DiseAo-de-un-reactor-quAmico-para-la-obtenciAn-de-tolueno-por-deshidrogenaciAn-de-metilciclohexano

Vista previa del material en texto

Diseño de un reactor químico para la obtención 
de tolueno por deshidrogenación de 
metilciclohexano 
 
 
TESIS 
 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
 
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL 
 
 
PRESENTA 
 
Jessica Aimeé Gómez Quiroz 
 
 
ASESOR 
Dr. Román Ramírez López 
 
 
 Ciudad de México, Diciembre 2018 
 
 
 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA 
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
ii 
 
 
 
iii 
 
 
 
iv 
 
 
 
v 
 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
A MIS PADRES: SUSANA Y JAIME. 
Por el amor, la dedicación y la paciencia con la que cada día velaron por mi desarrollo 
personal así como profesional. Gracias por creer en mí, por impulsar mis sueños y por 
todas aquellas enseñanzas que me hacen ser la persona que soy hoy. Sé que no fue 
fácil, pero lo logramos. Hoy y siempre les dedicó todos mis logros, gracias por guiarme 
hasta aquí. 
 
A MIS HERMANOS: EDGAR Y GABY. 
Por su compañía, su amor y su amistad. Gracias por llegar a mi vida y llenarme de 
grandes enseñanzas, gracias por creer en mí, por estar cuando los necesito y por 
todas las aventuras tan divertidas que vivimos, espero algún día lograr ser un gran 
ejemplo para ustedes así como lo han sido para mí. 
 
A VICTOR. 
Gracias por acompañarme en cada aventura brindándome mucho amor y mucha más 
felicidad de la que podía imaginar, por ayudarme a no darme por vencida e 
impulsarme como nadie a terminar este proyecto, gracias por apoyarme siempre, por 
confiar en mí y estar siempre conmigo. 
 
AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Y LA ESIQIE. 
Por ser la institución que me permitió formarme como ingeniero químico industrial, a 
sus profesores por brindarme los conocimientos requeridos, en especial al Dr. Román 
Ramírez por asesorarme y guiarme en este proyecto para que se desarrollara con 
éxito. 
 
 
 
 
 
 
vi 
 
 
CONTENIDO 
 
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ ix 
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................. ix 
OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... x 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... x 
PROBLEMÁTICA ...................................................................................................... xi 
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... xi 
RESUMEN ................................................................................................................ xii 
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... xiii 
CAPÍTULO I. GENERALIDADES ............................................................................... 1 
I.1 ORÍGEN Y QUÍMICA DEL TOLUENO ................................................................................ 1 
I.2 PROPIEDADES FÍSICAS, TERMODINÁMICAS Y FISICOQUÍMICAS DE REACTIVOS 
Y PRODUCTOS .......................................................................................................................... 1 
I.2.1 Tolueno ............................................................................................................................... 1 
I.2.2 Metilciclohexano ............................................................................................................... 3 
I.3 PRINCIPALES FORMAS DE OBTENCIÓN DEL TOLUENO ........................................... 4 
I.3.1 Obtención de forma natural ............................................................................................ 5 
I.3.2 Obtención por fuentes artificiales ................................................................................. 5 
I.3.3 Obtención como subproducto y a nivel laboratorio. ................................................. 6 
I.3.4 Obtención mediante pirólisis. ........................................................................................ 6 
I.3.5 Obtención mediante el proceso de reformado catalítico. ........................................ 7 
I.4 USOS Y APLICACIONES ...................................................................................................10 
1.4.1 Usos y aplicaciones del tolueno .................................................................................10 
1.4.2 Usos y aplicaciones del metilciclohexano ................................................................10 
I.5 TOXICIDAD, RIESGOS Y RECOMENDACIONES DE REACTIVOS Y PRODUCTOS 11 
I.5.1 Metilciclohexano ..............................................................................................................12 
I.5.2 Hidrógeno .........................................................................................................................13 
I.5.3 Tolueno ..............................................................................................................................14 
I.6 IMPACTO AMBIENTAL Y SALUD .....................................................................................16 
I.7 IMPACTO ECONÓMICO .....................................................................................................18 
CAPÍTULO II. CINÉTICA QUÍMICA ......................................................................... 20 
II.1 CINÉTICA QUÍMICA ...........................................................................................................20 
 
vii 
 
II.1.2 Las reacciones químicas bajo diferentes criterios ..................................................21 
II.1.2.1 Cinética de las reacciones homogéneas ................................................................23 
II.1.3 Reacciones elementales y no elementales ...............................................................24 
II.1.4 Mecanismos de reacción ..............................................................................................25 
II.2 VELOCIDAD DE REACCIÓN ............................................................................................26 
II.2.1 Velocidad media .............................................................................................................26 
II.2.2 Velocidad instantánea ...................................................................................................26 
II.2.3 Velocidades de reacciones homogéneas ..................................................................26 
II.2.4 Métodos experimentales para determinar la velocidad de reacción ....................26 
II.2.4.1 Métodos químicos .......................................................................................................26 
II.2.4.2 Métodos físicos ...........................................................................................................27 
II.3 TEORÍA DE LAS COLISIONES (ENERGÍA DE ACTIVACIÓN) ....................................27 
II.4 EFECTO DE LA TEMPERATURA (ECUACIÓN DE ARREHNIUS) ..............................30 
II.5 FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN ....................33 
II.6 CATALIZADORES ..............................................................................................................33 
II.6.1 Catalizadores positivos y negativos ...........................................................................33 
II.6.2 Catalizadores homogéneos ..........................................................................................34 
II.6.3 Catalizadores heterogéneos o de contacto ...............................................................34 
II.6.4 Electro catalizadores .....................................................................................................34 
II.6.5 Catalizadores biológicos ..............................................................................................34II.6.6 Ventajas del uso de catalizadores ..............................................................................34 
II.6.7 Características de los catalizadores ...........................................................................35 
II.7 CINÉTICA Y MECANISMO DE REACCIÓN PARA LA DESHIDROGENACIÓN DEL 
METILCICLOHEXANO. ............................................................................................................35 
CAPÍTULO III. REACTORES QUÍMICOS ................................................................ 38 
III.1 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS ...................................................38 
III.2 DISEÑO DE REACTORES QUÍMICOS ...........................................................................41 
II.2.1 Determinación de parámetros cinéticos a partir de datos experimentales ........42 
II.2.1.1 Avance de reacción ....................................................................................................42 
II.2.1.2 Método integral de análisis de datos ......................................................................44 
II.2.1.3 Método diferencial de análisis de datos .................................................................44 
II.2.1.4 Método de las velocidades iniciales ........................................................................45 
II.2.2 Reactor Batch..................................................................................................................45 
II.2.3 Reactor CSTR ..................................................................................................................46 
II.2.4 Reactor PFR ....................................................................................................................47 
II.2.5 Comparación de tamaños entre reactor CSTR y PFR .............................................48 
 
viii 
 
III.3 SISTEMAS DE REACTORES MÚLTIPLES ....................................................................49 
CAPÍTULO IV. SIMULACIÓN................................................................................... 51 
IV.1 SISTEMA DE REACTORES PROPUESTO PARA LA DESHIDROGENACIÓN DEL 
METILCICLOHEXANO. ............................................................................................................51 
IV.2 SIMULACIÓN PARA LA OBTENCIÓN DE TOLUENO POR DESHIDROGENACIÓN 
DE METILCICLOHEXANO .......................................................................................................52 
IV.3 PROCESO DE SEPARACIÓN DE LOS REACTIVOS Y PRODUCTOS NO 
TRANSFORMADOS..................................................................................................................65 
ANÁLISIS DE RESULTADOS.................................................................................. 71 
CONCLUSIONES ..................................................................................................... 72 
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ix 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Figura 1. Formula del tolueno. ................................................................................. 2 
Figura 2. Formula del metilciclohexano. ................................................................. 4 
Figura 3. Alternativas de producción de tolueno según su aplicación industrial.
 .................................................................................................................................... 5 
Figura 4. Esquema de deshidrogenación del metilciclohexano ........................... 7 
Figura 5. Proceso de reformado catalítico del petróleo. ....................................... 9 
Figura 6. Niveles de toxicidad producidos por los derivados del petróleo. ...... 11 
Figura 7. Orientación de las colisiones y eficacias ............................................. 29 
Figura 8. Proceso discontinuo de un reactor. ...................................................... 39 
Figura 9. Reactor tipo Batch o tanque agitado. .................................................... 40 
Figura10. Reactor de mezcla completa ................................................................. 40 
Figura 11. Reactor tipo flujo pistón (PFR). ........................................................... 41 
Figura 12. Comparación de tamaños entre reactores CSTR y PFR. ................... 48 
Figura 13. Sistema de reactores para la deshidrogenación del 
Metilciclohexano. .................................................................................................... 51 
Figura 14. Pantalla de inicio software Pro II. ........................................................ 52 
Figura 15. Pantalla “Flowsheet” software de simulación Pro II. ......................... 53 
Figura 16. Esquema de reactor PFR en software Pro II. ...................................... 54 
Figura 17. Selección de componentes que participan en la reacción. ............... 55 
Figura 18. Selección de unidades de medida. ...................................................... 56 
Figura 19. Selección del método termodinámico................................................. 57 
Figura 20. Configuración de las corrientes de entrada al reactor. ..................... 58 
Figura 21. Desarrollo del procedimiento cinético. ............................................... 59 
Figura 22. Selección de datos cinéticos de reacción. ......................................... 60 
Figura 23. Configuración del reactor. ................................................................... 61 
Figura 24. Reporte generado ................................................................................. 63 
Figura 25. Sistema en serie de reactores. ............................................................ 64 
Figura 26. Generación de reporte para el sistema de reactores. ........................ 65 
Figura 27. Proceso de separación. ........................................................................ 67 
Figura 28. Diagrama de proceso para obtención de tolueno por 
deshidrogenación de metilciclohexano. ............................................................... 67 
Figura 29. Reporte generado por el proceso de separación. .............................. 68 
 
ÍNDICE DE TABLAS 
 
Tabla 1. Propiedades físicas y termodinámicas del tolueno................................. 2 
Tabla 2. Propiedades físicas y termodinámicas del metilciclohexano ................ 3 
Tabla 3. Niveles de tolueno, xileno y benceno (ppm) en el aire e índices de 
riesgo para un muestreo de 4 horas. .................................................................... 17 
Tabla 4. Datos obtenidos en la simulación ........................................................... 68 
 
x 
 
 
OBJETIVO GENERAL 
 
Diseñar un reactor químico para la obtención del tolueno a mediana escala a partir de 
la deshidrogenación del metilciclohexano. 
 
