balance

BALANCE DE MATERIA Y BALANCE MOLAR
Ing. José S. Orbegoso López

Balance
Molar

Definiciones y
relaciones
estequiométricas

Ecuaciones
de diseño de
reactor

rA = ?

 Para determinar las condiciones que afectan las velocidades de reacción química y el diseño de un
reactor, es necesario contabilizar las varias especies químicas que entran y salen del sistema de
reacción. Esteconteo se logra mediante el Balance de MATERIA y el Balance MOLAR.
 El balance molar puede ser aplicado a cualquier especie entrante, saliente o remanente dentro del
volumen del sistema de reacción.
 Este cálculo es básico para poder definir y utilizar la velocidad de reacción (- rA) dentro de las
ecuaciones de diseño de un reactor (Batch, CSTR, PFR). En el desarrollo de estas ecuaciones,algunas
veces se deben tomar las correspondientes asunciones que permitirán modelar cada tipo de reactor.
IDENTIDAD QUÍMICA:
Se dice que una especie química ha reaccionada cuando ésta pierde su identidad química. La identidad
de una especie química está determinada por la clase, número y configuración de los átomos de la
especie.
Hay tres formas de que una especie química pierda su identidadquímica:
1. descomposición
2. combinación
3. isomerización
DEFINICION DE VELOCIDAD DE REACCIÓN:
En la aproximación clásica a un cambio químico, se asume que la masa no se crea ni se destruye cuando
una reacción química tiene lugar. La masa en referencia es la masa total de todas las especies en el
sistema.
La velocidad de reacción es la velocidad a la que una especie pierde su identidad porunidad de
volumen. La velocidad de una reacción puede ser expresada como la velocidad de desaparición de un
reactante o como la velocidad de aparición de un producto. Considere una especie A:
rA = la velocidad de formación de la especie A por unidad de volumen
-rA = la velocidad de desaparición de una especie A por unidad de volumen
Para una reacción catalítica, se refiere a -rA', la cual es lavelocidad de desaparición de la especie A por
masa de base catalítica.
NOTAR: dCA/dt NO es la velocidad de reacción.
Considere la especie j:
 rj es la velocidad de formación de la especie j por unidad de volumen
 rj es una función de la concentración ,temperatura, presión, y el tipo de catalizador (si hubiere)
 rj es independiente del tipo de sistema de reacción (batch, flujo tapón, etc.) rj es una ecuación algebraica, no una ecuación diferencial
Ejemplo:
Si un átomo de oxigeno y dos átomos de hidrógeno son formados “repentinamente” a partir de una
molécula de agua,
𝐻2 𝑂 ⟶ 2 𝐻 + 𝑂
1

La molécula de agua se roto para formar esos átomos y, consecuentemente, ha perdido su identidad (por
desaparición), lo cual se puede generalizar a:
1. Una molécula pierde su identidad porcombinación química con otras moléculas. En el ejemplo de
arriba el átomo de oxígeno puede perder su identidad química si éste se combina con dos átomos de
hidrógeno para formar la molécula de agua
2. Una molécula que no necesita que se agregue otras moléculas a si misma no se rompe en pequeñas
moléculas, puede perder su identidad por isomerización, por ejemplo
𝐶𝐻2
𝐶𝐻3
||
|
𝐶𝐻3 𝐶 − 𝐶𝐻2𝐶𝐻3 ⟶ 𝐶𝐻3 𝐶 − 𝐶𝐻 𝐶𝐻3
Definición matemática de la ecuación de velocidad:
𝑑𝐶

𝑟𝐴 = 𝑑𝑡𝐴
(1)
Donde: rA es la velocidad de formación de A por unidad de volumen (es decir, gmol/seg.cm 3).
Las condiciones o restricciones bajo las cuales esta ecuación puede desarrollarse son:
 Operación a estado inestable
 Operación a estado estacionario
 Volumen constante
 Presión constante
 Sin entrada osalida de reactantes o productos.
ECUACION GENERAL DEL BALANCE MOLAR:
Volumen del sistema

FJ0

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑑𝑒 𝑗 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
+
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠
(
)
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

𝐹𝑗 0

+

FJ

GJ

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑑𝑒 𝑗 𝑝𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑛
𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠
(
)
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

𝐺𝑗

−

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑚
𝑑𝑒 𝑗 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙
𝑑𝑒 𝑗 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
−
=
𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠...