1. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y BIOQUÍMICA
BALANCES MOLARES EN
SISTEMAS DE REACCIÓN
I. Q. ALEJANDRO GUADARRAMA

2. Ingeniería de las Reacciones Químicas
• La ingeniería de las reacciones químicas está en el corazón de
virtualmente todo proceso químico. Separa a los ingenieros
químicos de los demás ingenieros.
• La IRQ es el campo que estudia las velocidades y mecanismos de
las reacciones químicas y el diseño de los reactores donde se
llevan a cabo.

3. ¿Qué ocurre en el transcurso de
una reacción química?

4. ¿Qué es la identidad química?
• Se dice que una especie química ha reaccionado
cuando pierde su identidad química.
• La identidad química de una especie se determina
por el tipo, número y configuración de los
átomos de dicha especie.

5. La velocidad de reacción, -rA:
rA = la velocidad de formación de la especie A por unidad de
volumen
-rA = la velocidad de desaparición de la especie A por unidad de
volumen
rB = la velocidad de formación de la especie B por unidad de
volumen

6. Ejemplo: A→ B
Si B se crea a una velocidad de 0.2 moles por decímetro cúbico por
segundo, es decir, la velocidad de formación de B es,
Entonces A desaparece a la misma velocidad:
la velocidad de formación de A es

7. Si
A+2B→C+D
La velocidad de desaparición de A es:
La velocidad de formación de A es:
La velocidad de desaparición de B es:
La velocidad de formación de C es:

8. Definición de Velocidad de Reacción
La velocidad de reacción (rA) es el número de moles de A que reaccionan por
unidad de tiempo por unidad de volumen
La siguiente es una definición errónea de velocidad de reacción

9. Ley de velocidad
Ley de velocidad = Ecuación de velocidad
Expresión algebraica de rA, función de las propiedades de los materiales que
reaccionan y las condiciones de reacción (C, T, P, catalizador). Es independiente
del tipo de reactor.
Para la reacción A → productos se pueden tener las siguientes leyes de
velocidad:
Primer orden
Segundo orden
Pseudo-orden

10. EN RESUMEN
Considerando la especie A:
• rA es la velocidad de formación de la especie A por unidad
de volumen [mol/dm3s]
• rA es una función de la concentración, la temperatura, la
presión y el tipo de catalizador (si lo hay)
• rA es independiente del tipo de sistema de reacción (batch,
flujo tapón, etc.)
• rA es una ecuación algebraica, no una ecuación diferencial
(p.e. -rA = kCA ó -rA = kCA2)

11. La ecuación general de balance molar
Se especifica el volumen del sistema:
FA0
FA
GA
Velocidad de
Velocidad de flujo
de A que entra al
sistema
(moles/tiempo)
Velocidad de
-
flujo de A que
sale del sistema
+
(moles/tiempo)
generación de A
por reacción
química dentro
del sistema
Velocidad de
acumulación de
=
-
FA
+
GA
sistema
(moles/tiempo)
(moles/tiempo)
FA0
A dentro del
=
NOTA: A se refiere a cualquier especie química participante en la reacción (reactivo, producto, inerte) pero en la
mayoría de los casos se prefiere que sea el reactivo limitante.

12. Si todas las variables del sistema (T, actividad
catalítica, concentración de A) son uniformes en todo el
volumen del sistema
GA = rA*V
moles
tiempo
moles
* volumen
tiempo * volumen

13. Suponiendo que rA varía con la posición dentro
del volumen del sistema
V1
rA1
V2
rA2
GA1 = rA1* V

14. Si se toman los límites M → ∞ y V → 0 :
Se sustituye en la ecuación general de balance molar:
La ecuación general de balance molar se aplica a cualquier sistema
de reacción, pero hay que aplicar las consideraciones particulares
para obtener la ecuación de diseño de dicho sistema en particular.

15. Reactor Intermitente (batch)
Al no haber entrada ni salida continua de
especies químicas:
La ecuación de balance general se reduce a:
Si la mezcla de reacción es perfectamente
mezclada:

16. Separando variables:
Integrando con los límites (0, NA0) a (t, NA)
• La ecuación anterior es la “ecuación de diseño” para un reactor intermitente.
• Permite calcular el tiempo necesario para cambiar el número de moles de A
desde NA0 hasta NA.
• El volumen V puede variar o considerarse constante dependiendo de las
características del sistema de reacción.

17. Reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR)
En el estado estable la ecuación de balance general se
reduce a:
Si la mezcla de reacción es perfectamente mezclada:
Entonces:
• La ecuación anterior es la ecuación de
diseño para un CSTR para el cálculo del
volumen de reacción.

18. Reactor Tubular Flujo Tapón (PFR)
Materiales
que
reaccionan
Productos
V
FA0
FA
GA
V
V+ V
FA

19. Despejando rA :
Tomando el límite cuando V → 0 :
Separando variables e integrando entre los límites (0,FA0) y (V,FA) se
obtiene
• La ecuación anterior es la ecuación de diseño para un PFR para el cálculo del
volumen de reacción.

20. Reactor Tubular de Lecho Empacado (PBR)
W
FA
FA
W
W
W
Utilizando la ecuación de balance molar de manera similar al PFR
pero con una velocidad de reacción –r’A referida a la masa del
catalizador sólido, W, se obtiene:

21. Diferencial
BATCH
CSTR
PFR
PBR
Algebraica
Integral

22. EJEMPLO

23. Calcule el volumen de un CSTR para las condiciones empleadas para calcular el
volumen del reactor de flujo tapón del ejemplo anterior. ¿Cuál volumen es
mayor? ¿el del PFR o el del CSTR? Explique el motivo. Sugiera dos formas en
que podría resolver este problema de forma incorrecta.

24. Calcule el tiempo que tomará reducir el número de moles de A a 1% de su valor
inicial en un reactor intermitente de volumen constante para la reacción y datos
del ejemplo anterior

25. Actividades Complementarias
• Leer el Capítulo 1 del libro de Fogler (Elementos de
Ingeniería de las Reacciones Químicas)
• Entrar al siguiente sitio para ampliar la información:
http://www.digplanet.com/wiki/Chemical_reactor
• Resolver los ejercicios y problemas correspondientes a
este capítulo.
• Resolver las actividades marcadas en la plataforma
Moodle.