÍRICAS. ............................................................... 46 
3.3 SIMULACIÓN DEL PROCESO DE HAV LLEVADO A CABO EN UNA MICROPLANTA................... 68 
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II 
 
 
3.3.1 Componentes. ............................................................................................... 68 
3.3.2 Modelo termodinámico. .................................................................................. 77 
3.3.3 Definición del diagrama de flujo de proceso. ................................................. 79 
3.3.4 Especificación de las corrientes de alimentación. ......................................... 80 
3.3.5 Condiciones de operación delos equipos de proceso. .................................. 82 
BOMBA (P-101) ............................................................................................................... 82 
COMPRESOR (C-101) ...................................................................................................... 82 
INTERCAMBIADOR (E-101) ................................................................................................ 82 
MEZCLADOR (M-101) ....................................................................................................... 83 
INTERCAMBIADOR (E-102) ................................................................................................ 83 
4. RESULTADOS .......................................................................................................... 89 
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................................. 94 
6. CONCLUSIONES .................................................................................................... 100 
7. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 102 
8. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 103 
APÉNDICE A …………………………………………………………………………….......106 
APÉNDICE B …………………………………………………………………………………111 
APÉNDICE C …………………………………………………………………………………112 
APÉNDICE D …………………………………………………………………………………115 
APÉNDICE E …………………………………………………………………………………117 
APÉNDICE F …………………………………………………………………………………119 
APÉNDICE G ………………………………………………………………………………...126 
 
 
 
 
 
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III 
 
 
LISTA DE TABLAS 
Tabla 2.1.Factores de emisión de CO2 (Adaptado de (8)). ............................................. 7 
Tabla 2.2.Principales fuentes de energías renovables y sus formas de uso (Adaptado de 
(5)). .................................................................................................................................. 9 
Tabla 2.3.Estructura química de los ácidos grasos principales (Adaptado de (9)). ....... 12 
Tabla 2.4.Composición en peso de aceites vegetales (Adaptado de (10)). ................... 13 
Tabla 2.5.Arreglo ortogonal L9 (Adaptado de (15)). ...................................................... 24 
Tabla 3.1.Factores de control (Realizada por el autor). ................................................. 26 
Tabla 3.2.Diseño del experimento (Realizada por el autor). .......................................... 27 
Tabla 3.3.Resultados del análisis cromatográfico de la muestra N° 1 (Realizada por el 
autor). ............................................................................................................................ 31 
Tabla 3.4.Respuestas del diseño de experimentos (Realizada por el autor). ................ 34 
Tabla 3.5.Análisis de varianza para la respuesta 1 (Extraída del software). ................. 38 
Tabla 3.6.Otros datos estadísticos del modelo 1 (Extraída del software). ..................... 38 
Tabla 3.7.Análisis de varianza para la respuesta 2 (Extraída del software). ................. 40 
Tabla 3.8.Otros datos estadísticos del modelo 2 (Extraída del software). ..................... 40 
Tabla 3.9.Análisis de varianza para la respuesta 3 (Extraída del software). ................. 42 
Tabla 3.10.Otros datos estadísticos del modelo 3 (Extraída del software). ................... 42 
Tabla 3.11. Condiciones a cumplir para la optimización del modelo (Realizada por el 
autor). ............................................................................................................................ 44 
Tabla 3.12. Condiciones de operación óptimas y las respuestas esperadas (Realizada 
por el autor). .................................................................................................................. 46 
Tabla 3.13.Condiciones de operación utilizadas en la experimentación (Realizada por el 
autor). ............................................................................................................................ 47 
Tabla 3.14.Resultados de la corrida experimental N° 9 (Realizada por el autor). ........ 53 
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IV 
 
 
Tabla 3.15.Composición del aceite de palma utilizado en la experimentación (Realizada 
por el autor). .................................................................................................................. 66 
Tabla 3.16. Porcentaje de error del modelo de reacción para la corrida experimental N° 
9 (Realizada por el autor). ............................................................................................ 67 
Tabla 3.17.Aplicación de las ecuaciones 34 y 35 en el ejemplo utilizando grasa de cerdo 
(Realizada por el autor). ................................................................................................ 72 
Tabla 3.18.Composición en peso presente en los aceites vegetales (Extraída de la red 
internacional) ................................................................................................................. 73 
Tabla 3.19.Componentes químicos de la simulación del proceso de HAV (Extraída del 
software de simulación). ................................................................................................ 75 
Tabla 3.20.Parámetros necesarios para definir un componente no existente en la base 
de datos (Extraída del software de simulación). ............................................................ 76 
Tabla 3.21.Condiciones de operación de las corrientes de alimentación (Realizada por 
el autor). ........................................................................................................................ 81 
Tabla 3.22.Variables de entrada y salida en el reactor (Extraída del software de 
simulación). ................................................................................................................... 86 
Tabla 4.1. Tabla de balance de materia y energía parte 1 (Extraída del software de 
simulación). ................................................................................................................... 91 
Tabla 4.2.Tabla de balance de materia y energía parte 2 (Extraída del software de 
simulación). ................................................................................................................... 93 
Tabla 5.1.Porcentaje de error del modelo de reacción para la corrida experimental N° 4 
(Realizado por el autor). ................................................................................................ 95 
Tabla 5.2. Parafinas a obtener del aceite de palma procesado en este estudio 
(Realizado por el autor). ................................................................................................ 96 
 
 
 
 
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V 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
Figura 2.1.Temperatura y concentración de CO2 en la atmósfera (Adaptado de (1)). .... 6 
Figura 2.2.Crecimiento de una planta (Realizada por el autor). .................................... 10 
Figura 2.3.Ciclo de la biomasa (Adaptado de (5)). ....................................................... 10 
Figura 2.4.Estructura química de una molécula de triglicérido (Tomado de la red 
internacional). ................................................................................................................ 11 
Figura 2.5.Esquema de reacción para el hidroprocesamiento de ácidos grasos 
(Adaptado de ( (6)). ....................................................................................................... 14 
Figura2.6.Esquema general de reacción para el hidroprocesamiento de ácidos grasos 
(Adaptado de (12)). ....................................................................................................... 15 
Figura 2.7.Energía potencial en reacción catalizada y no catalizada (Realizada por el 
autor). ............................................................................................................................ 18 
Figura 2.8.Modelo general de un proceso o sistema (Adaptado de (15)). ..................... 21 
Figura 3.1.Diagrama de la microplanta para el proceso de HAV (Realizada por el autor).
 ...................................................................................................................................... 28 
Figura 3.2.Metodología para el uso de Design-Expert (Realizada por el autor). ........... 34 
Figura 3.3. Diagrama de Pareto para la respuesta 1 (Extraída del software). ............... 35 
Figura 3.4.Diagrama de Pareto para la respuesta 2 (Extraída del software). ................ 39 
Figura 3.5.Diagrama de Pareto para la respuesta 3 (Extraída del software). ................ 41 
Figura 3.6. Condiciones de operación óptimas (Extraída del software). ........................ 45 
Figura 3.7.Metodología usada para el planteamiento de ecuaciones empíricas 
(Realizada por el autor). ................................................................................................ 46 
Figura 3.8.Variación de [X]TG con respecto a la temperatura y EVLH (Extraída del 
software). ....................................................................................................................... 48 
Figura 3.9. Variación de [R]DG con respecto a la temperatura y EVLH (Extraída del 
software). ....................................................................................................................... 49 
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VI 
 