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
 
1. Establecer las condiciones de trabajo que permitan la obtención de tolueno a partir 
de la deshidrogenación del metilciclohexano. 
2. Analizar la influencia que tiene el catalizador soportado y los reactivos utilizados en 
su obtención. 
3. Proponer un método de simulación óptimo. 
4. Simular el diseño del reactor químico para la deshidrogenación del metilciclohexano 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xi 
 
 
PROBLEMÁTICA 
 
El tolueno es un producto que tiene mucha versatilidad en sus aplicaciones sin 
embargo su obtención y manejo en México solo la realiza el complejo petroquímico 
“Cangrejera”. Dado a esto se desea elegir y diseñar un reactor para la producción de 
tolueno a pequeña escala en comparación a la producción industrial, de una forma 
sustentable, conveniente y que sea económicamente redituable. 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
Se evaluará la producción de tolueno en el país buscando incrementar su conversión 
a pequeña escala, ya que la producción de estehidrocarburo es uno de los más 
importantes para la producción de una amplia gama de aplicaciones. El tolueno es un 
excelente solvente para lacas, barnices, pinturas y adhesivos, además se usa como 
aditivo de gasolinas para mejorar el desempeño, otros usos lo incluyen en la 
manufactura de resinas, hules, vinil, aceites y recubrimientos, por lo tanto el impacto 
económico a nivel nacional sería evidente, además de aumentar la exportación y 
disminuir la importación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xii 
 
 
RESUMEN 
 
El presente trabajo estableció condiciones cinéticas y de diseño para la elaboración 
de una serie de 3 reactores químicos con una idealidad de comportamiento 
heterogénea para producir tolueno como forma alternativa a la que se utiliza 
comúnmente (reformado catalítico), a partir de la deshidrogenación de 
metilciclohexano. La cinética de la reacción reversible contenida en este trabajo tuvo 
como referencia una cinética experimental que no sigue el comportamiento de ley de 
potencias, además de que este tipo de cinética involucró coeficientes de adsorción y 
la constante cinética es referida a un catalizador de platino soportado sobre zeolita. 
 
En primeras instancias se pretendía realizar una simulación que tuviera una 
producción total final equiparable a una producción de un complejo petrolero 
mexicano que produjera tolueno por reformado catalítico, pero debido al tipo de 
cinética de una reacción reversible, que en este caso no sigue con la ley de potencias 
y el aumentar la cantidad de reactivo (metilciclohexano) alimentado resultaba en una 
relación inversa de producción del producto (tolueno), es por ello que a través de 
optimizar la alimentación de metilciclohexano se consiguió la máxima conversión 
con la mayor cantidad de reactivo alimentado. Debido al tipo de cinética mencionada 
anteriormente y con referencia en la bibliografía para este método de producción se 
obtienen conversiones bajas (15%) por lo tanto para obtener una producción 
aceptable se colocaron 3 reactores en serie. Para realizar la separación del tolueno 
del metilciclohexano e hidrógeno se utilizó un tren de destilación, debido a que el 
metilciclohexano y el tolueno forman un azeotrópo se introdujo un inerte (fenol) para 
ayudar a la separación del tolueno. Analizando la cantidad de tolueno producida se 
observó que mediante este método y con esta cinética, la deshidrogenación es 
recomendable para producir pequeñas cantidades de tolueno, ya que para una 
producción a nivel industrial de tolueno el método clásico de reformado catalítico es 
más óptimo. 
 
 
 
xiii 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
Una de las tareas del ingeniero químico cuando esta frente a una serie de 
operaciones que transforman ciertos insumos o materias primas mediante procesos 
físicos y químicos consiste en el dimensionamiento de los equipos correspondientes. 
En los casos que se dan transformaciones químicas de la materia, el corazón del 
proceso se da en el reactor químico. 
Para diseñar un reactor deben considerarse una serie de preguntas tales como: 
¿Qué tipo de equipo se necesita para lograr la reacción requerida? y ¿qué 
condiciones de operación (temperatura, presión, velocidades de flujo) se necesitan?. 
La combinación de los procesos físicos y químicos a los efectos del diseño del reactor 
se hace recurriendo a las ecuaciones de las leyes de conservación de la materia y la 
energía para cada tipo de reactor. Para el diseño del proceso debe disponerse de 
información proveniente de diferentes campos como termodinámica, cinética 
química, mecánica de fluidos, transmisión de calor, operaciones unitarias y 
transporte de materia. 
Dado este uso industrial, el tolueno está presente en la industria química pues se usa 
como mezcla en productos de limpieza, en la fabricación de detergentes y de cuero 
artificial, así como en la artesanía, además se encuentra en la manufactura del 
benceno. 
Al incrementar la producción de este hidrocarburo, este también se puede usar como 
materia prima para producir gasolina, solventes, la mayoría de los aceites y resinas, 
además hay que tener en cuenta que es un aditivo del petróleo por lo que su 
presencia industrial es muy amplia. Por lo tanto, el impacto a nivel nacional sería 
evidente. 
 
 
 
1 
CAPÍTULO I. GENERALIDADES 
 
En este capítulo se abarcan temas sobre el origen del tolueno, propiedades físicas, 
químicas y fisicoquímicas tanto de reactivos como de productos, diferentes formas en 
que puede obtenerse el tolueno, toxicidad, así como su impacto ambiental y económico. 
 
I.1 ORÍGEN Y QUÍMICA DEL TOLUENO 
 
El nombre de tolueno, proviene de un bálsamo conocido como Tolú (bálsamo de Tolú), 
que se extrae a partir del árbol llamado Myroxylon balsamum, pues fue de ahí de donde 
se consiguió a través de procesos de destilación seca conseguir el tolueno por primera 
vez, en el año 1844. (Guaygua, 2001). 
El tolueno es un líquido incoloro con un característico olor aromático dulce y penetrante 
cuya fórmula química es 𝐶7𝐻8. Es un líquido menos denso que el agua, inmiscible en 
ella y sus vapores son más densos que el aire. Es utilizado en combustibles para 
automóviles y aviones, barnices, hules, gomas, diferentes tipos de celulosa, ceras, 
aceites y resinas y que además puede reemplazar al benceno, podemos encontrarlo en 
su forma natural, formando parte del petróleo crudo, pero se puede sintetizar y producirlo 
a partir de la manufacturación de la gasolina, así como también de otros tipos de 
combustibles partiendo del petróleo. 
A pesar de su amplia aplicación, el tolueno es bastante nocivo ya que es muy tóxico, 
debido a que cuando sus anillos aromáticos se oxidan generan epóxidos, en el caso del 
tolueno solamente se forman en una proporción por debajo del 5%. (ATSDR, 2003). 
 
I.2 PROPIEDADES FÍSICAS, TERMODINÁMICAS Y FISICOQUÍMICAS 
DE REACTIVOS Y PRODUCTOS 
 
I.2.1 Tolueno 
 
A continuación en la figura 1 se muestra la fórmula del tolueno. 
 
 
 
2 
 
 
 
 
Figura 1. Formula del tolueno. 
La tabla 1 mostrada a continuación contiene las propiedades correspondientes al 
tolueno. 
Tabla 1. Propiedades físicas y termodinámicas del tolueno 
Propiedad Valor 
Punto de ebullición 111 ºC 
Punto de fusión -95 ºC 
No. de CAS 108-88-3 
Densidad 0.87 g/ml (a 20º C), 0.8623 g/ml (a 25º C) 
Presión de vapor 0.04960 atm (a 30 ºC) 
Temperatura de auto ignición 530-600 ºC 
Límites de explosividad 1.27-7% ( volumen en el aire) 
 
Solubilidad 
Muy poco soluble en agua, miscible con 
éter, acetona, etanol, cloroformo, ácido 
acético glacial, disulfuro de carbono y 
aceites 
Temperatura crítica 318.64 ºC 
Presión crítica 40.55 atm 
Volumen crítico 0.317 l/mol 
Calor de combustión (a 25 ºC) 934.5 kcal/mol 
Capacidad calorífica (a 25 ºC) 0.2688 (gas ideal) 0.4709 (líquido a 1 atm) 
Tensión superficial (mN/m) 27.92 (a 25 ºC) 
Calor de formación 11.950 kcal/mol (gas), 2.867 (líquido) 
 
En cuanto a sus propiedades fisicoquímicas: 
 
 
 
3 
Sus productos de descomposición incluyen: monóxido y dióxido de carbono. Se ha 
informado de reacciones explosivas durante la nitración de este producto químico con 
ácido nítrico y sulfúrico, cuando las condiciones no son controladas cuidadosamente. 
Reacciona de la misma manera con una gran cantidad de oxidantes como trifluoruro de 
bromo (a -80 °C), hexafluoruro de uranio, tetróxido de dinitrógeno, perclorato de plata, 
1,3-dicloro-5,5- dimetil-2,4-imidazolin-2,4-diona y tetranitrometano. En general, es 
incompatible con agentes oxidantes. (ATSDR, 2003). 
El tolueno no reacciona con ácidos o bases diluidos. No es una sustancia corrosiva. En 
la atmósfera reacciona rápidamente con radicales hidroxilo y forma una gran variedad 
de productos de oxidación. (OMS, 1996). 
 
