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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ INFORME DE RESIDENCIA PROFESIONAL INGENIERÍA QUÍMICA ALUMNO: BRAVO HERNÁNDEZ CHRISTIAN IVÁN TEMA: “SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE ESTRUCTURAS 3DOM DE SULFURO DE MOLIBDENO PROMOVIDO CON CO.” Asesores Dr. Samuel Enciso Sáenz Revisores Ing. Leonardo Ing. Rene Gómez Gutiérrez Cuesta Díaz TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS 15 DE ENERO DE 2019

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TUXTLA GUTIÉRREZ

INFORME DE RESIDENCIA PROFESIONAL

INGENIERÍA QUÍMICA

ALUMNO:

BRAVO HERNÁNDEZ CHRISTIAN IVÁN

TEMA:

“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE

ESTRUCTURAS 3DOM DE SULFURO DE

MOLIBDENO PROMOVIDO CON CO.”

Asesores

Dr. Samuel Enciso Sáenz

Revisores

Ing. Leonardo Ing. Rene

Gómez Gutiérrez Cuesta Díaz

TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS 15 DE ENERO DE 2019

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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS

Dedicatoria

Esta tesis esta dedica a mi Familia padres Josestalin Bravo Ramos y María de los Angeles

Hernández Gómez y mi hermana Fabiola Berenice Bravo Hernández, Por su apoyo, enseñanzas,

afecto, compresión, motivación e inspiración para seguir adelante que me han dado en el

trascurso de mi vida.

A mi familia, abuelos, tíos, primos por toda el apoyo y atención que me anda brindado en todo

momento.

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Agradecimientos

Agradezco al CONACYT por el apoyo a través del proyecto de Laboratorio Nacional de Micro y

Nanofluídica No. 293442.

Agradezco al Centro de investigacion en materiales avanzados (Cimav) y concretamente

Departamento de Ingeniería y Química de Materiales superficies inteligentes.

Agradezco al equipo de área de superficies inteligentes por brindarme su apoyo y conocimientos

brindados para mi desempeño profesional

Agradezco a mi asesora, la doctora Lorena Álvarez Contreras por aceptarme como parte de su

grupo de trabajo, por brindarme su apoyo y enseñanzas.

Agradezco a mi asesor doctor Samuel Enciso Sáenz por brindarme su apoyo, orientación durante

la realización de mi residencia profesional y tesis

Y finalmente a ti que estás otorgando un poco de tu tiempo para leer esta tesis.

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Introduccion

El petróleo es una de las principales fuentes de energía para las máquinas de combustión. Debido

a su alto consumo, el medio ambiente se ha deteriorado lo cual ha exigido la implementación de

normas más estrictas para la reducción de contamines, siendo el azufre uno de los más nocivos.

Debido a que el crudo extraído en el país contiene altos porcentajes de azufre, se emplean procesos

de hidrodesulfuración utilizados para eliminación de este elemento. El uso de soporte de materiales

altamente porosos permite que el catalizador tenga un mejor desempeño en este proceso. El costo

de los catalizadores utilizados actualmente en la industria de la refinación del petróleo es elevado,

lo que motiva a llevar a cabo investigaciones para encontrar nuevas rutas de síntesis de materiales

altamente porosos. Una de las técnicas más importantes es el ordenamiento tridimensional de los

meso y macro poros (3DOM). Las metodologías de síntesis de estructuras 3DOM consisten en el

ordenamiento de esferas de polímero, para formar un molde estructurado en tres dimensiones,

sobre el cual se lleva a cabo la impregnación de un compuesto organometálico o metálico, el cual

funcionará como precursor de la fase activa para la reacción de hidrodesulfuración (HDS).

Después de un tratamiento térmico o calcinación, las esferas de polímero son carbonizadas y

removidas, mientras que el precursor metálico se descompone para formar primero una estructura

de óxido metálico y posteriormente con la activación se transforma en el catalizador.

En virtud de la complejidad del contenido de la investigación, el trabajo se divide en tres

segmentos: la primera, tiene que estudia la metodología de síntesis de estructuras de 3DOM de

óxido de Molibdeno. La segunda trata de la Síntesis de Nano esferas PMMA, el tercero, de la

preparación de solución impregnación. Finalmente encontramos la metodología de sulfuración de

las estructuras de óxido de molibdeno promovido con cobalto; así como las distintas formas de

caracterización.

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Espero que los buenos lectores, revisen el contenido y despierte el interés por investigar con

profundidad el tema de estudio.

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Índice

Dedicatoria ................................................................................................................................................. 1

Agradecimientos ......................................................................................................................................... 2

Introduccion ................................................................................................................................................ 3

Índice .......................................................................................................................................................... 5

Resumen ..................................................................................................................................................... 9

CAPÍTULO I HIPÓTESIS Y OBJETIVO ................................................................................................ 10

1.1 Hipótesis. ........................................................................................................................................ 10

1.2 Objetivos ......................................................................................................................................... 10

1.2.1Objetivo general ........................................................................................................................ 10

1.2.2 Objetivos específicos ............................................................................................................... 10

CAPITULO II JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES .......................................................................... 11

2.1 Justificación .................................................................................................................................... 11

2.2 Antecedentes ................................................................................................................................... 12

CAPITULO III MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 13

3.1 Petroleo (Crudo) ............................................................................................................................. 13

3.2 Proceso de refinación ...................................................................................................................... 13

3.3 Hidrotratamiento ............................................................................................................................. 14

3.3.1 Hidrodesulfuracion (HDS) ........................................................................................................... 15

3.3.2 Reacciones de HDS. ................................................................................................................. 17

3.3.3 Impacto del azufre sobre las Emisiones Vehiculares ................................................................ 18

3.4 Catalizador .................................................................................................................................. 18

3.4.1 Tipo de catalizadores utilizados en hidrodesulfuración ............................................................ 18

3.5 Nanotecnología ............................................................................................................................... 18

3.6 Clasificación de los nanomateriales ............................................................................................ 19

3.7 Metodos de sintesis de los nanomateriales .................................................................................. 20

CAPITULO IV METODOLOGIA DE INVESTIGACION Y DISEÑO EXPERIMENTAL ................... 25

4.1 Materiales, Reactivos y equipos ...................................................................................................... 26

