Los calentadores de circulación eléctricos son ampliamente utilizados para el calentamiento de gas natural en una variedad de aplicaciones industriales. Éstas incluyen:
1. Hervir el gas natural en estado gaseoso a partir del gas natural en estado líquido (LNG – por sus siglas en inglés) desde el tanque de almacenamiento;
2. Calentamiento del gas natural que es introducido en un reformador de vapor-metano, para proporcionar la energía requerida para la reacción reformadora endotérmica;
3. Calentamiento del gas natural utilizado como gas de sello en los procesos petroquímicos criogénicos;
4. Precalentamiento del gas natural antes de su reducción por presión (aceleración) para sobrellevar la reducción de temperatura que resulta del efecto de Joule-Thomson.
Entre las cuatro aplicaciones enumeradas, quizás las más sorprendente es el precalentamiento requerido para la prevención del congelamiento. El gas natural cuya presión es reducida a través de una válvula de aceleración sufre de un decrecimiento repentino de temperatura como resultado del efecto Joule-Thomson. Cuando la temperatura del gas baja más allá del punto de congelación del agua, cualquier agua presente en el gas pudiera congelarse. El hielo pudiera obstruir las finas superficies de los controles y de las válvulas y reguladores de los controles, lo que acarrearía el rompimiento del sistema de suministro de gas natural. Para prevenir que esto ocurra, el gas natural es precalentado por calentadores eléctricos antes de su aceleración, elevando la temperatura en una cantidad equivalente a la reducción de la temperatura durante la subsecuente aceleración.
En este artículo discutiremos el efecto Joule-Thomson en la medida en que es aplicable al gas natural, y explicamos cómo medir un calentador eléctrico de brida para esta aplicación. Específicamente, calculamos que la energía del calentador requerida para precalentar el gas natural sea justo la suficiente para que su temperatura regrese a su valor original luego de la aceleración.
El Efecto de Joule-ThomsonCuando un gas es acelerado en una válvula, el gas no realiza trabajo alguno y no intercambia calor con el ambiente, así que su entalpía no es modificada. Continuando con el trabajo de Joule, Thomson descubrió que la temperatura, no obstante, es modificada durante la aceleración de acuerdo con la relación
donde
T: Temperatura;
P: Presión;
h: Entalpía;
cp: Calor específico a presión constante;
v: Volumen específico.
μ, la tasa de cambio de temperatura con relación a la presión, es llamada el coeficiente de Joule-Thomson. El coeficiente de Joule-Thomson varía ampliamente con la presión, temperatura y composición del gas natural. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería, la aceleración ocurre a una presión inicial en el orden de 1.200 psig (8,27 MPaG) bajando hasta una presión final equivalente en aproximación a la presión atmosférica y cercana a la temperatura ambiente de 68°F (20°C). Para estas condiciones, el coeficiente promedio de Joule-Thomson pudiera ser de 7°F/100 psi (5,6°C/MPa). Considerando el coeficiente de Joule-Thomson y la pérdida de presión, se puede calcular la pérdida de temperatura. La cantidad de precalentamiento requerido para que el gas natural regrese a su temperatura inicial luego de la aceleración simplemente es la pérdida de temperatura por la aceleración por la capacidad de calor específico por la tasa de flujo de la masa.
Ejemplo. Una tubería cercana a una planta química transporta gas natural a 1.200 psig (8,27 MPaG), 68°F (20°C). La planta extrae 10.000 libras por hora de gas natural que ha sido acelerado hasta 15 psig. Encuentre la pérdida de temperatura debido a la aceleración y al precalentamiento y energía requerida del calentador eléctrico para que la temperatura del gas regrese a su valor original luego de la aceleración.