I.2.2 Metilciclohexano 
 
Las propiedades correspondientes al metilciclohexano se encuentran mencionadas a 
continuación en la tabla 2. 
 
Tabla2. Propiedades físicas y termodinámicas del metilciclohexano 
Propiedad Valor 
Forma Líquido Incoloro 
Olor Aromático 
No. De CAS 10120-28-2 
Punto de fusión -126 ºC 
Punto de ebullición 100.9 ºC 
Punto de inflamación -4 ºC 
Límite de explosión Inferior 1.1 %(v), superior 6.7 %(v) 
Solubilidad En agua 0.014 g/l (a 25 ºC) 
Temperatura de ignición 260 ºC 
Temperatura de auto ignición 258 ºC 
 
 
 
 
4 
La fórmula química del metilciclohexano se encuentra representada en la figura 2 que 
se muestra enseguida. 
 
 
 
 
Figura 2. Formula del metilciclohexano. 
 
El metilciclohexano es un líquido incoloro olor semejante al benceno que se encuentra 
mono sustituido por un radical metilo sobre uno de los átomos de carbono del anillo de 
ciclohexano, su fórmula molecular es 𝐶7𝐻14, como todos los ciclohexanos sustituidos 
puede pasar rápidamente de una a otra conformación, sin embargo el metilciclohexano 
existe únicamente en posición ecuatorial, nunca axial. Se utiliza en síntesis orgánica y 
como un disolvente para los éteres de celulosa. Es un componente del combustible de 
aviones. 
El metilciclohexano tiene efectos tóxicos similares, pero menos intensos, que el 
ciclohexano. Ya que en la actualidad no se han notificado efectos tóxicos por exposición 
industrial a metilciclohexano ni intoxicación causada por este compuesto en seres 
humanos. Estudios realizados con animales demuestran que la mayor parte de esta 
sustancia que penetra en el torrente circulatorio se conjuga con ácidos sulfúrico y 
glucurónico y se excreta en la orina como sulfatos o glucurónidos. 
 
I.3 PRINCIPALES FORMAS DE OBTENCIÓN DEL TOLUENO 
 
El tolueno se obtiene a partir del petróleo desde la segunda guerra mundial. 
 
Existen diferentes alternativas de producción de tolueno en función de su aplicación 
industrial como se muestra en la figura 3: 
 
 
 
5 
 
Figura 3. Alternativas de producción de tolueno según su aplicación industrial. 
 
I.3.1 Obtención de forma natural 
 
El tolueno es un componente que se produce naturalmente en la refinación del petróleo 
crudo, donde existen dos alternativas de producción en función de su aplicación 
industrial. La obtención de tolueno a partir del petróleo se da de forma principal 
(alrededor de un 87%) por reformado catalítico de fracciones del crudo que contienen 
metilciclohexano y en forma secundaria (9%) por separación en el proceso de pirolisis 
de gasolina en equipos de craqueo con vapor durante la manufactura de etileno y 
propileno. 
 
I.3.2 Obtención por fuentes artificiales 
 
Las principales fuentes artificiales que liberan tolueno al medio ambiente son: 
 
• Fuentes involuntarias (65%): Emisiones de motor de vehículos y aviones, así 
como las pérdidas durante las actividades de comercialización de gasolina, 
derrames y humo de cigarrillos. 
• Procesos en los que se usa tolueno (33%) 
• Producción del tolueno (2%): Generalmente el tolueno no permanece en el aire 
-Reformado catalítico (87% de la 
producción anual)
-Pirólisis de gasolina (9% de la 
producción anual)
-Otros procesos sin aplicación para el 
objetivo del proyecto (4% restante)
PRODUCCIÓN DE 
TOLUENO
 
 
 
6 
por mucho tiempo, tampoco se concentra ni se acumula en cantidades 
significativas en los animales. (Sanz, 2013). 
 
I.3.3 Obtención como subproducto y a nivel laboratorio. 
 
Se consigue también como un subproducto en la fabricación de compuestos como el 
etileno o el propeno. También se produce como un subproducto en la producción del 
coque para la industria siderúrgica. (Fieser & Fieser, 1985). 
A nivel laboratorio se hacer reaccionar benceno y cloruro del metilo en la presencia del 
cloruro de aluminio. Otra forma es por la reacción de bromobenceno con bromuro de 
metilo y sodio en un solvente de éter seco. 
 
I.3.4 Obtención mediante pirólisis. 
 
En el proceso de refinación del petróleo se obtienen fracciones que son ricas en 
aromáticos, que pueden tratarse por reformado o que pueden ser pirolizadas. Los 
aromáticos reformados se obtienen de petróleos brutos que contienen más del 50% en 
forma de alcanos normales y ramificados, que no se pueden emplear hasta ser 
transformados. El proceso de pirólisis es una forma especial de craqueo catalítico en 
presencia de catalizadores bifuncionales que tienen un componente ácido y un 
componente para hidrogenación/deshidrogenación. (Weissermel & Arpe, 1978). 
El proceso se lleva a cabo bajo condiciones de reformado entre 450° C y 550° C y 
presiones entre 15 a 70 bar. 
Aunque el proceso de pirólisis se enfoca en la obtención de etileno, puede ser utilizado 
al inicio, de manera estratégica para posicionarlo en el mercado, debido a que se 
obtienen productos valiosos que pueden proveer utilidades que posteriormente se 
invierten para la implementación de un reformado catalítico. Sin embargo como principal 
desventaja se tiene que el proceso en sí no se enfoca en obtener el producto de interés. 
 
 
 
7 
Como datos adicionales y en comparación al método convencional de reformado 
catalítico, la pirolisis necesita de un mayor control en las condiciones de operación ya 
que estas son drásticas y además no se cuenta con los estudios suficientes para esta 
ruta de reacción que es mucho más compleja, por lo tanto si se desea llevar a cabo 
necesita una previa investigación y un desarrollo que conllevarían a un costo más 
elevado. 
 
I.3.5 Obtención mediante el proceso de reformado catalítico. 
 
Los procesos de reformado se clasifican en continuos, cíclicos y semirregeneradores, 
dependiendo de la frecuencia de regeneración del catalizador. 
El reformado catalítico de manera sintética es la deshidrogenación de la nafta 
(hidrocarburos cíclicos proveniente de una fracción destilada del petróleo), para producir 
aromáticos (principalmente benceno, tolueno y xilenos). Como se muestra en la figura 
4, el metilciclohexano es deshidrogenado para producir tolueno. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 4. Esquema de deshidrogenación del metilciclohexano 
 
Antes del proceso de reformado, la nafta que contiene los principales compuestos para 
la producción de tolueno (dimetilciclopentano, metilciclohexano y etilciclopentano) es 
hidrodesulfurizada, para eliminar venenos para el catalizador de platino. 
A continuación, esa nafta tratada, pasa a la unidad de reformado que consiste 
 
 
 
8 
principalmente de los siguientes equipos: 
• Reactores catalíticos. 
• Equipos de transferencia de calor para aumentar la temperatura de las corrientes 
a las necesitadas por los reactores. 
• Enfriadores para tratar el efluente del reactor y su posterior tratamiento. 
• Sistema de almacenamiento para el hidrógeno producido. 
La nafta tratada es mezclada con la recirculación proveniente de un sistema de 
separación, la cual contiene metilciclohexano (principal reactivo para la producción 
de tolueno) y trazas de hidrógeno para evitar la formación de coque, el cual es un veneno 
para el catalizador. 
Posteriormente esa mezcla ingresa a la primera unidad del sistema de reactores 
catalítico, éste está formado por 3 reactores en serie, el uso de ese número de reactores 
es debido a que cada unidad tiene un 15% de conversión el cual es bajo y para aumentar 
la producción a un 45% que es más aceptable y no conlleva tantos costos energéticos, 
para mantener altas temperaturas además de que no existen catalizadores de platino 
soportados en zeolitas que entreguen un rendimiento mayor al 15% por unidad, es por 
lo anterior la necesidad de un total de tres unidades. 
En el primer reactor, ocurren principalmente las reacciones endotérmicas y muy rápidas, 
tal como la deshidrogenación de naftenos a aromáticos (Gary y Handwerk, 2001). El 
efluente de este primer reactor es recalentado y alimentado al segundo reactor, donde 
experimenta una deshidroisomerización de naftenos ciclopentánicos a una velocidad 
menor que en el primer reactor. En la últimaetapa de reacción, ocurren las reacciones 
de deshidrociclización (endotérmica) y de hidrocraqueo (exotérmica). 
El efluente de la sección de reacción es enfriado y separado en corrientes líquidas y 
gaseosas. El producto gaseoso es una corriente rica en hidrógeno (90-99% mol). La 
producción neta de hidrógeno puede ser purificada o no, dependiendo del uso posterior, 
para luego ser enviada a otras unidades de la refinería que lo requieran. (Universidad 
Tecnológica Nacional, 2018). 
 
 
 
9 
A continuación en la figura 5 se encuentra esquematizado el diagrama del proceso de 
reformado catalítico del petróleo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Proceso de reformado catalítico del petróleo. 
 
