Diseño do Processo Fischer-Tropsch para Biodiesel

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21/10/2022

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DISEÑO DEL PROCESO FISCHER-TROPSCH PARA LA
OBTENCIÓN DE BIODIÉSEL EN MÉXICO.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

P R E S E N T A N

ARTURO RIBA HERNÁNDEZ
ILLIANA IVONNE RODULFO VILLALOBOS

ASESOR: DR. ENRIQUE ARCE MEDINA

MÉXICO D. F., JULIO 2013

DISEÑO DEL PROCESO FISCHER-TROPSCH PARA LA OBTENCIÓN
DE BIODIÉSEL EN MÉXICO.

ÍNDICE.
Página.
ÍNDICE DE TABLAS. ix
ÍNDICE DE FIGURAS. x
RESUMEN. xii
INTRODUCCIÓN. xiv

CAPITULO 1 ANTECEDENTES.

1.1 Contaminación del aire. 1
1.1.1 Origen de la contaminación del aire. 6
1.2 Fuentes de contaminación antropogénica. 7
1.2.1 Vehículos de combustión interna. 11
1.2.1.1 Vehículos de motor tipo ciclo Otto. 12
1.2.1.2 Vehículos de motor tipo Diésel. 14
1.2.1.3 Comparación entre el Motor Diésel y el de Gasolina. 16

1.3 Diésel. 18
1.3.1 Propiedades. 21
1.3.2 Proceso de producción. 25

1.4 Biodiésel. 32
1.4.1 Procesos de producción. 35
1.4.1.1 Transesterificación Homogénea. 37
1.4.1.2 Transesterificación Heterogénea. 39
1.4.1.3 Producción a partir de Microalgas. 40
1.4.1.4 Producción a partir de Gas de Síntesis. 41
1.4.2 Propiedades del Biodiésel Sintético. 42
1.4.3 Ventajas y Desventajas del Biodiésel Sintético. 44

CAPITULO 2 GASIFICACIÓN DE BIOMASA.

2.1 Biomasa. 46
2.1.1 Acondicionamiento de la biomasa. 52

2.2 Gas de Síntesis. 53
2.2.1 Etapas de la Gasificación. 54
2.2.2 Tipos de agentes gasificantes. 59

2.3 Gasificadores. 61
2.3.1. Gasificador downdraft o de corrientes paralelas. 61

2.3.2 Gasificador updraft o de contracorriente. 63
2.3.3 Gasificadores de lecho fluidizado. 66
2.3.4 Gasificador de Flujo Entrante. 69

2.4 Acondicionamiento del Gas de Síntesis. 70

CAPITULO 3 SÍNTESIS FISCHER-TROPSCH.

3.1 Antecedentes. 74
3.2 Mecanismo y Cinética de reacción. 76
3.2.1 Selectividad y condiciones de operación. 87
3.2.2 Catalizadores. 92

3.3 Reactores para la Síntesis Fischer-Tropsch. 97
3.3.1 Reactor de Lecho Fijo Tubular. 98
3.3.2 Reactor Slurry. 100
3.3.3 Reactor de Lecho Fluidizado Circulante. 102
3.3.4 Reactor de Lecho Fluidizado. 104

CAPITULO 4 SIMULACIÓN DEL PROCESO FISCHER-TROPSCH PARA LA
PRODUCCIÓN DE BIODIÉSEL.

4.1 Principios de la simulación de procesos. 106
4.1.1 Elementos de la simulación. 108
4.1.2 Modelos termodinámicos. 109
4.1.3 Ventajas de la simulación. 114

4.2 Simuladores comerciales. 115
4.2.1 Simulador PRO/II. 116

4.3 Consideraciones de Diseño. 117
4.3.1 Gasificación. 117
4.3.2 Tratamiento y acondicionamiento del gas de síntesis. 122
4.3.3 Síntesis Fischer-Tropsch. 128

4.4 Diagrama de flujo de proceso. 134

4.5 Reporte de resultados. 135

ANÁLISIS DE RESULTADOS. 137
CONCLUSIONES. 140
ANEXOS 142
BIBLIOGRAFÍA. 154

ÍNDICE DE TABLAS.
Página.
Tabla 1.1 Composición normal del aire. 2
Tabla 1.2 Inventario de emisiones anuales de la ZMVM, 2008. 8
Tabla 1.3 Emisiones de GEI en la ZMVM, 2008. 9
Tabla 1.4 Adopción de las especificaciones de diésel de bajo azufre. 23
Tabla 1.5 Especificaciones resultados promedio. 25
Tabla 1.6 Propiedades físicas de los productos del petróleo. 26
Tabla 1.7 Comparación del Biodiésel Sintético y el Diésel Convencional. 43

Tabla 2.1 Análisis potencial de la biomasa como materia prima para la
producción de combustibles.
48
Tabla 2.2 Poder calorífico del syngas producido con diversos agentes
gasificantes.
59
Tabla 2.3 Especificaciones típicas del syngas para la síntesis Fischer-Tropsch. 71

Tabla 3.1 Propuesta de mecanismo de la síntesis de hidrocarburos a partir de
CO y H2.
79
Tabla 3.2 Estudios cinéticos para la síntesis FT con catalizadores de Fe y Co. 83
Tabla 3.3 Control de la selectividad en la síntesis de Fischer-Tropsch por las
condiciones del proceso y catalizadores modificados.
89
Tabla 3.4 Ventajas y desventajas de los catalizadores para la síntesis Fischer-
Tropsch.
94
Tabla 3.5 Comparación general de los catalizadores de Cobalto y Hierro. 96

Tabla 4.1 Modelos de propiedades termodinámicas. 110
Tabla 4.2 Ventajas y desventajas de los aspectos técnicos de la gasificación. 118
Tabla 4.3 Condiciones de operación de la gasificación.. 119
Tabla 4.4 Propiedades de las corrientes de la gasificación 120
Tabla 4.5 Propiedades del syngas de referencia. 121
Tabla 4.6 Condiciones de operación del tratamiento del gas de síntesis 122
Tabla 4.7 Propiedades de las corrientes del tratamiento del gas de síntesis. 124
Tabla 4.8 Condiciones de operación del acondicionamiento del gas de
síntesis.
126
Tabla 4.9 Propiedades de las corrientes del acondicionamiento del gas de
síntesis.
127
Tabla 4.10 Condiciones de operación de la Síntesis Fischer-Tropsch. 128
Tabla 4.11 Propiedades de las corrientes de la Síntesis Fischer-Tropsch. 130
Tabla 4.12 Composición molar de las corrientes de la Síntesis Fischer- Tropsch. 131
Tabla 4.13 Composición másica de las corrientes de la Síntesis Fischer-
Tropsch.
132
Tabla 4.14 Características del producto diésel sintético. 133
Tabla 4.15 Reporte de resultados. 135

ÍNDICE DE FIGURAS.
Página.

Figura 1.1 Flota vehicular a gasolina en la ZMVM por año-modelo y
tecnología.
10
Figura 1.2 Flota vehicular a diésel en la ZMVM por año-modelo y tecnología. 11
Figura 1.3 Esquema del funcionamiento del motor tipo ciclo Otto. 14
Figura 1.4 Esquema del funcionamiento del Motor tipo Diésel. 16
Figura 1.5 Esquema típico de la destilación del petróleo crudo. 20
Figura 1.6 Diagrama del proceso de hidrogenación. 30
Figura 1.7 Proceso de Transesterificación. 36
Figura 1.8 Reacciones implicadas en la transesterificación. 38
Figura 1.9 Diésel RENTECH™. 42

Figura 2.1 Celulosa, Hemicelulosa y Lignina. 47
Figura 2.2 Sumario de rutas para conversión de biomasa celulosica a
combustibles líquidos.
50
Figura 2.3 Etapas de la gasificación de biomasa. 55
Figura 2.4 Gasificador Downdraft. 62
Figura 2.5 Gasificador Updraft. 64
Figura 2.6 Gasificador de lecho fluidizado. 67
Figura 2.7 Gasificador de Flujo Entrante. 70

Figura 3.1 Diésel y otros productos de biomasa vía síntesis FT. 76
Figura 3.2 Mecanismo del enol para la síntesis FT. 80
Figura 3.3 Mecanismo del carbeno para la síntesis FT. 81
Figura 3.4 Distribución de productos ASF. 88
Figura 3.5 Reactores Fischer-Tropsch. 98
Figura 3.6 Reactor de Lecho Fijo Tubular. 99
Figura 3.7 Reactor Slurry. 101
Figura 3.8 Reactor de Lecho Fluidizado Circulante. 102
Figura 3.9 Reactor de Lecho Fluidizado. 104

Figura 4.1 Selección de Modelo termodinámico. 112
Figura 4.2 Selección de Modelo termodinámico para polar y no electrólito. 113
Figura 4.3 Opciones para cálculos líquido-vapor con coeficiente de actividad. 113
Figura 4.4 Diagrama de flujo de la sección de gasificación. 120
Figura 4.5 Diagrama de flujo del tratamiento del gas de síntesis. 123
Figura 4.6 Diagrama de flujo del acondicionamiento del gas de síntesis 126
Figura 4.7 Diagrama de flujo del acondicionamiento de la Síntesis Fischer-
Tropsch.
129
Figura 4.8 Diagrama de flujo del proceso Fischer-Tropsch. 134

