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BalanceSolver

Reactor de amoniaco: conversión y grado de avance

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

Con reacción química, los balances por especie llevan un término de generación. La forma más ordenada de escribirlo es con el grado de avance ξ: cada especie sale como lo que entró más su coeficiente estequiométrico por ξ. Así una sola incógnita describe toda la reacción.

Enunciado

Entran a un reactor 100 kmol/h de N₂ y H₂ en proporción estequiométrica (1:3). Se convierte el 25 % del N₂ según N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Calcula la composición de salida.

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Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

F1F2 R1reactor

2. Datos, unidades y notación

Reacciones:

  • R1: N2 + 3 H2 → 2 NH3

Notación:

  • ṅi,F = flujo molar del componente i en la corriente F (kmol/h).
  • ṅF = Σi ṅi,F (kmol/h); ṁF = Σi Mi ṅi,F (kg/h).
  • ξR = grado de avance de la reacción R (kmol/h). Sale = Entra + Σ νi ξ.

3. Análisis de grados de libertad

SubsistemaVariablesBalancesDatos y relacionesGL
Reactor R16330
Sistema completo66 ecuaciones0

GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.

4. Ecuaciones planteadas

  1. Dato · F1 ṅF1 = 100 kmol/h
  2. Dato · F1 ṅN2,F1 = 0.25 ṅF1
  3. Balance · R1 ṅN2,F2 = ṅN2,F1 − ξR1
  4. Balance · R1 ṅH2,F2 = ṅH2,F1 − 3 ξR1
  5. Balance · R1 ṅNH3,F2 = 2 ξR1
  6. Relación ṅN2,F1 − ṅN2,F2 = 0.25 · ṅN2,F1conversión en un paso de N2

5. Solución paso a paso

  1. Corriente F1: 2 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (1), (2), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones). ⇒ ṅN2,F1 = 25 kmol/h
    ⇒ ṅH2,F1 = 75 kmol/h
  2. De la ecuación (6): (25) − ṅN2,F2 = 0.25 · (25) ⇒ ṅN2,F2 = 18.75 kmol/h
  3. De la ecuación (3): (18.75) = (25) − ξR1 ⇒ ξR1 = 6.25 kmol/h
  4. De la ecuación (4): ṅH2,F2 = (75) − 3 (6.25) ⇒ ṅH2,F2 = 56.25 kmol/h
  5. De la ecuación (5): ṅNH3,F2 = 2 (6.25) ⇒ ṅNH3,F2 = 12.5 kmol/h

6. Resultados

F1

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
N2250.25700.350.8224
H2750.75151.20.1776
Total1001851.551

F2

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
N218.750.2143525.260.6168
H256.250.6429113.40.1332
NH312.50.1429212.890.25
Total87.51851.551
Otras incógnitasValor
ξR16.25 kmol/h

7. Verificación (entra + genera = sale)

EquipoBalanceEntraGeneraSaleError
Reactor R1Balance de N225-6.2518.75 ✓ 2.5 × 10-10 %
Reactor R1Balance de H275-18.7556.25 ✓ 6.7 × 10-10 %
Reactor R1Balance de NH3012.512.5 ✓ 0 %
Reactor R1Masa total851.550851.55 ✓ 8.6 × 10-11 %
Reactor R1Átomos de N50050 ✓ 2.5 × 10-10 %
Reactor R1Átomos de H1500150 ✓ 6.7 × 10-10 %

Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Qué es el grado de avance?

Es la cantidad de «veces» que ocurre la reacción, en kmol/h. Cada especie cambia νi · ξ, donde νi es negativo para reactivos y positivo para productos.

¿Cómo se verifica el resultado?

Con un balance de átomos: entran 50 kmol/h de átomos de N (en N₂) y salen 37.5 en N₂ más 12.5 en NH₃. La calculadora hace esta comprobación automáticamente.

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