 
Figura 3.10. Variación de [R]MG con respecto a la temperatura y EVLH (Extraída del 
software). ....................................................................................................................... 50 
Figura 3.11.Variación de la contribución de la reacción de descarbonilación con la 
temperatura (Realizada por el autor). ............................................................................ 55 
Figura 3.12.Variación de la contribución de la reacción de descarboxilación con la 
temperatura (Realizada por el autor). ............................................................................ 55 
Figura 3.13.Variación de la contribución de la reacción de desoxigenación con la 
temperatura (Realizada por el autor). ............................................................................ 56 
Figura 3.14.Reacomodo de un TG mixto a un TG simple (Realizada por el autor). ...... 57 
Figura 3.15. Metodología para simular procesos en Aspen Plus® V8.4 (Realizada por el 
autor). ............................................................................................................................ 68 
Figura 3.16.Tres formas de caracterizar la corriente de alimentación de aceite 
(Adaptada de (18)). ....................................................................................................... 69 
Figura 3.17.Estructuras posibles de los triglicéridos presentes en la grasa de cerdo 
(Extraída de (18)). ......................................................................................................... 70 
Figura 3.18.〖∆H_vap〗_i vs número de átomos de carbono del fragmento de ácido 
graso (Extraída de (18))................................................................................................. 71 
Figura 3.19 Estructura molecular de un pseudo-TG (Extraída de (18)). ....................... 72 
Figura 3.20.Composición en peso de ácidos grasos presentes en el aceite de palma 
(Realizada por el autor). ................................................................................................ 73 
Figura 3.21.Primer paso para la selección de un método termodinámico (Adaptada de 
(20)). .............................................................................................................................. 78 
Figura 3.22.Segundo paso para la selección del método termodinámico (Adaptada de 
(20)). .............................................................................................................................. 79 
Figura 3.23.Diagrama de flujo de proceso (Realizada por el autor). ............................. 80 
Figura 3.24. Composición de la corriente de aceite palma en fracción peso (Realizada 
por el autor). .................................................................................................................. 81 
Figura 4.1.Diagrama de flujo de proceso (Realizada por el autor). ............................... 89 
Figura 5.1. Variación del porcentaje de error de parafinas en función de la temperatura 
(Realizada por el autor). ................................................................................................ 98 
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VII 
 
 
Figura 5.2. Variación del porcentaje de error de H2, H2O, CO, C3H8 y CO2 en función de 
la temperatura (Realizada por el autor). ........................................................................ 99 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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VIII 
 
 
ABREVIATURAS 
MONOGRAMA SIGNIFICADO 
IMP Instituto Mexicano del Petróleo 
UNAM Universidad Nacional Autónoma de México 
NA No Aplica 
%[X]TG Porcentaje de Conversión de Triglicéridos 
%[R]DG Porcentaje de Rendimiento de Diglicéridos 
%[R]MG Porcentaje de Rendimiento de Monoglicéridos 
HAV Hidroprocesamiento de Aceites Vegetales 
DDE Diseño de Experimentos 
GEI Gas de Efecto Invernadero 
∆𝑯𝑪 Calor de Combustión 
ppm Partes por Millón 
FEC Factor de Emisión de CO2 
kg C/GJ 
Kilogramos de Carbón por Gigajoule, Unidades de Factor de 
Emisión de CO2 
NOx Óxidos de Nitrógeno 
EVLH Espacio Velocidad del Líquido por Hora 
DE Desviación Estándar 
%CV Porcentaje de Covarianza 
R2 Coeficiente de Correlación 
%mi/mt Porcentaje Peso, Unidad de Concentración 
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IX 
 
 
MONOGRAMA SIGNIFICADO 
ANOVA Análisis de Varianza 
DO Desoxigenación 
DC Descarbonilación 
DCx Descarboxilación 
LLL Trilinoleína 
MMM Trimiristina 
PPP Tripalmitina 
EEE Triestearina 
OOO Trioleína 
LILILI Trilinoleína 
LNLNLN Trilinolenina 
AAA Triarachidin 
BBB Tribehenina 
mTG Masa de Triglicéridos Procesado 
T Temperatura de Operación del Reactor 
P Presión de Operación del Reactor 
H2/Ac Relación Hidrógeno/Aceite 
mC Masa de Parafinas Obtenidas 
TG Triglicérido 
DG Diglicérido 
MG Monoglicérido 
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X 
 
 
MONOGRAMA SIGNIFICADO 
TH Triglicérido Hipotético 
mi Masa de Parafinas con Número de Carbono Impar 
mj Masa de Parafinas con Número de Carbono Par 
mCO Masa de Monóxido de Carbono 
mCO2 Masa de Dióxido de Carbono 
∆P Diferencia de Presión 
PM Peso Molecular 
DFP Diagrama de Flujo de Proceso 
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1 
 
0. RESUMEN 
Se realizó la simulación a nivelmicroplanta del proceso de hidrogenación de aceites 
vegetales utilizado en la producción de diésel verde (mezcla de parafinas), las materias 
primas fueron aceite de palma e hidrógeno. 
Para simular el reactor de lecho fijo se planteó un modelo de reacción, que calcula la 
masa de los componentes a la salida del reactor con base en las condiciones de reacción, 
temperatura (T), presión (P), relación hidrógeno/aceite (H2/Ac) y espacio velocidad del 
líquido por hora (EVLH). El modelo se programó en el lenguaje de programación Fortran, 
posteriormente se transcribió al simulador, haciendo posible la simulación del reactor. 
El modelo de reacción se planteó a partir de datos experimentales donde la conversión 
fue completa, para ello, previamente se estudió la reacción mediante un diseño de 
experimentos ortogonal tipo Taguchi con tres niveles y cuatro factores, T, P, H2/Ac, y 
EVLH. Debido a la naturaleza de la reacción se utilizaron tres variables de respuesta, 
porcentaje de conversión de triglicéridos (%[X]TG), porcentaje de rendimiento de 
diglicéridos (%[R]DG) y porcentaje de rendimiento de monoglicéridos (%[R]MG). Este 
diseño de experimentos también se aplicó para encontrar las condiciones óptimas de 
operación del reactor. 
El modelo considera parafinas, H2, C3H8, CO, CO2 y H2O como componentes del producto 
de reacción. Los resultados muestran buena aproximación en cuanto a la predicción de 
la masa de parafinas a la salida del reactor, sin embargo se observa la participación de 
reacciones secundarias no consideradas dentro del modelo, en consecuencia las 
aproximaciones de los demás componentes son desfavorables. 
 
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2 
 
 
1. INTRODUCCIÓN 
La industrialización de los países en desarrollo causa el aumento de la concentración de 
agentes contaminantes que ocasionan impactos cada vez más complejos y 
preocupantes, cuanto más cuidadosamente se supervisan los ecosistemas más nos 
alarmamos por la amenaza que representa la actividad humana en el mismo tejido de la 
vida en la tierra (1). 
El deterioro ambiental ha conducido a realizar progresos tales como: mejoramiento de 
las técnicas de monitoreo ambiental, puesta en marcha de leyes que regulan las 
emisiones de agentes contaminantes por parte de la industria manufacturera, 
construcción de infraestructura para la correcta disposición de residuos sólidos urbanos 
(RSU), mejora del control de emisiones vehiculares, así como utilización de energías 
renovables. 
El agotamiento de combustibles fósiles, el aumento de la demanda de energía y el 
deterioro del ambiente por efecto de la combustión excesiva de combustibles fósiles, han 
motivado recientemente que se realice investigación enfocada a la producción y uso de 
energías renovables, por ejemplo: eólica, geotérmica, hidroeléctrica, solar, biomasa y 
biocarburantes. 
Una opción de particular interés es el uso de combustibles alternativos, como los 
biocombustibles sostenibles, caracterizados por tener baja huella de carbono. 
Un combustible sustentable, también llamado biocombustible puede definirse como aquel 
que no tiene impactos negativos en la sociedad, ambiente y economía. El análisis del 
ciclo de vida del biocombustible arroja una disminución en la emisión de Gases de Efecto 
Invernadero (GEI), como el dióxido de carbono (CO2), comparada con el ciclo de vida de 
los combustibles fósiles, además para que un combustible sea llamado sustentable no 
deben utilizarse recursos alimenticos o agua potable como insumos (2). 
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3 
 