4.1.1 Materiales: .............................................................................................................................. 26

4.1.2 Reactivos: ................................................................................................................................ 27

4.1.3 Equipos: .................................................................................................................................. 27

4.2 Metodología de sintesis de estructuras 3DOM de óxido de Molibdeno promovido con Cobalto. ... 28

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4.2.1 Sintesis de Nanoesferas PMMA ............................................................................................... 28

4.2.2 Preparacion de plantillas PMMA ............................................................................................. 28

4.2.3 Preparacion de solucion Impregnación ..................................................................................... 28

4.2.4 Impregnación ........................................................................................................................... 29

4.2.5 Formación de óxidos y Eliminación de nano esferas ................................................................ 29

CAPITULO V OBSERVACIONES, RESULTADOS .............................................................................. 30

5.1 Observaciones ................................................................................................................................. 30

5.1.1 Sintesis de Nanoesferas PMMA ............................................................................................... 30

5.1.2 Preparacion de plantillas PMMA ............................................................................................. 30

5.1.3 Preparacion de solucion Impregnación ..................................................................................... 30

5.1.4 Impregnación ........................................................................................................................... 31

5.1.5 Tratamiento térmico (Formación de óxidos) ............................................................................ 31

5.2 Resultados ....................................................................................................................................... 31

5.2.2 Ordenamiento tridimensional ................................................................................................... 32

5.2.3 Platillas de PMMA 3DOM ....................................................................................................... 32

5.2.4 Cálculos de solucion impregnadora .......................................................................................... 33

5.2.5 Variación del porcentaje volumen de los solventes a diferentes molaridades........................... 34

5.2.6 Técnicas de aplicaciones de solucion ..................................................................................... 37

5.3.2 Técnica de TGA-DTA, ............................................................................................................. 43

CONCLUSIÓN......................................................................................................................................... 46

Bibliografía ............................................................................................................................................... 47

Anexos ...................................................................................................................................................... 48

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Índice de ilustraciones

Ilustración 1 Diagrama de procesos convencional de refinación del petroleo ........................................... 14

Ilustración 2 Procesos de Hidrodesulfuración ........................................................................................... 16

Ilustración 3 Reacciones de mercaptanos .................................................................................................. 17

Ilustración 4 Reacciones de sulfuros ........................................................................................................ 17

Ilustración 5 Reacciones de disulfuros ...................................................................................................... 17

Ilustración 6 Reacciones de tiofeno .......................................................................................................... 17

Ilustración 7 Clasificación de Nanomateriales .......................................................................................... 19

Ilustración 8 Etapas de investigación ....................................................................................................... 25

Ilustración 9 Sintesis de PMMA ............................................................................................................... 31

Ilustración 10 Plantilla 3DOM en Vial........................................................................................................ 32

Ilustración 11 Plantilla antes de la impregnación ..................................................................................... 32

Ilustración 12 Solucion de Co ................................................................................................................... 35

Ilustración 13 Solucion de Mo .................................................................................................................. 35

Ilustración 14 Solucion Co+Mo ................................................................................................................ 35

Ilustración 15 Impregnación Mo ............................................................................................................... 36

Ilustración 16 Impregnación de Co+Mo ................................................................................................... 36

Ilustración 17 Impregnación Co ............................................................................................................... 36

Ilustración 18 Plantilla secada de Co ........................................................................................................ 37

Ilustración 19 Plantilla secada de Co-Mo .................................................................................................. 37

Ilustración 20 Plantilla secada de Mo/Agua .............................................................................................. 37

Ilustración 21 Plantilla secada de Mo/Metanol ........................................................................................ 37

Ilustración 22 Oxido de Mo ....................................................................................................................... 38

Ilustración 23 Oxido De Co-Mo ................................................................................................................. 38

Ilustración 24 Oxido de Co ........................................................................................................................ 38

Ilustración 25 Caracterización plantilla 3DOM 1 ...................................................................................... 39

Ilustración 26 Caracterización plantilla 3DOM 2 ...................................................................................... 40

Ilustración 27 Caracterización plantilla 3DOM 3 ...................................................................................... 40

Ilustración 28 Caracterización de Co-Mo ................................................................................................. 41

Ilustración 29 Caracterización de Oxido de Mo ........................................................................................ 41

Ilustración 30 Caracterización plantilla 3DOM 1 Oxidos de Co ............................................................... 42

Ilustración 31 Caracterización tamaño de poro Oxido de Co .................................................................... 42

Ilustración 32 TGA-DTA Sintesis de PMMA L1 .................................................................................... 43

Ilustración 33 TGA-DGA Oxido de Co+Mo............................................................................................ 44

Ilustración 34 TGA-DGA de Oxidos de Co ................................................................................................. 45

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Índice de Tablas

Tabla 1 Diámetro de Nano esferas ............................................................................................................ 31

Tabla 2 Presencia de 3DOM ..................................................................................................................... 32

Tabla 3 Soluciones con Metanol ............................................................................................................... 33

Tabla 4 Solucion preparada con Etilenglicol Anhidro .............................................................................. 33

Tabla 5 Solucion preparada con Agua ...................................................................................................... 33

Tabla 6 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.3 Molar....................................................................... 34

Tabla 7 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.2 Molar....................................................................... 34

Tabla 8 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.1 Molar....................................................................... 34

Tabla 9 Pruebas de Impregnación por capas ............................................................................................. 36

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Resumen

En este trabajo de investigación “SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE ESTRUCTURAS

3DOM DE SULFURO DE MOLIBDENO PROMOVIDO CON CO.” Se presenta la aplicación

de la metodologia de sintesis de os catalizadores macro porosos de orden tridimensional por el

metodo plantilla coloidal. Esta metodologia se utilizará para el desarrollo de materiales altamente

porosos de sulfuros de Molibdeno promovido con Cobalto.

Esta tesis de divide en cinco capítulos. El capítulo I se presenta Hipótesis y Objetivos, este tiene

como propósito dar a conocer la hipótesis y los objetivos planteados de la investigacion. El

capítulo II presentan la justificación y los antecedentes tiene como propósito dar a conocer los

motivos de la realización de la presente investigacion. El capítulo III presenta el marco teórico

que tiene como propósito dar a conocer los fundamentos básico, aplicación y avances. El capítulo

IV presenta la metodología experimental de la síntesis y caracterización de materiales altamente

porosos. El capítulo V presenta las observaciones y resultados realizados durante la realización de

la investigacion. Como último punto se presenta conclusión.

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CAPÍTULO I HIPÓTESIS Y OBJETIVO

1.1 Hipótesis.

La generación de estructuras altamente porosas de sulfuro de molibdeno promovido

con cobalto incrementa el área superficial y por tanto aumentan el desempeño catalítico en la

reacción de HDS del DBT.

1.2 Objetivos

1.2.1Objetivo general

Desarrollar metodología de síntesis de estructuras 3DOM de sulfuro de Molibdeno

promovido con cobalto para aplicación en HDS.

1.2.2 Objetivos específicos

o Establecer la metodología de síntesis de estructuras 3DOM de óxido de Molibdeno

promovido con Co (R=Co/(Co+Mo) = 0.3), primero con esferas de PMMA de 150

nm, posteriormente utilizar esferas de 100, 75 y 50 nm de diámetro.

o Caracterización física y química de las estructuras de óxidos obtenidas

o Establecer la metodología de sulfuración de las estructuras de óxido de molibdeno

promovido con cobalto

o Caracterizar física y químicamente los sulfuros de CoMo

o Evaluación catalítica de los materiales en la reacción HDS del dibenzotiofeno

(DBT).

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CAPITULO II JUSTIFICACIÓN Y ANTECEDENTES

2.1 Justificación

Actualmente, La producción de Hidrocarburos utiliza crudos (Extrapesado, Pasado, Mediano,

Ligero y Superligero ) en una mayor proporción combustibles para máquinas de combustión, Sin

embargo estos crudo contiene grandes cantidades de moléculas de Azufre y Nitrógeno (N)

estos elementos en procesos posteriores , al ser quemados y estar en contacto con el medio

ambiente presentan severos problemas por contaminación, Asi produciendo perdida de la

eficiencia el proceso como también severos problemas de salud a los habitantes y al medio

ambiente . Debido a este motivo se implementa procesos de Hidrotratamiento permitiendo reducir

la presencia de contaminantes permitiendo obtener combustibles de calidad, proteger el medio

ambiente y mejorar calidad de vida.

La hidrodesulfuracion es el proceso más utilizado actualmente para reducción de azufre este

proceso utiliza catalizadores sulfurados de metales de transición como el Mo reforzado con Co

o Ni soportados más comúnmente en alúmina.

En los últimos años la búsqueda del desarrollo de nuevo nanomateriales que permitan realizar

estos procesos de hidrotratamiento en menor tiempo presenta una gran importancia y debido a

los avances tecnológicos se busca obtener catalizadores altamente porosos y eficientes con el uso

de la nanotecnologia. El presente trabajo se desarrolló materiales ordenada tridimensionalmente

que está hecha a partir de una plantilla del cristal coloidal poli (metil metacrilato), impregnados

con molibeno promovido con cobalto.

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2.2 Antecedentes

La contaminación ambiental de las industrias y máquinas de combustión en los últimos años ha

incrementado. Estos contaminantes (SOx, NOx, CO) en altas concentraciones pueden causar

problema a la salud de los seres vivos. En ocasiones se pueden presentar en lluvias acidas, estas

provocan daños a los ecosistemas y un gran impacto al efecto invernadero.

En la producción de petroleo se presentan diversos contaminantes siendo el azufre el principal

contaminante, que debe ser eliminado en tratamiento evitando la menor contaminación de azufre

por emisiones industriales o motores de combustión. Debido al incremento de la demanda de

los combustibles el uso de estos ha aumentado la producción y el control ambiental. La

implementación de normas de control ambiental es más exigente garantizando mejorar la calidad

en el aire

Legislación ambiental mexicana establece las normas oficiales mexicanas (NOM) en conjunto a

la secretaria de salud. Establecen los valores máximos permisibles para contaminantes que

representan un riesgo a la salud en la población. Ha exigido a la implementación de

investigaciones de nuevos materiales para mejor los procesos de hidrotratamiento, siendo los

catalizadores el principal objeto de estudio.

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CAPITULO III MARCO TEÓRICO

3.1 Petroleo (Crudo)

El petróleo (lat. petra 'piedra' y óleum 'aceite'.) una mezcla de hidrocarburos en su mayoría

compuestos de carbón e hidrogeno y en pequeñas cantidades de metales pesados, Nitrógeno,

Oxigeno y Azufre. (Real Academia Española, 2018)

3.2 Proceso de refinación

Los procesos de refinación del petroleo se clasifican en: Separación, Conversión, Tratamiento,

Formulación y mezcla, operaciones auxiliares y operaciones fuera de proceso, Separación

(Ilustración 1 Diagrama de procesos convencional de refinación del petroleo).

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Ilustración 1 Diagrama de procesos convencional de refinación del petroleo

La separación del petróleo crudo se separa físicamente, este proceso se lleva realiza en torres de

destilación atmosféricas y de vacío, donde los productos obtenidos se encuentran divididos por su

intervalo de temperatura de ebullición.

La conversión es principalmente utilizada para modificar las estructuras de las moléculas, son los

siguientes:

• Descomposición (división): hidrocraqueo, craqueo térmico y catalítico, coquización y

ruptura de la viscosidad

• Unificación (combinación): alquilación y polimerización

• Alteración(rectificación): isomerización y reformo catalítico

• Tratamiento: Tratamiento de aminas, secado y desmercaptanización, hidrotramiento,

desasfaltado de disolventes, desparafinadode disolventes y desmercaptanización (Instituto

Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo)

3.3 Hidrotratamiento

El proceso de hidrotratamiento (HDT actualmente es unos de los procesos de la industria

petroquimica y otros distintos tratamientos con el hidrogeno. Puede definirse como el contacto de

hidrocarburos con hidrogeno, en presencia de materiales porosos (catalizadores) y bajo

condiciones de operación apropiadas. Este proceso es de gran importancia en la actualidad en la

refinación de crudo. Debido a que a partir de este proceso obtención de fracciones del petroleo

presentan menor cantidad de impurezas. Como el Nitrógeno (N), Metales como el Vanadio (V) y

el Azufre (S, S2, S8) que pueden envenenar a los catalizadores de procesos posteriores (Tovar,

Noviembre de 2017).

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El proceso de Hidrotratamiento se conforma de dos clasificaciones cuales son: El proceso de

hidrotratamiento (HDT) y el proceso de hidrogenación (HYD). Uno procesos de hidrotratamiento

más utilizados es el proceso de Hidrodesulfuración. (GARCIA, OCTUBRE 2015.).

3.3.1 Hidrodesulfuracion (HDS)

El proceso de Hidrodesulfuracion es un hidrotratamiento mediante el cual se elimina moléculas de

azufre, Utilizando hidrogeno bajo presion y un catalizador convirtiéndolo en Ácido Sulfúrico en

la corriente gaseosa y posteriormente transformarlo en azufre elemental. (PEMEX, 2015)

El proceso consiste en una mezcla de hidrocarburos que se alimentan a un reactor catalítico de

lecho empacado, el cual se pone en contacto con hidrógeno recirculado y fresco donde se lleva a

cabo la reacción de hidrodesulfuración, formando ácido sulfhídrico como compuesto azufrado,

bajo condiciones de operación que van de 320-425 °C y 55-170 atm.

La finalidad del procesos de hidrotratamiento es mejorar las características de los productos

terminados al alcanzar sus especificaciones, en términos de calidad y emisiones estándar

(contenido de azufre en particular) y preparar las alimentaciones a unidades de conversión en la

refinería (isomerización, reformación, craqueo catalítico e hidrocraqueo) cuyos catalizadores son

sensibles a impurezas como: el azufre para catalizadores metálicos, nitrógeno para catalizadores

ácidos y metales de todos los tipos. (TORRES, 14 Septiembre de 2017)

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Ilustración 2 Procesos de Hidrodesulfuración

Los principales objetivos de las plantas HDS, son:

• Complimiento de calidad de combustibles

• Complimiento de estándares de calidad de emisiones al ambiente.

Las principales razones para retirar azufre de los derivados del petróleo

• Para reducir o eliminar la corrosión durante las operaciones de refinación.

• Para evitar el envenenamiento del catalizador de procesos posteriores.

• Para incrementar el desempeño (octanaje), resistencia a la formación de gomas y la estabilidad

de color de las gasolinas.

• Para mejorar las características de combustión y cumplir con las regulaciones ambientales.

(Dávila Vivas Keidy J., Marzo 2012)

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3.3.2 Reacciones de HDS.

a. Mercaptanos: R-SH + H2 → RH + H2S

b. Sulfuros: R-S-R’ + 2H2 → RH + R’H+ H2S

Ilustración 4 Reacciones de sulfuros

c. Disulfuros: R-SS-R’ + 3H2 → RH + R’H+ 2H2S

Ilustración 5 Reacciones de disulfuros

d. Tiofeno: C4H4S +4H2 →C4H10+H2S

Ilustración 6 Reacciones de tiofeno

Ilustración 3 Reacciones de mercaptanos

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3.3.3 Impacto del azufre sobre las Emisiones Vehiculares

Los combustibles bajos en azufre (~150 ppm y ~50 ppm) hacen que los motores de combustión

sean más limpios. Estos combustibles reducen las emisiones de los gases de combustión (HC,

CO, CO2, O2, NOx) que son los principales contaminantes atmosféricos. (Pera, 21 de mayo de

2003)

3.4 Catalizador

Los catalizadores son de gran importancia debido a que permite realizar reacciones en menor

tiempo a si aumentando la eficiencia del proceso.

Los catalizadores esta constituidos por sustancias que permiten incrementar la velocidad de

reacción sin alterar los cambios en la estructura y los inhibidores son sustancias que retardan la

ocurrencia de la reacción. (Quintero, 2013)

3.4.1 Tipo de catalizadores utilizados en hidrodesulfuración

• Cobalto – Molibdeno: Buena remoción de Azufre, pobre remoción de Nitrógeno.

• Níquel – Molibdeno: Buena remoción de Nitrógeno, pobre remoción de Azufre.

• Níquel – Wolframio: Buena remoción de Azufre, nitrógeno. (Quintero, 2013)

3.5 Nanotecnología

La nanotecnología se usa exclusivamente para definir la ciencia y técnicas que se aplican a una

escala nanométrica (1nm=1x10-19 m) que permiten manipular estructuras moleculares y sus

átomos. En síntesis, conduciría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del

reordenamiento de átomos y moléculas. (Rodríguez, 2012)

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Los nanomateriales pueden estar compuestos de cualquier material, si bien las más importantes

son silicatos, carburos, nitruros, óxidos, boruros, seleniuros, teluros, sulfuros, haluros, aleaciones

metálicas, intermetálicos, metales, polímeros orgánicos y materiales compuestos.

3.6 Clasificación de los nanomateriales

Los nanomateriales se clasifican en dos tipos: por su estructura y por su composición. La

clasificación por estructura puede ser de dimensiones 0D,1D,2D,3D y la clasificación por

composición pueden ser basados en carbono, basados en metales, dendrímeros, compuestos.

(Ospina, Septiembre de 2014)

Basados en carbono

Los nanomateriales basados en carbono están compuestos en su mayoría por carbono y suele

adoptar formar esféricas, elipsoidales o tubo

Basados en metales.

Los nanomateriales basados en metales están compuestos en su mayoría por puntos cuánticos,

nanopartículas de oro y plata y óxidos metálicos.

Ilustración 7 Clasificación de Nanomateriales

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Dendrímeros

Los dendrimeros son polímeros de tamaño nanométrico construidos a partir de unidades

ramificadas.

Compuestos

Los compuestos combinan las nanopartículas con otras nanopartículas o con materiales de mayor

tamaño. (Rodríguez, 2012)

3.6.1 Importancia de las nanoestructuras

La importancia nanoestructuras está determinada por la gran cantidad de aplicaciones en diversos

campos como la separación, contaminantes, el transporte de fluidos, compuestos orgánicos,

energía y la catálisis.

3.7 Metodos de sintesis de los nanomateriales

Los métodos de síntesis de nanomateriales se clasifican en metodos físico y metodos químicos.

3.7.1 Metodos físicos

a) Evaporación térmica, que consiste en el calentamiento hasta la evaporación del material

que se pretende depositar. Se lleva a cabo en una cámara de vacío en la que se condensa

el vapor sobre una lámina fría requiriendo en todo momento un control preciso de las

condiciones de crecimiento para no producir una modificación de la morfología de la

capa depositada.

b) Depósito químico en fase vapor (CVD, por sus siglas en inglés) que consiste en la

descomposición de uno o varios compuestos volátiles, en el interior de una cámara de

vacío (reactor), en o cerca de la superficie de un sólido para dar lugar a la formación de

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un material en forma de capa delgada o de nanopartículas.

c) Preparación de clusters gaseosos, que utiliza un láser pulsado de alta potencia para

producir vapores atómicos metálicos que son acarreados en un gas inerte y

posteriormente son depositados en un óxido monocristalino u otro sustrato, bajo

condiciones de ultra alto vacío.

d) Implantación de iones, que consiste en que los iones de un material pueden ser implantados

en un sólido, cambiando por tanto las propiedades físicas y químicas de este último, ya

que el ion implantado puede ser de un elemento distinto al que lo compone, también se

pueden causar cambios estructurales en el sólido implantado, puesto que la estructura

cristalina del objetivo puede ser dañada.

e) La molienda de partículas de tamaño macro o micrométrico, por medio de molinos de alta

eficiencia; las partículas resultantes son clasificadas por medios físicos, recuperándose las

de tamaño nanométrico

3.7.2 Métodos químicos

El método químico es el más conveniente para la obtención de nanopartículas.

a) El método coloidal

Los coloides son partículas individuales, que son más grandes que las dimensiones atómicas,

pero lo suficientemente pequeño como para exhibir movimiento browniano. Si las partículas

son lo suficientemente grandes, entonces su comportamiento dinámico en suspensión en

función del tiempo se regirá por las fuerzas de la gravedad y se dará el fenómeno de

sedimentación, si son lo suficientemente pequeños para ser coloides, entonces su movimiento

irregular en suspensión puede ser atribuido a bombardeos colectivos de una multitud de

moléculas térmicamente agitadas en una suspensión líquida.

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b) Reducción fotoquímica y radioquímica

La reducción fotoquímica (fotolisis) y la radicación-química (radiólisis) difieren en el nivel de

energía utilizado. La síntesis fotoquímica está caracterizada por energías por debajo de 60 eV,

mientras que la radiólisis utiliza energías de 103-104 eV. Los métodos de reducción fotoquímica

y radioquímica tienen la ventaja sobre el método de reducción química. Debido a la ausencia de

impurezas formadas cuando se usan reductores químicos, estos métodos producen nanopartículas

de alta pureza.

La reducción fotoquímica en solución se emplea frecuentemente para sinterizar partículas de

metales nobles.

El método de radiólisis pulsada permite la síntesis de partículas metálicas activas con estados

de oxidación inusuales

c) Irradiación con microondas

La técnica de irradiación con microondas produce nanopartículas con una muy baja

dispersión de tamaño, aunque no siempre se logre un control preciso en la morfología, como

pasa en la mayoría de las técnicas.

Las microondas actúan como campos eléctricos de alta frecuencia, capaces de calentar

cualquier material conteniendo cargas eléctricas como las moléculas polares en un disolvente

o iones conductores en un sólido.

d) Utilización de dendrímeros

La síntesis de nanopartículas también se ha llevado a cabo usando micelas, emulsiones y

dendrímeros como nano reactores que permiten la síntesis de partículas de forma y tamaño

definidos. Esto se logra alterando la naturaleza de los dendrímeros.

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Los dendrímeros son moléculas altamente ramificadas, las que incluyen un núcleo central,

unidades intermediarias repetitivas y grupos funcionales terminales.

e) Síntesis solvotermal

La síntesis solvotermal se agrupan una serie de técnicas en las que un precursor metálico disuelto

en un líquido, en un recipiente cerrado, es calentado por encima de su punto de ebullición, lo que

genera una presión superior a la atmosférica.

f) Método sol-gel

El método sol-gel es un proceso químico en fase húmeda ampliamente utilizado en la ciencia de

los materiales. Este método se utiliza principalmente para la fabricación de nanomateriales

(normalmente un óxido metálico). Se parte de una solución química o sol que actúa como

precursor de una red integrada ya sea de partículas discretas o de una red de polímeros. Los

precursores típicos del proceso sol-gel son los alcóxidos metálicos y los cloruros metálicos, que

sufren varias reacciones de hidrólisis y poli- condensación para formar una dispersión coloidal,

que luego de una polimerización lenta forma un gel. En general, los alcóxidos son muy sensibles

a la humedad (se descomponen muy fácilmente ante la presencia de ésta), es por ello que la

hidrólisis para la formación del gel es llevada a cabo usando alcoholes como un solvente común

para los diferentes líquidos inmiscibles.

El método sol-gel ha sido usado en los últimos años para preparar una amplia variedad de

materiales nanoestructurados. El método es atractivo porque involucra procesos a baja

temperatura. También la alta pureza y homogeneidad son atribuibles a su forma de preparación

en sistemas multicomponente

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Los métodos clásicos de depósito de nanopartículas en óxidos metálicos son:

1) La impregnación, que consiste en el llenado de los poros del soporte con una solución del

precursor metálico (normalmente una sal) en el que el volumen puede ser el necesario para

llenar el volumen de poros o bien un exceso de volumen que luego de un periodo de

maduración es removido por evaporación, de tal forma que el precursor metálico y su contraión

permanecen sobre la superficie del soporte.

2) Adsorción iónica, en este método se puede utilizar tanto la adsorción de aniones como de

cationes. Los cationes pueden ser adsorbidos a través de interacción electrostática con los grupos

superficiales del soporte cargados negativamente (O–), esto se logra cuando el pH de la solución

en la que está suspendido el soporte es superior al punto isoeléctrico del soporte (PIE).

3) Depósito-Precipitación (DP), que consiste en el depósito de un óxido hidratado o de un hidróxido

sobre la superficie de un soporte, como resultado de un aumento gradual y homogéneo del pH de

la solución en la que el soporte es suspendido.

4) Depósito de coloides. En principio el tamaño promedio y la distribución del tamaño de partícula

pueden ser controlados seleccionando adecuadamente las condiciones de síntesis.

Depósito fotoquímico. Se basa en que ciertos cationes metálicos con potenciales redox

apropiados pueden ser depositados en el soporte y reducidos por fotoelectrones creados por la

iluminación de semiconductores, tales como óxidos de zinc, tungsteno y titanio. (Cedano

Cuadros , 2018).

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CAPITULO IV METODOLOGIA DE INVESTIGACION Y DISEÑO

EXPERIMENTAL

En esta sección se describen la metodologia desarrollada en este proyecto de investigación

que se divide en seis etapas (Ilustración 8).

Ilustración 8 Etapas de investigación

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4.1 Materiales, Reactivos y equipos

4.1.1 Materiales:

Los materiales utilizados son:

Pipeta graduada de 10 ml,

Pipeta desechable

Propipetas de 10 ml

Espátulas,

1 matraz, volumétrico de fondo plano 150 ml,

2 vasos precipitados de 50ml y 100ml,

Probeta graduada de 150 ml,

Tubos de ensayo roscados 7m,

Piseta,

Termómetro,

Soporte universal,

Pinzas y nueces,

Refrigerante tipo serpentín

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4.1.2 Reactivos:

Agua destilada, Aceite de cocina,

Plurunic P-123 Poly (ethylene glycol)-block-poly (propylene glycol)-block-poly (ethylene

glycol)-Sigma-aldrich

Dodecil sulfato de sodio 85%

Persulfato de amonio-Sigma-aldrich-98%

Nitrógeno

Nitrato de cobalto 6-hidrato J.T. Baker Pureza 98 %

Molibdato de amonio tetrahidratado-Sigma-aldrich-81.83 %

Ácido cítrico-Fisher Chem Alert

Metacrilato de metilo-Sigma-Aldrich-99%

4.1.3 Equipos:

Agitador mecánico:

Modelo IKA Agitadores de Hélice RW 20 digital, Condición de medición rpm

Bascula analítica: Modelo Denver Instrument PI-214, Condición de medición (gramos)

Baño ultrasónico con calefactor Branion Condición de medición T(°C) y Min

Manta calentadora, Modelo Fisher scientific ,Condición de medición T(°C) y rpm

Campana extractora de gases: Modelo, Condición de medición

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4.2 Metodología de sintesis de estructuras 3DOM de óxido de Molibdeno

promovido con Cobalto.

4.2.1 Sintesis de Nanoesferas PMMA

Las esferas de PMMA se obtuvieron mediante un proceso de microemulisón del monómero de

metilmetacrilato (MMA). En un matraz de tres bocas se añaden 100 ml de agua destilada y se

ponen en agitación a 350 rpm, mientras, en un vial con 5 ml de agua se dispersa cierta cantidad de

dodecilsulfato de sodio (SDS), la cantidad dependerá del tamaño de partícula deseado, este se

agrega a los 100 ml para la formación de las micelas. Posteriormente se comienza a elevar la

temperatura, alcanzado los 65°C se añaden 40 ml de MMA para lograr una concentración de 2.5M,

ya dispersado el MMA y alcanzados los 70°C se agregan 0.350g de persulfato de amonio (iniciador

de la polimerización) dispersos en 5 ml de agua, para un volumen final de 150ml. Se deja

reaccionar por 4 horas, manteniendo la temperatura y agitación constante.

4.2.2 Preparacion de plantillas PMMA

La elaboración de las plantillas PMMA se lleva a cabo por centrifugación, este paso consiste en

tomas 9ml de la solucion PMMA por cada vial, posteriormente reciben un baño ultrasónico por 20

min asegurando que las nano esferas se encuentren dispersas y la centrifuga debe correr a 4000

rpm por 3 hora. Se dejará secará 12hr como mínimo en un secador a una temperatura de 60°C.

4.2.3 Preparacion de solucion Impregnación

La impregnación se lleva a cabo mediante la preparacion de una solucion de 0.31 g de P123

disolver en 10ml agua destilada se coloca en una calentado-agitador a 55 °C y 600 rpm.

Posteriormente se pesa 0.58g Ácido cítrico, 1.2g molibdato de amonio tetrahidratado y 0.8g

cobalto; primeramente, se agrega el ácido cítrico agitar hasta tener una solucion homogénea, Se

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agrega el segundo reactivo molibeno aplicar un baño ultrasónico y posterior dejar agitando hasta

mantener la homogeneidad de la mezcla. Se agrega el tercer reactivo Cobalto las condiciones de

agitación y temperatura deben mantenerse durante todo el proceso.

La impregnación se lleva a cabo mediante la preparacion de una solucion de 0.3 g de P123

disolver en 15 ml agua destilada se coloca en una calentado-agitador a 55 °C y 600 rpm.

Posteriormente se pesa 0.75g Ácido cítrico, 4.350g cobalto; primeramente, se agrega el ácido

cítrico agitar hasta tener una solucion homogénea, Se agrega el segundo reactivo molibeno aplicar

un baño ultrasónico y posterior dejar agitando hasta mantener la homogeneidad de la mezcla. Se

agrega el tercer reactivo Cobalto las condiciones de agitación y temperatura deben mantenerse

durante todo el proceso.

4.2.4 Impregnación

La impregnación se lleva a cabo en un sistema que está conformado por una bomba de vacío

conectado mediante una manguera de látex a un matraz y un embudo con papel filtro, una vez

colocado el sistema se coloca una pastilla de PMMA puesto en marcha el sistema con gotero o

pipeta desechable se adiciona gotas cubriendo toda la superficie en pastilla de PMMA

posteriormente se coloca en un Secador reposando 60 °C

4.2.5 Formación de óxidos y Eliminación de nano esferas

Las PTMMA Secada se someten a un tratamiento térmico en un Horno Tubular donde se

Programa dos rampas, la primera temperatura constante por 3horas se lleva a 310°C con una

atmosfera de nitrógeno, La segunda temperatura será de 550 °C durante 1hr con una atmosfera de

aire.

