Desalination Using Air Gap Membrane Distillation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF THESIS_REPORT_FINAL_VERSION.pdf Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

غشاء التقطير هو عبارة عن تقنية مطورة لتحلية المياه باستخدام الاغشية والتي تعمل بالطاقة الحرارية حيث أنه تم تجريبها على أربعة تصاميم مختلفة. طريقة عمل هذه التقنية هي كالتالي: نقوم بتسخين الماء المالح وتمريره على غشاء ذو سطح طارد للموائع, وبسبب اختلاف درجة الحرارة بين طرفي الغشاء فإن فرق ضغط البخار يتسبب فى تخلل البخار ومروره خلال الغشاء والتكثف على الجانب البارد من الغشاء. من أبرز ما يميز هذه التقنية أنها تعمل عند الضغط الجوي العادي ودرجة حرارة منخفضة تتراوح مابين 40 و 90 درجة مئوية, كما انها لا تحتاج الى كميات كبيرة من الطاقة حيث يمكن تشغيلها باستخدام الطاقة الشمسة أو الطاقة المهدرة من العمليات الصناعية. فى هذا البحث تم عمل تجارب معملية لدراسة أداء غشاء التقطير ذو الفراغ الهوائى باستعمال مياه البحر و محاليل مياه مالحة تم تجهيزها فى المعمل. تم دراسة تأثير عوامل التشغيل المختلفة على الاداء و منها درجة حرارة مياه التغذية و معدل تصرفها و درجة حرارة مياه التبريد و معدل تصرفها بالاضافة الى تأثير عرض الفجوة الهوائية. كما تم دراسة تأثير حجم فتحات الغشاء و درجة تركيز الاملاح فى مياه التغذية على أداء المنظومة و تم عمل دراسة إحصائية للوصول الى شروط الاداء الأمثل للتشغيل عن طريق تصميم التجربة و إستخدام طريقة تاجوشى . كما يهدف هذا البحث ايضا الى تطوير و مناقشة النموذج النظري لحساب انتقال الحرارة والمادة في هذه التقنية. من خلال التجارب وجدنا أن تدفق بخار الماء عبر الغشاء يزداد مع زيادة درجة الحرارة و معدل التدفق لمياه التغذية الداخل الى النظام, بينما يقل عند زيادة كل من عرض الفراغ الهوائي و درجة حرارة ماء التبريد. نستطيع أن نقول أن أغلب ما يؤثر على أداء النظام هو درجة حرارة الماء الداخل الى النظام وعرض الفراغ الهوائي بينما معدل تدفق المبرد له تأثير محدود على أداء النظام. معدل تدفق مياه التغذية و درجة حرارة مياه التبريد لهم أثر واضح نسبيا على أداء المنظومة. زيادة حجم فتحات الغشاء من 0.22 الى 0.45 ميكروميتر أدى الى زيادة 10% فى انتاج المياه المقطرة بينما زيادة تركيز الاملاح لمياه التغذية من 0.075 الى 60 جرام لكل لتر ادى الى انخفاض 11% فى الناتج. وكذلك من التجارب وجدنا أن تصميم المرحلتين من نظام غشاء التقطير ذو الفراغ الهوائي تعطي نتائج مضاعفة مقارنة بالتصميم ذو المرحلة الواحدة من هذا النظام. بشكل عام النتائج النظرية مطابقة إلى حد كبير للنتائج المعملية مع اختلاف يصل إلى 15%. وجد من الدراسة أن الأداء الأمثل معمليا هو 76.0457 كجم/م2 ساعة و نظريا هو 74.5916 كجم/م2 ساعة عند درجة حرارة 80 درجة مئوية وبمعدل تدفق 5 لتر/دقيقة لماء التغذية الداخل إلى النظام و 3 مم عرض الفراغ الهوائي و20 درجة مئوية لمياه التبريد.

English Abstract

Membrane distillation (MD) is a developing thermally driven membrane desalination technology that has been applied in four different basic configurations. In membrane distillation, a hot, saline feed stream is passed over a hydrophobic membrane. The temperature difference between the two sides of the membrane leads to a vapour pressure difference that causes water vapour to permeate through the membrane pores, and then condensed on the cold side of the membrane. The hydrophobicity of the membrane prevents the liquid from passing through the pores, while the water vapour is allowed to pass through. The technique offers the attractiveness of operation at atmospheric pressure and low temperature (40– 90oC), and has the theoretical ability to achieve 100% salt rejection. Thus, low-grade energy like solar and waste energy can be used for desalination. In this work, an experimental investigation of the performance of Air Gap Membrane Distillation (AGMD) system was performed for seawater and laboratory prepared salt feed water solutions. The influences of system operating parameters such as feed temperature, feed flow rate, coolant temperature, coolant flow rate and air gap width on permeate flux were studied. The effects of membrane pore size as well as the concentration of feed solution on permeate flux were also investigated. The performance of the AGMD unit was statistically optimized using design of experiment (DOE) and Taguchi technique. Furthermore, theoretical model describing heat and mass transfer analysis in AGMD was developed and discussed in detail. The permeate flux was found to increase with increasing feed temperature and feed flow rate. However, it decreased with increasing air gap width and coolant temperature. The system performance tends to increase marginally with increasing coolant flow rate. The system performance is mostly dominated by the effect of both feed temperature and air gap width. Feed flow rate and coolant temperature have relatively considerable effect on flux. Increasing the membrane pore size from PTFE 0.22µm to PTFE 0.45µm leads to about 10% increment in flux production. While increasing the feed concentration from 0.075g/L to 60g/L lead to about 11% drop in permeate flux. The tested double-stage AGMD design was capable of achieving a maximum permeate flux of 128.46kg/m2hr, which is almost twice that of single stage unit, under the same experimental conditions. In general, the theoretical model results were found to be in good agreement with the experimental data as the maximum deviation of model results was within 15%. The model was also used to predict thermal efficiency and temperature polarization of the AGMD system. Regarding system optimization using Taguchi methodology, the developed model proved to be in good agreement with the experimental data with a maximum deviation of about 10%. According to Taguchi orthogonal arrays, the experimental and model optimum system performance was found to be 76.0457 kg/m2h, and 74.5916 kg/m2h respectively. The conditions for the optimum performance are 80oC feed temperature, 5 L/min feed flow rate, air gap width of 3mm and coolant temperature of 20oC

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Khalifa E., Atia
Committee Members:	Mohammed A., Antar and Laoui, Tahar
Depositing User:	DAHIRU LAWAL (g201201740)
Date Deposited:	13 Jan 2015 05:33
Last Modified:	01 Nov 2019 15:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139418