Balance Por Componentes Con Reaccion Unica

BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO
DE PROBLEMAS AMBIENTALES
Balance de materia en sistemas
reaccionantes..
Balance por componentes con reacción única

BALANCE POR COMPONENTES CON
REACCIÓN ÚNICA
Como ya se ha venido expresando, de acuerdo con el principio de conservación
de la materia en un sistema abierto en estado estable, ocurran o no reacciones
químicas debe existir un balance entre flujos másicos(o molares) de entrada y
salida al sistema para cada elemento. Sin embargo, dado que en el proceso de
reacción química ocurre un reordenamiento de los átomos y las moléculas,
formando compuestos moleculares diferentes, resulta obvio que no habrá un
balance entre flujos másicos (o molares) de entrada y salida de cada sustancia en
un sistema reaccionante. En vez de lo anterior, disminuirán lascantidades de
algunas sustancias y se crearan otras nuevas. Por lo tanto, en presencia de
reacciones químicas ya no resulta valida la ecuación de materia por componente:

Flujo molar de entrada de la sustancia s = Flujo molar de salida de la sustancia s
𝑠𝑎𝑙
𝑁𝑒𝑛𝑡
𝑆 = 𝑁𝑆

Definiremos a la diferencia entre los flujos de entrada y de salida Rs como la
razón molar de producción de la sustancia s:
𝑠𝑎𝑙
𝑅𝑆 =𝑁𝑒𝑛𝑡
−𝑁
𝑆
𝑆
𝑠𝑎𝑙
𝐹𝑒𝑛𝑡
𝑆 − 𝐹𝑆
𝑅𝑆 =
𝑀𝑆

Donde Ms es el peso molecular de la sustancia s.

Ejemplo.
A partir de la estequiometria dada para la síntesis de amoniaco,
𝑁2 + 3𝐻2 ⇋ 2 𝑁𝐻3
Resulta que
𝑅𝑁𝐻3 2
𝑅𝐻2
3
𝑅𝑁𝐻3 2
=
=
=
−𝑅𝑁2 1
−𝑅𝑁2 1
−𝑅𝐻2 3
Supóngase que se especifican los flujos de entrada de N2, H2 Y NH3 como 12,40 y 0 moles/h,
respectivamente, y la razón de producción de N2 es de 4 moles/h. entonces
𝑅𝑁𝐻3= 2 −𝑅𝑁2 = 8𝑚𝑜𝑙/ℎ
𝑅𝐻2 = 3 𝑅𝑁2 = −12𝑚𝑜𝑙/ℎ
Por lo tanto, a partir de los balances de materia,
𝑒𝑛𝑡
𝑁𝑠𝑎𝑙
𝑁𝐻3 = 𝑁𝑁𝐻3 + 𝑅𝑁𝐻3 = 0 + 8 = 8 𝑚𝑜𝑙/ℎ
𝑒𝑛𝑡
𝑁𝑠𝑎𝑙
𝑁2 = 𝑁𝑁2 + 𝑅𝑁2 = 12 − 4 = 8 𝑚𝑜𝑙/ℎ

𝑒𝑛𝑡
𝑁𝑠𝑎𝑙
𝐻2 = 𝑁𝐻2 + 𝑅𝐻2 = 40 + 12 = 28 𝑚𝑜𝑙/ℎ

Concluimos que en presencia de una reacción química única, en la que
intervienen S sustancias, la razón de producción de cualquiera de estas
sustancias es suficiente paradeterminar las razones de producción de las S-1
sustancias restantes. Por lo tanto, las ecuaciones de balance de materia
incluirán, además de las variables de las corrientes, una variable
independiente adicional, o sea la razón de producción de una sustancia de
referencia seleccionada.
El concepto de velocidad de reacción
Aunque es posible la formulación de las ecuaciones de balance en términos
dela razón de producción de una sustancia de referencia, resulta
preferiblemente definir una medida de la razón de producción a través de una
reacción dada, que sea independiente de la sustancia elegida como referencia

Reactivo limitante y conversión
Una medida común del progreso de una reacción química es la conversión
fraccional o simplemente la conversión de una sustancia. Como se definetradicionalmente, la conversión de un reactivo, representada por la letra X, es la
fracción de dicho reactivo que se consume por la reacción:

𝑋𝑆 =

𝑠𝑎𝑙
𝑁𝑒𝑛𝑡
𝑆 − 𝑁𝑆

𝑁𝑒𝑛𝑡
𝑆
La especificación de la conversión de una sustancia corresponde a la imposición
de una relación entre los flujos de entrada y salida de dicha sustancia. Esta
relación puede usarse junto con la ecuación de balance correspondiente ala
sustancia para calcular la velocidad de la reacción. Entonces debido a
𝑒𝑛𝑡
𝑁𝑠𝑎𝑙
𝑠 − 𝑁𝑠 = 𝜎𝑠 𝑟

Y considerando la definición de conservación de la sustancia S

𝑁𝑠𝑒𝑛𝑡 𝑋𝑠 − 𝑁𝑠𝑒𝑛𝑡 − 𝑁𝑠𝑠𝑎𝑙
Después de efectuar la sustitución, resulta que
𝑁𝑒𝑛𝑡
𝑠 𝑋𝑠
𝑟=
−𝜎𝑠
Por lo tanto, conocida la conversión siempre puede calcularse la velocidad de
reacción, y después usando ésta completar los cálculos de balance.Ejemplo. Los procesos modernos para producir ácido nítrico se basan en la
oxidación de amoniaco sintetizado por la reacción de Haber. El primer paso en
el proceso de oxidación consiste de la reacción de NH3 con O2 sobre su
catalizador de platino, para producir óxido nítrico. La reacción sigue la
ecuación estequiometria
4𝑁𝐻3 + 5𝑂2 ⇋ 4𝑁𝑂 + 6𝐻2 𝑂
Bajo un conjunto determinado de condiciones en...