 
Los combustibles verdes pueden ser clasificados como nafta, turbosina y diésel. En el 
caso del diésel verde su demanda podría alcanzar 900 millones de toneladas en el año 
2020 (3). 
En el Instituto Mexicano del Petróleo, se desarrolla un proyecto enfocado a la producción 
de bioturbosina a partir de aceite de palma, el proceso consta de dos pasos de reacción, 
en el primer paso se lleva a cabo el Hidroprocesamiento de Aceites Vegetales (HAV), un 
proceso químico para convertir aceites vegetales en una mezcla de parafinas dentro del 
intervalo del diésel (C12-C18), es decir, diésel renovable (4), posteriormente las parafinas 
obtenidas son isomerizadas. El proceso concluye con la destilación del producto de 
isomerización que arroja tres cortes principales nafta verde, bioturbosina y diésel verde. 
La literatura referente a HAV se ha enfocado en el estudio de las propiedades del 
producto, teniendo como variables principales, las condiciones de operación del reactor, 
temperatura, presión, espacio velocidad del líquido por hora (EVLH) y relación H2/Ac. Al 
comparar las publicaciones también se observa que difieren en la naturaleza del 
catalizador, el tipo de aceite vegetal, así como en el reactor utilizado. 
Existen pocas investigaciones concernientes a la determinación un modelo de reacción 
de HAV, aunado a esto hay que tomar en cuenta que el modelo de reacción está 
íntimamente relacionado con la naturaleza del catalizador utilizado, lo cual es un 
impedimento al tratar de empatar los resultados de dichas investigaciones con los 
obtenidos al utilizar un catalizador diferente. 
Por las razones anteriormente expuestas fue necesario el planteamiento de un modelo 
de reacción, útil para predecir la composición del producto de la reacción de HAV y se 
empleó en la simulación del reactor de lecho fijo encargado de la producción de diésel 
verde a nivel microplanta. Dicho modelo cuenta con la ventaja de ser aplicable a distintos 
tipos de aceite vegetal. 
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4 
 
 
1.1 Objetivo general 
Obtener un programa de simulación del proceso de obtención de diésel verde, utilizando 
el software de simulación de procesos Aspen Plus V8.4®. 
El proceso se lleva a cabo dentro de un reactor de lecho fijo, cuya materia prima se 
compone de aceite de palma e H2 (hidrógeno), los resultados utilizados para dicho fin 
provienen del departamento de microplantas del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). 
Se busca que las condiciones simuladas dentro del reactor, garanticen un porcentaje de 
conversión de triglicéridos (%[X]TG) de 100% así como un porcentaje de rendimiento de 
intermediarios, diglicéridos y monoglicéridos, (%[R]DG, %[R]MG) de 0%, para tal fin se 
deben encontrar las condiciones óptimas de operación del reactor de lecho fijo utilizado 
en la producción de diésel verde, es decir que maximicen la producción de diésel verde 
teniendo como factores de control la temperatura, espacio velocidad, presión, y relación 
H2/aceite en la reacción catalítica de hidrodesoxigenación. Posteriormente debe 
plantearse una correlación empírica, que permita conocer la masa de parafinas obtenidas 
a la salida del reactor de HAV, dicha correlación es la que se implementará como una 
primera aproximación del comportamiento de la reacción. 
Para alcanzar el objetivo planteado anteriormente, se deben cumplir con las siguientes 
actividades: 
 Plantear un diseño de experimentos para la reacción de hidrodesoxigenación. 
 Implementar el diseño de experimentos. 
 Validar los resultados experimentales. 
 Identificar los factores de mayor influencia en la(s) respuesta(s). 
 Desarrollar correlaciones que representen la reacción de HAV, es decir que 
modelen el comportamiento de la(s) respuesta(s) seleccionada(s) en el diseño de 
experimentos en función de los cuatro factores bajo estudio. 
 Optimizar las condiciones de operación que garanticen la completa conversión de 
triglicéridos al menor costo.Facultad de Química, UNAM 
 
 
5 
 
 
 A partir de datos experimentales que muestren un %[X]TG de 100% y un %[R]DG,MG 
de 0%, diseñar una serie de ecuaciones que pronostiquen, la masa de parafinas 
(diésel verde) a la salida del reactor. 
 Programación en Fortran de las correlaciones que representen la reacción de 
HAV, así como las ecuaciones que pronostiquen la masa de parafinas a la salida 
del reactor, es necesario programar ambas debido a que la primera debe 
garantizar que las condiciones de operación seleccionadas cumplan con los 
requerimientos de %[X]TG, %[R]DG, %[R]MG, bajo los cuales se plantearon las 
ecuaciones. Una vez que se tenga el código de programación será posible 
utilizarlo para realizar la simulación del reactor en Aspen Plus V8.4®. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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6 
 
 
2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 
En esta sección se revisan temas de interés relacionados a la producción de 
biocombustibles, específicamente diésel verde, también se incluyen temas referentes al 
Diseño de Experimentos (DDE), así como a la simulación de procesos. 
2.1 Calentamiento global debido al uso de combustibles fósiles. 
Hoy en día la sociedad enfrenta múltiples problemas ambientales, entre los cuales se 
encuentran el calentamiento global y la contaminación del aire, ambos causados por el 
uso de combustibles fósiles, históricamente se ha considerado al CO2 como el principal 
GEI, a continuación se muestra la variación de la temperatura por efecto del cambio en 
la concentración de CO2 en la atmosfera a través de los últimos años (Figura 2.1). 
 
Figura 2.1.Temperatura y concentración de CO2 en la atmósfera (Adaptado de (1)). 
Alrededor del 98% de las emisiones de CO2 son el resultado de la quema de combustibles 
fósiles, la reacción general de la combustión de hidrocarburos puede ser representada 
como: 
𝐶𝑥𝐻𝑦 + (𝑥 + 0.25𝑦)𝑂2 → 𝑥𝐶𝑂2 + 0.5𝑦𝐻2𝑂 + ∆𝐻𝐶…(1) 
 
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7 
 
 
DESCRIPCIÓN DEL TIPO DE COMBUSTIBLE 
FACTOR DE EMISIÓN DE CO2 
(Kg C/GJ) 
Combustibles 
fósiles 
Gas Natural 15 
Petróleo crudo 20 
Carbón 25 
Coque de petróleo 27 
Gasolina 19 
Turbosina 19 
Diésel 21 
Biocombustibles 
sólidos 
Madera/Desechos de 
madera 
31 
Otra biomasa sólida primaria 27 
Carbón vegetal 31 
Biocombustibles 
líquidos 
Biogasolina 19 
Biodiésel 19 
Otros combustibles líquidos 22 
Biomasa 
gaseosa 
Gas de relleno sanitario 15 
Gas de digestión de lodos 
cloacales 
15 
Otro biogás 15 
Otros 
combustibles 
no fósiles 
Residuos sólidos urbanos 
(fracción perteneciente a la 
biomasa) 
27 
Tabla 2.1.Factores de emisión de CO2 (Adaptado de (8)). 
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8 
 
 
Donde el calor de combustión (∆𝐻𝐶) depende de la relación de carbono-hidrógeno 
presente en el combustible (x:y), de la reacción anterior se observa que los hidrocarburos 
con menor cantidad de hidrógeno producen más CO2. Para comparar las emisiones de 
CO2 de diferentes combustibles fósiles se utiliza el Factor de Emisión de CO2 (FEC), el 
cual relaciona la masa de carbono presente en el combustible con la energía entregada, 
cuyas unidades son kg C/GJ, para calcular las emisiones reales de CO2 se debe realizar 
la conversión a kg de CO2 (5). Algunos valores típicos de FEC´s se muestran a 
continuación (Tabla 2.1). 
La concentración de CO2 en la atmósfera ha incrementado un 33% en los últimos cien 
años, por lo que es necesario reducir las emisiones de CO2, ya sea aumentando la 
eficiencia combustibles fósiles o bien haciendo uso de los recursos energéticos libres de 
emisiones del contaminante (5). Ejemplos de estas energías alternativas incluyen: 
 Solar. 
 Hidroeléctrica. 
 Nuclear. 
 Eólica. 
 Geotérmica. 
 Energía proveniente de biomasa (combustibles verdes). 
Por la gran variedad de energías renovables disponibles, se calcula que el flujo de 
energía proveniente de las fuentes antes mencionadas, es tres órdenes de magnitud 
mayor a la que actualmente el mundo necesita, es por eso que energías renovables como 
la solar, hidroeléctrica, nuclear, eólica, geotérmica, y proveniente de biomasa, jugarán un 
papel importante en los próximos años, se estima que en el año 2040 la mitad de la 
energía utilizada en el mundo provendrá de recursos renovables (5). Las principales 
energías renovables y su uso, se muestran en la Tabla 2.2. 
 
