Tradicionalmente, las refinerías son diseñadas para transformar petróleo crudo en combustibles de uso directo y materias primas para otros procesos químicos, ambos indispensables para una mejor calidad de vida de la población. La construcción de torres de destilación, reactores y sistemas auxiliares, así como el diseño de catalizadores giraron alrededor de una misma idea: procesar recursos fósiles no renovables para la generación de productos de valor agregado. Sin embargo, en la actualidad, la transición energética plantea nuevos retos tecnológicos y sugiere una pregunta inevitable: ¿con la infraestructura actual de los procesos de refinación es factible transformar materias primas renovables en combustibles verdes?
La respuesta a este cuestionamiento es intrigante e interesante a la vez. Una alternativa prometedora consiste en incorporar una fracción de materia prima renovable a las corrientes convencionales derivadas del petróleo, aprovechando la infraestructura existente de los procesos de refinación. Técnicamente, esta estrategia recibe el nombre de co-procesamiento (Figura 1).
Aunque la idea parece sencilla, las transformaciones químicas que ocurren dentro de un reactor son extraordinariamente complejas debido a la naturaleza de las corrientes de origen fósil y renovable, lo que convierte al co-procesamiento en un verdadero desafío para investigadores e ingenieros. Comprender estas corrientes es uno de los grandes retos científicos asociados a la incorporación de recursos renovables en los procesos de refinación actualmente en operación.
Precisamente ese fue el objetivo de una investigación reciente realizada por investigadores y especialistas del Instituto Mexicano del Petróleo [1].
Dos mundos químicos que convergen en un mismo reactor
Por su notable producción de destilados ligeros, la desintegración catalítica en lecho fluidizado, conocida como FCC (Fluid Catalytic Cracking por sus siglas en inglés), es uno de los procesos más importantes de la refinería. Su función es transformar moléculas complejas y relativamente pesadas contenidas en los gasóleos, una corriente derivada del petróleo producida principalmente en la destilación al vacío del crudo, en productos más ligeros y de mayor valor comercial, como la gasolina, el gas licuado de petróleo (gas LP) y el diésel.
Ahora imaginemos que parte de ese gasóleo se sustituye por un aceite vegetal. A simple vista, ambos son líquidos y compatibles al mezclado; sin embargo, químicamente pertenecen a mundos diferentes. El gasóleo contiene una gran diversidad de hidrocarburos acompañados de pequeñas cantidades de heteroátomos de azufre y nitrógeno (Figura 2). Por su parte, los aceites vegetales están constituidos principalmente por triglicéridos, moléculas formadas por una molécula de glicerol y tres cadenas de ácidos grasos que, a diferencia de los hidrocarburos del petróleo, contienen oxígeno en sus grupos funcionales (Figura 3).
Cuando el gasóleo y el aceite vegetal entran en contacto con el catalizador FCC, un sólido en forma de micro-esferas con propiedades ácidas, a temperaturas cercanas a los 520 °C, numerosas transformaciones químicas comienzan a ocurrir de manera casi instantánea. Las moléculas pesadas y complejas se rompen para producir especies de menor peso molecular incluyendo, en el caso de los aceites vegetales, intermediarios derivados de ácidos grasos, mientras que el oxígeno asociado se transforma en agua y óxidos de carbono. Posteriormente, las cadenas lineales libres de oxígeno se desintegran catalíticamente para formar productos de valor comercial como gasolina y gas LP. Es precisamente en este punto donde se detecta una zona de convergencia entre la desintegración de corrientes fósiles y aceites vegetales: la generación de algunos productos de reacción en común.
En este marco, el reto no consiste únicamente en demostrar que estas transformaciones ocurren y generan productos bien definidos y de valor comercial. También es necesario construir una especie de mapa matemático capaz de describir la forma en que las distintas rutas de reacción están interconectadas y cómo compiten entre sí.
La verdadera pregunta al respecto: ¿podemos identificar cuáles son las rutas más importantes y comprender cómo compiten entre sí dentro del reactor?
Construyendo un mapa de reacciones
Para comenzar a dar respuesta a esa pregunta, el punto de partida fue la ejecución de casi 100 experimentos de desintegración catalítica en un reactor de lecho fluidizado confinado a escala laboratorio, empleando un catalizador de equilibrio comercial.
En los experimentos se desintegró gasóleo virgen, muestreado de una unidad FCC industrial, y aceite vegetal puro, así como mezclas de ambos en diferentes proporciones, bajo condiciones variables de temperatura y relación catalizador – aceite, dentro de regiones operativas de interés comercial. El objetivo era valorar cómo la conversión de las cargas y la distribución de productos cambiaban al modificar las condiciones de operación y la proporción de materia prima renovable en la mezcla de reacción. Resultó particularmente interesante observar, por ejemplo, que cerca del 17 % y del 45 % peso del aceite vegetal convertido terminaron en las fracciones de gas LP y gasolina, respectivamente.
