19.2: Coeficiente de Joule-Thomson

Una diferencia notable entre el flujo de condensado (o líquido) y los gases naturales a través de una tubería es el efecto de la caída de presión sobre los cambios de temperatura a lo largo de la tubería. Esto es especialmente cierto cuando las pérdidas de calor al ambiente no controlan estas variaciones de temperatura. Los gasoductos suelen enfriarse con la distancia (efecto comúnmente llamado 'Enfriamiento Joule—Thomson'), mientras que las líneas de petróleo se calientan. La razón de tal disimilitud se refiere al diferente efecto que tiene la caída de presión sobre la entropía de un gas natural que sobre la entropía de una mezcla de petróleo. Katz (1972) y Katz y Lee (1990) presentaron una discusión muy esclarecedora al respecto.

El hecho de que un gas se enfríe o no al expandirse o comprimirse, es decir, cuando se somete a cambios de presión, depende del valor de su coeficiente de Joule-Thomson. Esto no solo es importante para el flujo de gasoductos naturales, sino también para la recuperación de condensado a partir de gases naturales húmedos. En la industria criogénica, los turboexpansores se utilizan para someter un gas húmedo a una expansión repentina (fuerte caída de presión) con el fin de enfriar la corriente de gas más allá de su punto de rocío y recuperar la pérdida de líquido.

Termodinámicamente, el coeficiente de Joule-Thomson se define como el cambio isentálpico de temperatura en un fluido causado por una caída de presión unitaria, como se muestra:

\[\eta=\left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_{H} \label{19.18}\]

Usando relaciones termodinámicas, se pueden escribir expresiones alternativas. Por ejemplo, usando la regla de ciclismo podemos escribir:

o

\[ \begin{align} \left(\frac{\partial H}{\partial P}\right)_{T} &=-\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_{P}\left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_{H} \label{19.20} \\[4pt] &=-c_{P} \eta \label{19.21} \end{align}\]

También hemos visto que podemos expresar cambios de entalpía en términos de cambios de presión, temperatura y volumen:

\[\left(\frac{\partial H}{\partial P}\right)_{T}=\left[\tilde{v}-T\left(\frac{\partial \tilde{v}}{\partial T}\right)_{P}\right] \label{19.22}\]

Adicionalmente, se puede derivar la siguiente identidad:

\[\eta=\frac{R T^{2}}{P c_{P}}\left(\frac{\partial Z}{\partial T}\right)_{P} \label{19.23}\]

En conjunto, tenemos varias formas de calcular el coeficiente Joule-Thompson para un fluido, como se muestra a continuación:

\[\eta=\left(\frac{\partial T}{\partial P}\right)_{H}=\frac{1}{c_{P}}\left[T\left(\frac{\partial \tilde{v}}{\partial T}\right)_{P}-\tilde{v}\right]=-\frac{1}{c_{P}}\left(\frac{\partial H}{\partial P}\right)_{T}=\frac{R T^{2}}{P c_{P}}\left(\frac{\partial Z}{\partial T}\right)_{P} \label{19.24}\]

Una vez que se calcula el calor específico de presión constante “c _p” como se discutió en la conferencia anterior, se conocen todas las entradas de la expresión anterior y se puede calcular analíticamente el coeficiente de Joule-Thomson. Una observación interesante de todas las expresiones anteriores para “Contacta a tu instructor si no puedes ver o interpretar este gráfico” es que el coeficiente Joule-Thompson de un gas ideal es idénticamente igual a cero. Sin embargo, los fluidos reales toman valores positivos o negativos de Joule-Thompson.

Colaboradores y Atribuciones

•  Michael Adewumi (The Pennsylvania State University) Vice Provost for Global Program, Professor of Petroleum and Natural Gas Engineering