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CAPITULO V OBSERVACIONES, RESULTADOS

5.1 Observaciones

5.1.1 Sintesis de Nanoesferas PMMA

En la realización de Sintesis de Nanoesferas o monolitos se observó como ciertos parámetros

pueden afectar en la sintesis como la temperatura la variación de la temperatura puede afectar

en el tamaño de los monolitos, La variación del flujo puede afectar en la sintesis en la formación

del polímero, El incrementó de dócil sulfato de sodio tiene un efecto en la disminución del

diámetro de los monolitos y viceversa , el aumento de persulfato de amonio permite aumentar

la polimerización

5.1.2 Preparacion de plantillas PMMA

La preparación de las plantillas de PMMA se lleva a cabo por la técnica de centrifugación en

este proceso se observó que la disminución de revoluciones por minutos y las horas provoca que

no se obtenga el ordenamiento.

5.1.3 Preparacion de solucion Impregnación

En la preparacion de la solucion impregnadora de Nitrato de cobalto tetra hidratado y Molibdato

de amonio tetrahidratado se observó la presencia de precipitados esta presencia y la cantidad de

Molibdato de amonio tetrahidratado debes ser menor a una solucion 0.2M.

Se utilizaron dos formas de preparacion donde M1 se prepara a partir de una sola y M2 que

consiste en preparar dos soluciones (M2.1 a partir de Nitrato de cobalto 6-hidrato y M2.2 a partir

de Molibdato de amonio tetrahidratado) estas soluciones deben ser preparadas por separadas y

mezclarlas a finalizar.

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5.1.4 Impregnación

Durante la realización de impregnación se utilizaron tres formas de aplicación en primera consiste

la aplicación de toda la solucion sin importar el número de aplicaciones, La segunda se realizó

una variación en el número de aplicaciones donde se observó el efecto del número de aplicaciones

en la formación de la estructura 3DOM y la tercera en forma de aplicar la solucion M2 donde se

aplicaron las soluciones en capas.

5.1.5 Tratamiento térmico (Formación de óxidos)

En el tratamiento térmico se observó como la variación de la isoterma y el tiempo puede

afectar a la formación de los óxidos

5.2 Resultados

5.2.1 Sintesis de polímero

Ilustración 9 Sintesis de PMMA

Muestra Tamaño de Nano

esferas

L1 59.7-120nm

L2 60 -150 nm

L3 126-171nm

L4 140-184nm

L5 143-185nm

L6 87-120 nm

L7 135-176 nm

L8 125-165 nm

L9 149-184 nm

Tabla 1 Diámetro de Nano esferas

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5.2.2 Ordenamiento tridimensional

5.2.3 Platillas de PMMA 3DOM

Muestra Ordenamiento

Superior Interior Inferior

L1 No No No

L2 Si No No

L3 Si Si No

L4 Si Si Si

L5 Si Si Si

L6 Si No No

L7 Si Si Si

L8 Si Si Si

L9 Si Si Si

Tabla 2 Presencia de 3DOM

Ilustración 11 Plantilla antes de la impregnación

Ilustración 10 Plantilla 3DOM en Vial

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5.2.4 Cálculos de solucion impregnadora

Muestra AHMo P123g C.A. Metanol

Nombre W(gr) W(gr) W(gr) V(ml)

1 0.6179 0.3 0.75 10 0.05

2 1.2359 0.3 0.75 10 0.1

3 1.8538 0.3 0.75 10 0.15

4 2.4717 0.3 0.75 10 0.2

5 3.0897 0.3 0.75 10 0.25

6 3.7076 0.3 0.75 10 0.3

7 4.3255 0.3 0.75 10 0.35

8 4.9434 0.3 0.75 10 0.4

Molaridad

Solucion Impregnadora

Tabla 3 Soluciones con Metanol

Muestra AHMo P123g C.A. Etilenglicol anhidro

Nombre W(gr) W(gr) W(gr) V(ml)

1 0.6179 0.3 0.75 10 0.05

2 1.2359 0.3 0.75 10 0.1

3 1.8538 0.3 0.75 10 0.15

4 2.4717 0.3 0.75 10 0.2

5 3.0897 0.3 0.75 10 0.25

6 3.7076 0.3 0.75 10 0.3

7 4.3255 0.3 0.75 10 0.35

8 4.9434 0.3 0.75 10 0.4

Solucion Impregnadora

Molaridad

Tabla 4 Solucion preparada con Etilenglicol Anhidro

Solucion Impregnadora

Muestra AHMo P123g C.A. Agua Destilada Molaridad

Nombre W(gr) W(gr) W(gr) V(ml)

1 0.6179 0.3 0.75 10 0.05

2 1.2359 0.3 0.75 10 0.1

3 1.8538 0.3 0.75 10 0.15

4 2.4717 0.3 0.75 10 0.2

5 3.0897 0.3 0.75 10 0.25

6 3.7076 0.3 0.75 10 0.3

7 4.3255 0.3 0.75 10 0.35

8 4.9434 0.3 0.75 10 0.4

Tabla 5 Solucion preparada con Agua

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5.2.5 Variación del porcentaje volumen de los solventes a diferentes molaridades

%V/Vt Vml %V/Vt V ml

1 3.7076 10 0.3 0.75 90% 9 10% 1

2 3.7076 10 0.3 0.75 80% 8 20% 2

3 3.7076 10 0.3 0.75 70% 7 30% 3

Muestra Mo Wg Volumen P123g C.A.

Metanol Etilenglicol anhidro

Solución Impregnadora 0.3 MOLAR

Tabla 6 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.3 Molar

%V/Vt Vml %V/Vt V ml

1 2.4717 10 0.3 0.75 90% 9 10% 1

2 2.4717 10 0.3 0.75 80% 8 20% 2

3 2.4717 10 0.3 0.75 70% 7 30% 3

Solución Impregnadora 0.2 MOLAR

Muestra Mo Wg Volumen P123g C.A.Metanol Etilenglicol anhidro

Tabla 7 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.2 Molar

%V/Vt Vml %V/Vt V ml

1 1.2359 10 0.3 0.75 90% 9 10% 1

2 1.2359 10 0.3 0.75 80% 8 20% 2

3 1.2359 10 0.3 0.75 70% 7 30% 3

Solución Impregnadora 0.1 MOLAR

Muestra Mo Wg Volumen P123g C.A.