xii

RESUMEN.
Este trabajo tuvo como objetivo diseñar el proceso para la obtención de
biodiésel de segunda generación o diésel sintético por medio de la síntesis Fischer-
Tropsch. El diésel sintético comparte características con el diésel de petróleo en
cuanto a su capacidad calorífica y su viscosidad, sin embargo su calidad es superior
ya que tiene un valor de índice de cetano veinte unidades mayor en comparación con
el diésel convencional con lo que se mejora notablemente el rendimiento de la
combustión. Respecto al biodiésel de primera generación el diésel sintético se puede
obtener a partir dela gasificación de diversos recursos de biomasa lignocelulósica
como pueden ser residuos agrícolas, ganaderos e industriales, mientras el biodiésel
de primera generación emplea solo las partes comestibles de las plantas (semillas y
granos) para su producción.
Por medio de una investigación bibliográfica se valorizó el diésel sintético
como una opción para reducir las emisiones contaminantes. Además se estudió la
tecnología de producción en sus dos principales etapas: gasificación de la biomasa y
síntesis catalítica; a partir de ello se estableció la configuración de los sistemas de
reacción así como las condiciones de operación para obtener un producto diésel de
calidad. Dentro de la gasificación las variables analizadas fueron: el tipo de reactor,
el agente gasificante y el tratamiento al gas de síntesis para su adecuación a la
siguiente etapa. Para la síntesis se estudió, además del tipo de reactor, las
reacciones principales que se llevan a cabo y la posible primera separación del
biodiésel. Una vez determinados estos parámetros se probó el proceso, usando el
software de simulación de procesos químicos, Pro/II 9.1.
En el proceso de gasificación se propuso un sistema con residuos de madera
como materia prima, oxígeno como agente gasificante y un reactor de lecho
fluidizado circulante a 8 bar. Esta configuración se eligió como una de las mejores

xiii

para la gasificación de biomasa, y al simularse se obtuvo un gas de síntesis con alto
contenido molar de hidrógeno y un rendimiento del 96.12%.
Se planteó un tratamiento y acondicionamiento del gas derivado de la biomasa
que consistió en la eliminación de agua, reformado autotérmico de metano e
hidrocarburos ligeros, un reactor water gas shift y la eliminación de dióxido de
carbono con aminas. A través de esta etapa fue posible la reducción casi en su
totalidad de los compuestos de azufre, nitrógeno, aromáticos y el CO2 que es un
inerte que disminuye la selectividad en la reacción de síntesis hacia hidrocarburos de
alto peso molecular. Además el gas de síntesis producido alcanzó una relación molar
H2/CO de 2, la cual es necesaria para realizar la síntesis Fischer-Tropsch.
Por último la síntesis Fischer-Tropsch se trabajó en el rango conocido como
de baja temperatura tomando en cuenta que, bajo esta condición, usando un
catalizador de cobalto en un reactor Slurry se favorece la producción de
hidrocarburos saturados de cadena larga que incluyen la fracción diésel (C10-C20).
Las reacciones más probables consideradas fueron: gases (C1-C4), líquidos (C5-C20)
y ceras (C21-C23). A la salida del reactor se propuso una primera separación con la
cual se obtuvo el 81.24% peso de biodiésel respecto al total de productos. Al
comparar las propiedades del biodiésel obtenido se observó que son congruentes
con los datos recopilados de la literatura, con lo que se puede asegurar la buena
calidad de esté.
El diseño propuesto es flexible por lo que fácilmente se puede adecuar al
estudio de otro tipo de biomasa de origen agrícola - forestal. La realización de este
trabajo brinda las bases para llevar a cabo en un futuro la implementación de una
planta piloto que a partir de biomasa produzca biodiésel de segunda generación, que
por su calidad puede ser usado en automóviles con el fin de reducir
considerablemente las emisiones de contaminantes a la atmósfera.

xiv

INTRODUCCIÓN.
Las grandes ciudades mexicanas como: Guadalajara, Monterrey, Puebla,
Toluca y principalmente la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) por su
ubicación geográfica, poseen un aire contaminado poco saludable. En estas
ciudades en conjunto se asienta más de un cuarto de la población del país.
Tan solo en la ZMVM se emiten aproximadamente 2.7 millones de toneladas
de contaminantes al aire por año y el 70% de esta contaminación corresponde a las
emisiones de vehículos de combustión interna que en su mayoría utilizan gasolina,
no tienen controles de contaminación adecuados y no utilizan combustibles limpios.
El empleo de vehículos con motor diésel representa ventajas sobre el de ciclo Otto o
gasolina; la principal es una mayor eficiencia en la combustión, emitiendo menor
cantidad de partículas no quemadas, óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono en
comparación con la gasolina. Sin embargo, el diésel contiene aromáticos y azufre en
su composición con lo cual genera otro tipo de contaminantes tóxicos. Por esta
razón, dentro de las propuestas para disminuir las emisiones contaminantes se
encuentra el uso de biocombustibles.
A partir de la creación en México de la Ley de Promoción y Desarrollo de los
Bioenergéticos en 2007, ante la inminente escasez de hidrocarburos fósiles y la
necesidad de producir combustibles menos agresivos para la atmósfera, se han
desarrollado programas para producir biocombustibles. Sin embargo, estos se han
limitado a explorar la producción de biocombustibles de primera generación o
agrocombustibles como es el caso del biodiésel a partir de la transesterificación de
aceites vegetales. El principal problema de los biocombustibles de primera
generación es que la obtención de sus insumos compite con la producción de
alimentos.

El biodiésel de segunda generación o diésel sintético se obtiene a partir de
biomasa sólida mediante un proceso de gasificación, seguido de una síntesis
catalítica denominada síntesis Fischer-Tropsch (FT). Este proceso permite además,
obtener otro tipo de combustibles líquidos al procesar casi cualquier tipo de biomasa
con bajo contenido de humedad, tal como residuos orgánicos, paja, bagazo, madera
de desecho, papel de desecho, cultivos lignocelulósicos, etc.
El proceso fue descrito por primera vez en la década de 1920 por Franz
Fischer y Hans Tropsch. En la síntesis FT se obtiene un amplio espectro de
hidrocarburos, principalmente parafinas y olefinas lineales. El rango de pesos
moleculares de los hidrocarburos obtenidos incluye productos en fase gas (C1-C4),
hidrocarburos líquidos (C5-C18) y ceras (C19+). La fracción de hidrocarburos C10-C20
es la fracción correspondiente al combustible diésel (Rojas, et al., 2011). El biodiésel
producido mediante el proceso Fischer-Tropsch posee características superiores
comparadas con el diésel de petróleo y aun frente al biodiésel de primera
generación. Entre otras propiedades, no posee en su formulación compuestos
aromáticos ni heteroátomos tales como nitrógeno (N) o azufre (S), por lo que no se
emiten NOx y SOx en la combustión. Además, posee un número de cetano superior al
del diésel tradicional (75 frente a 45-50, respectivamente).
Dado lo anterior este trabajo surge con el objetivo de diseñar el proceso
Fischer-Tropsch para obtener biodiésel de segunda generación o diésel sintético. La
obtención de este depende de diversas variables implicadas tanto en la gasificación
de la biomasa como en la síntesis FT, las principales a definir y que representan los
objetivos particulares perseguidos, son:
 Selección del tipo de operación de las dos etapas implicadas en el proceso:
Gasificación y Síntesis FT.
 Selección de las condiciones de operación necesarias en la gasificación; tipo
de gasifcador, agente gasificante y tratamiento al gas de síntesis para su
adecuación a la siguiente etapa.

xvi

 Selección de las condiciones de operación necesarias en la síntesis FT; tipo
de reactor, tipo de catalizador y posible primera separación del producto.
Sumado a estos se tiene el estudio de las ventajas que ofrece el biodiésel en
la reducción de emisiones de gases contaminantes presentes en el aire. Así como
probar la viabilidad técnica del proceso diseñado para la obtención de biodiésel, por
medio de la simulación en el software Pro/II.
La estructura del trabajo se divide en cuatro capítulos, en el capítulo uno se
detallan los antecedentes para llevar a cabo este trabajo;la problemática ambiental y
el biodiésel.
En el capítulo dos se describe el proceso de gasificación de biomasa para la
obtención de gas de síntesis, así como los procesos de tratamiento y
acondicionamiento que debe dársele previo a su uso en los reactores catalíticos
siguientes.
En el capítulo tres se describe la síntesis Fischer-Tropsch para obtener
biodiésel a partir de la reacción del H2 y CO contenido en el gas de síntesis
acondicionado.
El capítulo dos y tres son la base para el diseño del proceso Fischer-Tropsch
ya que contienen la información necesaria para la selección de las variables del
proceso.
Finalmente en el capítulo cuatro se evalúa el proceso definido y se exponen
los resultados así como el diagrama de flujo.

CAPÍTULO 1.
ANTECEDENTES.
En este capítulo se comenta la problemática ambiental de la contaminación
del aire ocasionada por el uso de combustibles derivados del petróleo en vehículos
de combustión interna. Se plantea la alternativa de usar biodiésel para reducir las
emisiones contaminantes en las grandes ciudades mexicanas. Para ello se analizan
las características del biodiésel, métodos de producción y ventajas y desventajas de
su uso frente al diésel convencional, los cuales son relevantes para el desarrollo de
este trabajo.
1.1 Contaminación del aire.
La Revolución Industrial, desarrollada a finales del siglo XVII, significo la
introducción de tecnologías para la producción de energía a partir del uso de
combustibles como el carbón mineral y el petróleo, ello trajo como consecuencia no
solo altos niveles de producción, sino también un incremento en la contaminación
emitida al aire.
Estos avances llegaron a América del norte entre los siglos XIX y XX: La
industria, las grandes concentraciones humanas y la aparición del motor de explosión
son las principales causas de la contaminación atmosférica originando problemas de
salud, daños en cultivos y deterioro de materiales (Lacasaña, 1999).
La Ley General del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente (LGEEPA,
2012) define como contaminante a “toda materia o energía en cualesquiera de sus
estados físicos y formas, que al incorporarse o actuar en la atmósfera, agua, suelo,
flora, fauna o cualquier elemento natural, altere o modifique su composición natural”,
una manera practica de entender cuales son los contaminantes del aire es mediante