La mayoría de los catalizadores de reformado de uso general hoy en día se contienen 
soportados sobre una base de sílice o zeolita. En muchos casos combinado con platino 
para formar un catalizador más estable y que permita operar a altas condiciones de 
presión y temperatura. 
Los rendimientos del reformado catalítico varían con las propiedades de la materia prima 
y las condiciones de operación, sin embargo también se deben de tener en cuenta: 
✓ Los servicios de la planta requeridos para la producción de reformado. 
✓ Los estabilizadores del producto 
✓ Todos los controles necesarios e instrumentación. 
✓ Medios para el precalentamiento y enfriamiento: 
 
 
 
10 
o Vapor. 
o Agua de refrigeración. 
o Gas combustible. 
o Catalizador. 
o Potencia. 
(Gary & Handwerk, 2003). 
 
I.4 USOS Y APLICACIONES 
 
1.4.1 Usos y aplicaciones del tolueno 
 
El tolueno es un disolvente de aceites, resinas, caucho natural (mezclado con 
ciclohexano) y sintético, alquitrán de hulla, asfalto, brea y acetilcelulosas (en caliente, 
mezclado con etanol). 
También se utiliza como disolvente y diluyente de pinturas y barnices de celulosa y como 
diluyente de las tintas de fotograbado. Al mezclarse con el agua, forma mezclas 
azeotrópicas que tienen un efecto deslustrante. El tolueno se encuentra en mezclas que 
se utilizan como productos de limpieza en distintas industrias y en artesanía. También 
se utiliza en la fabricación de detergentes y cuero artificial y es una importante materia 
prima para síntesis orgánicas, como las de cloruro de benzoilo y bencilideno, sacarina, 
cloramina, trinitrotolueno y un gran número de colorantes. El tolueno es un componente 
del combustible para aviones y de la gasolina para automóviles. 
 
1.4.2 Usos y aplicaciones del metilciclohexano 
 
Los productos derivados de los hidrocarburos del petróleo principalmente se utilizan 
como disolventes y materias primas para la síntesis de plásticos, detergentes, pesticidas 
y diversos productos químicos. 
 
 
 
11 
El metilciclohexano se utiliza también como agente limpiador en las industrias de tejidos, 
muebles y cuero. La mayoría del ciclohexano producido se transforma en la 
mezcla ciclohexanona-ciclohexanol que se utiliza para la obtención de ácido 
adípico y caprolactama que se utilizan para la síntesis del nylon. Sin embargo, el 
ciclohexano junto con el hexano forma la mezcla conocida como "hexano comercial" que 
se utiliza como disolvente en la industria del calzado. 
 
I.5 TOXICIDAD, RIESGOS Y RECOMENDACIONES DE REACTIVOS Y 
PRODUCTOS 
 
La mayoría de los compuestos que se encuentran en el petróleo son hidrocarburos, que 
llegan a suponer entre el 50% y el 98% de la composición. 
Algunos de los hidrocarburos presentes en el crudo tienen una conocida toxicidad para 
el ser humano pero, por desgracia, para la mayoría de ellos se desconoce su nivel de 
peligrosidad. 
Entre estos compuestos destacan por sus efectos en la salud los hidrocarburos 
aromáticos simples y los policíclicos. (Greenpeace, 2002). Como se muestra en la figura 
6, la gasolina produce el porcentaje más alto en cuanto a residuos tóxicos (47%) seguido 
de los aceites combustibles (22%), kerosenos (8%) y coque (5%), mientras que el asfalto, 
propanos y aceites residuales producen menores cantidades de residuos tóxicos. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Niveles de toxicidad producidos por los derivados del petróleo. 
https://es.wikipedia.org/wiki/ciclohexanona
https://es.wikipedia.org/wiki/ciclohexanol
https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%A1cido_ad%C3%ADpico
https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%A1cido_ad%C3%ADpico
https://es.wikipedia.org/wiki/caprolactama
https://es.wikipedia.org/wiki/nailon
 
 
 
12 
I.5.1 Metilciclohexano 
 
Niveles de toxicidad 
-Líquido inflamable 
-Categoría 2, H225, riesgo de explosión y formación de vapores tóxicos. 
-Irritación cutánea, categoría 2, H315. 
-Toxicidad específica en determinados órganos - exposición única, categoría 3, H336. 
-Peligro de aspiración, categoría 1, H304. 
-Toxicidad acuática aguda, categoría 1, H400. 
-Toxicidad acuática crónica, categoría 2, H411. 
-Factor-M: 1. 
Riegos por diferentes tipos de contacto: 
• Inhalación: Mareo, nauseas, dolor de cabeza, posible obstrucción pulmonar, 
sueño, somnolencia, narcosis. 
• Contacto cutáneo: Irritación, enrojecimiento. 
• Contacto con ojos: aclarar con abundante agua. Retirar las lentillas. 
• Ingestión: Vómito, nauseas. 
Recomendaciones: 
✓ Conservarse en un lugar fresco y ventilado. 
✓ Conservarse alejado de llamas o fuentes que produzcan chispas. 
✓ Evitar la acumulación de cargas electrostáticas en el lugar donde se mantenga la 
sustancia. 
✓ Evitar su liberación al medio ambiente. 
✓ En caso de ingestión no provocar el vómito, se deberá acudir inmediatamente al 
médico y mostrar la etiqueta del reactivo ingerido. 
(Merck, 2018). 
 
 
 
13 
I.5.2 Hidrógeno 
 
Niveles de toxicidad: 
-Gases Inflamables – Categoría 1 H220: Gas extremadamente inflamable. 
-Gases a presión – Gas disuelto. H280: Contiene gas a presión; peligro de explosión en 
caso de calentamiento. 
Riesgos por diferentes tipos de contacto: 
• Inhalación: Dificultad respiratoria, se detiene el corazón. 
• Contacto con la piel: No aplicable. 
• Contacto con los ojos: No aplicable. 
• Ingestión: La ingestión no está considerada como una vía potencial de exposición. 
• Efectos agudos previstos: La exposición a atmósferas con deficiencia de oxigeno 
puede causar los siguientes síntomas: vértigo, salivación excesiva, nauseas, 
vómitos, perdida de movilidad, inconciencia y puede llegar hasta la muerte. 
• Efectos retardados previstos: Sin datos disponibles. 
Incompatibilidad con oxidantes fuertes (cloro, bromuro, pentafluoruro, oxígeno, oxígeno 
difluoruro, y nitrógeno trifluoruro. Mezclas de oxígeno/hidrógeno pueden explotar al hacer 
contacto con un catalizador como el platino. Algunos aceros son susceptibles al 
hidrógeno, haciéndolos quebradizos a altas presiones y temperaturas. 
Medios de extinción: CO2, polvo químico seco, rocío de agua o agua pulverizada. 
Recomendaciones: 
✓ Mover los cilindros que lo contienen mediante el uso de portacilindros o 
montacargas. 
✓ Evitar que los cilindros se caigan o se golpeen entre otros. 
✓ Mantener en un lugar libre de fuentes inflamables o que puedan generar chispas. 
✓ No calentar los cilindros que lo contienen para acelerar la descarga. 
✓ Siempre mantener cerradas las válvulas de los cilindros que lo contengan. 
✓ Almacenar los cilindros en posición vertical. 
 
 
 
14 
✓ Proporcionar ventilación natural o mecánica al área en donde se encuentre 
almacenado para asegurarse de prevenir atmósferas deficientes en oxígeno por 
debajo del 19.5%. 
✓ Utilizar siempre sistemas de detección de gases. 
✓ Usar guantes industriales para su manipulación. 
(Indura, 2018). 
 
I.5.3 Tolueno 
 
Niveles de toxicidad 
RQ: 1000 
IDLH: 2000ppm 
LD50 (en ratones): 5300 ppm. 
LD50 (en piel de conejos): 14000 mg/Kg. 
LD50 (oral en ratas): 7.53 ml/Kg, 5000 mg/ Kg. 
LDLo (oral en humanos): 50 mg/Kg. 
LC50 (por inhalación en ratones): 5320 ppm/8 h 
Niveles de irritación a ojos: 300 ppm (humanos); 0.87 mg, leve y 2 mg/24h, severa 
(conejos). 
Niveles de irritación a piel de conejos: 435 mg, leve; 500 mg, moderada 
México 
CPT: 375 mg/m3 (100 ppm). 
CCT: 560 mg/m3 (150 ppm. Se absorbe a través de la piel). 
 
• Estados Unidos 
TLV TWA: 375 mg/m3 (100 ppm). 
TLV STEL: 560 mg/m3 (150 ppm). 
 
• Reino Unido 
 
 
 
15 
Periodos largos: 560 mg/m3 (150 ppm). 
 
Riesgos de fuego y explosión: 
Es muy inflamable por lo que sus vapores pueden llegar a un punto de ignición, prenderse 
y transportar el fuego hacia el material que los originó. 
Riesgos a la salud: 
La vía principal de entrada es la vía inhalatoria mediante la respiración de vapores de 
tolueno. El tolueno entra por vía respiratoria hasta los pulmones. La importancia de esta 
vía de entrada radica en la gran superficie de absorción de los alveolos pulmonares que 
expone al tóxico cerca de 80 m2 y la débil barrera de protección de los alveolos, así como 
su íntimo contacto con el torrente circulatorio, por lo que el tolueno llegará con más 
rapidez a la sangre que por otras vías entre las cuales están: 
• Inhalación: Exposiciones a niveles mayores de 100 ppm provocan pérdida de 
coordinación por lo que aumenta la probabilidad de accidentes. Los efectos 
tóxicos del tolueno son potencializados por la ingestión de drogas que interfieren 
con la actividad enzimática cromosomal. 
• Contacto con ojos: Causa irritación y quemaduras de cuidado si no se atiende a 
la víctima inmediatamente. 
• Contacto con la piel: Causa irritación, resequedad y dermatitis. 
• Ingestión: Causa náusea, vómito y pérdida de la conciencia. 
• Carcinogenicidad: No 
• Mutagenicidad: Ruptura e intercambio de cromátidas con este producto químico. 
• Peligros reproductivos: teratogénico y embriotóxico. Causa impotencia sexual y 
anormalidades en los espermatozoides, peligro para procrear personas con 
enfermedades crónicas, y puede causar mutagenecidad. 
• En mujeres embarazadas puede causar el aborto o de lo contrario malformaciones 
en el feto. 
• Puede causar diversos tipos de alergias en piel y vías respiratorias. 
• Puede causar la muerte. 
 
