La masa total siempre se conserva, pero los moles totales pueden cambiar durante la reacción. En un reactor abierto y en estado estacionario, el flujo másico total que entra es igual al flujo másico total que sale porque las reacciones químicas reorganizan los átomos sin crear ni destruir masa. El flujo molar total es igual en la entrada y en la salida solo cuando no hay reacción o cuando la estequiometría de la reacción no produce ningún cambio neto en el número de moles.

Utiliza el balance de masa total como comprobación universal de conservación; utiliza el balance molar total solo después de considerar la estequiometría de la reacción y el avance de reacción.

Qué significa el estado estacionario en un reactor abierto

No hay acumulación dentro del volumen de control

Para cualquier magnitud en un reactor en estado estacionario, la cantidad almacenada dentro del volumen de control no cambia con el tiempo. Por lo tanto, el término de acumulación es cero.

Para la masa total:

[ \frac{dM}{dt}=\sum \dot{m}{in}-\sum \dot{m}{out}=0 ]

Por lo tanto:

[ \sum \dot{m}{in}=\sum \dot{m}{out} ]

Esto se aplica a reactores continuos, reactores de membrana y otras operaciones unitarias abiertas cuando el volumen de control seleccionado se encuentra realmente en estado estacionario.

El estado estacionario no significa que no haya reacción

Un reactor puede mantener un contenido constante mientras las reacciones avanzan continuamente. Los reactivos entran, se consumen, se forman productos y estos salen a velocidades que mantienen constantes las cantidades acumuladas dentro del reactor.

El estado estacionario elimina la acumulación; no elimina los términos de generación y consumo por reacción de los balances de componentes.

Por qué se conserva la masa total

Las reacciones químicas reorganizan los átomos

Una reacción química cambia las identidades moleculares, pero conserva los átomos contenidos en esas moléculas. En consecuencia, la masa total de todos los reactivos consumidos es igual a la masa total de todos los productos formados.

Para un balance global de masa del reactor, el término de generación por reacción es cero:

[ \text{Masa de entrada}+\text{Masa generada}

\text{Masa de salida}+\text{Masa acumulada} ]

En estado estacionario, tanto los términos de generación de masa como los de acumulación son cero, por lo que queda:

[ \text{Masa de entrada}=\text{Masa de salida} ]

La composición de la corriente aún puede cambiar

Aunque la masa total se conserva, el flujo másico de cada especie individual puede cambiar porque las especies se consumen o se generan.

Por ejemplo, un reactivo puede tener un flujo másico de entrada mayor que el de salida, mientras que un producto puede tener un flujo másico de salida mayor que el de entrada. La suma de todos los flujos másicos de las especies permanece equilibrada.

Los balances elementales proporcionan una comprobación adicional

Cuando ocurren reacciones, las especies moleculares individuales generalmente no se conservan. Sin embargo, las cantidades elementales sí se conservan, por lo que los balances de carbono, hidrógeno, oxígeno y otros elementos pueden utilizarse para validar los modelos de reacción y de medición.

Por qué los moles totales pueden cambiar

La estequiometría determina el cambio neto de moles

Considera una reacción escrita como:

[ \sum_j \nu_j A_j=0 ]

donde (\nu_j) es positivo para los productos y negativo para los reactivos. El cambio neto de moles totales por unidad de avance de reacción es:

[ \Delta \nu=\sum_j \nu_j ]

Si (\Delta \nu\neq 0), la reacción cambia el número total de moles.

Por ejemplo:

[ A \rightarrow 2B ]

transforma un mol de reactivo en dos moles de producto. Por lo tanto, el flujo molar total aumenta a medida que avanza la reacción, aunque la masa total permanezca constante.

Algunas reacciones no presentan cambio neto de moles

Para una reacción como:

[ A+B\rightarrow C+D ]

entran dos moles en la reacción y se producen dos moles. En este caso, la reacción no cambia el número total de moles, por lo que el flujo molar total puede ser igual en la entrada y en la salida, suponiendo que no existan otras fuentes o sumideros.

El balance molar total incluye un término de reacción

Para un reactor en estado estacionario:

[ 0=\sum_j \dot{n}{j,in}-\sum_j \dot{n}{j,out} +\int_V \sum_j \nu_j r,dV ]

De forma equivalente, la diferencia entre el flujo molar total de salida y el de entrada está determinada por el cambio estequiométrico neto producido por la reacción:

[ \dot{n}{out}-\dot{n}{in}

\int_V \Delta\nu,r,dV ]

La convención exacta de signos depende de cómo se definan la velocidad de reacción y los coeficientes estequiométricos, pero el principio rector no cambia: la estequiometría de la reacción controla la producción o el consumo molar total.

Cómo completan el panorama los balances de componentes

Los balances de componentes no reactivos utilizan entrada igual a salida

Para una especie que no reacciona ni se transfiere mediante otro mecanismo, el balance de componentes en estado estacionario es:

[ \dot{n}{j,in}=\dot{n}{j,out} ]

Esto se aplica habitualmente a operaciones de separación físicas, como la mezcla idealizada, la destilación o la extracción, cuando no ocurre ninguna reacción química.

Las especies reactivas requieren términos de generación o consumo

Para una especie reactiva (j), el balance en estado estacionario es:

[ \text{Velocidad de entrada}-\text{Velocidad de salida} +\text{Velocidad neta generada por la reacción}=0 ]

Para una sola reacción en un reactor de flujo pistón:

[ \frac{dF_j}{dV}=\nu_j r ]

donde (F_j) es el flujo molar de la especie (j), (V) es el volumen del reactor, (r) es la velocidad de reacción y (\nu_j) es su coeficiente estequiométrico.

En un reactor continuo de tanque agitado, el balance correspondiente es:

[ F_{j0}-F_j+\nu_j rV=0 ]

porque se considera que la velocidad de reacción es uniforme en todo el tanque.

Los balances totales son sumas de los balances de componentes

La suma de todos los balances molares de las especies produce el balance molar total. Los términos de reacción se cancelan únicamente si:

[ \sum_j \nu_j=0 ]

La suma de todos los balances de masa de las especies siempre elimina la contribución de la reacción porque la suma estequiométrica ponderada por la masa es cero:

[ \sum_j M_j\nu_j=0 ]

Esta es la razón matemática por la que la masa total se conserva, mientras que los moles totales pueden no conservarse.

Comprender las compensaciones

Un balance de masa no puede determinar por sí solo la conversión

Un reactor puede satisfacer su balance de masa total y, aun así, presentar composiciones de especies, conversiones o selectividades incorrectas. Por lo tanto, el balance de masa total es una comprobación necesaria, pero no una descripción suficiente del rendimiento del reactor.

Se necesitan balances de componentes o elementales para determinar el comportamiento de la reacción.

Un balance molar total puede inducir a error

Suponer que los flujos molares totales de entrada y salida son iguales en todos los reactores puede producir conversiones, tiempos de residencia, concentraciones y cálculos de dimensionamiento incorrectos.

Esta suposición es válida únicamente cuando el cambio neto de moles estequiométrico es cero o cuando no hay reacción.

El flujo volumétrico no tiene por qué conservarse

Incluso cuando el flujo másico total es constante, el flujo molar total y el flujo volumétrico pueden cambiar. Los cambios de temperatura, presión, composición o del número de moles en fase gaseosa pueden alterar considerablemente el flujo volumétrico de salida.

Una densidad líquida constante puede justificar una suposición aproximada de volumen constante, pero esta es una suposición de modelización independiente de la conservación de la masa total.

Los errores de medición pueden ocultar el comportamiento real

En plantas piloto, un desequilibrio aparente de masa puede deberse a fugas, corrientes de purga o venteo no medidas, evaporación, arrastre, errores de calibración o cambios en la retención. En cambio, un desequilibrio molar puede ser el resultado esperado de la estequiometría de la reacción y no de una falla del equipo.

Por lo tanto, la validación de los balances debe tener en cuenta todas las corrientes y vías de reacción relevantes.

Elegir el balance adecuado para tu objetivo

Utiliza el balance que corresponda a la magnitud y al comportamiento del proceso que se estén analizando.

Si tu objetivo principal es la contabilidad global de materiales: Aplica un balance de masa total que incluya todas las entradas, salidas, purgas, venteos y términos de acumulación; en estado estacionario, la masa total de entrada debe ser igual a la masa total de salida.
Si tu objetivo principal es la conversión o selectividad de la reacción: Aplica balances molares de especies con términos estequiométricos de generación y consumo, respaldados por datos de velocidad de reacción.
Si tu objetivo principal es el cambio del flujo total de gas: Aplica un balance molar total y calcula el cambio neto de moles estequiométrico para cada reacción.
Si tu objetivo principal es la validación del modelo: Comprueba primero los balances de masa total y elementales; después utiliza los balances de componentes y molares para diagnosticar el comportamiento de la reacción y de las mediciones.

La masa total confirma que el reactor contabiliza la materia, mientras que los balances molares totales y de componentes revelan qué ha hecho la reacción con esa materia.

Tabla resumen:

Tipo de balance	Principio clave	Efecto de la reacción	Mejor uso
Balance de masa total	La masa de entrada es igual a la masa de salida en estado estacionario	La reacción no crea ni destruye masa	Contabilidad global de materiales
Balance molar total	El flujo molar total depende de la estequiometría	Los moles pueden aumentar, disminuir o permanecer sin cambios	Evaluación de los cambios en el flujo de gas y de los efectos de la reacción
Balance de componentes	Realiza el seguimiento individual de cada especie	Los reactivos se consumen y los productos se generan	Cálculo de la conversión y la selectividad
Balance elemental	Los átomos se conservan durante la reacción	Las cantidades elementales permanecen constantes	Comprobación de modelos de reacción y mediciones
Balance de flujo volumétrico	El volumen de flujo depende de las condiciones de operación	La temperatura, la presión y la composición pueden cambiar el flujo	Dimensionamiento del reactor y análisis del proceso

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