El siguiente desafío por superar fue dar seguimiento puntual a las diferentes especies que forman parte del efluente del reactor. Un gasóleo virgen industrial contiene miles de moléculas diferentes, de modo que al escribir una ecuación de velocidad de reacción para cada especie resulta en un modelo excesivamente complejo y prácticamente imposible de resolver. A esto se suma que una descripción de ese nivel de detalle exigiría una infraestructura analítica extremadamente sofisticada que hoy en día no está disponible.
Por tanto, para fines prácticos, se recurrió a una estrategia ampliamente empleada en ingeniería de reacciones químicas aplicada a la refinación: agrupar moléculas de naturaleza y comportamiento cinético semejantes en grandes familias o agregados moleculares, comúnmente denominados “lumps”.
Así, el modelo cinético desarrollado fue acotado a diez agregados moleculares experimentales y analíticamente cuantificables, conectados mediante veinte rutas globales de reacción, lo que da lugar a una red con etapas en serie y en paralelo. Ligados a la corriente renovable únicamente aparecen los triglicéridos (TG), los ácidos grasos libres (AGL) —saturados, mono- y poliinsaturados—, el agua y los óxidos de carbono. Compartidos por ambas corrientes se encuentra el gas LP (GLP), el gas seco (GS), la gasolina (GNA), el aceite cíclico ligero (ACL), el aceite cíclico pesado (ACP) y el coque (Figura 4).
De este modo, en lugar de dar seguimiento a cada molécula individual, el modelo sigue la evolución de los agregados moleculares bien definidos, algunos de ellos inestables, cuya reconversión genera grupos moleculares menos complejos y químicamente más estables. Es una especie de mapa carretero en el que, en lugar de representar cada calle de la ciudad, los esfuerzos se centran en identificar las avenidas principales, aquellas necesarias para entender por dónde circula la mayor parte del tráfico.
Y precisamente cuando ese mapa estuvo construido apareció otro gran desafío: determinar por cuáles de esas avenidas el tráfico molecular es más intenso.
¿Qué ocurre con el aceite vegetal?
Una vez planteado el modelo, los parámetros cinéticos que mejor reproducen las observaciones experimentales fueron estimados aplicando una estrategia matemática compleja. Eso permitió seguir el movimiento de la materia por el mapa de reacción mientras el gasóleo y el aceite vegetal se desintegran juntos sobre el catalizador.
En la conversión del gasóleo se observa una secuencia de reacciones característica de la desintegración catalítica de hidrocarburos: las fracciones más pesadas, agrupadas principalmente en el aceite cíclico pesado (ACP), se transforman en productos intermedios como el aceite cíclico ligero (ACL) y la gasolina, que a su vez pueden seguir reaccionando para producir moléculas más ligeras como el gas LP, e incluso formar coque (Figura 5). Este último es un producto carbonáceo con una alta relación C/H que se deposita en la superficie del catalizador, si bien desactiva de manera reversible al catalizador, resulta indispensable para garantizar el balance térmico en una unidad FCC industrial.
El aceite vegetal sigue un camino ciertamente distinto. Los triglicéridos reaccionan rápidamente bajo las condiciones del FCC y alimentan una red de intermediarios derivados de ácidos grasos. De acuerdo con el análisis cinético, una parte importante de esa materia se dirige inicialmente hacia productos líquidos de rango intermedio, como el ACL, y hacia fracciones más ligeras, como la gasolina, mientras que otras transformaciones continúan hasta generar hidrocarburos aún más ligeros, como el gas LP y el gas seco (Figura 5). Al mismo tiempo, el oxígeno presente originalmente en el aceite debe abandonar la red de reacción. De acuerdo con los análisis realizados en nuestros laboratorios, lo hace principalmente mediante la formación de agua y, en menor medida, de óxidos de carbono (COₓ).
Lo interesante es que ambos caminos terminan encontrándose: los intermediarios derivados de los ácidos grasos alimentan los mismos productos que se obtienen al desintegrar corrientes fósiles. Esto permite visualizar algo difícil de observar directamente en un experimento: la competencia entre las distintas rutas por las que puede avanzar la materia dentro del reactor.
Una precisión importante
El modelo desarrollado ofrece una interpretación cinética cuantitativa de esas contribuciones en términos de los agregados moleculares definidos. Sin embargo, no sigue individualmente cada átomo de carbono desde el aceite vegetal hasta un producto determinado. Demostrar ese recorrido con certeza molecular exigiría experimentos adicionales, por ejemplo, mediante el uso de moléculas marcadas isotópicamente.
Reconocer esa diferencia es fundamental: un buen modelo no solo debe indicar lo que puede explicar, sino también hasta dónde llega la información que contiene. Lejos de restarle valor, delimitar con claridad sus alcances es lo que permite acotar sin ambigüedades su aplicabilidad.