Metanol Etilenglicol anhidro

Tabla 8 Solventes Metanol-Etilenglicol anhidro 0.1 Molar

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Ilustración 13 Solucion de Mo

Ilustración 14 Solucion Co+Mo

Ilustración 12 Solucion de Co

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Impregnación

Capas Oxi. 3DOM

1 Si

2 Si

3 Si

4 Si

5 Si

6 No

7 No

8 No

9 No

10 No15 ml

Impregnacion

7.5 ml

9 ml

10.5 ml

12 ml

13.5 ml

Cantidad por capa

1.5 ml

3 ml

4.5 ml

6 ml

Tabla 9 Pruebas de Impregnación por capas

Ilustración 16 Impregnación de Co+Mo

Ilustración 15 Impregnación Mo

Ilustración 17 Impregnación Co

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Plantillas secadas a 60°C

5.2.6 Técnicas de aplicaciones de solucion

M1 Solucion: (NH4)6Mo7O24 · 4H2O / Co(NO₃)₂ * 6 H₂O

Se obtuvieron 0.0237 gr

M2.1 Solucion: (NH4)6Mo7O24 · 4H2O +Co(NO₃)₂ * 6 H₂O

Preparacion dos soluciones

Se obtuvieron 0.0579 gr

Ilustración 18 Plantilla secada de Co Ilustración 19 Plantilla secada de Co-Mo

Ilustración 20 Plantilla secada de

Mo/Agua

Ilustración 21 Plantilla secada de Mo/Metanol

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M2.2 Solucion: (NH4)6Mo7O24 · 4H2O +Co(NO₃)₂ * 6 H₂O Preparacion una sola

Se obtuvieron 0.0489 gr

5.2.7 Oxido de Molibdeno y Oxido de Cobalto 3DOM

Ilustración 22 Oxido de Mo

Ilustración 23 Oxido De Co-Mo

Ilustración 24 Oxido de Co

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5.3 Caracterización

5.3.1 Caracterización de morfología por microcopia electrónica de barrido

Ilustración 25 Caracterización plantilla 3DOM 1

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Ilustración 26 Caracterización plantilla 3DOM 2

Ilustración 27 Caracterización plantilla 3DOM 3

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Ilustración 28 Caracterización de Co-Mo

Ilustración 29 Caracterización de Oxido de Mo

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Ilustración 31 Caracterización tamaño de poro Oxido de Co

Ilustración 30 Caracterización plantilla 3DOM 1 Oxidos de Co

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5.3.2 Técnica de TGA-DTA,

Ilustración 32 TGA-DTA Sintesis de PMMA L1

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Ilustración 33 TGA-DGA Oxido de Co+Mo

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Ilustración 34 TGA-DGA de Óxidos de Co

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CONCLUSIÓN

Los resultado obtenidos nos indica los efectos y limitantes que tienen al aplicar metodo para

la sinterización de los óxidos de molibeno; donde el efecto que tienen los diámetros menores

a 100nm de los monolitos dificultan la formación de las estructuras 3DOM en las plantillas, el

efecto de la solubilidad del molibdato de amonio tetra hidratado no permite la formación de

una solucion de homogénea en presencia de ácido cítrico, el efecto que tiene el número de

impregnaciones menor a cinco capas permite la formación de las estructuras 3dom y mayores

a cinco presentan distorsión en la estructura y el tiempo y temperatura de calcinación en las

soluciones afectan a la formación de las estructuras 3DOM ; divido a esto efectos y limitantes

se debe modificar la técnicas de preparacion de solucion y las técnicas de impregnación para

la formación de las estructuras 3DOM de sulfuro de molibdeno promovido con Cobalto.

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INTERCAMBIO IÓNICO Y ADSORCIÓN. Caracas .

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Anexos

ANEXO 1 Seguimiento de proyecto de residencias profesionales

ALUMNO: Christian Ivan Bravo Hernández No. DE CONTROL: 14270287

PERIODO DE REALIZACION: 23 de agosto-12 de diciembre

ASESOR EXTERNO: Dra. Lorena Álvarez Contreras

NOMBRE DEL PROYECTO: Síntesis y caracterización de estructuras 3DOM de

Sulfuro de Molibdeno promovido con Co

Christian Iván Bravo Hernandez Dra. Lorena Álvarez Contreras

Alumno ASESOR

SEMANAS

ACTIVIDAD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Revisión del estado de Arte P X X X X X X X X X X

R

Capacitación en el trabajo de

laboratorio

P X X

R

Desarrollar metodología de síntesis

de estructuras 3DOM de sulfuro de

Molibdeno promovido con cobalto

para aplicación en HDS

P X X X X

R

Establecer la metodología de síntesis

de estructuras 3DOM de óxidos de

molibdeno

P X X X X X X X

R

Caracterización física y química de las

estructuras de óxidos obtenidas

P X X X X X X X

R

Elaboración de reporte final P X X X X X

R

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Anexos 2 Constancia

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Anexo 3 Cronograma

Actividade

s 23 A

go

-21

Sep

21-2

7S

ept

28 S

ept.

4

Oct.

5-1

1 O

ct.

12-1

8 O

ct.

19-2

5 O

ct.

26 O

ct.

-1 N

ov.

2-8

Nov.

9-1

5 N

ov.

16-2

2 N

ov

23-2

9 N

ov.

30 N

ov-6

Dic

7-1

3 D

ic

Revisión

del estado

del Arte

Capacitaci

ón en el

trabajo en

laboratorio

y

estandariz

ación

Desarrollar metodologí

a de síntesis de estructuras 3DOM de sulfuro de Molibdeno promovido con cobalto

para aplicación en HDS

Establecer la

metodología de

síntesis de estructuras 3DOM de óxido de

Molibdeno promovido

con Co

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Caracteriz

ación física

y química

de las

estructuras

de óxidos

obtenidas

Establecer

la

metodologí

a de

sulfuración

de las

estructuras

de óxido

de

molibdeno

promovido

con

cobalto

Caracteriz

ar física y

químicame

nte los

sulfuros de

CoMo

Evaluación

catalítica

de

Catalizado

res

Elaboració

n de

reportes

semanales

de avance

Elaboració

n de

reporte

final

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