Chauffage Par Dilatation Ou Refroidissement De Gaz
Fiche thématique sur l’effet Joule-Thomson et ses applications industrielles
Lorsqu’un gaz réel comprimé se dilate de manière irréversible et adiabatique sur un élément de restriction de flux, tel qu’un orifice ou une vanne, non seulement la pression du gaz diminue, mais sa température peut également se refroidir ou se réchauffer spontanément.[1] Un tel événement est communément appelé l’effet ou la dilatation Joule-Thomson (J-T) appelé du nom desth physiciens du 19ème siècle, James Prescott Joule et William Thomson (également connu sous le nom de Lord Kelvin) qui a décrit conjointement et pour la première fois ce phénomène physique.
Comme aucun travail n’est effectué sur ou par le gaz et que l’expansion se produit sans transfert de chaleur important, un processus J-T est essentiellement isenthalpique, ce qui indique que la température et la pression d’un gaz réel doivent changer , car son enthalpie dépend du système T et P. Inversement, la dilatation J-T d’un gaz idéal n’est pas possible car l’enthalpie du gaz idéal ne dépend que de la température et, par conséquent, la dilatation d’un gaz idéal dans les mêmes conditions est toujours isothermique.
Par conséquent, la température et la pression d’un gaz réel en dilatation J-T sont liées par une enveloppe P-T ou une courbe d’inversion dépendant du coefficient J-T, m, tandis que pour un gaz idéal, la valeur est toujours égale à zéro. Pour un gaz réel, lorsque m> 0, la dilatation provoque une auto-réfrigération du gaz car il est étranglé à travers le dispositif de pression différentielle, tandis que pour m <0, le gaz s’auto-chauffe et présente une température en aval plus élevée, similaire à une réaction exothermique adiabatique. La dilatation isothermique se produit lorsque m = 0 et que le processus repose sur la courbe d’inversion J-T. En conséquence, des schémas de processus en boucle fermée peuvent être conçus pour utiliser un tel comportement d’auto-réfrigération ou d’auto-échauffement de gaz, voire de liquides très volatils, afin de manipuler l’état thermique ou la qualité d’un flux de fluide et de faciliter un changement de processus.
Par exemple, les systèmes de maintien de pression des terminaux de stockage de gaz naturel liquéfié et de gaz de pétrole (GNL/GPL) reposent souvent sur l’auto-réfrigération due à la dilatation J-T du liquide en circulation pour contrôler sa pression pendant le chauffage diurne. Dans un tel schéma, le liquide est aspiré du fond du réservoir à l’aide d’une pompe, puis passé dans un refroidisseur de traitement pour éliminer la chaleur ajoutée lors du transport du fluide en vrac et du chauffage nocturne du contenu du réservoir, puis est réintroduit dans le réservoir par une vanne de régulation suivie d’une lance de distribution ou d’une buse de pulvérisation qui clignote par dilatation J-T en une vapeur présentant une température sensiblement inférieure à la température de saturation du mélange dans la cuve, ce qui refroidit l’espace de vapeur et réduit la pression de la cuve par condensation de la vapeur. De même, le propane liquéfié est souvent utilisé comme réfrigérant dans un cycle de réfrigération en boucle fermée reposant sur une dilatation J-T pour liquéfier le gaz naturel.[2]
En outre, la génération de vapeur surchauffée peut être obtenue par dilatation J-T lorsque la vapeur saturée ou humide est éjectée à une pression inférieure par une vanne de régulation où une vapeur à pression et à température plus basses sera produite avec une température supérieure à la valeur de saturation.[3] Alternativement, un fort ratio de dilatation d’hydrogène gazeux purifié lors du remplissage de réservoirs industriels de stockage d’hydrogène provoque le réchauffement du H2 qui peut être utilisé pour d’autres procédés de chauffage par échange thermique en aval.[4]
[1]Smith, J. M.; Van Ness, H. C.; Abbott, M. M. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics; McGraw-Hill, Inc.: New York, 2005.
[2]McIntosh, S. A.; Noble, P. G.; Rockwell, J.; Ramlakhan, C. D. Moving Natural Gas Across Oceans. Oilfield Review 2008, 20, 50-63.
[3]Potter, J. H. The Joule-Thomson Effect in Superheated Steam. J. Eng. Ind.1970, 92, 257-262.
[4]Hirscher, M. Handbook of Hydrogen Storage: New Materials for Future Energy Storage; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2010.