la revisión de la composición normal del aire (ver Tabla 1.1). El aire atmosférico
contiene normalmente de 1 a 3% vol. de vapor de agua y 0.14% vol. de vapores de
hidrocarburos (CHx), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y ozono (O3), estos
compuestos en concentración mayor a la normal, se consideraran como
contaminantes del aire (Marroquín, 1999). Por otro lado el reglamento de la LGEEPA
en materia de prevención y control de la contaminación de la atmósfera señala que
las emisiones de contaminantes a la atmósfera de cualquier fuente deben ser
reducidas o controladas para asegurar el bienestar de la población.
Tabla 1.1 Composición normal del aire.
Gas
%
peso volumen
Nitrógeno 75.63 78.03
Oxígeno 23.14 20.94
Argón 1.13 0.932
CO2 0.04 0.03
Hidrógeno 0.0007 0.01
Neón 0.0013 0.0018
Helio 0.00008 0.00054
Kriptón 0.00045 0.00015
Xenón 0.0004 0.000008
Vapor de Agua variable 1 - 3
Emanaciones (CHx, CO, CH4 y O3) 0.12 0.14
Nota: Tomada del Inventario de Emisiones de Contaminantes Criterio de la ZMVM, 2008.
De acuerdo con ello en México, como en varios países, se monitorean las
emisiones de los denominados “contaminantes criterio”, término designado por la
Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (USEPA) debido
a las evidencias sobre sus efectos dañinos, estos son: Dióxido de Azufre (SO2),
Bióxido de Nitrógeno (NO2), material particulado (MP), Monóxido de Carbono (CO),
Compuestos Orgánicos Volátiles (COV), Compuestos Orgánicos Totales (COT) y
ozono (O3). Asimismo se consideran lo gases de efecto invernadero. A continuación
se describen brevemente (Comisión Ambiental Metropolitana, 2011):
Dióxido de Azufre. El dióxido de azufre (SO2) y trióxido de azufre (SO3) son
los óxidos dominantes del azufre presentes en la atmósfera. El óxido predominante
en el medio ambiente es el SO2. Se origina de la quema de combustibles fósiles con

contenido en azufre, es un importante precursor de las partículas secundarias y de la
lluvia ácida, de acuerdo con la siguiente reacción, provocando corrosión de
materiales metálicos así como daños a los cultivos agrícolas (González, 1996).
SO2 + H2O  H2SO3
El H2SO3 no es estable y debido a reacciones fotoquímicas se transforma en
ácido sulfúrico (H2SO4) (Marroquín, 1999).
Representa efectos sobre la salud humana, principalmente agravando
problemas respiratorios y cardiovasculares (SMA-GDF, 2010a). Se pueden tomar
medidas de precaución ante este contaminante, como pueden ser la colocación de
filtros para óxidos de azufre y limitando el contenido de azufre existente en los
combustibles (Seoánez, 2009).
Bióxido de Nitrógeno. Existen siete óxidos de nitrógeno. El monóxido de
nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) son los óxidos de nitrógeno
predominantes en los gases emitidos en la combustión (Real, 2006). El NO2 es un
gas de color café rojizo con un olor característico e irritante de las vías respiratorias
(SMA-GDF, 2010a). Además, también puede reaccionar con la humedad presente en
la atmósfera formando lluvia ácida y es un componente principal en la formación del
ozono de acuerdo a las reacciones siguientes (González, 1996):
NO2 + hv  NO + O*
O* + O2 + M  M + O3
O3 + NO  NO2 + O2
Material Particulado. El término partícula se emplea para describir las
materias sólidas y líquidas, dispersas y arrastradas por el aire. Son una mezcla de
diversos compuestos con forma, tamaño, composición y propiedades diferentes, son
emitidas por diversas actividades como la combustión y la construcción, pero algunas
son formadas en la atmósfera por la transformación de otros contaminantes
gaseosos (partículas secundarias) (SEMA-GDF, 2010a). Estas partículas pueden

causar daños químicos por corrosión directa o por la acción de sustancias químicas
corrosivas absorbidas (Seoánez, 2009).
Se conocen como Partículas Suspendidas Totales aquellas con un diámetro
menor a 50 micrómetros. Dentro de esta fracción se encuentran contenidas las PM10
y PM2.5:
PM10: Partículas menores a 10 micrómetros, penetran las regiones torácicas
bajas del sistema respiratorio agravando enfermedades respiratorias y
cardiovasculares.
PM2.5: Partículas menores a 2.5 micrómetros, se conocen como partículas
finas, ingresan a la región mas profunda del sistema respiratorio reduciendo la
función pulmonar (SEMA-GDF, 2010a).
Monóxido de Carbono. Gas incoloro e inodoro, emitido por los automóviles
como producto de la combustión de combustibles fósiles. Se encuentra como
componente de la mayoría de las combustiones incompletas (González, 1996). En
los seres humanos provoca deficiencia de oxígeno en la sangre, con lo que provoca
desde mareos hasta la muerte. El CO se puede controlar mediante el empleo de
conversores catalíticos en los automóviles (Seoánez, 2009).
Compuestos Orgánicos Volátiles. Son mezclas complejas de contaminantes
atmosféricos, siendo estos los precursores de la formación de ozono y otros
oxidantes de alta toxicidad. Dentro de estos COVs existe un grupo importante de
compuestos cancerigenos, el BTEX, constituido por el Benceno, Tolueno, Etil-
benceno y Xileno; además de representar problemas cancerígenos en las personas,
pueden causar daño neurológico y son considerados hematotoxicos (SEMA-GDF,
2010a).
Compuestos Orgánicos Totales. Se producen por la condensación de los
vapores orgánicos generados en la combustión de combustibles fósiles, así como por
reacciones atmosféricas. En laspersonas generan irritación de ojos y vías nasales, y

también se sospecha que son causantes de cáncer y mutaciones genéticas
(Seoánez, 2009).
Ozono. Es un compuesto gaseoso fuertemente oxidante y muy reactivo, tiene
origen natural en pequeñas cantidades por descargas eléctricas producidas durante
las tempestades, y en las reacciones entre hidrocarburos y óxidos de nitrógeno en
presencia de radiación solar. Provoca irritación en el sistema respiratorio (SEMA-
GDF, 2010a).
Gases de efecto invernadero. Los gases de efecto invernadero son: Dióxido
de carbono (CO2), Metano (CH4), Ozono (O3), Óxidos de Nitrógeno (NOX), Dióxido de
Azufre (SO2) y otros Hidrocarburos. A excepción de los tres últimos, son
componentes naturales de la atmósfera y constituyen menos de 1% de la atmósfera
(IPADE, 2009).
Se les clasifico como gases de efecto invernadero (GEI) por su efecto de
retener calor sobre la superficie de la tierra (Vacio, 2005). Este fenómeno tiene lugar
de la siguiente manera: la energía solar en forma de radiación de alta frecuencia
(radiación UV visible) atraviesa la atmósfera llegando a la superficie de la tierra, la
tierra emite parte de esta energía hacia el espacio en forma de radiación de baja
frecuencia (radiación infrarroja). Los gases de efecto invernadero absorben parte de
esta radiación estableciendo, en la superficie de la tierra, una temperatura media
constante adecuada para permitir y mantener la vida (ABENGOA, 2007). Se
consideran contaminantes del aire cuando su concentración tiene un efecto negativo
en los sistemas biológicos y climáticos.
El CO2 es el GEI más importante debido a sus altas emisiones. Es el
responsable del 60% del efecto invernadero de origen antropogénico (IPADE, 2009).
Por otro lado, el metano es más efectivo que el CO2 para atrapar el calor en la
atmósfera y los rellenos sanitarios son la fuente que mas contribuye a su generación
(SMA-GDF, 2002).

La atmósfera al igual que todo sistema ambiental, no reconoce fronteras
políticas y su comportamiento esta determinado por las condiciones naturales de las
zonas de estudio. En particular, la zona metropolitana del Valle de México, como
principal aglomeración urbana del país, presenta importantes problemas
ambientales. Además, las características fisiográficas y climáticas favorecen la
formación y acumulación de contaminantes ambientales (SMA-GDF, 2010b).
Su ubicación a 2,240 msnm supone un bajo contenido de oxígeno en el aire
(23% menor a nivel del mar), lo que ocasiona que los procesos de combustión sean
deficientes y emitan mayor cantidad de contaminantes a la atmósfera (Molina, 2004),
además la cadena montañosa que la rodea inhibe el movimiento del aire, dificultando
la dispersión de contaminantes. Conjuntamente, su localización en el centro del país
permite que reciba radiación solar intensa que acelera la formación fotoquímica de
contaminantes como el ozono y las partículas. Muchas otras ciudades mexicanas
presentan aire poco saludable, como son Ciudad Juárez, Guadalajara, Mexicali,
Monterrey, Puebla, Tijuana, Rosarito y Toluca.
1.1.1 Origen de la contaminación del aire.
La contaminación atmosférica, como cualquier tipo de contaminación, tiene
dos orígenes principales: fuentes naturales y fuentes antropogénicas. En la ZMVM
las fuentes en su conjunto emiten aproximadamente 2.7 millones de toneladas de
contaminantes por año. De estas, la contaminación de origen natural (vegetación y
erosión eólica de suelos) representa solo el 1% (SMA-GDF, 2010c).
Las fuentes naturales corresponden a fenómenos climáticos y geológicos que
como consecuencia generan emisiones contaminantes. Por medio de diversos
factores atmosféricos se pueden remover, transformar o inmovilizar dichos
contaminantes, haciéndolos menos nocivos, sin embargo, esta capacidad de
depuración tiene límites, por lo que los problemas reales de contaminación surgen
cuando las emisiones son excesivas y sobrepasan dicha capacidad.