 
 
16 
Recomendaciones: 
✓ Almacenar en un lugar bien ventilado 
✓ Almacenarlo en lugares que se encuentren libres de fuentes de ignición y alejado 
de productos químicos con los cuales sea incompatible. 
(UNAM, 2017). 
 
Profesiones más afectadas: 
• Trabajadores de refinerías de petróleo 
• Trabajadores de la industria química 
• Pintores 
• Trabajadores que realizan limpieza de equipos de trabajo (máquinas, 
herramientas, etc.) 
• Trabajadores de imprenta 
• Carpinteros 
• Curtidores de cuero 
• Esteticistas 
 
I.6 IMPACTO AMBIENTAL Y SALUD 
 
Casi todo el tolueno que ingresa al medio ambiente se dirige en últimas al aire ya sea 
de forma directa o a través de otras fuentes como el suelo o el agua. Las concentraciones 
de tolueno en áreas remotas y alejadas de la civilización son muy bajas, pero en zonas 
urbanas se puede encontrar entre 1,6 y 6,6 ppm, aunque pueden ser mayores 
dependiendo de la presencia de fuentes de emisión fuertes como industrias o zonas de 
alto tráfico vehicular, pero por lo regular no exceden 1 ppm. El tolueno puede alcanzar 
fuentes de agua por acción de descargas industriales y desechos urbanos, también por 
derrames de la sustancia como tal o sus mezclas con gasolina u otros solventes, sin 
embargo, las cantidades liberadas en el agua corresponden solo a una fracción muy 
pequeña de aquel que llega a la atmósfera. La presencia de tolueno en el suelo se debe 
principalmente a derrames accidentales de este material, también son importantes los 
 
 
 
17 
desechos de la industria del petróleo y los lodos municipales. (Rubio, 2008). La figura 7 
nos muestra los valores límite permisibles en el aire y los índices de riesgo 
correspondientes al año 2017. 
Tabla 3. Niveles de tolueno, xileno y benceno (ppm) en el aire e índices de riesgo para 
un muestreo de 4 horas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Donde: 
Valores límite permisibles en el aire México 2017: benceno 0.5 ppm, tolueno 20 ppm y 
xileno 100 ppm 
IR: Índice de riesgo resultante de dividir la concentración promedio por los límites 
permisibles. (Organización mundial de la salud, 2017). 
El tolueno se puede degradar en el suelo por la acción de una serie de bacterias 
conocidas como pseudomonas y acromobacterias. El proceso de biodegradación ocurre 
en dos etapas; la primera genera ácido benzoico y en la segunda el anillo bencénico 
sufre rompimiento metabólico y en últimas se transforma en dióxido de carbono o en 
parte de la estructura celular de las bacterias. Se estima que el tiempo de vida media del 
tolueno en el aire es de aproximadamente 60h (reacciona con los OH). El tiempo de 
persistencia durante el verano en climas nórdicos es de unos 4 días, en tanto que en el 
invierno este período se extiende a varios meses; en los trópicos, oscila entre algunos 
días y algunas semanas independientemente de la estación del año. 
 
 
 
18 
Experimentos de laboratorio han demostrado que el tolueno permanece un tiempo medio 
de 5 h en un cuerpo de agua uniformemente mezclado de 1m de profundidad, antes de 
escapar a la atmósfera. 
Las ratas, los conejos y los seres humanos exhalan un 20% de la dosis asimilada; cerca 
del 80% se degrada transformándose primero en alcohol bencílico/ benzaldehído, luego 
a ácido benzoico y a cresoles en menores cantidades. (ATSDR, 2003). 
La exposición al tolueno puede afectar al sistema nervioso, niveles bajos a moderados 
pueden producir cansancio, confusión, debilidad, sensación de embriaguez, pérdida de 
la memoria, náusea y pérdida del apetito. Estos síntomas desaparecen cuando cesa la 
exposición. 
La exposición prolongada por inhalación en el trabajo puede producir cierto grado de 
sordera y pérdida de la visión en color. (ATSDR, 2003). 
 
I.7 IMPACTO ECONÓMICO 
 
En México la producción de tolueno se lleva a cabo en el complejo petroquímico “La 
cangrejera”, el cual se localiza al sureste de la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz. En 
el año 2016 la producción de aromáticos de este complejo fue de 7, 137,542 ton, parte 
de los cuales 225,000 toneladas fueron de tolueno 1, 314,808 toneladas de benceno y 
75,000 toneladas de xilenos. Sin embargo para el año 2017 posterior al percance 
ocurrido con el complejo petroquímico “Pajaritos” la producción de tolueno en México 
disminuyó un 39% quedando así una producción anual de 137,250 toneladas producidas 
únicamente por el complejo Cangrejera, que para el año 2018 se espera disminuya en 
un porcentaje igual o menor al 10%. (ANIQ, 2017). 
 
Las empresas petroquímicas líderes en el mercado son: Exxon Mobil Corp con 
aproximadamente 5, 000,000 de toneladas de tolueno anuales, seguida de SINOPEC 
con aproximadamente, 3, 00,000 de toneladas anuales. Por otra parte, Petróleos 
Mexicanos (PEMEX) produce aproximadamente 2, 000,000 toneladas anuales. 
 
 
 
19 
El tolueno es un producto que presenta una gran versatilidad en sus aplicaciones, sin 
embargo, su obtención y manejo en México solo la realizaban el complejo petroquímico 
Pajaritos y en la actualidad el complejo petroquímico “Cangrejera”. La producción de 
este hidrocarburo se usa como materia prima para producir gasolina de aviación y para 
mezclas de alto octano; solvente de pinturas y recubrimientos, gomas, resinas, la 
mayoría de aceites, hule, vinil organosoles; diluyente y thinner en lacas de nitrocelulosa, 
medicinas, resinas de poliuretano, etc. 
 
Las importaciones de tolueno para el año 2017 descendieron un 17.4% respecto al año 
2016 con una cantidad de 129,000 toneladas y se esperan al concluir el año 2018 
aumenten en un 20%. (ANIQ, 2017). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
CAPÍTULO II. CINÉTICA QUÍMICA 
 
En este capítulo se abordarán los temas relacionados a la velocidad de reacción de los 
procesos químicos en función de la concentración de reactivosy productos, de la 
temperatura, de los catalizadores e inhibidores y medios disolventes y de todas las 
demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción. 
 
II.1 CINÉTICA QUÍMICA 
 
El objetivo de la cinética química consiste en explorar las leyes que rigen el cambio de 
la composición de un sistema en el tiempo, la relación con las variables que definen su 
estado, en particular con la presión, la temperatura y la composición. (Levenspiel, 1998) 
Por lo tanto, la cinética química la parte de la química que estudia los aspectos referidos 
a la rapidez y los mecanismos por los cuales una especie química se transforma en otra. 
La velocidad de reacción es la masa en moles de un producto formado o de un reactante 
consumido por unidad de tiempo. 
El mecanismo es la secuencia de eventos químicos individuales cuyo resultado global 
produce la reacción a nivel molecular. 
 
El mecanismo de reacción, representa todos los procesos individuales colisiónales o 
elementales en los que intervienen moléculas, átomos, radicales o iones, los cuales se 
verifican simultáneamente o consecutivamente, produciendo la velocidad total. Se 
entiende también que el mecanismo de una reacción debe proporcionar una idea 
estereoquímica detallada de cada etapa a medida que se verifica. 
Esto implica un conocimiento del llamado complejo activado o estado de transición, no 
sólo en términos de las moléculas constitutivas sino también en términos de la 
geometría, tales como las distancias y los ángulos interatómicos. (Levenspiel, 1998). 
 
 
 
 
 
21 
II.1.2 Las reacciones químicas bajo diferentes criterios 
La cinética de una reacción química, sirve para el diseño adecuado de los reactores 
químicos, mediante el establecimiento de las condiciones de operación métodos de 
control y equipo auxiliar para satisfacer las necesidades tecnológicas del proceso de 
reacción. 
Las reacciones químicas pueden clasificarse atendiendo a diferentes criterios, así en 
base al mecanismo de reacción pueden distinguirse: 
1) Irreversibles. 
2) Reversibles. 
3) Simultaneas. 
4) Consecutivas. 
 
Una clasificación más general, desde el punto de vista del mecanismo de la reacción es 
la referida al número de moléculas que participan en la reacción: 
1) Unimoleculares 
2) Biomoleculares y multimoleculares 
 
Relacionando lo anterior se completa la clasificación con respecto al orden de reacción. 
Siguiendo un modelo potencial para descubrir la ecuación de la velocidad de reacción 
𝑟 = 𝑘𝐶𝑛 
Donde: 
𝑟 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛. 
𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛. 
𝐶 = 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜. 
𝑛 = 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 (𝑠𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑖𝑒𝑛𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒). 
 
Teniendo en cuenta esto, pueden considerarse reacciones: 
1) De orden cero. 
2) De orden fraccionario. 
3) De modelo no potencial. 
 
