SWEEPING AIR MEMBRANE DISTILLATION INTEGRATED WITH BUBBLE COLUMN DEHUMIDIFIER FOR WATER DESALINATION

SWEEPING AIR MEMBRANE DISTILLATION INTEGRATED WITH BUBBLE COLUMN DEHUMIDIFIER FOR WATER DESALINATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Adel_MSc_Thesis.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 25 April 2023.

Download (6MB)

Arabic Abstract

في هذه الدراسة، تم دراسة أداء نظام متكامل لوحدة تقطير بالغشا ء باستخدام الغاز الجارف بشكل تجريبي، في ظروف تشغيل مختلفة. جهاز إزالة الرطوبة بعمود الفقاعات عبارة عن )BCD( بعمود الفقاعة وحدة منخفضة التكلفة ومدمجة ذات فعالية عالية جدًا يمكن استخدامها لتكثيف وتجميع البخار المفصول بوحدة التقطير الغشائي. في التجارب، تم إنشاء تيار هواء بطريقتين مختلفتين من أجل المقارنة. الطريقة الأولى: باستخدام مضخة تفريغ بين وحدة التقطير بالغشا ء باستخدام الغاز الجارف ومزيل الرطوبة بعمود الفقاعة. الطريقة الثانية: باستخدام SGMD مصدر هواء مضغوط لمدخل وحدة التقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجارف. أظهرت النتائج أن تكامل وحدة )SEC( واستهلاك أقل للطاقة النوعية ،)GOR( ينتج عنه تدفق اعلى من الماء المقطر، ونسبة كفاءة أفضل BCD مع عند استخدام مضخة التفريغ. درجة حرارة الماء المال ح لها التأثير الأكبر على تدفق الماء المقطر، يليها معدل سريا ن الهواء الجارف. تؤدي زيادة درجة حرارة الماء المالح من 50 إلى 80 درجة مئوية إلى زيادة تدفق الماء المقطر بنسبة ٪175 في المتوسط. من ناحية أخرى، تؤدي مضاعفة معدل سريان الهواء الجارف من 1 إلى 2 )قدم مكعب قياسي في الدقيقة( إلى ارتفاع تدفق الماء المقطر حوالي 49 ٪ لمضخة التفريغ و 25 ٪ لمضخة الهواء المضغوط. يتأثر تدفق الماء المقطر قليلاً بدرجة حرارة مدخل سائل التبريد ومعدل تدفق الماء المالح. أظهرت الاختبارات ان لارتفاع عمود الماء أحادي المرحلة SGMD-BCD لمزيل الرطوبة تأثيرات طفيفة على تدفق الماء المقطر. بالإضافة إلى ذلك، تم اختبار في ظروف تشغيل مختلفة لدورات الهواء الجارف المفتوحة والمغلقة وبطرق تبريد مختلفة لتعزيز إنتاجية المياه العذبة 20 ٪ في الكفاءة للنظام عند - وتقليل استهلاك الطاقة. أظهرت النتائج تحسنًا هامشيًا من 7 إلى 10 ٪ في الإنتاجية و 10 استخدام دورة الهواء المغلقة مقارنة بدورة الهواء المفتوحة. علاوة على ذلك، أظهرت عمليات تبريد الهواء وعدم تبريده نتائج واعدة للغاية فيما يتعلق بكفاءة الطاقة، خاصة مع ارتفاع عمود الماء لمزيل الرطوبة بين 6 و 9 سم. علاوة على xxvi ذلك، تم دمج وحدة تقطير غشاء الهواء الشاملة متعددة المراحل ذات التصميم المدمج مع مزيل الرطوبة بعمود الفقاعات وتقييمها تجريبيا من أجل نظام تحلية مياه عالي الكفاءة في استخدام الطاقة. تم تقييم مقاييس الأداء لتدفق الماء المقطر والكفاءة واستهلاك الطاقة النوعية في ظروف تشغيل مختلفة بطريقة شاملة. في وحدة تقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجارف متعدد المراحل بينما توصيل الهواء على التوالي، تم تحقيق تدفق للماء المقطر 18 كجم/متر مربع في الساعة في درجة حرارة 80 درجة مئوية للماء المالح، ومعدل تدفق للماء المالح 1.2 لتر/دقيقة، ومعدل سريان هواء 1.9 )قدم مكعب قياسي في الدقيقة(، وارتفاع عمود الماء لمزيل الرطوبة 4.5 سم. تم الحصول على قيمة كفاءة عالية نسبيًا تبلغ 0.62 وقيمة منخفضة لاستهلاك الطاقة النوعي تبلغ 1025 كيلو واط ساعة/متر مكعب. بينما في اختبارات توصيل الهواء على التوازي، تم تحقيق تدفق للماء المقطر 11 كجم/متر مربع في الساعة في درجة حرارة 80 درجة مئوية للماء المالح، ومعدل تدفق للماء المالح 1.2 لتر/دقيقة، ومعدل سريان هواء 0.4 )قدم مكعب قياسي في الدقيقة( لكل قناة هواء، وعمود الماء لمزيل الرطوبة بارتفاع 4.5 سم. تم الحصول على كفاءة بقيمة 0.37 وقيمة منخفضة لاستهلاك الطاقة النوعي تبلغ 1748 كيلو وات ساعة /متر مكعب. علاوة على ذلك، تم فحص أداء نظام وحدة التقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجارف أحادي المرحلة بالتسخين الشمسي ونظام إزالة الرطوبة بعمود الفقاعات بشكل تجريبي لمعدلات تدفق مختلفة للماء المالح. توضح نتائج الدراسة فائدة إنتاج مياه عذبة بالطاقة الشمسية. ينخفض تدفق المياه المقطرة للوحدة خلال النهار بسبب الطاقة المستهلكة بواسطة عملية تحلية المياه طريق التقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجار ف مقارنةً بالطاقة الشمسية التي يتم الحصول عليها من الشمس. ومع ذلك، أظهر النظام مستوى جيد من استدامة إنتاج المياه على مدار اليوم. بين الساعة 8:00 صباحًا و 5:00 مساءً، يبلغ متوسط تدفق الماء المقطر 33.5 كجم/متر مربع في الساعة بمعدل تدفق يبلغ 4.85 لتر/دقيقة للماء المالح، وهو ما يقابل متوسط درجة حرارة 82.5 درجة مئوية للماء المالح في الخزان. كانت أقصى كمية من المياه العذبة المجمعة 1.8 لتر، مع استهلاك طاقة حرارية نوعي يبلغ حوالي 1214 كيلو وات ساعة/متر مكعب. أظهرت نتائج الدراسة تحسن في أداء وحدة التقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجا ر ف ومزيل الرطوبة بعمود الفقاعة مقارنة بأنظمة التقطير بالغشاء باستخدام الغاز الجارف في الدراسات السابقة.