Las fuentes antropogénicas son las que contaminan como consecuencia de la
actividad humana, principalmente aquella en la que se involucre la combustión para
obtener energía de los combustibles fósiles (Colín, 2007). La combustión perfecta o
teórica, corresponde a la reacción de los hidrocarburos del combustible y el oxígeno
del aire para producir únicamente calor, luz, dióxido de carbono y vapor de agua, sin
embargo, esta reacción solo es ideal debido a factores como las impurezas del
combustible, una deficiente relación aire-combustible y temperaturas de reacción
altas o bajas, que causan la formación de productos secundarios, como son:
monóxido de carbono, óxidos de azufre y nitrógeno e hidrocarburos no quemados,
todos ellos contaminantes o precursores de contaminantes secundarios como el
ozono (González, 1996).
1.2 Fuentes de contaminación antropogénica.
Las fuentes de contaminación antropogénica, se clasifican en fuentes fijas y
móviles.
Las fuentes fijas se localizan en un lugar determinado y el grado de
contaminación es relativamente constaste (Colín, 2007). Dependiendo de sus
características pueden ser fuentes fijas de área o fuentes fijas puntuales. Las fuentes
fijas son de área cuando se trata de un conjunto numeroso de fuentes en una misma
zona. La generación de emisiones de las fuentes de área durante el día sigue un
perfil y depende de los horarios de operación de servios y comercios.
Las fuentes de área son las principales generadoras de compuestos orgánicos
totales, por orden de abundancia: olefinas, aromáticos y parafinas, así como una
pequeña mezcla de compuestos halogenados y especies oxigenadas. Aportan el
23% de la contaminación atmosférica al año (SMA-GDF, 2010c).
Las fuentes fijas puntuales son estacionarias, únicas y fácilmente
identificables. Se define como toda instalación en la que se desarrollan procesos
industriales, comerciales, de servicios o, en general, actividades que generen o
puedan generar contaminantes de la atmósfera (Comisión Ambiental Metropolitana,

2011). En la ZMVM se tienen registradas más de 5,146 unidades industriales,
consideradas como fuentes puntuales y la contaminación generada por estas
corresponde al 6% de la contaminación atmosférica anual (SMA-GDF, 2010c).
Por otro lado, las fuentes móviles. Se caracterizan por desplazarse de un lugar
a otro y por lo tanto contaminar a lo largo de su recorrido. La concentración de los
contaminantes de una fuente móvil cambia constantemente. A continuación (Tabla
1.2) se muestra la distribución de contaminantes de acuerdo al tipo de fuente donde
se destaca que las fuentes móviles emiten el mayor porcentaje de PM2.5, CO, NOX,
además de un número importante de SO2 y COV:
Tabla 1.2 Inventario de emisiones anuales de la ZMVM, 2008.
Sector
Emisiones
PM10 PM2.5 SO2 CO

(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
Fuentes
puntuales
4986 20.5 859 15.6 3375 50.3 6961 0.4
Fuentes de
área
14678 60.4 1643 29.5 23 0.3 9263 0.6
Fuentes
móviles
3902 16.1 2849 51.8 3306 49.3 1552204 99.01
Vegetación
y suelos
730 3.0 148 2.7 NA NA NA NA
Total 24296 100 5499 100 6704 100 1568428 100
Nota: Tomada del Inventario de Emisiones de Contaminantes Criterio de la ZMVM, 2008.

Tabla 1.2 Continuación.
Sector
Emisiones
NOX COT COV NH3

(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
(Ton/
año)
(%)
Fuentes
puntuales
20094 10.7 134201 14.2 129178 21.8 181 0.9
Fuentes de
área
12043 6.4 581729 61.4 241252 40.8 15798 75.3
Fuentes
móviles
154919 82.4 195218 20.6 185384 31.3 4798 23.8
Vegetación
y suelos
1031 0.5 35585 3.5 35585 6.0 NA NA
Total 188087 100 949733 100 591399 100 20177 100
Nota: Tomada del Inventario de Emisiones de Contaminantes Criterio de la ZMVM, 2008.
Los vehículos automotores o de combustión interna, son las fuentesmóviles
más representativas. En la ZMVM se estima que hay más de 4.5 millones de
vehículos, de los cuales el 93% corresponde a autos particulares y de servicio,
mientras que 7% es transporte de carga. Por el tipo de combustible empleado se
puede entender la composición de contaminantes emitida por esta fuente. El 95% de
los automóviles en la ZMVM utiliza gasolina, el 4% diésel y el resto gas licuado de
petróleo (GLP) y en menor medida gas natural comprimido (GNC) (SMA-GDF,
2010a). El CO2 se forma principalmente de la combustión en motores de automóviles
(Tabla 1.3).
Tabla 1.3 Emisiones de GEI en la ZMVM, 2008.
Sector
Emisiones de GEI (Ton/año)
CO2 CH4 N2O
Industrial 17,434,665 451 72
Comercial-servicios 1,099,550 24 2
Habitacional 4,686,980 141 7
Transporte carretero 22,290,505 3,080 1,411
Otras fuentes 889,249 287,501 27
Total 46,397,949 291,197 1,519
Nota: Tomada del Inventario de emisiones de gases de efecto invernadero de la ZMVM, 2008.

Para el control de emisiones, los modelos de autos a gasolina desarrollados a
partir de 1991 cuentan con convertidores catalíticos de dos vías, que reducen
emisiones de hidrocarburos y CO, y de tres vías (1993) que reduce además óxidos
de nitrógeno. A partir de 2001 los modelos de autos presentan sistemas de
computadora a bordo (OBD II) y sensores de oxígeno. Los modelos a partir de 1993
corresponden aproximadamente al 81% de la flota vehicular (Ver Figura 1.1) y
aunque se consideran los menos contaminantes por sus sofisticados sistemas de
control de emisiones, generan el 52% de los COV y el 74% de los NOX de las fuentes
móviles, a diferencia de los modelos anteriores a 1990 que son el 14% y contribuyen
con el 38% de los COV y el 16% de NOX (SMA-GDF, 2010a).

Figura 1.1 Flota vehicular a gasolina en la ZMVM por año-modelo y tecnología. Tomada de
SEMA-GDF, 2010a.
Respecto a las unidades a diésel, cerca del 62% (Ver Figura 1.2) son
vehículos con adecuaciones mecánicas de los motores para cumplir con estándares
de emisiones como los EPA 94, 98 y 2004, a pesar de que existen normas más
estrictas como las EPA 2007 y 2010 y las EURO IV, V y VI.

Figura 1.2 Flota vehicular a diésel en la ZMVM por año-modelo y tecnología. Tomada de SMA-
GDF, 2010a.
1.2.1 Vehículos de combustión interna.
Los vehículos de combustión interna, usan determinado tipo de combustible
dependiendo del tipo de motor que poseen, así, se dividen en dos grandes grupos:
motores de ciclo Otto o de encendido por chispa y motores de ciclo diésel o de
encendido por compresión. Aunque sus principios de funcionamiento son diferentes,
su esquema y la nomenclatura de sus partes esenciales son semejantes.
Estos motores realizan la transformación de energía calorífica en mecánica en
cuatro tiempos, durante los cuales un pistón se desplaza desde el nivel más alto que
podrá alcanzar en su recorrido por el interior de un cilindro, llamado punto muerto
superior (PMS), hasta el nivel más bajo que podrá alcanzar en este mismo, llamado
punto muerto inferior (PMI), y con esto queda efectuado una carrera o
desplazamiento de su ciclo (Villalba, 2010).
Gracias a un sistema biela-manivela, el movimiento lineal del pistón es
transformado en movimiento de rotación del cigüeñal (lugar donde se encuentran
conectadas todas las bielas del motor y se encarga de transferir la energía a la caja

de cambios del motor), realizando este dos vueltas completas en cada uno de sus
ciclos.
Los cuatro tiempos de trabajo de los motores de combustión interna son:
Admisión, Compresión, Explosión y Escape. Los motores no funcionan de acuerdo a
un ciclo termodinámico, pero el concepto de ciclo es útil para mostrar los efectos de
los cambios de condiciones de operación, para indicar el rendimiento máximo y para
comparar un tipo de motor respecto a otro (Obert, 1992). Los ciclos termodinámicos
de los motores de ciclo Otto y diésel, se presenta en el ANEXO A.
1.2.1.1 Vehículos de motor tipo ciclo Otto.
Este motor es el más empleado en la actualidad. A continuación se describe
su funcionamiento teórico:
Primer tiempo: Admisión. Al iniciar este tiempo instantáneamente se abre la
válvula de admisión y el pistón baja desde el PMS hasta el PMI arrastrado por la
inercia del cigüeñal, debido al vacío interno que crea el pistón en su desplazamiento,
se aspira una mezcla de aire y combustible (gasolina), que pasa a través del espacio
libre que deja la válvula de aspiración para llenar la totalidad del cilindro (De Castro,
1987). Esta etapa finaliza cuando el pistón alcanza el PMI e instantáneamente se
cierra la válvula de admisión, en todo este tiempo la válvula de escape permaneció
cerrada. El cigüeñal ha girado media vuelta (Villalba, 2010).
Segundo tiempo: Compresión. En esta etapa el pistón efectúa su segunda
carrera y se desplaza desde el PMI al PMS. Durante esta fase las válvulas de
admisión y escape permanecen cerradas. El pistón empieza a comprimir la mezcla,
generando un aumento de presión y temperatura. Con respecto a la temperatura, por
ejemplo si la mezcla entro a 18°C temperatura ambiente, puede aumentar hasta
300°C, y si la presión se encontraba a 1 atm o 1 bar puede alcanzar presiones que
van desde 10 a 15 bar cuando el pistón llegue al PMS (De Castro, 1987).

Tercer tiempo: Explosión. Al alcanzar la mezcla la máxima compresión (en
el PMS), entre los electrodos de una bujía, salta una chispa eléctrica en el interior de
la cámara de combustión que produce la ignición de la mezcla del combustible y el
aire, semejante a una explosión, lanzando de forma brusca el pistón hacia abajo. En
este instante aumenta la presión alcanzando valores entre los 40 y 60 bar, la
temperatura también aumenta considerablemente. En este tiempo, ambas válvulas
permanecen cerradas, hasta que el pistón alcanza el PMI, que es cuando se abre la
válvula de escape (Villalba, 2010).
Cuarto tiempo: Escape. En este tiempo el pistón realiza su cuarta carrera o
desplazamiento desde el PMI al PMS. Al principio de esta etapa se abre la válvula de
escape. Los gases de la combustión escapan al exterior, por lo que la presión y la
temperatura bajan bruscamente a volumen constante. El calor se libera en esta
etapa, así que la temperatura bajará igualándose con la atmosférica. Inmediatamente
después comienza a subir el pistón a presión constante (atmosférica) empujando los
gases remanentes que encuentre a su paso y expulsándolos al exterior. Este tiempo
finaliza cuando el pistón alcanza el PMS y llegado a él, se cierra la válvula de escape
y se abre la válvula de admisión. El ciclo vuelve a empezar (Villalba, 2010).
En la Figura 1.3 se muestran esquemáticamente los cuatro tiempos del motor
tipo ciclo Otto, así como se ilustran algunas de sus partes.

