HYBRID POLYMERIC/CERAMIC MEMBRANE FOR OXY-FUEL COMBUSTION APPLICATIONS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Dia' Master Thesis) Thesis__.pdf - Published Version Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

ملخص الرسالة الاسم الكامل: ضياء الدين عمر عوده عفانه عنوان الرسالة: استخدام اغشية سيراميكية / بلومارية هجينة في تطبيقات احتراق الأكسو وقود التخصص: الهندسة الميكانيكة تاريخ الدرجة العلمية: ربيع الثاني 1438 الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو تطوير وحدة هجينة من الاغشية السيراميكية والبلومارية للاستخدام في فصل مكونات الهواء بتدفق اكسجين عالي لتطبيقات الأكسو وقود. هذا البحث يشمل محاكاة فصل مكونات الهواء بالأغشية البلومارية لإنتاج هواء غني بالأكسجين. تم دراسة فصل مكونات الهواء بالأغشية البلومارية بشكل منفصل، لتقصي تأثير عوامل متعددة على عملية فصل مكونات الهواء. تم استخدام نوعيات متعددة من الاغشية البلومارية في محاكاة فصل مكونات الهواء. تأثير تدفق الغازات المغذية والمزيلة تمام دراسته، بالإضافة الى تأثير الضغط المغذي ونوعية المادة البلومارية على تدفق غازات الاكسجين والنيتروجين وتركيزها. بهدف الحصول على تركيز عالي للأكسجين، وحدة متعددة المراحل لفصل مكونات الهواء قد طورت. الوحدة المطورة تتكون من ثلاث مراحل، وتركيز الاكسجين المكتسب في مخارج هذه المراحل هو 0.517 و 0.80 و0.914 على التوالي. نسبة اعلى من (θ) تم اكتسابها في المرحلة الثالثة مقارنة بالمرحلتين الأولى والثانية. تم دمج غشاء سيراميكي ناقل للأكسجين مع الغشاء البلوماري بشكل رقمي لتشكيل الوحدة الهجينة لاستخدامها في تطبيقات الأكسو وقود. الهواء الغني بالأكسجين والناتج عن الاغشية البلومارية تم استخدامه لتغذية مفاعل نقل الاكسجين(OTR) تم دراسة احتراق الأكسو وقود داخل ال (OTR) الأنبوبي المغذى بالهواء الغني بالأكسجين بشكل رقمي. تم استخدام خليط من غاز ثاني أكسيد الكربون والميثان في منطقة الازالة داخل ال(OTR) بتراكيز مختلفة، حيث يخدم غاز ثاني أكسيد الكربون كملطف لعملية الاحتراق. تم دراسة تأثير تدفق الغازات المغذية والمزيلة وتركيزاتها في نموذج ال (OTR) على تدفق غاز الاكسجين وتركيزه وعلى عملية الاحتراق. تم اجراء تحليلات للطاقة والتصميم للوحدة الهجينة، حيث تم حساب نسبة المساحة بين الأغشية البلومارية والسيراميكية كمتغير مع تدفق الغاز المزيل. تم حساب الطاقة الناتجة عن الوحدة الهجينة ومقارنتها مع الطاقة الناتجة من وحدة مغذية بالهواء، حيث تم توليد طاقة مقدارها 38.57 واط من الوحدة الهجينة المقترحة الواحدة. اظهرت النتائج ان الطاقة الناتجة من الوحدة الهجينة اعلى من الطاقة الناتجة من الوحدة المغذية بالهواء. استخدم برنامجFLUENT للقيام بعملية المحاكاة الرقمية وتم جمعه مع UDF لحل معادلات تدفق الغازات من خلال الاغشية.

English Abstract

ABSTRACT Full Name : [Dia’ Al-deen Omar Odeh Afaneh] Thesis Title : [HYBRID POLYMERIC/CERAMIC MEMBRANE FOR OXY-FUEL COMBUSTION APPLICATIONS] Major Field : [Mechanical Engineering] Date of Degree : [January 2017] The present work aims at developing a hybrid polymeric/ceramic membrane unit to produce high oxygen permeation flux for oxy-fuel combustion applications. The current research involves numerical investigation of air separation by polymeric membranes to produce oxygen enriched air. Polymeric membrane air separation is studied separately, to investigate the effect of several operating parameters on the air separation process. A detailed numerical study is presented for air separation using different polymers. Effects of sweep gas flow rate, feed gas flow rate, fed pressure, and membrane polymeric material (considering TR-PBO-co-PPL-28 and TR-PI-g-CD) on permeation fluxes and concentrations of O2 and N2 are investigated. Targeting higher exit O2 concentrations, multi-stage air separation polymeric membrane unit is developed. The developed unit consists of three stages and the achieved oxygen mass fraction at the stage outlet of first, second and third stages are 0.517, 0.8 and 0.914. Higher stage cut ratio is gained in the third stage as compared to first and second stages. Ceramic oxygen transport membrane (OTM) is integrated numerically with the polymeric membrane to form a hybrid polymeric/ceramic membrane unit for oxy-fuel combustion. Oxygen enriched air out of the polymeric membrane unit is fed to a ceramic membrane oxy-fuel based reactor. Detailed numerical study of oxy-fuel combustion in a tubular Oxygen Transport Reactor (OTR) fed by oxygen enriched air. CH4/CO2 mixture with various concentrations is swept inside the tubular OTR, where CO2 serves as a diluent. The model was utilized to investigate the effects of sweep gas flow rate, feed gas flow rate, fed O2 mass fraction, and swept CH4 mass fraction on permeation fluxes and combustion process. It is observed that stoichiometric combustion could be achieved by feeding a specific feed flow rate. Energy and design analysis of the hybrid unit are conducted, the ratio between the required fiber polymer membranes area to the Oxygen Transport Membranes (OTM) area is investigated as a function of the sweep flow rate. The output power of the hybrid unit is calculated and compared with the air fed OTR unit, 38.57 W power output is produced from one OTM shell hybrid unit. Higher power outputs are achieved by the hybrid unit comparing to the air fed unit. FLUENT CFD software is used to conduct the numerical simulation and calculations compiled with user defined functions (UDFs) that solve for oxygen and nitrogen permeation across the membranes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Habib, Mohamed
Committee Members:	Nemitallah, Medhat and Mezghani, Khaled
Depositing User:	DIA' AL-DE AFANEH (g201406140)
Date Deposited:	05 Feb 2017 05:26
Last Modified:	01 Nov 2019 16:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140245