 
 
22 
Con respecto a las condiciones térmicas de la operación los principales tipos son: 
 
1) Isotérmica a volumen constante. 
2) Isotérmica a presión constante. 
3) Adiabática. 
4) Temperatura controlada por transmisión de calor. 
 
Según las fases involucradas las reacciones pueden ser: 
 
1) Homogéneas en fase gas, quisquida o en fase sólida. 
2) Heterogéneas. 
 
El equipo también sirve para diferenciar entre: 
 
1) Tanques agitados, considera sistemas simples paso en serie. 
2) Reactores tubulares, considerando en sistemas simples o en paralelo. 
3) Reactores cargados con partículas sólidas, solido inerte o catalítico. 
o De lecho fijo. 
o De lecho móvil. 
o De lecho fluidizado, estable o de arrastré. 
 
 
Finalmente, según el modelo de operación los equipos pueden ser: 
 
1) Discontinuo o por cargas (Batch). 
2) Continuo. 
3) Semicontinuo. (Logan, 2003). 
 
 
 
23 
II.1.2.1 Cinética de las reacciones homogéneas 
 
En las reacciones homogéneas todas las sustancias reaccionantes se encuentran en una 
sola fase: gaseosa o líquida, en general. 
𝑎𝐴 + 𝑏𝐵 → 𝑟𝑅 + 𝑠𝑆 
La ecuación estequiométrica dice que un mol de A reacciona con b moles de B para 
producir r moles de R y s moles de S. Para definir la velocidad de reacción debemos 
precisar primero respecto a cuál de todas las sustancias se refiere. 
En sistemas homogéneos la velocidad de reacción depende de la composición de las 
sustancias en la fase considerada, así como de la temperatura y presión del sistema 
(esta última variable en el sistema gaseoso). No obstante, dichas variables son 
interdependientes, en el sentido de que la presión queda determinada por la temperatura 
y la composición de la fase. En consecuencia se describe la ecuación cinética: 
 
𝑟 = 𝑓 (𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛) 
 
En que muchas reacciones se pueden encontrar una expresión para la velocidad de 
reacción que esté constituida por 2 factores: 
◊ Dependiente exclusivamente de la temperatura 
◊ Dependiente exclusivamente de la concentración 
 
𝑟 = 𝑘 𝑥 𝑓 (𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎, 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛) 
 
Donde: 
 𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛. 
 
 
 
 
24 
II.1.3 Reacciones elementales y no elementales 
Las reacciones elementales son aquellas reacciones que ocurren en una sola etapa, es 
decir, los reactivos chocan entre sí formando los productos, se dan en interacciones o 
colisiones de estos, por lo tanto a una temperatura dada, la reacción es proporcional a la 
concentración de los reactantes. 
𝑟 = 𝑘 𝐶𝐴𝐶𝐵 
 
Las reacciones no elementales son aquellas que transcurren en más de un paso, casi 
todas las reacciones químicas transcurren de esta forma: en más de un paso. En todo 
caso, la ecuación química global está dada por la suma de las etapas elementales. 
Ciertas reacciones no son irreversibles sino que dado el suficiente tiempo se llegará a un 
estado de equilibrio entre reactivos y productos. Muchas de estas reacciones reversibles 
pueden considerarse como una combinación de dos reacciones elementales, una en 
sentido directo y otra en sentido inverso: 
 
𝐴 + 𝐵 ↔ 𝑅 + 𝑆 
La velocidad de desaparición de A por la reacción directa está dada por: 
𝑟(𝐷𝐼𝑅𝐸𝐶𝑇𝐴) = 𝑘1 𝐶𝐴𝐶𝐵 
Y la velocidad de formación por la reacción inversa está dada por: 
𝑟 (𝐼𝑁𝑉𝐸𝑅𝑆𝐴) = 𝑘2 𝐶𝑅𝐶𝑆 
 
En el equilibrio la velocidad de desaparición es igual a la velocidad de formación por lo 
que: 
𝑟 = 𝑘1 𝐶𝐴𝐶𝐵 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 = 𝑘2 𝐶𝑅𝐶𝑆 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 
𝐾𝑒𝑞 =
𝑘1
𝑘2
∗
𝐶𝑅𝐶𝑆
𝐶𝐴𝐶𝐵
 
 
 
 
25 
Donde: 
𝐾𝑒𝑞
= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑙𝑖𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑜𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠. 
La constante de equilibrio está relacionada también con variables termodinámicas: 
∆𝐺° = −𝑅𝑇 ln (𝐾) 
Donde: 
∆𝐺° = 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 
𝑅 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 
𝑇 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑙𝑙𝑒𝑣𝑎 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛. 
(López & Borzacconi, 2009). 
 
II.1.4 Mecanismos de reacción 
Se denomina mecanismo de la reacción a la secuencia de pasos intermedios simples 
que corresponden al avance de la reacción química a escala molecular, mientras que la 
ecuación química sólo indica los estados inicial y final. La ecuación química sólo nos 
indicaría desde dónde se parte en la primera etapa y a dónde se llega en la última. 
Cada paso intermedio del mecanismo de la reacción se denomina etapa o reacción 
elemental, por el hecho de que cada etapa debe ser tan simple que no se puede 
simplificar más, es decir, cada etapa está indicando exactamente que especies están 
interaccionando entre sí a escala molecular. 
A diferencia de lo que ocurre en la ecuación de velocidad global de la reacción, en la 
ecuación de velocidad de cada etapa, los órdenes parcialessí que coinciden con los 
coeficientes estequiométrico de las especies que intervienen en dicha etapa. 
 
 
 
 
26 
II.2 VELOCIDAD DE REACCIÓN 
El concepto de velocidad de reacción designa a la concentración de un reactivo o 
producto que se transforma a lo largo de una reacción, por unidad de volumen y de 
tiempo. 
II.2.1 Velocidad media 
La velocidad media de una reacción se mide a partir de la disminución de la 
concentración de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en un 
intervalo de tiempo. Las velocidades suelen medirse en moles por litro y segundo. La 
velocidad, en general, varía con el transcurso de la reacción. 
II.2.2 Velocidad instantánea 
La velocidad instantánea se expresa mediante la derivada de la concentración con 
respecto al tiempo de un reactivo o de un producto dividida por su correspondiente 
coeficiente estequiométrico y convertida en una cantidad positiva. 
II.2.3 Velocidades de reacciones homogéneas 
La velocidad de una reacción homogénea se define como el cambio del número de 
moles (debido a la reacción) de un reactante o un producto, por unidad de tiempo y 
unidad de volumen de la mezcla reaccionante. Con las restricciones mencionadas en el 
párrafo anterior, la velocidad de producción de una especie. (Berry, Rice, & Ross, 1980). 
II.2.4 Métodos experimentales para determinar la velocidad de reacción 
 
Los procedimientos de análisis experimental pueden clasificarse en tres tipos: 
• Químicos 
• Físicos 
• De relajación 
II.2.4.1 Métodos químicos 
 
En estos métodos se separa una parte de la sustancia que contiene el reactor para 
analizarse, el método químico debe de realizarse de forma instantánea a la que se lleva 
 
 
 
27 
a cabo la reacción de lo contrario se tendría que interrumpir la reacción, para interrumpir 
esta reacción se pueden realizar los siguientes métodos: 
• Disminuir la temperatura de reacción. 
• Eliminar el catalizador (en caso de que lo contenga). 
• Agregar un inhibidor a nuestro sistema de reacción. 
• Eliminar alguno de los reactivos. 
(Ramírez, 2015). 
 
II.2.4.2 Métodos físicos 
 
Este método consiste en medir una propiedad física de la mezcla que cambia durante la 
reacción, este tipo de método es rápido y evita sacar muestras de nuestro reactor, los 
métodos más utilizados son: 
• Medir la presión en reacciones fase gas. 
• Medir el cambio de volumen (métodos dilatométricos). 
• Medir el índice de refracción, colorimetría, espectrofotometría (ópticos). 
• Medir la potencia, conductividad y polaridad (métodos eléctricos). 
(Izquierdo, Cunill, Tejero, Iborra, & Fité, 2004). 
 
II.3 TEORÍA DE LAS COLISIONES (ENERGÍA DE ACTIVACIÓN) 
 
La energía de activación se define como la cantidad de energía mínima que los reactivos 
necesitan para que se lleve a cabo la reacción química, mientras que la teoría de 
colisiones es un modelo que explica los mecanismos de las reacciones químicas. 
La teoría de colisiones fue propuesta en 1916 por Max Trautz y posteriormente en 1918 
completada por William Lewis, donde cualitativamente explicaron cómo es que las 
reacciones químicas ocurren y como es que la tasa de reacción difiere para los diferentes 
 
 
 
28 
tipos de reacciones. Según su teoría para que se produzca la reacción se deben cumplir 
las siguientes 3 condiciones: 
• Las moléculas de los reactivos tienen que chocar entre sí. 
• Los choques deben producirse con la energía suficiente de forma que puedan 
romper los enlaces químicos. 
• El choque debe poseer una orientación para que los enlaces que se deben romper 
puedan formar nuevos que se encuentren a una posición y una distancia unos a 
otros viable. 
(UNAM, 2018). 
Las principales características y suposiciones se muestran a continuación y cabe recalcar 
que solo aplican en reacciones biomoleculares en fase gas: 
➢ Los gases consisten de un número muy grande de partículas, que pueden ser 
átomos o moléculas que están en movimiento aleatorio y continuo. 
➢ La energía cinética promedio de las partículas no cambia con el tiempo siempre y 
cuando la temperatura permanezca constante. 
➢ La energía de las partículas puede transferirse a través de colisiones. 
En la figura 7 se muestran los 2 tipos de colisiones existentes, que se pueden dar de 
forma horizontal o vertical: 
➔ Las colisiones horizontales producen una energía que rompe los enlaces de forma 
más lenta. 
➔ Las colisiones verticales producen una “colisión más efectiva” ya que es más rápida 
y por lo tanto la energía producida actúa de forma más eficaz para realizar el 
rompimiento de enlaces. 
 