Figura 1.3 Esquema del funcionamiento del motor tipo ciclo Otto. Elaboración propia.
1.2.1.2 Vehículos de motor tipo Diésel.
El motor diésel de cuatro tiempos tiene una estructura semejante a los
motores de explosión, salvo por ciertas características particulares. Al tercer tiempo,
el de trabajo, se le llama combustión, porque la forma en que se produce el quemado
tiene características especiales (De Castro, 1987).
Primer tiempo: Admisión. En este primer tiempo el pistón efectúa su primera
carrera o desplazamiento desde el PMS al PMI, aspirando sólo aire de la atmósfera,
debidamente purificado a través de un filtro. El aire pasa por el colector e
instantáneamente se abre la válvula de admisión con objeto de llenar todo el
volumen del cilindro (Torres, 2009). Cuando llega al PMI el cilindro está lleno de aire
a la presión de casi una atmósfera aproximadamente y a la temperatura ambiente y

la válvula de admisión se cierra instantáneamente. La válvula de escape ha
permanecido cerrada todo este tiempo (Dominguez et al., 2008).
Segundo tiempo: Compresión.En este segundo tiempo y con las dos
válvulas completamente cerradas el pistón comprime el aire a gran presión. Al ser
solamente aire se puede comprimir a mayor relación volumétrica a diferencia del
motor de gasolina (De Castro, 1987). La presión alcanzada en el interior de la
cámara de combustión se encuentra entre los 30 y 50 bar, por lo que mantiene la
temperatura del aire por encima de los 600 °C, superior al punto de inflamación del
combustible (Torres, 2009).
Tercer tiempo: Combustión. Al final de la compresión con el pistón en el
PMS se inyecta el combustible en el interior del cilindro, en una cantidad que es
regulada por la bomba de inyección. Como la presión en el interior del cilindro es
muy elevada, la inyección del combustible debe realizarse a una presión muy
superior, entre 150 y 300 atmósferas (Torres, 2009).
Casi inmediatamente después de la inyección se produce el encendido
espontáneo del combustible dado que el aire comprimido se encuentra a 600 °C (el
punto de encendido del combustible se encuentra a 280 °C), con esto la presión
también aumenta en la cámara llegando a niveles entre 60 y 90 bar al igual que
también se presentara un aumento considerable en la temperatura (De Castro,
1987).
Por último, los gases se expanden y empujan el émbolo (pistón) hacia el PMI,
transmitiéndole una fuerza a través de la biela que actúa sobre el cigüeñal dándole
un nuevo impulso de rotación. Esta es la carrera de trabajo del motor (Dominguez et
al., 2008).
Cuarto tiempo: Escape. Después del PMI el émbolo se dirige de nuevo hacia
el PMS expulsando los gases a través de la válvula de escape, que se ha abierto
poco antes de que termine la carrera de expansión. La válvula de admisión

permanece cerrada, al llegar el émbolo del PMS empezará un nuevo ciclo
(Dominguez et al., 2008).
En la Figura 1.4 podemos observar el esquema de funcionamiento de los
cuatro tiempos presentes en el motor diésel.

Figura 1.4 Esquema del funcionamiento del Motor tipo Diésel. Elaboración propia.
1.2.1.3 Comparación entre el Motor Diésel y el de Gasolina.
Al comparar los ciclos termodinámicos de ambos motores el resultado es que
el motor diésel cuenta con particularidades y otras consideraciones puramente
termodinámicas (calores específicos de los gases presentes en el cilindro) que
permiten explicar que los motores diésel presentan generalmente muy buenos
rendimientos (Wauquier, 2004).

La comparación entre el motor diésel y el de gasolina puede hacerse desde
diversos ángulos. A continuación se mostraran los principales factores de
comparación de acuerdo con De Castro (1987), Wauquier (2004), Villalba (2010),
Torres (2009) y Ralbousky (2000):
Economía de Consumo. El motor diésel tiene un mejor aprovechamiento del
ciclo térmico, a igualdad de potencia, el consumo de combustible es menor. La
relación de mezcla aire/combustible, la relación de compresión y las menores
pérdidas por bombeo, son los principales factores en el bajo consumo de
combustible en los motores diésel. El precio de la gasolina suele ser, en muchos
países, del orden de un 45% más cara que el precio del diésel. El vehículo de motor
diésel puede hacer, con el mismo precio, el doble de kilometraje que puede hacer un
vehículo con motor de gasolina.
Aceleración. Los motores de gasolina presentan mejor aceleración que los
vehículos con motor diésel, debido a que presenta una amplia gama de revoluciones
por minuto (RPM), los motores diésel no desarrollan grandes velocidades debido a
que tarda más en quemarse el combustible.
Fiabilidad. El motor diésel es más robusto que el motor de gasolina, pero, por
generar en su interior presiones muy altas sus piezas y accesorios están fabricados
con mayor precisión, esto hace que los motores diésel estén exentos de averías
durante más kilómetros que los motores de gasolina. Esta robusta estructura de los
motores diésel les permite resistir la rápida liberación de energía en el momento de la
auto inflamación. Puede afirmarse que la duración de un motor diésel puede llegar a
ser el doble que la duración natural de un motor de gasolina.
Ruido. Uno de los defectos en los que se ha distinguido el motor diésel es en
la producción de ruidos que son consecuencia de los altos valores de trabajo
derivados de su ciclo y de la robustez física que presenta.
Potencia. La regulación de la potencia en los motores diésel se efectúa
ajustando el consumo de combustible introducido en un volumen fijo de aire. Da la

impresión de que el motor diésel tiene más potencia, esto se debe a que requiere un
uso menos frecuente de los cambios de velocidad.
Precio de Adquisición. El motor diésel resulta más caro de adquirir que el de
gasolina, y no solamente por el tamaño que las piezas requieren, sino también por la
precisión que exige a todos aquellos elementos que han de trabajar a tan elevadas
presiones. Aunque hay que tener en cuenta que el combustible diésel es mucho más
barato que la gasolina.
Contaminación atmosférica. En el motor diésel la inyección de combustible
puede brindar una pequeña cantidad de combustible o una gran cantidad del mismo,
el aire que existe en el interior es siempre el mismo. Esta facultad hace que el motor
diésel trabaje con un exceso de aire, provocando una combustión más completa de
lo que ocurre en el motor de gasolina. El diésel no tiene los resultados nocivos que
presenta la combustión incompleta del motor de gasolina.
Riesgo de incendio. En los motores de gasolina se da la posibilidad del
incendio por la fácil inflamación que la gasolina presenta a temperatura ambiente. El
diésel resulta mucho menos volátil que la gasolina, y sus vapores necesitan alcanzar
por lo menos los 80 °C para que se presente la inflamación.
Actualmente los fabricantes de automóviles han mejorado los motores diésel
en cuestiones ambientales y de rendimiento, con el fin de que sean más
comercializados. Así que “las ventajas básicas del motor diésel son: menor riesgo de
incendio, bajo consumo de combustible (mayor eficiencia térmica), menores niveles
de emisión de gases y mayor duración” (Ralbousky, 2000).
1.3 Diésel.
El diésel, también llamado gasóleo, es un combustible hidrocarburo, derivado
de la destilación atmosférica del petróleo como una mezcla de hidrocarburos dentro
de un intervalo de ebullición de 180 a 370 °C (carbonos C11-C22 parafínicos,
olefínicos, nafténicos y aromáticos). Se consume principalmente en maquinas de

combustión interna de alto aprovechamiento de energía, con elevado rendimiento y
eficiencia mecánica (motores diésel), tales como camiones de carga de servicio
ligero y pesado, autobuses de servicio urbano y de transporte foráneo, locomotoras,
embarcaciones, maquinaria agrícola, industrial y de la construcción (Pemex-
Refinación, 2006).
Las características de calidad así como los contaminantes presentes en el
combustible diésel, dependen directamente de las propiedades naturales del petróleo
crudo de donde se obtiene.
La destilación del crudo separa los diferentes componentes en un número de
flujos de refinación intermedios (conocidos como fracciones de crudo o cortes), que
se caracterizan por sus puntos de ebullición (una medida de su volatilidad, o
propensión a evaporarse) y están compuestos por cientos o miles de distintos
compuestos de hidrocarburo, todos los cuales tienen puntos de ebullición dentro del
rango de corte. Estas fracciones incluyen gases livianos, naftas, querosenos,
gasóleos y aceites residuales (ICCT, 2011), como se muestra en la Figura 1.5.

DESTILACIÓN
ATMOSFÉRICA
DESTILACIÓN
ATMOSFÉRICA
CrudoCrudo
GasesGases
Residuo AtmosféricoResiduo Atmosférico
NaftaNafta
QuerosinaQuerosina
Gasóleo Ligero PrimarioGasóleo Ligero Primario
Gasóleo Ligero PesadoGasóleo Ligero Pesado
Gasóleo Pesado de VacíoGasóleo Pesado de Vacío
AsfaltosAsfaltosDESTILACIÓN
AL VACÍO
DESTILACIÓN
AL VACÍO
Aceites LubricantesAceites Lubricantes

Figura 1.5 Esquema típico de la destilación del petróleo crudo. Elaboración propia con
información de Ceruti (2002a) y Leiva et al. (2006).
La destilación primaria o a presión atmosférica es el primer tratamiento a que
se somete el crudo después de su extracción y, desalado con el fin de eliminar las
sales del crudo y así reducir la corrosión y el ensuciamiento (Wauquier, 2004).
Las fracciones mas ligeras, incluyendo gasolinas y gas LP, vaporizan y suben
hasta la parte superior de la torre donde se condensan. Los líquidos medianamente
pesados, como el queroseno y la fracción diésel, se quedan en la parte media. Los
líquidos mas pesados y los gasóleos ligeros primarios, se separan más abajo,
mientras que los mas pesados en el fondo.
En las refinerías las unidades de destilación atmosférica están relacionadas
con la destilación al vacío, para hacer económica la operación global (Ceruti, 2002a).
Las operaciones industriales de destilación siguen el mismo esquema tal como se
muestra en la Figura 1.5.