English Abstract

In this study, the performance of an integrated system of a sweeping gas membrane distillation (SGMD) module and a bubble column dehumidifier (BCD) is investigated experimentally, at various operating conditions. In the experiments, the sweeping air stream is created in two different ways for the sake of comparison; namely using a vacuum pump between the SGMD module and the BCD and using a compressed air supply to the SGMD module inlet. Results showed that the integration of the SGMD unit with BCD yields higher permeate flux, better Gained Output Ratio (GOR), and lower specific energy consumption (SEC) when the vacuum pump is used compared to the compressed air stream. The temperature of the feed has the greatest effect on the permeate flux, followed by the sweeping air flowrate. Increasing the feed temperature from 50 to 80°C increases the permeate flux by 175%, on average. On the other hand, doubling the sweeping air flowrate from 1 to 2 SCFM results in a permeate flux rise of about 49% and 25% for the vacuum pump and the compressed air supply, respectively. The permeate flux is slightly affected by the dehumidifier coolant inlet temperature and the feed flowrate; based on the test ranges. The dehumidifier water column heights showed insignificant effects on the integrated system permeate flux. In addition, the single-stage SGMD-BCD was tested at various operating conditions for open and closed sweeping air cycles and with different cooling methods to enhance freshwater productivity and reduce energy consumption. Results showed a marginal enhancement of 7 to 10% in productivity and 10-20% in the gained output ratio (GOR) of the system when the closed-air cycle is used compared to the open-air cycle. Moreover, air cooling and no cooling operations showed very promising results regarding energy efficiency, especially with elevated dehumidifier water column heights between 6 and 9 cm. Furthermore, a compact design multistage sweeping air membrane distillation module is integrated with a bubble column dehumidifier and experimentally evaluated for an energy-efficient high production water desalination system. In series air connection tests, a permeate flux of 18 kg/m2.h was achieved at feed temperature of 80°C, feed flowrate of 1.2 L/min, air stream flowrate 1.9 SCFM, and dehumidifier water column height of 4.5 cm. Relatively high gained output ratio value of 0.62 and low specific energy consumption value of 1025 kWh/m3 were obtained. In the parallel air connection tests, a permeate flux of 11 kg/m2.h was achieved at feed temperature of 80°C, feed flowrate of 1.2 L/min, air stream flowrate 0.4 SCFM per channel, and dehumidifier water column height of 4.5 cm. A gained output ratio value of 0.37 and a low specific energy consumption value of 1748 kWh/m3 were obtained. Furthermore, the performance of a solar-heated single-stage sweeping gas membrane distillation and bubble column dehumidifier (SGMD-BCD) system was investigated experimentally at various feed flowrates. The study's findings illustrate the feasibility of solar SGMD-BCD desalination water production. The system permeate flux drops during the day due to the energy consumed by the SGMD desalination process being higher than the solar energy obtained by the single solar collector. However, the system showed good level of water production sustainability throughout the day. Between 8:00 AM and 5:00 PM, the average permeate flux is 33.5 kg/m2.h at a feed flowrate of 4.85 L/min, corresponding to an average solar tank (feed water) temperature of 82.5°C. The maximum amount of freshwater collected was 1.8 L corresponding to feed flowrate of 4.85 L/min, with specific thermal energy consumption of about 1214 kWh/m3. The study results revealed enhanced system performance compared to other sweeping gas membrane distillation systems in the literature.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Research
Research > Engineering
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Khalifa, Atia
Committee Members: Khalifa, Atia and Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Baroud, Turki
Depositing User: ADEL HUSSEIN (g201476180)
Date Deposited: 09 May 2022 06:46
Last Modified: 09 May 2022 06:46
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142095