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9 
 
 
FUENTE DE 
ENERGÍA 
CONVERSIÓN DE ENERGÍA Y OPCIONES DE USO 
Hidroeléctrica Generación de energía eléctrica. 
Biomasa 
moderna 
Pirolisis, gasificación, digestión anaerobia. Generación 
de energía eléctrica. 
Solar 
Sistemas solares caseros, cocinas solares, secadoras 
solares, 
Solar directa 
Energía fotovoltaica, generación de energía térmica, 
calentadores de agua. 
Eólica 
Bombas de agua, generadores de viento, generación 
de energía eléctrica. 
Microondas Numerosos diseños. 
Geotérmica 
Calefacción urbana, generación de energía eléctrica, 
hidrotérmica, rocas secas calientes. 
Tabla 2.2.Principales fuentes de energías renovables y sus formas de uso (Adaptado de (5)). 
2.2 Fuentes renovables para la producción de biocombustibles. 
La biomasa puede ser madera, césped, leña, cultivos herbáceos, bagazo, desperdicios 
de la industria maderera, aserrín, desperdicios provenientes de la agricultura, residuos 
sólidos municipales, plantas acuáticas y materiales similares con un valor energético 
aprovechable. La materia prima para producir combustibles fósiles no entra dentro de la 
definición de biomasa debido a que el uso de dichos combustibles causa el incremento 
de la concentración atmosférica de CO2. Los constituyentes químicos de la biomasa son 
celulosa, hemicelulosa, lignina, y en menor cantidad se pueden extraer lípidos, proteínas 
y almidón. Los aceites provenientes de la biomasa pueden ser obtenidos de varias 
fuentes, como animales, plantas, inclusive plantas marinas como las algas. (5) 
Las plantas funcionan como celdas solares naturales, al llevar a cabo la fotosíntesis 
capturan los rayos del sol transformándolos en carbohidratos, consumiendo agua y CO2, 
sin olvidar la síntesis de O2 (oxígeno) durante el proceso (Figura 2.2). 
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10 
 
 
 
Figura 2.2.Crecimiento de una planta (Realizada por el autor). 
La biomasa en base seca contiene, carbono, hidrógeno y oxígeno, su fórmula general es 
[𝐶𝐻1.4𝑂0.7]𝑛, que equivale a un carbohidrato polimérico (5). 
𝐶𝑂2 + 2𝐻2𝑂 + 𝑙𝑢𝑧 𝑦 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 → [𝐶𝐻2𝑂] + 𝐻2𝑂 + 𝑂2 …(2) 
 
Figura 2.3.Ciclo de la biomasa (Adaptado de (5)). 
El concepto general de la producción de biocombustibles se muestra en la Figura 2.3, 
donde las plantas utilizan como materias primas agua, luz solar y CO2 para llevar a cabo 
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11 
 
 
la fotosíntesis, el producto de la fotosíntesis es la biomasa que a su vez se utiliza en la 
producción de biocombustibles, los cuales al ser quemados producen CO2, completando 
el ciclo de vida del biocombustible, lo cual es la clave del desarrollo sustentable (6). 
El interés por la producción de bioturbosina y diésel verde ha ido creciendo durante la 
última década, y conjuntamente ganando importancia en nuestrosdías, ya que el proceso 
en dos pasos es industrialmente posible; sin embargo, los avances en la producción de 
diésel verde han ido apareciendo lentamente debido a la falta de conocimiento del 
proceso (7). 
Los aceites vegetales son los principales candidatos para la producción de diésel verde 
y bioturbosina, debido a que se componen principalmente de triglicéridos (90 a 98%), los 
cuales están conformados por una molécula de glicerol unida a tres ácidos grasos (Figura 
2.4), la composición restante de los aceites vegetales (2 a 10%) corresponde a 
monoglicéridos y diglicéridos, así como de ácidos grasos libres (1 a 5%), fosfolípidos, 
carotenos, tocoferoles, compuestos de azufre y trazas de agua (8). 
 
Figura 2.4.Estructura química de una molécula de triglicérido (Tomado de la red internacional). 
Los ácidos grasos que componen a una molécula de triglicérido varían en el número de 
átomos de carbono y dobles enlaces presentes en su estructura (Tabla 2.3).Los ácidos 
grasos comúnmente encontrados en los aceites vegetales son: esteárico, palmítico, 
oleico, linoleico y linolénico (Tabla 2.4). 
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12 
 
 
ÁCIDO GRASO ESTRUCTURA 
FÓRMULA 
CONDENSADA 
Ácido láurico 12:0 C12H24O2 
Ácido mirístico 14:0 C14H28O2 
Ácido palmítico 16:0 C16H32O2 
Ácido esteárico 18:0 C18H36O2 
Ácido araquidónico 20:0 C20H40O2 
Ácido behénico 22:0 C22H44O2 
Ácido lignocérico 24:0 C24H48O2 
Ácido oleico 18:1 C18H34O2 
Ácido linoleico 18:2 C18H32O2 
Ácido linolénico 18:3 C18H30O2 
Ácido erúcico 22:1 C22H42O2 
Tabla 2.3.Estructura química de los ácidos grasos principales (Adaptado de (9)). 
Hay una lista de posibles fuentes de las cuales obtener aceite para producir 
biocombustibles, sin embargo la elección de la materia prima depende de las condiciones 
climatológicas de la región, los costos de producción y de transporte, además de la 
presencia de especies endémicas en el país. 
ACEITE 
VEGETAL 
COMPOSICIÓN DE ÁCIDOS GRASOS % (mi/mt) 
14:0 16:0 18:0 20:0 22:0 24:0 18:1 22:1 18:2 18:3 
Maíz 0 11 2 0 0 0 28 0 58 1 
Algodón 0 28 1 0 0 0 13 0 58 0 
Crambe 0 2 1 2 1 1 19 59 9 7 
Linaza 0 5 2 0 0 0 20 0 18 55 
 
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13 
 
 
(Continuación de Tabla 2.4) 
ACEITE 
VEGETAL 
COMPOSICIÓN DE ÁCIDOS GRASOS % (mi/mt) 
14:0 16:0 18:0 20:0 22:0 24:0 18:1 22:1 18:2 18:3 
Cacahuate 0 11 2 1 2 1 48 0 32 1 
Colza 0 3 1 0 0 0 64 0 22 8 
Cártamo 0 9 2 0 0 0 12 0 78 0 
H. O 
Cártamo1 Trazas 5 2 Trazas 0 0 79 0 13 0 
Ajonjolí 0 13 4 0 0 0 53 0 30 0 
Soya 0 12 3 0 0 0 23 0 55 6 
Girasol 0 6 3 0 0 0 17 0 74 0 
Palma 0.7 36.7 6.60 0.4 0.1 0 46.10 0 8.6 0.3 
Tabla 2.4.Composición en peso de aceites vegetales (Adaptado de (10)). 
2.3 Hidroprocesamiento de aceites vegetales. 
Hidroprocesamiento es un término general utilizado para reacciones catalíticas que 
emplean H2 para eliminar heteroátomos y al mismo tiempo para la saturación de olefinas. 
Las reacciones típicas de hidroprocesamiento incluyen la hidrodesulfuración, donde un 
átomo de azufre es removido rompiendo su enlace con el carbono (C-S), dando lugar a 
la formación de ácido sulfhídrico (H2S); la hidrodesnitrogenación, en la cual el H2 se 
encarga de remover un átomo de nitrógeno para formar amoniaco (NH4), también se 
puede dar la hidrodesoxigenación, en donde se remueve un átomo de oxígeno, para 
formar agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO) (7). 
 
1 Las siglas H.O. (High Oleic) se refieren al alto porcentaje de ácido oleico presente en este tipo de aceite. 
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14 
 
 
Para entender a química dentro de la reacción de HAV, es esencial formular un esquema 
de reacción que permita diseñar el reactor, simularlo y optimizarlo (11). 
La reacción de hidroprocesamiento de aceites vegetales es un método alternativo para 
la producción de diésel renovable. La reacción se puede entender como la conversión de 
triglicéridos a alcanos (hidrocarburos de cadena lineal), un producto químicamente 
estable debido a la ausencia de oxígeno en su estructura y compatible con diésel derivado 
del petróleo (7). La reacción química de hidrodesoxigenación se muestra a continuación: 
𝑇𝑟𝑖𝑔𝑙𝑖𝑐é𝑟𝑑𝑖𝑜 + 𝑥 𝐻2
𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟
→ 3(𝑛 − 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑜𝑠) + 𝑦 𝐻2𝑂 + 𝐶3𝐻8…(3) 
El mecanismo de hidroprocesamiento de aceites vegetales consta de dos etapas de 
reacción (Figura 2.5), en principio los triglicéridos son saturados con hidrógeno y 
convertidos en ácidos grasos libres y propano, la segunda etapa de reacción involucra la 
remoción del átomo de oxígeno, mediante tres reacciones simultaneas, descarboxilación 
(DCx), descarbonilación (DC) y desoxigenación (DO), dichas reacciones dan lugar a 
hidrocarburos de cadena larga, H2O, CO y CO2. 
 
