Chauffage électrique du gaz naturel pour éviter toute congélation après une réduction de la pression

1.       Faire bouillir du gaz naturel à l’état gazeux d’un réservoir de stockage de gaz naturel liquéfié (GNL) ; 2.       Faire chauffer du gaz naturel d’alimentation dans un reformeur de méthane à la vapeur afin de fournir l’énergie requise pour la réaction de reformage endothermique ; 3.       Faire chauffer du gaz naturel utilisé comme gaz d’étanchéité dans un processus pétrochimique cryogénique ; 4.       Préchauffer le gaz naturel avant la réduction de pression afin de surmonter la réduction de température résultant de l’effet Joule-Thomson.Parmi les quatre applications indiquées, la plus surprenante est le préchauffage requis pour éviter la congélation. Le gaz naturel dans la pression est réduite dans une vanne de laminage subit une diminution soudaine de la température en raison de l’effet Joule-Thomson. Si la température du gaz chute en dessous du point de congélation de l’eau, l’eau présente dans le gaz peut geler. La glace peut obstruer les fines surfaces de contrôle des vannes de contrôle et des régulateurs, provoquant ainsi une panne du système d’approvisionnement en gaz naturel. Pour empêcher que cela ne se produise, le gaz naturel est préchauffé par des éléments chauffants électriques avant que sa pression ne soit réduite, ce qui augmente la température d’un niveau égal à celui de la chute de cette dernière au cours de la réduction de la pression suivante.Dans cet article, nous traitons de l’effet Joule-Thomson car il s’applique au gaz naturel, et nous expliquons comment mesurer un thermoplongeur à bride électrique pour cette application. De manière spécifique, nous calculons la puissance de l’élément chauffant requise pour préchauffer le gaz naturel juste suffisamment pour que sa température revienne à sa valeur d’origine après une réduction de la pression. L’effet Joule-Thomson Lorsque la pression d’un gaz est réduite dans une vanne, le gaz ne fait rien et n’échange pas de chaleur avec l’environnement, ainsi son enthalpie demeure inchangée. Il a été découvert par Thomson, en suivant le travail de Joule, que la température change pendant la réduction de la pression selon la relation où T :            Température ; P :           Pression ; h :           Enthalpie ; c_p :          Chaleur spécifique à pression constante ; v :            Volume spécifique. μ, le taux de variation de la température par rapport à la pression est appelé le coefficient Joule-Thomson. Le coefficient Joule-Thomson varie largement selon la pression, la température et la composition du gaz naturel. Cependant, dans la plupart des applications d’ingénierie, la réduction de la pression se produit à partir d’une pression initiale de l’ordre de 1.200psig (8,27MPag) jusqu’à une pression finale qui correspond environ à l’équivalent de la pression atmosphérique et qui est proche de la température de la pièce qui est de 68°F (20°C). Pour ces conditions, le coefficient Joule-Thomson moyen peut être considéré comme étant 7 ^oF/100 psi (5.6 ^oC/MPa). En disposant du coefficient Joule-Thomson et de la chute de pression, il est possible de calculer la chute de température. Le préchauffage requis pour que le gaz naturel revienne à sa température initiale après réduction de la pression est simplement la température de démarrage multipliée par la température spécifique multipliée par le débit volumique Exemple. Une conduite située à proximité d’une usine chimique transporte du gaz naturel à 1.200 psig (8,27 MPag), 68 ^oF (20 ^oC). L’usine extrait 10.000 livres (environ 4.500 kilos) de gaz naturel par heure ayant été démarré à 15 psig. Déterminez la chute de température due à la réduction de la pression, ainsi que la puissance requise pour l’élément chauffant de préchauffage afin que la température du gaz revienne à sa valeur d’origine avant la réduction de la pression.

Nous voyons qu’il n’y a pas eu de préchauffage, la température aurait chuté à -15 ^oF (-26,1 ^oC), ce qui aurait très probablement gelé le système d’approvisionnement en gaz naturel. En pratique, il est courant d’ajouter une marge de sécurité de 25% à la puissance de chauffage requise afin de prendre en compte la perte de chaleur des parois et les incertitudes en termes de mesure et de contrôle. Ainsi, l’élément préchauffant pour cette application aurait une puissance de 160 kW. Enfin, nous insistons sur le fait que le gaz naturel doit être chauffé avant la réduction de la pression, et non après car l’objectif consiste à empêcher tout risque de congélation, et non à réparer des dommages faisant suite à un tel évènement.