¿Una refinería más sostenible sin reconstruirla desde cero?
Aquí aparece la implicación tecnológica más amplia. El interés del trabajo no reside únicamente en estudiar el comportamiento del aceite vegetal, sino en desarrollar herramientas capaces de analizar, de manera cuantitativa, la incorporación de materias primas renovables en procesos originalmente concebidos para el procesamiento de corrientes fósiles.
Esa pregunta no es abstracta en el caso de México. El Sistema Nacional de Refinación está integrado por siete refinerías ubicadas en: Cadereyta, Madero, Minatitlán, Salamanca, Salina Cruz, Tula y, más recientemente, en Dos Bocas (refinería Olmeca). Estas instalaciones llevan décadas operando, en las que se ha acumulado una experiencia técnica considerable. Aprovechar parte de esa infraestructura para procesar nuevas alimentaciones podría representar una alternativa complementaria a la construcción de procesos completamente nuevos.
Pero hacerlo de manera racional exige responder preguntas concretas:
- ¿Cuánta materia prima renovable puede incorporarse sin comprometer la operación de la unidad?
- ¿Cómo cambian la producción y la calidad de gasolina y del gas LP?
- ¿Qué ocurre con el coque depositado sobre el catalizador durante la conversión de las corrientes renovables?
- ¿Por qué rutas se elimina el oxígeno contenido en la carga renovable?
- ¿En qué condiciones de operación se alcanza el mejor compromiso entre conversión y distribución de productos?
Un modelo cinético como el desarrollado en este trabajo constituye una pieza fundamental de ese rompecabezas, pues permite relacionar matemáticamente la composición de la alimentación (sea fósil, renovable o mixta), la temperatura de reacción, la cantidad de catalizador, la desactivación y el rendimiento hacia los distintos productos de desintegración.
Sería arriesgado, sin embargo, concluir que incorporar aceite vegetal al esquema de refinación existente convertiría automáticamente a la refinería en una instalación “verde”. La sostenibilidad de un combustible depende también del origen de la biomasa, de cómo fue cultivada o producida, de cuánta distancia se transportó, de la energía necesaria para procesarla y del impacto ambiental del sistema completo. Es decir, de su ciclo de vida.
Por lo tanto, el co-procesamiento de corrientes renovables y fósiles debe entenderse como una alternativa tecnológica que merece evaluarse con mayor rigor, incorporando la huella de carbono y la dimensión económica, y no como una garantía automática de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.
Cuando la inteligencia artificial y la ingeniería química hacen sinergia
Este proyecto deja una segunda lección: los problemas complejos de la ingeniería actual no pueden resolverse con una sola herramienta. Construir el modelo cinético exigió empatar dos mundos: el de la experimentación catalítica, los balances de materia y el análisis estadístico; y el de la programación científica, el cómputo acelerado, el machine learning y la optimización matemática. Cada herramienta desempeñó una función distinta (Figura 6).
Las secuencias de Sobol permitieron explorar de manera global la región paramétrica de interés; la GPU hizo posible evaluar millones de posibilidades; el machine learning ayudó a reconocer dónde valía la pena continuar buscando, y la optimización local refinó las mejores soluciones. Pese a ese papel relevante, la inteligencia artificial nunca sustituyó a la ingeniería: los balances de materia, las ecuaciones cinéticas y, sobre todo, la información experimental fueron los que mantuvieron las soluciones ancladas a la realidad física.
Quizá éste sea uno de los mensajes más importantes que deja el trabajo. Las nuevas herramientas computacionales son valiosas como complemento del conocimiento del problema y como apoyo para responder preguntas que antes resultaban demasiado complejas. No sustituyen a la ingeniería: amplían el tamaño de los problemas que la ingeniería puede permitirse atacar y resolver.
Y si en las próximas décadas se consolida la idea de incorporar materias primas distintas en procesos industriales concebidos para otro mundo energético, inevitablemente necesitaremos que la ingeniería química, la experimentación y las herramientas computacionales trabajen de manera coordinada. Porque la transición energética no se construirá derribando lo que ya existe, sino profundizando en su entendimiento para transformarlo.
Instituto Mexicano del Petróleo, Dirección de Investigación, Gerencia de Investigación en Transformación Industrial. 55 9175 8516, arodrigu@imp.mx www.imp.mx
[1] C. Alvarado-Camacho, A. Rodríguez-Hernández, P. Vega-Merino y R. Quintana-Solórzano. “Co-processing Vegetable Oils in Catalytic Cracking: Kinetic Analysis to Quantify the Importance of Reaction Pathways”. Chemical Engineering Journal 549 (2026) 181281. DOI: 10.1016/j.cej.2026.181281.