Figura 2.5.Esquema de reacción para el hidroprocesamiento de ácidos grasos (Adaptado de ( (6)). 
Los resultados experimentales muestran que el mecanismo para la reacción de 
hidrodesoxigenación se lleva a cabo en una serie de pasos consecutivos, los cuales 
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15 
 
 
involucran reacciones como: hidrogenación, descarbonilación, descarboxilación, 
desoxigenación e hidrodesintegración (7). 
El primer paso es la hidrogenación, en la cual el H2 reacciona con los dobles enlaces de 
los ácidos grasos insaturados que forman parte de la estructura del triglicérido, luego de 
esta reacción se observa una hidrodesintegración del mismo en varios intermediarios, 
como diglicéridos, monoglicéridos y ácidos carboxílicos Figura 2.6. Los ácidos carboxílicos 
son convertidos en alcanos normales mediante tres rutas diferentes de reacción: DO, DC 
y DCx (7). 
 
 
Figura 2.6.Esquema general de reacción para el hidroprocesamiento de ácidos grasos (Adaptado de (12)). 
La descarbonilación involucra la reacción con hidrógeno para producir H2O, CO y un 
hidrocarburo de cadena lineal con número de carbono impar. 
𝐶𝑛𝐻2𝑛+1𝐶𝑂𝑂𝐻 + 𝐻2 → 𝐶𝑛𝐻2𝑛+2 +𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂…(4) 
En la descarboxilación el oxígeno presente en la molécula es removido en forma de CO2, 
el hidrocarburo que se produce cuenta con número de carbono impar. 
𝐶𝑛𝐻2𝑛+1𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐶𝑛𝐻2𝑛+2 + 𝐶𝑂2…(5) 
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16 
 
 
Otra forma de quitar el oxígeno presente en la molécula es mediante desoxigenación, 
donde los enlaces carbono oxígeno C-O se rompen. 
𝐶𝑛𝐻2𝑛+1𝐶𝑂𝑂𝐻 + 3𝐻2 → 𝐶𝑛+1𝐻2𝑛+4 +𝐻2𝑂…(6) 
En la hidrogenación vía desoxigenación se forman hidrocarburos con número de carbono 
par, que corresponde al número de átomos de carbono del ácido graso de procedencia. 
Durante el hidroprocesamiento de triglicéridos el tipo de catalizador es uno de los factores 
determinantes en la composición y la cantidad del producto, los cuales pueden ser nafta 
verde (C5-C10), bioturbosina (C11-C13), o diésel verde (C14-C20) (11). 
La temperatura de reacción también juega un papel importante, se ha observado que la 
selectividad del diésel decrece cuanto la temperatura de reacción incrementa, mientras 
que la selectividad de la nafta incrementa debido a la desintegración térmica de los 
hidrocarburos formadores del diésel (11). 
El diésel verde obtenido por hidrodesoxigenación está compuesto principalmente por 
parafinas C17H36 y C18H38, tiene un alto número de cetano, peropobres propiedades de 
flujo en frio por sus altos puntos de fusión de entre 20 y 28°C (11). 
El hidroprocesamiento de aceites vegetales, consiste en la hidrogenación del doble 
enlace en los triglicéridos y la remoción del átomo de oxígeno que se lleva a cabo en el 
sitio metálico del catalizador. 
El HAV produce una mezcla líquida de hidrocarburos, con punto de fusión parecido al 
del diésel, es comúnmente llamada “diésel verde”, “diésel renovable” o “diésel 
biohidrogenado”, aunque cuenta con la misma naturaleza química del diésel derivado del 
petróleo (11). 
El hidroprocesamiento de aceites vegetales para la producción de diésel verde cuenta 
con las siguientes ventajas: 
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17 
 
 
 Posee flexibilidad en la corriente de alimentación (aceites), es decir, el contenido 
de ácidos grasos libres en el aceite vegetal no es un problema, como se mencionó 
anteriormente, los aceites vegetales provenientes de fuentes diversas, lo que 
impacta en el contenido de ácidos grasos, sin embargo esto no impacta en la 
reacción ya que el proceso se lleva a cabo de la misma forma para cualquier 
porcentaje de ácidos presentes en el aceite. La diferencia se vería marcada en la 
composición de parafinas en el producto, que está íntimamente ligada a la 
composición de la corriente a procesar. 
 Los hidrocarburos obtenidos mediante hidrodesoxigenación poseen alta 
estabilidad debido a la ausencia de átomos de oxígeno en su estructura. 
 No incrementa las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx). 
 El proceso no requiere el uso de agua. 
 Los subproductos generados tienen un potencial valor agregado. 
2.4 Catalizadores utilizados en HAV. 
La velocidad de un gran número de reacciones es afectada por la presencia de materiales 
que no son reactivos, ni productos, estas sustancias llamadas catalizadores pueden 
aumentar o disminuir la velocidad de una reacción. La mayoría de catalizadores 
fabricados por el hombre son sólidos, generalmente apuntan a lograr la ruptura o síntesis 
de materiales a alta temperatura, se estima que más del 50% de todos los productos 
químicos se producen empleando catalizadores (13). 
De acuerdo con la teoría del estado de transición, el catalizador reduce la barrera de 
energía potencial que debe superarse para que los reactivos puedan formar productos, 
dicha disminución de energía está reflejada en la correspondiente disminución en la 
energía de activación y en consecuencia en un aumento de la velocidad de reacción 
(Figura 2.7). No obstante, aunque un catalizador puede aumentar la velocidad de 
reacción, nunca influye en el equilibrio, que está gobernado únicamente por la 
termodinámica. Así con o sin catalizador, la constante de equilibrio siempre es la misma 
(13). 
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18 
 
 
 
Figura 2.7.Energía potencial en reacción catalizada y no catalizada (Realizada por el autor). 
Un catalizador acelera las reacciones químicas formando agregados con las moléculas 
reactivas mediante adsorción una vez que se ha formado el producto, la molécula se 
desorbe dejando al catalizador inalterado y listo para interactuar con otras moléculas de 
reactivo (8). 
Existen tres métodos para fragmentar largas cadenas de hidrocarburos. El primero es 
conocido como desintegración térmica (pirolisis), el cual ocurre bajo condiciones severas 
de temperatura, produciendo hidrocarburos ligeros. El segundo proceso es el de 
desintegración catalítica que se establece bajo la presencia de un catalizador ácido, sin 
la presencia de hidrógeno y consume menos energía térmica que la desintegración 
térmica. El tercer método es conocido como hidrodesintegración catalítica, sucede en la 
presencia de un catalizador bifuncional, hidrógeno y altas presiones. El proceso de 
hidrodesintegración catalítica consume menos energía térmica y la presencia de 
hidrógeno minimiza la formación de coque (7). 
Los catalizadores utilizados convencionalmente en el hidrotratamiento son las formas 
sulfuradas de NiMo/Al2O3 y CoMo/Al2O3. El molibdeno es considerado el ingrediente 
activo, mientras que el níquel y el cobalto funcionan como promotores o sitios activos. La 
alúmina (Al2O3) es utilizada como soporte del catalizador por su estabilidad térmica y 
amplia superficie. La actividad de hidrogenación y el medio ácido hacen a estos 
catalizadores apropiados para la reacción de HAV (8). 
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19 
 