 
 
 
29 
 
 
 
 
Figura 7. Orientación de las colisiones y eficacias 
 
La energía de activación varía de acuerdo con el tipo de reacción química y se presenta 
con mayor cantidad en las reacciones endotérmicas en comparación a las exotérmicas, 
además, dependiendo a su cantidad se pueden presentar los siguientes 2 casos: 
• A mayor cantidad de energía de activación, más lento se lleva a cabo la reacción 
química ya que aumenta la dificultad para que el proceso suceda. 
• A menor cantidad de energía de activación menor es la barrera energética, por lo 
tanto las colisiones son más efectivas y en consecuencia la reacción química 
ocurre más rápido. 
Teniendo en cuenta los enunciados anteriores, se plantean entonces las siguientes 
ecuaciones: 
∆𝐻 = 𝐻𝑃 − 𝐻𝑅 
𝐸𝐴𝑇 = 𝐸𝐶𝐴 − 𝐻𝑅 
Donde: 
 
 
 
30 
∆𝐻 = 𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 
𝐻𝑃 = 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 
𝐻𝑅 = 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 
𝐸𝐴 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 
𝐸𝐶𝐴 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑗𝑜 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜 
 
Cuando la energía es más baja en reactivos para alcanzar el complejo activado: 
∆𝐻 > 0 
𝐻𝑃 > 𝐻𝑅 
 
La reacción es endotérmica, mientras que cuando se provee por el medio una energía 
más alta en reactivos para alcanzar el complejo activado: 
∆𝐻 < 0 
𝐻𝑃 < 𝐻𝑅 
 
La reacción es exotérmica. 
 
 
II.4 EFECTO DE LA TEMPERATURA (ECUACIÓN DE ARREHNIUS) 
 
Hasta este punto, sólo se ha considerado la influencia de la concentración sobre la 
velocidad. La constante específica de velocidad k se incluye en los efectos de todas las 
demás variables. La más importante de ellas es la temperatura, pero existen otras que 
 
 
 
31 
también son relevantes. En 1889 Arrehnius expresó esta relación entre la k y la 
temperatura, para un proceso elemental llamado la “ecuación de Arrehnius”. 
𝑘 = 𝐴𝑒 ∙ 𝑒
−𝐸𝐴
𝑅∙𝑇 
 
Donde: 
 
𝐴𝑒 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑜 𝑝𝑟𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙. 
𝐸𝐴 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛. 
𝑅 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠. 
𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎. 
 
La velocidad de la reacción química entonces dependerá de: 
 
• El valor del factor 𝐴𝑒 
• La magnitud de la energía de activación 
• La temperatura 
• La concentración inicial de los reactivos 
 
Generalmente es la magnitud de la energía de activación el factor que tiene mayor 
influencia sobre la velocidad de la reacción. Según esta ecuación, k aumenta de modo 
exponencial cuando aumenta la temperatura. En ella aparecen dos parámetros: 
• La energía de activación (EA) está relacionada con la barrera de energía que 
deben superar los reactivos para transformarse en productos, por lo que un valor 
elevado de la misma provoca un valor reducido de 𝑘 y por lo tanto de 𝑟. Sus 
dimensiones son de energía por cada mol. 
• El factor pre exponencial o factor de frecuencia (Ae) tiene las mismas unidades 
que 𝑘. 
El modo más cómodo de trabajar con la ecuación de Arrhenius es transformarla en su 
 
 
 
32 
forma linealizada. Si se aplican logaritmos neperianos a ambos lados de la igualdad, se 
obtiene: 
ln 𝑘 = ln 𝐴𝑒 −
𝐸𝐴
𝑅𝑇
 
Esta es la ecuación de una línea recta, donde: 
𝑦 = ln(𝑘) 
𝑥 = 1/𝑇 
𝑏 = ln(𝐴𝑒) 
𝑚 = −𝐸𝐴/𝑅 
Otromodo alternativo de trabajar con la ecuación de Arrhenius es considerar solamente 
dos puntos de dicha recta. Así, a una temperatura T1 la constante cinética tomaría un 
valor k1, y del mismo modo para el par de valores T2-k2. Escribiendo la ecuación de 
Arrhenius linealizada para ambos puntos, y restando ambas ecuaciones se obtendría: 
 
ln (
𝑘1
𝑘2
) = −
𝐸𝐴
𝑅
(
1
𝑇1
−
1
𝑇2
) 
 
Una reacción puede ser homogénea y requerir un catalizador miscible. En estos casos, 
k puede depender de la concentración y la naturaleza de la sustancia catalítica, cuando 
se conoce el efecto de la concentración del catalizador, es preferible incluir dicha 
concentración, de tal manera que k sea independiente de todas las concentraciones. 
(Menzinger & Wolfgang, 1969). 
 
La dependencia de la temperatura de esta cantidad y su relación con la energía umbral 
se desarrolla para una serie de formas representativas de la dependencia energética de 
la sección transversal de la reacción (función de excitación). 
 
 
 
 
33 
II.5 FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN 
 
Los factores de los cuales depende la velocidad de reacción se muestran a continuación: 
 
o Temperatura de reacción: Por regla general, la elevación de la temperatura 
produce un importante aumento de la velocidad de reacción. 
o Concentración de los reactivos: Un aumento de la concentración de los 
reactivos favorece la velocidad de reacción. 
o Naturaleza química de las sustancias. 
o Estado físico. 
o Grado de división de los sólidos. 
o Uso de catalizador, ya que es una sustancia que, estando presente en una 
reacción química, produce una variación en la energía de activación, y como 
consecuencia una variación de su velocidad, sin ser consumida durante el 
transcurso de aquella. (Smith, 1991). 
 
II.6 CATALIZADORES 
 
Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad 
de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los 
productos resultantes de la misma. 
Existen dos tipos de catalizadores, los positivos, y los negativos. (Díaz, 2018). 
II.6.1 Catalizadores positivos y negativos 
Los catalizadores positivos son aquellos que incrementan la velocidad de la reacción, 
son quizás los que mayor interés presentan debido a su gran uso. 
Mientras que los catalizadores negativos son también llamados inhibidores, este tipo de 
catalizadores aquellos que hacen disminuir la velocidad de reacción. Poseen un interés 
especial para la industria de los alimentos, donde suelen venir utilizados como aditivos, 
con la finalidad de impedir el deterioro precoz o que las reacciones alteren el producto 
 
 
 
34 
alimentado. 
II.6.2 Catalizadores homogéneos 
Lo catalizadores homogéneos se encuentran en disolución con los reactivos (de ahí su 
nombre homogéneos) o en la misma fase que ellos. El catalizador se combina con uno 
de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más 
fácilmente. Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque 
la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar. 
II.6.3 Catalizadores heterogéneos o de contacto 
Se encuentran en una fase distinta de los reactivos. Los catalizadores de contacto son 
materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies. 
II.6.4 Electro catalizadores 
En el contexto de la electroquímica, específicamente en la ingeniería de las pilas de 
combustible, que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las 
velocidades de las semirreacciones que conforman la pila de combustible. 
II.6.5 Catalizadores biológicos 
Son las llamadas enzimas, moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones 
químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien pueden hacer que el 
proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas 
actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en 
moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células 
necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones 
mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas. Existen ciertas 
sustancias llamadas promotoras, que no tienen capacidad catalítica en sí, pero 
aumentan la eficacia de los catalizadores. 
II.6.6 Ventajas del uso de catalizadores 
1. Ahorra tiempo: El uso de catalizador ahorra tiempo ya que tardaría mucho tiempo 
en llevarse a cabo la reacción química, probablemente sin el uso de catalizadores 
 
 
 
35 
cualquier mecanismo disponible para una reacción específica tardaría miles de años 
sin reaccionar o probablemente reaccionaria una cantidad insignificante de 
reactivos. 
2. Ventajas económicas: También tiene ventajas económicas, de ahorro y eficiencia 
porque evita usar temperaturas y presiones más elevadas para acelerar la reacción, 
por lo tanto es económicamente se refleja en un ahorro, ya que el usar mayores 
temperaturas y presiones es hacer uso de mayor consumo de energía 
II.6.7 Características de los catalizadores 
Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los 
definen: la fase activa y la selectividad. La actividad y la selectividad, e incluso la vida 
misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se 
distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de 
conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por 
lo tanto, aislantes o dieléctricos. 
Los catalizadores aceleran las reacciones químicas al donar. (Díaz, 2018). 
 
II.7 CINÉTICA Y MECANISMO DE REACCIÓN PARA LA 
DESHIDROGENACIÓN DEL METILCICLOHEXANO. 
 
En trabajos experimentales realizados a 1.4 atm y 390ºC se estudió la cinética de la 
deshidrogenación de metilciclohexano a tolueno con un catalizador de Pt soportado 
sobre una zeolita y Na. Se propuso como mecanismo más probable el de adsorción sobre 
dos centros iguales. Los resultados se ajustaron satisfactoriamente a una ecuación de 
velocidad tipo Langmuir de adsorción sobre dos centros iguales, siendo el paso 
controlante la reacción superficial ya que el tolueno e hidrógeno inhiben la reacción. 
(Lopez, Corma, & Cid, 1984) 
La energía de activación aparente calculada fue de 20 ± 2 kcal/mol. De datos 
suplementarios obtenidos con metilciclohexano se deduce que el paso más lento de la 
reacción de superficie corresponde a la formación de metilciclohexano. 
 
