Un resumen sobre el efecto Joule-Thomson y sus aplicaciones industriales

Cuando un gas real comprimido se expande de forma irreversible y adiabática a través de un elemento de restricción de flujo, como un orificio o válvula, no solo disminuye la presión del gas sino que su temperatura también puede disminuir o aumentar espontáneamente.[1] Esto se conoce comúnmente como el efecto o expansión Joule-Thomson (J-T) que lleva el nombre del físico del siglo XIX James Prescott Joule y William Thomson (a.k.a. Lord Kelvin) quienes describieron primero este fenómeno físico conjuntamente. 

Dado que no se realiza ningún trabajo sobre el gas o por el gas y la expansión se produce sin una transferencia de calor significativa, un proceso de JT es esencialmente una señal nítida que indica que la temperatura y la presión de un gas real deben cambiar, ya que su entalpía depende tanto del sistema T como del P. Por el contrario, la expansión JT de un gas ideal no es posible, ya que la entalpía del gas ideal solo depende de la temperatura y, por lo tanto, la expansión de un gas ideal en las mismas condiciones siempre es isotérmica.  En consecuencia, la temperatura y la presión de un gas real en expansión J-T se relacionan a través de una envoltura P-T o una curva de inversión que depende del coeficiente J-T (m), mientras que para un gas ideal siempre es cero.  Para un gas real, cuando m> 0, la expansión provoca la auto-refrigeración del gas cuando se estrangula a través del dispositivo de presión diferencial, mientras que para m< 0, el gas se calienta a sí mismo y tiene una temperatura descendente más alta similar a una reacción exotérmica adiabática.  

La expansión isotérmica ocurre cuando m= 0 y el proceso se encuentra en la curva de inversión J-T.  Por consiguiente, los esquemas de proceso de circuito cerrado pueden diseñarse para utilizar dicho comportamiento de auto-refrigeración o auto-calentamiento por expansión de gases e incluso líquidos altamente volátiles para manipular el estado térmico o la calidad de una corriente de fluido y facilitar un cambio de proceso.  Por ejemplo, los sistemas de mantenimiento de presión para terminales de retención de gas natural licuado y de petróleo (LNG / LPG) a menudo dependen de la refrigeración automática de la expansión J-T del líquido en circulación para controlar su presión durante el calentamiento diurno. 

En dicho esquema, se extrae líquido del fondo del tanque con una bomba, se pasa a través de un enfriador de proceso para eliminar el calor agregado del transporte masivo de fluido y el calentamiento del contenido del tanque durante la noche, y después se devuelve al tanque a través de una válvula de control seguida por una lanza distribuidora o una boquilla rociadora, que se transmite por expansión JT a un vapor que tiene una temperatura sustancialmente más baja que la temperatura de saturación de la mezcla en el tanque que enfría el espacio de vapor y reduce la presión del tanque a través de la condensación de vapor.  

De manera similar, el propano licuado se usa a menudo como refrigerante en un ciclo de refrigeración en circuito cerrado que depende de laexpansión J-T para licuar el gas natural.[2] Además, la generación de vapor sobrecalentado se puede lograr a través de la expansión JT cuando el vapor saturado o húmedo se transfiere a una presión más baja a través de una válvula de control donde se producirá un vapor de presión y temperatura más bajas con una temperatura por encima del valor de saturación.[3] Alternativamente, la expansión de alta proporción de gas de hidrógeno purificado durante el llenado de los tanques de almacenamiento de hidrógeno industriales hace que el H₂ se caliente, lo que puede ser utilizado para otro proceso de calefacción por intercambio de calor de flujo cruzado.[4]

[1]Smith, J. M.; Van Ness, H. C.; Abbott, M. M. Introducción a la termodinámica en ingeniería química; McGraw-Hill, Inc.: Nueva York, 2005.

[2]McIntosh, S. A.; Noble, P. G.; Rockwell, J.; Ramlakhan, C. D. El transporte de gas natural a través de los océanos. Revisión de un yacimiento petrolero 2008, 20, 50-63.

[3]Potter, J. H. El efecto Joule-Thomson en vapor sobrecalentado. J. Eng. Ind.1970, 92, 257-262.

[4]Hirscher, M. Manual sobre almacenamiento de hidrógeno: Nuevos materiales para el almacenamiento de energía en el futuro; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA: Weinheim, Germany, 2010.