 
También ha sido estudiado el uso de catalizadores no sulfurados para el hidrotratamiento 
de combustibles fósiles, estas investigaciones muestran que dichos catalizadores pueden 
remover algunas impurezas como oxígeno, azufre, y nitrógeno. Los catalizadores no 
sulfurados bajo estudio incluyen NiMo/Al2O3, CoMo/Al2O3 y otros catalizadores 
soportados en metales de transición. Los catalizadores de metales nobles como rutenio 
(Ru), paladio (Pd) y platino (Pt) soportados en carbón activado también han sido 
examinados para catalizar la reacción de HAV. Los catalizadores no sulfurados muestran 
un mejor comportamiento que los convencionales (8). 
Existen numerosos estudios enfocados en la adición de fósforo, principalmente a 
catalizadores NiMo. Se sabe que la adición de fósforo a los catalizadores NiMo/Al2O3 
promueve las reacciones de hidrodesulfuración e hidrodesnitrogenación, además se ha 
demostrado que el fósforo produce efectos positivos, incluyendo la modificación de la 
dispersión de la sal metálica en el soporte, alterando así los sitios activos (8). 
2.5. Importancia de la simulación de procesos. 
La simulación de procesos permite predecir el comportamiento del mismo mediante el 
uso de relaciones básicas de ingeniería como: balances de masa y de energía, equilibrio 
químico y de fases. También se tienen en cuenta las propiedades termodinámicas de 
cada compuesto, las condiciones reales de operación de cada equipo así como modelos 
rigurosos para describir su funcionamiento, lo que hace posible simular el 
comportamiento real de la planta (14). 
Una vez teniendo completa la simulación es posible realizar estudios de sensibilidad y 
optimización, así como evaluar condiciones de operación diferentes del tipo “que pasaría 
si”, incluso es posible mejorar el diseño de las plantas y aumentar la rentabilidad de las 
ya existentes (14). 
La simulación de procesos es útil durante todo el ciclo de vida de un proyecto, desde la 
investigación y desarrollo hasta la implementación del proceso de producción a gran 
escala (14). 
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20 
 
 
La simulación de procesos en el software de simulación Aspen Plus® V8.4 se lleva a cabo 
mediante los siguientes pasos: 
1) Especificar los componentes químicos involucrados en el proceso. Se pueden 
tomar de las bases de datos del simulador o definirlos con base en sus 
propiedades termodinámicas. 
2) Especificar el modelo termodinámico que represente las propiedades físicas de 
los componentes y las mezclas en el proceso. 
3) Definir el diagrama de flujo de proceso (DFP). 
 Seleccionar los equipos de flujo de proceso y plasmarlos en la hoja de 
trabajo. 
 Conectar las corrientes a los equipos de proceso. 
4) Especificar la composición de los flujos de alimentación así como las condiciones 
de presión y temperatura para dichas corrientes. 
5) Especificar las condiciones de operación de cada equipo. 
2.6 Diseño de experimentos. 
Un experimento diseñado se define como una serie de pruebas en las que se hacencambios en las variables de entrada del proceso para identificar los cambios que 
pudieran observarse en la variable de salida (15). 
El proceso puede visualizarse como una combinación de máquinas, métodos, personas 
u otros recursos que transforman cierta entrada en una salida que tiene una o más 
respuestas medibles (Figura 2.8). Las variables del proceso son de dos tipos, factores 
controlables, y factores de ruido. Los factores controlables son aquellos que el 
experimentador puede variar durante en el experimento, son los factores seleccionados 
para ser estudiados. Los factores de ruido pueden tener un impacto significativo en la 
respuesta, por lo que se deben tener en cuenta, dichos factores frecuentemente son 
atribuidos a las condiciones ambientales, por ejemplo la humedad relativa en el entorno 
del proceso, a menudo se puede usar un procedimiento de análisis llamado análisis de 
covarianza para compensar su efecto. 
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21 
 
 
 
Figura 2.8.Modelo general de un proceso o sistema (Adaptado de (15)). 
Los objetivos al llevar a cabo un diseño de experimentos pueden ser: 
1) Determinar cuáles son los factores controlables que tienen mayor influencia sobre 
la respuesta. 
2) Determinar cuál es el ajuste de los factores controlables que tienen mayor 
influencia para que el valor nominal de la salida sea el deseado. 
3) Determinar cuál es el ajuste de los factores controlables que intervienen en el 
proceso para que la variabilidad en a salida sea pequeña. 
4) Determinar cuál es el mejor valor de los factores controlables del proceso, de modo 
que los efectos de los factores de ruido sean mínimos. 
Para que un experimento pueda cumplir con los objetivo planteados anteriormente, es 
necesario emplear métodos científicos en su planeación. El diseño estadístico de 
experimentos es el proceso de plantear un experimento para poder obtener datos 
apropiados, que puedan ser analizados mediante técnicas estadísticas, con la finalidad 
de producir conclusiones válidas (15). 
2.5.1 Directrices para el diseño de experimentos. 
Para aplicar un enfoque estadístico en el diseño y análisis de un experimento, es 
necesario tener una idea clara de qué es exactamente lo que va a estudiarse, cómo se 
recopilarán los datos, y de qué forma van a analizase estos datos. A continuación se 
presenta una breve explicación del procedimiento recomendado (15). 
1) Identificación del problema. Un planteamiento claro del problema contribuye a una 
mejor comprensión del proceso y la solución final del problema. También es 
importante tener presente el objetivo global. 
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22 
 
 
2) Elección de los factores y niveles. El experimentador debe elegir los factores que 
variarán en el experimento y los niveles específicos a los cuales se llevará a cabo 
el experimento. También debe conocerse la forma en que se controlaran estos 
factores para mantenerlos en los valores deseados, y cómo se les medirá, para 
ello se requiere del conocimiento del proceso, el cual puede ser una combinación 
de experiencia práctica y conocimientos teóricos. Es importante investigar todos 
los factores que puedan ser de importancia y no dejarse influir demasiado por la 
experiencia pasada, en particular cuando el proceso no está del todo maduro. 
3) Selección de la variable de respuesta. Al seleccionar la variable de respuesta, el 
experimentador deberá tener la certeza de que esta variable proveerá información 
útil acerca del proceso bajo estudio. 
4) Elección del diseño experimental. La elección del diseño implica la consideración 
del tamaño de la muestra, seleccionar un orden adecuado para los ensayos 
experimentales y la determinación de si debe hacerse o no la formación de bloques 
u otras restricciones sobre la aleatorización. Es importante tener presente los 
objetivos experimentales al seleccionar el diseño 
5) Ejecución del experimento. Cuando se lleva a cabo el experimento es vital 
monitorear con atención el proceso a fin de asegurarse que todo se esté haciendo 
conforme a la planeación. Incluso se sugiere realizar algunas corridas de prueba, 
lo que permite poner en práctica la técnica experimental global. 
6) Estudio estadístico de los datos. Deben emplearse métodos estadísticos para 
analizar los datos, de modo que los resultados y conclusiones sean objetivos más 
que apreciativos. Sin embargo hay que recordar que los métodos estadísticos no 
pueden probar que un factor tiene un efecto en particular. Sólo proporcionan 
directrices para la veracidad y validez de los resultados, asignando un nivel de 
confiabilidad de los resultados. La principal ventaja de los métodos estadísticos es 
que agregan objetividad al proceso de toma de decisiones. 
El análisis de los datos se elabora siguiendo los pasos mencionados a 
continuación (16): 
I. Calcular los efectos. 
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23 
 
 
II. Hacer el diagrama de Pareto de los efectos. 
III. Calcular la desviación estándar del experimento. 
IV. Calcular la desviación estándar de los efectos. 
V. Determinar la t-estadística. 
VI. Calcular los límites de decisión y determinar la significancia de los efectos. 
VII. Graficar el comportamiento de la respuesta con respecto a los factores. 
VIII. Obtener la ecuación que modele el comportamiento del proceso. 
7) Conclusiones y recomendaciones. Una vez que se han analizado los datos, el 
experimentador debe sacar conclusiones prácticas acerca de los resultados y 
recomendar un curso de acción. También deben realizarse corridas de 
confirmación para validar las conclusiones del experimento. 
2.5.2 Método de Taguchi. 
A principios de la década de los 1980, el profesor Genichi Taguchi introdujo su método 
para usar el diseño experimental en (15): 
 Diseño de productos o procesos robustos, es decir que no presenten variaciones 
ante las condiciones ambientales. 
 Desarrollo de productos que sean robustos a la variación de componentes. 
 Minimización de las variaciones respecto a un valor objetivo. 
Un proceso o producto es robusto cuando su funcionamiento o rendimiento no se ve 
afectado por los cambios en los factores no controlables. 
La filosofía de Taguchi considera tres etapas en el desarrollo de un proceso o un 
producto: diseño del sistema, diseño de parámetros y diseño de tolerancias. En la primera 
etapa se construye el sistema con el cual se llevaran a cabo los experimentos, se 
requieren conocimientos científicos y tecnológicos para determinar la configuración 
básica del modelo experimental (15). 
En la etapa de diseño de parámetros, se determina el número de niveles para cada factor, 
especificando los valores nominales. Usualmente, el objetivo es especificar dichos 
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24 
 