Cada una de estas fracciones pasa por un proceso de refinación diferente
para continuar su procesamiento. Antes de su distribución comercial, el diésel o
gasóleo ligero primario se somete a un hidrotratamiento catalítico con el fin de reducir
la concentración de contaminantes tales como azufre, nitrógeno, olefinas, etc.
(Marroquín, 1999).
1.3.1 Propiedades.
Índice de cetano. El índice de cetano es la medida de la calidad de ignición y
capacidad antidetonante del diésel y es un indicativo del grado de eficiencia de la
combustión de este energético en el motor, de forma tal que se produzca la máxima
cantidad de energía aprovechable (Pemex-Refinación, 2006). La propiedad deseable
en las gasolinas es la de resistir la autoignición pero para el diésel la propiedad
deseable es la autoignición. La escala se basa en las características de ignición de
dos hidrocarburos (Leiva et al., 2006):
Cetano (n-hexadecano)
CH3 CH3
y Heptametilnonano
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
El n-hexadecano tiene un periodo corto de retardo durante la ignición y se le
asigna un cetano de 100; el heptametilnonano tiene un periodo largo de retardo y se
le ha asignado un cetano de 15. EL índice de cetano es equivalente al porcentaje por
volumen del cetano en la mezcla con heptametilnonano, la cual se compara con la
calidad de ignición del combustible prueba (ASTM D-613). Los motores se diseñan
para utilizar índices de cetano de entre 40 y 55, debajo de 38 se incrementa

rápidamente el retardo de la ignición (Leiva et al., 2006), lo cual ocasiona ruidos en el
motor (cascabeleo o golpeteo) cuando el combustible acumulado se inflama
aumentando la presión súbitamente (Domínguez et. al, 2008).
Un alto índice de cetano, por tanto, significa buenas cualidades de ignición del
combustible diésel lo cual colabora a evitar depósitos de carbón y lacas, buen
arranque en frió, poco golpeteo o dureza de marcha y funcionamiento regular y
suave. No obstante cuando el índice de cetano toma valores de 80-90 disminuye la
velocidad de propagación de la llama, el combustible arde lentamente, no terminando
de quemarse antes de la apertura de las válvulas de escape (Ceruti, 2002b).
El índice de cetano en el diésel se incrementa a medida que aumenta la
longitud de la cadena, pero debemos considerar que también aumenta el punto de
congelación, que para el cetano es de 19 °C. Puede decirse que los hidrocarburos
parafínicos tienen alto índice de cetano, los hidrocarburos puros, olefinas y naftenos
tiene intermedio y los aromáticos, bajo (Ceruti, 2002b). La adición de alrededor de
0.5 por ciento de aditivos mejoradores de cetano incrementan el cetano en 10
unidades. Estos pueden estar formulados por alquilnitratos, amil nitratos primarios o
peróxidos que contienen nitrógeno y tienden a aumentar las emisiones de NOx
(Leiva et al., 2006; Sterling, 2009).
Punto de inflamación. Es “la temperatura a la cual el vapor que se desprende
inflamara en presencia de llama bajo las condiciones de ensayo”. No es necesario
que la combustión se mantenga, es suficiente que se vea la deflagración. Si se
continua calentando los vapores producidos alcanzaran a mantener la llama, a esa
temperatura se le denomina punto de combustión. Tanto el punto de inflamación
como el de combustión son especificaciones que dan la seguridad en el manejo de
los combustibles (Ceruti, 2002b).
Poder calorífico. Es una medida de la energía disponible en el combustible,
tratándose de poder calorífico superior a volumen constante al especificado en los
combustibles.

Azufre. Otro parámetro importante es el contenido de azufre, en la destilación
directa del petróleo, como regla general, el 60% del azufre del crudo se queda en el
gasóleo (Ceruti, 2002b). Su efecto se manifiesta en el desgaste excesivo de los
cilindros por la formación de ácidos en el aceite lubricante y contribuye a las
emisiones de SO2 y SO3 los cuales son precursores de partículas secundarias y de
lluvia ácida (Domínguez et al., 2008; González, 1996).
La correlación del contenido de azufre en el diésel con las emisiones de
partículas y el SO2 esta claramente establecida. La reducción del límite de azufre en
el diésel a 0.05 por ciento es una tendencia mundial tal como se muestra en la Tabla
1.4. El gasóleo de bajo contenido de azufre se prepara por procesos de
hidrogenación (Martínez, 2001).
Tabla 1.4 Adopción de las especificaciones de diésel de bajo azufre.
País
Fecha de
implantación
Suecia Enero de 1991
Dinamarca Julio de 1992
Finlandia Julio de 1993
EUA (Inc. California) Octubre de 1993
Suiza Enero de 1994
Noruega Enero de 1994
Canadá Octubre de 1994
México (ZMVM) Octubre de 1993
Austria Octubre de 1995
Taiwán Enero de 1997
Japón Mayo de 1997
Corea del Sur Enero de 1998
Tailandia Enero de 2000
Nota: Tomada de Leiva et al. (2006)
Densidad y Viscosidad. La inyección de diésel en el motor, esta controlada
por volumen o por tiempo de la válvula de solenoide. Las variaciones en la densidad
y viscosidad del combustible resultan en variaciones en la potencia del motor y,
consecuentemente, en las emisiones y el consumo debido a fugas en la bomba de
inyección y en el inyector. Si la viscosidad es demasiado elevada, dificulta la

sedimentación de las partículas extrañas, que se mantiene en suspensión
aumentando los problemas de desgaste (Ceruti, 2002b).
Se ha encontrado, además, que la densidad influye en el tiempo de inyección
de los equipos de inyección controlados mecánicamente y da idea del contenido en
energía del combustible. Mayores densidades indican mayor energía térmica y una
economía de combustible mejor (Leiva et al., 2006; Ciria, 2004).
Aromáticos. Los aromáticos son moléculas del combustible que contiene al
menos un anillo de benceno. El contenido de aromáticos afecta la combustión, la
formación de material particulado y las emisiones de hidrocarburos poliaromáticos.
Influye además, en la temperatura de la flama y, por lo tanto, en las emisiones de
NOX durante la combustión (Pemex-Refinación, 2006).
Lubricidad. Las bombas de diésel, a falta de un sistema de lubricación
externa, dependen de las propiedades lubricantes del diésel para asegurar una
operación apropiada. Se piensa que los componentes lubricantes del diésel son los
hidrocarburos más pesados y las sustancias polares.
Los procesos de refinación para remover el azufre del diésel tienden a reducir
los componentes del combustible que proveen de lubricidad natural. A medida que se
reducen los niveles de azufre, el riesgo de una lubricidad inadecuada aumenta (Leiva
et al., 2006).
El diésel comercializado en México, producido por Pemex-refinación, ha
venido reduciendo gradualmente los niveles de azufredesde 0.5 a un promedio de
0.03% peso, un contenido de aromáticos de 30% vol. máximo y un número de cetano
desde 52 hasta 55, superando esta ultima especificación del combustible al
producido en otros países. El alto número de cetano del combustible se debe a la
naturaleza del crudo mexicano por lo que no se requiere de ningún aditivo para
mejorar su calidad (Pemex-Franquicia, 2006).

Tabla 1.5 Especificaciones resultados promedio.

Pemex
Diesel
EUA
Prom.
EUA
Carb.
Canadá Alemania Japón 3
Azufre, % P Máx. 0.021 0.03 0.02 0.027 0.03 0.03
No. de Cetano min. 53 46 48.2 44 50.6 53
Viscosidad
Cinemática @40°C
CST
3.0 2.5 2.0 2.58 3.0
Densidad 0.83 0.820-0.860
Aromáticos 22 37 23
Nota: Tomada de Leiva et al. (2006). Diesel Fuel oils, oct. 98, NIPER-207 PPS 98/5 worldwide
1998, Winter Diesel Fuel Quality Survey, Paramins 1-Invierno.
Se estimo que para el periodo de 1990-2010 la demanda nacional se
incrementaría con una tasa promedio anual de 4.4% lo que equivale a 482,000
barriles por día. (Pemex-Franquicia, 2006).
En el 2007 la producción de diésel fue de 334 barriles diarios, 1.8% superior a
la del 2006. Esto es, de la elaboración de productos de refinerías el 30%
correspondió a la producción de gasolinas, el 22% a producción de diésel y el 20% a
producción de combustóleo (SENER, 2008).
Las consecuencias del gran incremento del consumo de combustible diésel,
son los problemas de contaminación ambiental originados por las partículas
generadas durante su combustión, entre las que se encuentran el dióxido de azufre,
óxidos de nitrógeno, hidrocarburos no quemados, óxidos de carbono y material
particulado (Martínez, 2001).
1.3.2 Proceso de producción.
Como ya se ha mencionado, a partir del proceso de destilación del petróleo se
obtiene la fracción de gasóleo C11-C22 precursor del diésel comercial.
Dentro de las torres de destilación las condiciones de operación pueden
ajustarse para procesar un amplio intervalo de alimentaciones, desde crudos ligeros
hasta pesados. Las fracciones del petróleo se separan de acuerdo a su punto de
ebullición y peso molecular como se muestra en la Tabla1.6:

Tabla 1.6 Propiedades físicas de los productos del petróleo.
Productos
Rango de punto
de ebullición °C
Tipo de cadena
Gases <40 Alcanos (1-4 átomos de carbono)
Gasolina 40-205
Alcanos (5-12 átomos de carbono) y
cicloalcanos
Nafta 60-100 Alcanos (8-12 átomos de carbono)
Queroseno 175-325
Alcanos (10-18 átomos de carbono) y
aromáticos
Diésel 250-350
Alcanos (12-20 átomos de carbono)
aromáticos y cicloalcanos
Aceite Lubricante 300-370
Alcanos (20-50 átomos de carbono)
aromáticos y cicloalcanos
Fuelóleo Pesado 370-600
Alcanos (20-70 átomos de carbono)
aromáticos y cicloalcanos
Residuo >600
Compuestos de múltiples anillos (70
o mas átomos de carbono)
Nota: Tomada de Lay, L. M. (2007).
Las fracciones obtenidas se dirigen a procesos adicionales específicos como
los de hidrodesulfuración, reformación de naftas, desintegración catalítica y térmica y
reducción de viscosidad que dan origen a los productos petrolíferos que se
comercializan en el mercado: gasolina automotriz, diésel, combustóleo, turbosina y
coque de petróleo (SENER, 2008).
Las naftas por lo general son enviadas a las unidades de mejoramiento (para
mejorar el octano, controlar el azufre, etc.) y luego a la mezcla de combustibles. Los
destilados, incluido el queroseno, por lo general atraviesan más tratamientos y luego
se incorporan al combustible pesado, diésel y gasóleo de calefacción. El gasóleo
pasa por las unidades de conversión, donde se fraccionan en flujos más livianos
(gasolinas, destilados). Finalmente, el aceite residual (o residuos) es dirigido a otras
unidades de conversión a productos livianos más valiosos (gasolinas, combustible
pesado, combustible diésel, etc.), o se mezcla con el combustible industrial pesado
y/o asfalto (ICCT, 2011).
Las transformaciones físicas y químicas que experimenta el crudo en una
refinería a través de los procesos mencionados, son llevados a cabo en una
instalación o unidad de proceso diferente y se pueden clasificar como: procesos de

destilación, de conversión (craqueo), de mejoramiento (reformado), de tratamiento,
de separación, de mezclado y de servicio general y operaciones de soporte (ICCT,
2011).
El diésel se manufactura, en muchos casos a partir de mezclas de gasóleos
con querosenos, y aceite cíclico ligero, el cual es producto del proceso de
desintegración catalítica fluida (FCC). El proceso de fabricación de diésel es muy
complejo ya que comprende escoger y mezclar diferentes fracciones de petróleo
para cumplir especificaciones precisas (Leiva et al., 2006).
Los componentes del combustible diésel, además de los de la destilación
directa pueden ser los siguientes:
Destilado medio de craqueo térmico y catalítico: corte en el rango de
destilación de la torre fraccionadora de craqueo. Puede ser un componente de
mezcla para el diésel, dependiendo de la estabilidad química que le confiere al
producto terminado. Por su composición química tiene bajo número de cetano.
Productos hidrogenados: cortes hidrogenados en unidades de alta
tecnología, que les confieren la estabilidad y el alto número de cetano propios de los
hidrocarburos parafínicos.
Destilados pesados de craqueo (térmico o catalítico): cortes de mayor
punto de ebullición que el corte de diésel típico, tomados platos debajo de este. En
general son utilizados como diluyentes de la viscosidad del fuel oil que se fabrica,
siendo así mismo componente de mezcla del diésel (Ceruti, 2002b).
En cuanto a la tecnología de tratamiento para la modificación de las
propiedades del combustible diésel, el proceso mas versátil que se dispone para
cumplir con las nuevas especificaciones de calidad del diésel, es el proceso de
tratamiento catalítico con hidrógeno o hidrotratamiento catalítico (Martínez, 2001).
Los procesos de hidrotratamiento provocan reacciones químicas que extraen
los heteroátomos (por ejemplo, azufre, nitrógeno, metales pesados) y/o ciertos

compuestos específicos (ICCT, 2011). Las cargas son productos de la destilación
primaria, gasóleos de vacío y ciertos productos de conversión procedentes de las
unidades de craqueo catalítico, de viscorreducción y de conversión de residuos
(Wauquier, 2004).
El tratamiento catalítico con hidrógeno o hidrotratamiento catalítico (HDT), esta
basado en el principio de hidrogenación de fracciones del petróleo en presencia de
un catalizador selectivo-activo y bajo condiciones adecuadas de operación, para la
remoción de contaminantes como azufre, nitrógeno, oxígeno y saturación de
compuestos olefinicos y aromáticos. El hidrógeno utilizado es indispensable para
mantener una presión parcial en el sistema de reacción, saturar los hidrocarburos y
separar fácilmente de los flujos de refinación las impurezas que se han removido de
las moléculas (Marroquín, 1999; ICCT, 2011).
El hidrotratamiento tiene diversas formas y grados de severidad. El
hidrotratamiento profundo que se realiza a altas condiciones de operación
(temperatura, presión y concentración de hidrógeno), y a menudo implica también
algún hidrocraqueo incidental, se denomina hidrorefinación. Este procedimiento
realizado a bajas condiciones se utiliza para modificar ciertas características de los
productos de especialidad refinados (por ejemplo, diferentes propiedades de aceites
lubricantes) para cumplir las especificaciones y con frecuencia se denomina
hidroacabado (ICCT, 2011).
Principalmente, el hidrotratamiento se usa para cumplir las especificaciones
del producto refinado y proteger los catalizadores, de la desactivación ocasionada
por el contacto prolongado con heteroátomos. Estas operaciones tiene diferentes
cargas: el petróleo crudo, flujos de refinería intermediosy componentes de mezcla,
que cumplen diferentes propósitos. Algunos ejemplos son los siguientes:
Hidrotratadores de nafta en los reformadores catalíticos: para un
pretratamiento de la misma que reduce el contenido de azufre, nitrógeno y metales,
de la carga del reformador a menos de 1 ppm, para proteger el catalizador del

reformador. Algunos reformadores también tienen hidrotratadores posteriores
(unidades de saturación del benceno) para extraer el benceno reformado (Wauquier,
2004).
Carga al proceso FCC proveniente de hidrotratadores, así como
hidrotratadores de los productos obtenidos: estos equipos reducen las emisiones
de óxidos de azufre del proceso, protegen el catalizador de la contaminación por
nitrógeno y metales, mejoran los rendimientos del craqueo y extraen el mayor
contenido de azufre de los productos (nafta de FCC, una importante mezcla de
componentes de gasolina y diésel).
Los hidrotratadores de destilados intermedios (queroseno, turbosina y
diésel): eliminan azufre, nitrógeno y saturan olefinas y aromáticos, de las mezclas de
componentes de combustible destilado individual o las mezclas de las mismas, como
así también otros flujos de refinación, para cumplir con las especificaciones sobre el
contenido de azufre de aromáticos y de la cantidad de cetano final en los productos
terminados (ICCT, 2011).
Aceites lubricantes, residuos atmosférico y de vacío: para mejorar su
índice de viscosidad, color, estabilidad y reducir el número de acidez y el azufre en
combustibles (Marroquín, 1999).
Las condiciones de reacción para la hidrogenación dependen de la carga de
proceso y los productos que se desean obtener. Las variables más importantes son
la temperatura y la presión, relación hidrogeno/hidrocarburo (H2/HC), así como el tipo
de catalizador empelado (Ceruti, 2002a).
Con la temperatura aumentan las reacciones de hidrogenación, la presión
puede variar entre rangos muy amplios, llegando a los 100 Kg/cm2 o superiores. El
aumento del índice de cetano, así, como la reducción del contenido en olefinas y
aromáticos exige presiones parciales y consumos de hidrógeno mas elevados. Los
subproductos de dichos procesos son gases, H2S y algo de nafta. (Wauquier, 2004).

Los catalizadores más utilizados corresponden a metales tales como cobalto,
molibdeno, níquel o platino, combinados según las patentes de los fabricantes,
soportados en sílice-alúmina sintética. En la Figura 1.6 se esquematiza una unidad
típica de hidrogenación con recirculación de hidrógeno. El suministro de hidrógeno se
hace por medio de compresores de alta tecnología que lo aportan a la presión de
trabajo del proceso (Ceruti, 2002a)
Hidrógeno
Carga
Fresca
Horno
Reactor
Separador
Flash
Torre
Agotadora
Producto
Hidrogenado
Vapor
Hidrógeno de reciclo
Compresor
Gases C1 / C4 + SH2
Agua ácida

Figura 1.6 Diagrama del proceso de hidrogenación. Elaboración propia con información de
Ceruti (2002a).
Descripción del proceso de hidrogenación: El proceso de hidrotratamiento
consiste en la mezcla de alimentación fresca con hidrogeno de recirculación antes de
precalentarse y calentarse en un intercambiador de calor y en un horno,
respectivamente, a la temperatura de reacción a la cual opera el reactor, ver Figura
1.6. La alimentación fresca combinada con hidrógeno de recirculación entra por la
parte superior del reactor de lecho fijo. El hidrógeno, en presencia del catalizador,
reacciona exotéricamente con la alimentación para producir sulfuro de hidrógeno,
amoníaco, hidrocarburos saturados y metales libres. La mayoría de las reacciones de
hidrotratamiento se llevan a cabo por debajo de los 800 °F para minimizar el craqueo
(280 a 425 °C, presión en el intervalo de 28 a 170 kg/cm2) (Gary, 1994).

A excepción de los metales que permanecen en la superficie del catalizador,
todos los otros productos abandonan el reactor con la corriente de hidrógeno–aceite.
El efluente caliente del reactor se usa para intercambiar energía con la alimentación
en el precalentador, posteriormente pasa por uno o varios enfriadores, para luego
entrar a un separador flash donde; se separa una fase gaseosa, la cual será
principalmente hidrógeno que no reacciono para recircularlo al proceso inicial previo
mezclado con hidrógeno fresco de reposición y compresión. La fase líquida pasara a
la siguiente sección (torre agotadora) para su estabilización, donde se obtienen como
productos: en el fondo el combustible diésel con bajo contenido de azufre y en el
domo la nafta y gas amargo condensado que se manda a tratamiento (Aviles et al.,
2003; Rodríguez et al., 2008).
El proceso de hidrotratameinto catalítico requiere de alta presión parcial de
hidrógeno con el fin de promover altas velocidades de las reacciones involucradas y
disminuir el depósito de coque (carbón) sobre el catalizador. Para mantener la
presión parcial de hidrógeno es necesario reponer el hidrógeno que se consume
durante la reacción, por lo que es importante recuperar en el separador la cantidad
que no se consume y reciclarlo al proceso con la reposición requerida. Si la
recuperación no fuera posible, la economía del proceso seria muy cuestionable
(Marroquín, 1999).
Dentro del proceso de hidrotratamiento catalítico, las diversas reacciones que
se efectúan son las siguientes:
A) Hidrodesulfuración (HDS)
B) Hidrodenitrogenación (HDN)
C) Hidrodeoxigenación (HDO)
D) Hidrogenación de olefinas
E) Hidrogenación de aromáticos (HDA)