 
 
36 
La ecuación que satisface estos datos es: 
 
𝑟 =
𝑘 𝐾𝑀 (𝑃𝑀 −
𝑃𝑇𝑃𝐻
𝐾 )
(1 + 𝐾𝑀𝑃𝑀 + 𝐾𝐻𝑃𝐻 + 𝐾𝑇𝑃𝑇)2
 
Donde: 
𝑟= Velocidad de reacción 
𝑘= Constante de velocidad 
𝐾= Constante de equilibrio termodinámica 
𝐾𝑖= Coeficiente de adsorción 
𝑃𝑖= Presión parcial 
𝑀= Representa al metilciclohexano 
𝑇= Representa al tolueno 
𝐻= Representa al hidrógeno 
 
Puesta de forma lineal se puede reordenar como: 
 
[
𝑃𝑀 −
𝑃𝑇 ∙ 𝑃𝐻
𝐾
𝑟
] = 𝑑 + 𝑎𝑃𝑀 + 𝑏𝑃𝐻 + 𝑐𝑃𝑇 
Siendo: 
𝑑 = √
2
𝑘 𝐾𝑀
 
 
 
 
37 
𝑎 = √
2
𝑘 𝐾𝑀
∙ 𝐾𝑀 
𝑏 = √
2
𝑘 𝐾𝑀
∙ 𝐾𝐻 
𝑐 = √
2
𝑘 𝐾𝑀
∙ 𝐾𝑇 
La etapa controlante de la velocidad, es la reacción de superficie, la cual en nuestro 
esquema cinético inicial se consideró como una sola etapa por razones de simplicidad, 
aunque muy probablemente consta de varias etapas de deshidrogenación sucesiva del 
metilciclohexano, en Ias que se pueden formar compuestos intermedios tales como 
metilciclohexenos y metilciclohexadienos, teniendo en cuenta esto, se propone como 
mecanismo de reacción más probable: 
 
𝐶7𝐻14 ∙ 𝐶 ↔ 𝐶7𝐻12 ∙ 𝐶 + 𝑇 ∙ 𝐶 + 𝐻2 ∙ 𝐶 
 
Teniendo esta información disponible y tomando en cuenta las condiciones 
experimentales como las mismas, se hará uso de esa ecuación de velocidad para lograr 
el objetivo de obtención de tolueno esperadoen este proyecto. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
38 
CAPÍTULO III. REACTORES QUÍMICOS 
 
En este capítulo se abordan los temas que tienen relación a los reactores químicos, los 
diferentes tipos de los mismos, sus ecuaciones de diseño, y algunas características 
particulares de cada tipo. 
 
III.1 CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES QUÍMICOS 
 
Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, 
estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el 
menor costo posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o 
por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores. El diseño de un reactor 
químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de 
masa y energía, así como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son 
necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el 
método de operación, además con base en los parámetros de diseño se espera poder 
predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones. 
(UPM, 2017). 
 
Sus funciones principales comprenden: 
 
• Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del 
tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes. 
• Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el 
catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción. 
• Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la 
reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los 
aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. 
 
Los reactores químicos son los recipientes en los que se produce una reacción 
https://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica
https://es.wikipedia.org/wiki/Biorreactor
https://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica_de_fluidos
 
 
 
39 
química, los cuales se pueden clasificar en discontinuos y continuos. 
 
Los discontinuos que se muestran en la figura 8 son recipientes donde se hace 
reaccionar a los reactivos introducidos durante un cierto tiempo. Se acepta que en todos 
sus puntos las condiciones de temperatura, presión y composición son idénticas y varía 
en el tiempo. 
En este tipo de reactor hay que tener en cuenta que no hay caudal de entrada y salida, 
pero sí hay mezcla en el interior del reactor, para mantener constancia en todos los 
puntos del sistema de las propiedades, y sí hay variación en el tiempo. El 
funcionamiento discontinuo consiste en adicionar los reactivos de una vez en el interior 
del reactor, esperar el tiempo necesario para qué se dé la reacción y vaciar el contenido. 
Por lo tanto durante el tiempo de operación, propiamente dicho, no entra ni sale ningún 
flujo de materia del reactor, y por lo tanto la masa total de la mezcla de reacción se 
mantiene constante. (Vilalta, 1999). 
 
 
Figura 8. Proceso discontinuo de un reactor. 
 
Dentro de este tipo de reactores se encuentran los tipo Batch que son reactores en 
donde no existe flujo de entrada ni salida, es simplemente un reactor con un agitador 
que homogeniza una mezcla. Algunas ventajas que tienen este tipo reactores es que 
en un solo recipiente se pueden realizar diversas operaciones sin la necesidad de 
romper la contención. (UDLAP, 2017). 
 
 
 
40 
 
 
 
 
 
Figura 9. Reactor tipo Batch o tanque agitado. 
 
Los continuos a su vez se dividen en reactores de mezcla total y reactores flujo pistón 
(PFR) 
Los de mezcla total o CSTR (por sus siglas en inglés “continuous stirred tank reactor”) 
mostrados en la figura 9 son reactores en los que hay un aporte de reactivos y una 
extracción de productos (y reactivos) constante. En su interior mantienen constancia de 
presión, temperatura y composición, siendo estas propiedades idénticas a la del caudal 
de salida. En condiciones estacionarias se mantienen constantes en el tiempo, estos 
operan de forma continua, es decir, los flujos de entrada y salida son permanentes. La 
materia que entra se mezcla instantáneamente en el reactor lo cual produce una 
concentración en el interior del reactor que también es igual a la concentración de salida. 
(UDLAP, 2017). 
 
 
Figura10. Reactor de mezcla completa 
 
 
 
41 
Los reactores flujo pistón o PFR (por sus siglas en inglés “plug flow reactor”) mostrados 
en la figura 11, son sistemas que presentan una entrada y salida constante de reactivos 
y productos. Mantiene en su interior constancia de presión, temperatura y composición, 
en cada sección perpendicular al flujo y varían desde la sección de entrada a la sección 
de salida. En condiciones estacionarias se mantienen contantes en el tiempo los valores 
propios de cada sección. (UDLAP, 2017). 
 
 
 
 
 
Figura 11. Reactor tipo flujo pistón (PFR). 
 
III.2 DISEÑO DE REACTORES QUÍMICOS 
 
El diseño de reactores químicos combina tres experiencias: 
 
• Fluido dinámica del sistema 
• Balance materia y energía 
• Cinética de la reacción química 
 
De la conjunción de estos fenómenos se puede obtener una relación entre el volumen 
del reactor químico y las transformaciones que ocurren en su interior. 
La fluido dinámica del sistema, indica en primer lugar si el sistema es discontinuo o 
continuo, en segundo lugar y en sistemas continuos si en el reactor hay intercambio de 
materia entre la corriente de entrada y la materia en su interior, o por el contrario el 
caudal recorre el reactor como si de un pistón se tratara. (UPM, 2017). 
En el balance de materia se tiene en cuenta la materia que se incorpora. Por tanto, sea 
un cierto volumen V en el reactor discontinuo, que posee una concentración en 
compuestos, CA, CB, CS, CR, etc. que sufrirán variaciones en el tiempo. Sea un caudal 
Q en el reactor en el tiempo de permanencia. Este tiempo de permanencia o tiempo 
 
 
 
42 
hidráulico es igual al cociente V reactor/Q caudal. En todo el proceso es necesario elegir 
un compuesto base, o compuesto testigo, y en los siguientes apartados se elige al 
compuesto A. 
Se denomina alimentación 𝐹𝐴0 al producto de un volumen para una concentración. 
Una magnitud básica en el diseño es la conversión definida como el cociente entre los 
moles consumidos y los moles alimentados. 
 
𝑋𝐴 =
𝐹𝐴
𝐹𝐴0
 
 
Se define de este modo para normalizar los cambios que ocurren en un reactor y 
comparar resultados de fenómenos diferentes. La alimentación es un número 
determinado de moles que variará en el transcurso del proceso, su variación está 
relacionada con XA, y es independiente de que haya o no variación en el volumen de los 
reactivos. 
Ello lleva si no hay variación de volumen en el transcurso del proceso, a una relación 
entre las concentraciones de entrada (o de tiempo cero) y las concentraciones a medida 
que la relación transcurre, concentraciones que pueden ser medidas. 
 
II.2.1 Determinación de parámetros cinéticos a partir de datos experimentales 
 
II.2.1.1 Avance de reacción 
 
Distintos parámetros pueden utilizarse para medir el avance de una reacción pero uno 
de los más usados es la conversión, esto es la fracción de reactivo que ya ha 
reaccionado. 
𝐴 → 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 
 
 
 
43 
Partiendo de un número inicial de moles de Ha llamado NA0. Al cabo de cierto tiempo de 
reacción la cantidad de moles habrá disminuido a cierto número NA. La conversión de A 
queda definida por: 
𝑋𝐴0 =
𝑁𝐴0 − 𝑁𝐴
𝑁𝐴0
 
 
Esta definición es válida para los sistemas en discontinuo o Batch. Para los sistemas en 
flujo continuo la conversión se define en función de los flujos molares (moles por unidad 
de tiempo): 
𝐹𝐴0 =
𝐹𝐴0 − 𝐹𝐴
𝐹𝐴0
 
 
Donde FA0 es el flujo molar a la entrada del sistema y FA el flujo molar a la salida, o en 
algún otro punto del sistema. Estas definiciones permiten trabajar con la variable 
conversión en lugar de trabajar con número de moles, o flujos molares,