 
valores de tal modo que se minimice la variabilidad transmitida por los factores de ruido 
(15). 
El diseño de tolerancias se lleva a cabo para determinar las mejores tolerancias para los 
factores controlables. Si un factor no tiene un gran efecto sobre el rendimiento del 
proceso, puede especificarse con una tolerancia amplia (15). 
En la metodología de diseño de parámetros de Taguchi se selecciona un diseño 
experimental para los factores controlables y otro para los factores de ruido. Ambos 
diseños deben ser ortogonales, en la Tabla 2.5 se muestra un ejemplo, el cual es un 
arreglo ortogonal denominado L9; esto es una tabla de enteros cuyos elementos de 
columna (1, 2 y 3)representan los niveles bajo (1), intermedio (2), y alto (3) de los factores 
de columna, cada renglón del arreglo ortogonal representa una corrida experimental. El 
arreglo L9 dará cabida a cuatro factores de tres niveles cada uno, estudiados en nueve 
corridas .El arreglo ortogonal perteneciente a los factores controlables se denomina 
arreglo interno, y el que corresponde a los factores de ruido es llamado arreglo externo. 
(15). 
Posteriormente se hace el cruce de ambos arreglos, teniendo como resultado que cada 
una de las corridas del arreglo interno se prueba a lo largo de las corridas del arreglo 
externo, por lo que el método de Taguchi conduce a experimentos multiinclusivos (15). 
N° DE 
CORRIDA 
FACTOR 
A 
FACTOR 
B 
FACTOR 
C 
FACTOR 
D 
1 1 1 1 1 
2 1 2 2 2 
3 1 3 3 3 
4 2 1 2 3 
5 2 2 3 1 
6 2 3 1 2 
7 3 1 3 2 
8 3 2 1 3 
9 3 3 2 1 
Tabla 2.5.Arreglo ortogonal L9 (Adaptado de (15)). 
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25 
 
 
3. METODOLOGÍA 
En esta sección se detalla el procedimiento que se llevó a cabo para poder alcanzar los 
objetivos planteados anteriormente, dicha metodología está dividida en tres apartados, la 
primera detalla el planteamiento del diseño de experimentos, los resultados obtenidos del 
mismo, así como la optimización de las variables de operación del reactor, la segunda 
parte está enfocada al planteamiento de ecuaciones que pronostican la masa de 
parafinas a la salida del reactor, por último se puntualiza la implementación en Aspen 
Plus V8.4 ® de ambos modelos acoplados para hacer posible la simulación del reactor de 
HAV. 
3.1 Diseño de experimentos. 
3.1.1 Identificación del problema. 
Al operar un reactor de lecho fijo se tienen como variables de operación la temperatura, 
presión, concentración de reactivos y espacio velocidad, también llamado Espacio 
Velocidad del Líquido por Hora (EVLH), aunque para reacciones de tipo endotérmico, 
como lo es la reacción estudiada, se sabe que a temperaturas altas, presiones altas, 
concentración alta de reactivo aunado a un EVLH bajo se favorece la reacción, dichas 
condiciones son llamadas severas y en principio se espera que al llevar a cabo un 
experimento en condiciones severas, %[X]TG esté alrededor de 100%, sin embargo para 
optimizar las variables de operación es necesario plantear un diseño de experimentos, 
cuyos resultados generen un esquema general del comportamiento específico de la 
reacción bajo estudio. 
3.1.2 Factores, y niveles. 
Los factores de control elegidos para realizar el diseño de experimentos fueron: 
temperatura, presión, EVLH, y relación H2/aceite. Se eligieron dichos factores ya que son 
los que influyen mayormente en la conversión, además de que en la literatura son los que 
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26 
 
 
se utilizan para el tipo de reactor que se empleará en la experimentación (reactor integral 
de flujo pistón). 
Para cada factor se estudiaron tres niveles, que fueron seleccionados en base a 
información obtenida mediante una investigación bibliográfica (Tabla 3.1) (11). 
FACTOR UNIDADES NIVEL 1 NIVEL 2 NIVEL 3 
Temperatura °C 280 310 340 
Presión kg/cm2 20 30 40 
EVLH 1/h 1.5 2 2.5 
H2/Aceite mol H2/mol Aceite 19 23 28 
Tabla 3.1.Factores de control (Realizada por el autor). 
3.1.3 Variables de respuesta. 
Dado que el objetivo particular de realizar un diseño de experimentos fue maximizar la 
conversión de triglicéridos a hidrocarburos, se estableció como variable de respuesta 
%[X]TG, por la naturaleza química propia de la reacción también se establecieron como 
otras respuestas %[R]DG y %[R]MG, debido a que se debe garantizar la transformación 
completa de los intermediarios de reacción. 
Se eligieron tres respuestas para hacer un estudio detallado de la reacción, debido a que 
un 100% de conversión de triglicéridos no garantiza que el producto de reacción esté 
compuesto únicamente por parafinas, sino que aún se pueden encontrar sin reaccionar 
especies como diglicéridos y monoglicéridos. 
3.1.4 Diseño experimental. 
Debido a las ventajas que muestra la metodología de Taguchi, se tomó la decisión de 
realizar el diseño de experimentos utilizando el método de Taguchi, como ya se 
mencionó, dicha metodología indica utilizar un arreglo ortogonal del tipo L9 (Tabla 2.5) 
cuando se estudiarán cuatro factores y tres niveles, el arreglo mencionado arroja nueve 
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27 
 
 
corridas experimentales, además, por cada corrida se efectuaron tres repeticiones, 
teniendo un total de veintisiete experimentos. 
En seguida se muestran las corridas experimentales que resultaron del diseño de 
experimentos planteado (Tabla 3.2). Dichas corridas fueron las que se llevaron a cabo 
durante la experimentación, cada una se repitió por triplicado. 
 FACTOR 1 FACTOR 2 FACTOR 3 FACTOR 4 
CORRIDA C: EVLH 
1/h 
A:TEMPERATURA 
°C 
B:PRESIÓN 
kg/cm2 
D:H2/ACEITE 
MOL H2/MOL 
ACEITE 
1 1.5 340 40 28 
2 2.5 340 30 19 
3 1.5 280 20 19 
4 1.5 310 30 23 
5 2 340 20 23 
6 2.5 310 20 28 
7 2.5 280 40 23 
8 2 310 40 19 
9 2 280 30 28 
Tabla 3.2.Diseño del experimento (Realizada por el autor). 
Cabe mencionar que una de las ventajas principales de la metodología de Taguchi es 
que permite estudiar un fenómeno planteando un mínimo número de experimentos 
(considerando sólo el efecto de las variables controladas), esto es importante dado que 
se reducen costos, tiempo de experimentación, y reactivos. Para hacer notar la 
conveniencia al utilizar la metodología de Taguchi se puede hacer una comparación entre 
el número de experimentos necesarios utilizando la metodología antes mencionada que 
es de 27 experimentos tomando en cuenta tres repeticiones y 81 experimentos sin 
considerar repeticiones que proyecta un diseño factorial del tipo 34, dicho ejemplo hace 
evidente el por qué se seleccionó un diseño experimental de Taguchi para cumplir con 
los objetivos planteados. 
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28 
 
 
3.1.5 Ejecución del experimento. 
El experimento se llevó a cabo en una microplanta de hidrotratamiento, siguiendo las 
condiciones de operación propuestas en el diseño de experimentos (Tabla 3.2). En el 
IMP se llevó a cabo la adecuación de una microplanta para realizar el proceso de HAV, 
ya que las microplantas del IMP comúnmente se utilizan para realizar la 
hidrodesulfuración de destilados intermedios. 
La microplanta se divide en tres secciones: 1) alimentación, 2) reacción, y 3) separación. 
Es indispensable calentar previamente la carga de aceite vegetal (aceite de palma) 
debido a que se encuentra en estado sólido a temperatura ambiente, por esta razón 
también es necesario mantener las líneas de flujo calientes evitando obstrucciones 
debido a las propiedades de flujo del aceite vegetal. 
A continuación se presenta un diagrama simplificado de la microplanta utilizada para el 
proceso de HAV, en donde se identifican las tres secciones, alimentación en amarillo, 
reacción en rojo y separación en azul. 
 