F) Hidrodesintegración
G) Hidrodemetalización
Las reacciones se llevan a cabo sobre la superficie del catalizador, sin
embargo, hay diferencias en la velocidad de remoción de azufre, nitrógeno y oxígeno
de la fracción donde están contenidas, la dificultad o facilidad de dicha remoción se
debe a la estructura química de la molécula donde se encuentra el heteroátomo, el
nitrógeno por lo general se localiza en compuestos heterocíclicos por lo que la HDN
es mas difícil que la HDS. La dificultad con que se eliminan los contaminantes es en
orden siguiente (Marroquín, 1999):
Compuestos azufrados < compuestos oxigenados < compuestos nitrogenados
1.4 Biodiésel.
Como ya se ha visto el sistema de transporte depende casi en su totalidad de
combustible fósil. Ello ha tenido como consecuencia la reducción de las reservas de
petróleo y el incremento de las emisiones de gases contaminantes.
Actualmente el 77% de la producción actual de combustibles en México
proviene de campos en declinación. A partir de 1979 México se convirtió en
exportador de petróleo gracias al descubrimiento y explotación del yacimiento
petrolero de Cantarell, sin embargo, Cantarell inició su proceso de declinación en el
año 2004 dándose a conocer que se agotaría dentro de 9.6 años. La búsqueda de
nuevos yacimientos, especialmente en aguas profundas, implica mayores costos de
extracción, complejidad tecnológica y mayores requerimientos de perforación.
(Pemex, 2008 en Padilla et al., 2011),
Por su parte Estados Unidos estableció que las reservas de petróleo a nivel
mundial durarían 41 años. Esta situación ha dado lugar a inestabilidad en el mercado
internacional y fluctuaciones en los precios de este producto (EIA, 2008 en

Avellaneda, 2010). Algunos países han desarrollado fuertes programas de
producción de combustibles alternativos al combustible fósil.
En México, la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos se plantea,
ante la inminente escasez de los hidrocarburos fósiles en el mundo y a la urgente
necesidad de producir combustibles menos agresivos a la atmósfera para contribuir a
la reducción de gases de efecto invernadero. Aprobada en abril de 2007, de acuerdo
con la Secretaría de Energía (SENER), su objetivo es “promover la producción de
insumos para Bioenergéticos, a partir de las actividades agropecuarias, forestales,
algas,procesos biotecnológicos y enzimáticos del campo mexicano, sin poner en
riesgo la seguridad y soberanía alimentaria del país” (Diario Oficial de la Federación,
2008 en González et al., 2008).
Los biocombustibles son insumos energéticos obtenidos a partir de procesar
materia orgánica, de origen reciente, derivada de procesos biológicos en animales y
vegetales. A esta materia se le conoce como biomasa y la energía contenida en ella
se denomina bioenergía (González et al., 2008).
Existen varios tipos de biocombustibles, pueden ser líquidos como el bioetanol
y el biodiésel, sólidos como la leña o gaseosos como el biogás. El principal uso de
los biocombustibles líquidos es para transporte, los principales son el biodiésel y el
bioetanol aunque mezclados con combustibles tradicionales (González et al., 2011).
Los biocombustibles se han clasificado en generaciones de acuerdo a los
insumos y los avances en la tecnología empleada para producirlos (Álvarez, 2009).
El biodiésel de primera generación representa el 85% de la producción global
de biocombustibles líquidos (González et al., 2011). Para su producción se emplean
recursos agrícolas con alto contenido en ácidos grasos, es decir, los aceites
obtenidos de partes de uso alimenticio de las plantas (soya, palma, girasol, piñón,
etc.) como granos y semillas. Estos insumos y otros como las grasas animales y
aceites de desecho provenientes de la cocción de alimentos, se someten a procesos
de transformación convencionales como la transesterificación (Álvarez, 2009).

La ASTM (American Society for Testing and Material) define al biodiésel de
primera generación de la siguiente manera: “son ésteres monoalquílicos de ácidos
grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites
vegetales, y que se emplean en los motores de ignición por compresión (motores
diésel)” (Torres, 2008).
Las ventajas de este biodiésel es su facilidad de procesamiento, sus bajas
emisiones y un balance positivo en dichas emisiones, pero tiene como desventaja el
desvío de recursos alimenticios hacia la producción de energéticos (Álvarez, 2009).
Las plantas alimentarías utilizadas para obtener biocombustibles impactan
directamente sobre el precio de los alimentos. El aumento en los precios de los
alimentos solo incitara cada vez mas la deforestación y el deterioro del medio
ambiente natural, y promover la reducción de la biodiversidad (Damien, 2010).
El biodiésel de segunda generación se produce a partir de biomasa que no
tienen usos alimentarios: pastos y arbustos perennes, especies oleaginosas no
comestibles y residuos agrícolas y/o forestales de biomasa lignocelulósica (Honty,
2010).
Este biocombustible se obtiene utilizando procesos mas complejos que los de
primera generación, entre ellos destaca el proceso Fischer-Tropsch (BTL “biomass to
liquids”) de donde se produce o puede producir, además de biodiésel, gas de síntesis
(mezcla de monóxido de carbono, e hidrógeno), biogasolina, 2, 5-dimetilfurano
(DMF), entre otros productos de refinería (Álvarez, 2009).
El combustible diésel obtenido a partir de la síntesis Fischer-Tropsch (FT)
usando gas de síntesis producido a partir de la biomasa lignocelulósica es
denominado biodiésel sintético (Rojas et al., 2011).
El biodiésel de segunda generación respecto al de primera, tiene ventajas
como son: a) la materia prima proviene de recursos no comestibles por lo que no
compite directamente con la producción de alimentos; b) esta materia prima puede

ser específicamente para propósitos energéticos; c) se incrementa la eficiencia en el
uso de la tierra al emplear tierras no aptas para cultivos alimentarios (FAO en
González et al., 2011)
Dentro de la tercera generación de biocombustibles se encuentra el biodiésel
elaborado a partir de la extracción de aceites de microalgas verdes. Estos insumos
no alimenticios, de crecimiento rápido y con una alta densidad energética, son
específicamente diseñados mediante procedimientos biotecnológicos y se les
denomina “cultivos energéticos”. Las tecnologías y procesos de producción se
encuentran a nivel planta piloto. (UNESCO, 2010).
A continuación se describen con más detalle los procesos actuales de
producción de biodiésel.
1.4.1 Procesos de producción.
El primer motor Diésel de la historia funcionaba con aceite de cacahuete. Su
creador, el inventor alemán Rudolf Diesel, lo presentó en la Exposición Universal de
París de 1900 como un “motor de aceite” y pretendía con él potenciar la agricultura
como fuente de energía (Cárdenas, 2006).
Diesel fue muy claro al señalar que “el motor diésel puede funcionar con
aceites vegetales, esto podría ayudar considerablemente al desarrollo de la
agricultura de los países que lo usen así”. Hacia 1912 afirmaría que “el uso de los
aceites vegetales como combustibles para los motores puede parecer insignificante
hoy en día, pero con el transcurso del tiempo puede ser tan importante como los
derivados del petróleo y el carbón en la actualidad”, (Shay, 1993 en Castro, 2007).
Durante la Segunda Guerra Mundial y ante la escasez de combustibles fósiles,
se hicieron algunas investigaciones en Brasil para obtener diésel de origen vegetal,
fue en 1970 que el biodiésel se desarrolló de forma significativa, a raíz de la crisis
energética que acaecía en el momento, y al elevado costo del petróleo (Bravo, 2007).

Las predicciones de Rudolf Diesel tomarían su tiempo para empezar a tomar
cuerpo y, en este lapso de, más o menos un siglo, los motores diésel evolucionarían
y se perfeccionarían utilizando fundamentalmente destilados medios de petróleo con
mucha menor viscosidad que los aceites vegetales. La principal razón por la que
actualmente no podríamos usar biocombustibles directamente en los motores es,
precisamente, su mayor viscosidad. La química proporciona una solución para
disminuir esta viscosidad: la Transesterificación (Castro, 2007). A continuación se
muestra un esquema general de la Transesterificación en la Figura 1.7:
Semillas
Oleaginosas
Pretratamientos: Lavado, Prensado.
Aceite Crudo
Refino del aceite:
Neutralización,
Desgomado, Blanqueo,
Descerado, Lavado,
Aceite Refinado
Filtrado
Transesterificación
CatalizadorAlcohol:
Metanol.
Metiléster bruto:
Mono, di, triglicéridos.
Ácidos grasos libres.
Alcohol
Lavado del
Metiléster
Alcohol
Ácidos grasos libres.
Mono, di, triglicéridos
Glicerina, Catalizador,
Jabón, Agua y Metanol.
Metiléster Lavado
Secado del
Metiléster
Biodiésel
Purificación del
agua glicerinosa
Jabón
Agua
Metanol
Glicerina
Destilación de la
Glicerina
Glicerina
destilada

Figura 1.7 Proceso de Transesterificación. Elaboración propia con información de Marcos et al.
(2008).

1.4.1.1 Transesterificación Homogénea.
Existen varios tipos de transesterificación para la producción de Biodiésel, la
más común es la homogénea, que se puede dividir en alcalina y ácida.
El proceso de transesterificación es el más simple para producir biodiésel de
primera generación, el cual como ya hemos mencionado con anterioridad, se obtiene
a partir de lípidos naturales como son los aceites vegetales o las grasas animales.
Los objetivos de la transesterificación son los de eliminar los glicéridos,
disminuir el punto de ebullición, de inflamación, punto de vertido (es la temperatura
más baja en la que se observa movilidad en el combustible) y viscosidad (Dorado,
2001).
Para producir el aceite, se tiene que extraer de la semilla cultivada, dejando
atrás harina de semilla que puede usarse como forraje animal. Luego, el aceite es
refinado y sometido a la transesterificación (Bernal, 2011).
La transesterificación consiste en la reacción de las tres cadenas de ácidos
grasos (cadenas ésteres) de cada molécula de triglicérido en el aceite, con un
alcohol (metanol/etanol) en presencia de