Figura 3.1.Diagrama de la microplanta para el proceso de HAV (Realizada por el autor). 
1) Alimentación. 
El aceite se encuentra almacenado en un recipiente cuya forma alude a una bala, cuyo 
peso es medido en todo momento por medio de una balanza lo cual permite obtener el 
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29 
 
 
flujo másico dealimentación por diferencia de pesos en un tiempo determinado. La carga 
fluye a través de una bomba cuya presión de descarga es igual a la presión de operación 
del reactor y puede funcionar de 45 a 60 kg/cm2, para asegurar el correcto funcionamiento 
de la bomba la bala en la cual se almacena el aceite vegetal está conectada a una 
corriente de nitrógeno, que permite mantener la presión constante dentro del recipiente. 
Posteriormente la corriente de aceite vegetal se mezcla con la corriente de hidrógeno. 
El hidrógeno se alimenta desde un tanque acumulador de suministro de gas que está 
conectado directamente al cilindro, la presión del gas se reduce a la presión de operación 
del reactor por medio de una válvula, una vez modificada la presión, la corriente de 
hidrógeno se une a la corriente de aceite vegetal y ambos reactivos entran al reactor por 
la parte inferior. 
2) Reacción. 
El reactor es de tipo isotérmico, cuenta con un lecho fijo y tiene una capacidad de hasta 
15mL, luego de que la corriente de alimentación entra, se calienta a la temperatura de 
operación que puede variar de 270 a 345 °C, posteriormente la corriente de reactivos 
entra en contacto con el catalizador donde se lleva a cabo la transformación de reactivos 
a productos; los productos así como las trazas de reactivo no transformado fluyen por la 
parte superior del reactor y pasan a la unidad de separación. 
3) Separación. 
El equipo de separación trabaja a alta presión, lo cual permite que los gases e 
hidrocarburos ligeros (C3-C5) salgan en forma de gas por la parte superior, y la fase 
orgánica (parafinas) como la acuosa por la parte inferior. 
El producto gaseoso se cuantifica mediante un medidor-totalizador y se caracteriza 
mediante un cromatógrafo de gases. 
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30 
 
 
El producto líquido se colecta en frascos que son enviados al laboratorio en donde se 
separan y se cuantifican las fases, una vez que la fase orgánica es libre de trazas de 
agua se caracteriza mediante un cromatógrafo de gases. 
3.1.6 Análisis cromatográfico de las muestras. 
Para llevar a cabo el análisis del producto obtenido en cada corrida, se realizó la 
determinación del contenido de monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos en cada 
muestra, por medio de un cromatógrafo de gases, la técnica utilizada es descrita en la 
norma española UNE-EN14105 (Derivados de aceites y grasas. Ésteres metílicos de 
ácidos grasos. Determinación de los contenidos de glicerol libre y total y de 
monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos). 
El propósito de la norma es estimar el contenido de glicerol libre, monoglicéridos, 
diglicéridos y triglicéridos en esteres metílicos de ácidos grasos FAME (Fatty Acid Methyl 
Esters) por sus siglas en inglés. El fundamento del análisis se basa en la transformación 
del glicerol, monoglicéridos y diglicéridos en sus derivados sililados más volátiles y 
estables en presencia de piridina y de N-metil-N-trimetilsilitrifruoracetamida (17). 
Después de haber realizado la calibración del cromatógrafo, se realiza la cuantificación 
del glicerol en presencia del patrón interno 1,2,4-butanotriol. Los monoglicéridos, 
diglicéridos y triglicéridos se cuantifican directamente mediante un patrón interno para 
cada categoría, es decir: 
 Monononadecanoato de glicerilo para los monoglicéridos. 
 Dinonadecanoato de glicerilo para los diglicéridos. 
 Trinonadecanoato de glicerilo para los triglicéridos. 
Cabe mencionar que la norma es apropiada para la cuantificación de glicerol, sin embargo 
se sabe que las muestras a analizar no contienen glicerol, por tal motivo es innecesario 
realizar su cuantificación. Al igual que en las corridas experimentales, la inyección de la 
muestra se realizó por triplicado. 
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31 
 
 
3.1.7 Resultados experimentales del diseño de experimentos. 
Los resultados muestran la concentración en porcentaje peso (%mi/mt) de 
monoglicéridos, diglicéridos y triglicéridos obtenidos en cada corrida (Tabla 3.3). En los 
resultados también se muestra la Desviación Estándar (DE), así como el porcentaje de 
Covarianza (%CV), que determina la aceptación o rechazo del resultado experimental, la 
guía general validación o confirmación de métodos de ensayo o calibración del IMP 
determina un criterio de aceptación del 5% para métodos cromatográficos. 
 
Tabla 3.3.Resultados del análisis cromatográfico de la muestra N° 1 (Realizada por el autor). 
Es fundamental mencionar que los resultados experimentales del diseño de experimentos 
se muestran en esta sección debido a que su posterior análisis es la base del 
planteamineto de las ecuaciones que siven para predecir la composición a la salida del 
reactor. 
La Tabla 3.3 de resultados completa se encuentra en el Apéndice A. Cada muestra se 
identificó con un número, el cual corresponde al número de experimento al que pertenece, 
para los experimentos identificados con los números 1, 2 y 3 se utilizaron las condiciones 
de operación de la corrida 1 en el diseño de experimentos (Tabla 3.2), así sucesivamente. 
Dado que se determinó anteriormente la conversión de triglicéridos y el rendimiento de 
diglicéridos y monoglicéridos como las respuestas, hubo la necesidad de hacer el 
tratamiento de datos correspondiente para alimentarlos al software Design-Expert. 
N° IDENTIFICACIÓN 
NO. INYECCIÓN 
SD 
% (mi/mt) 
% CV 
% (mi/mt) 
CRITERIO DE 
ACEPTACIÓN 1 2 3 
1 
Glicerol libre N.A N.A N.A N.A N.A N.A 
Monoglicéridos 1.111 1.065 1.089 0.023 2.092 Cumple 
Diglicéridos 6.139 5.933 5.858 0.146 2.435 Cumple 
Triglicéridos 24.383 23.414 23.727 0.495 2.075 Cumple 
Glicerol total N.A N.A N.A N.A N.A N.A 
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32 
 
 
El porcentaje de conversión de una reacción química puede ser calculada mediante la 
siguiente ecuación: 
%[𝑋]𝑇𝐺 =
𝐶𝑖−𝐶𝑓
𝐶𝑖
× 100…(7) 
Donde: 
𝐶𝑖=Concentración inicial de reactivo [%mi/mt]. 
𝐶𝑓= Concentración final de reactivo [%mi/mt]. 
Así mismo se calculó el porcentaje de rendimiento de diglicéridos y monoglicéridos con 
base en la siguiente ecuación: 
% [𝑅] =
𝑚𝑖𝑛𝑡
𝑚𝐴𝑐.𝑃𝑎𝑙𝑚𝑎
× 100…(8) 
Donde 
𝑚𝑖𝑛𝑡= Masa del intermediario a la salida del reactor (diglicéridos ó monoglicéridos) [g]. 
𝑚𝐴𝑐.𝑃𝑎𝑙𝑚𝑎=Masa de reactivo (aceite de palma) [g]. 
Para calcular el porcentaje de conversión de triglicéridos a hidrocarburos se aplicó la 
ecuación 5, dado que se tienen tres inyecciones por cada muestra, se calculó una 
concentración promedio de las tres, al igual que para el rendimiento de diglicéridos y 
monoglicéridos, con la diferencia de que para calcular el rendimiento de los mismos se 
usó la ecuación 6. Se muestra la memoria de cálculo utilizando los resultados de la 
muestra 1 (Tabla 3.3). Para hacer los cálculos se consideró que el porcentaje de 
triglicéridos en el aceite de palma es del 100%, aunque hay presencia de diglicéridos y 
monoglicéridos su concentración es mínima. 
Ejemplo del cálculo del porcentaje de conversión promedio del primer experimento: 
%[𝑋]𝑇𝐺 =
100 − 23.840
100
× 100 = 76.16% 
Cálculo del porcentaje de rendimiento promedio de diglicéridos y monoglicéridos del 
primer experimento: 
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33 
 
 
%[𝑅]𝐷𝐺 =
8.74
141.3
× 100 = 6.181% 
%[𝑅]𝑀𝐺 =
1.37
141.3
× 100 = 0.97% 
Los resultados del porcentaje de conversión y rendimiento que se alimentaron al software 
Design-Expert se muestran a