PERFORMANCE EVALUATION OF A NOVEL HYBRID ADSORPTION DESALINATION WITH DIRECT CONTACT MEMBRANE DISTILLATION

PERFORMANCE EVALUATION OF A NOVEL HYBRID ADSORPTION DESALINATION WITH DIRECT CONTACT MEMBRANE DISTILLATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS_Thesis - Ayman Al-Azab.pdf
Restricted to Repository staff only until 23 June 2023.

Download (5MB)

Arabic Abstract

تعد تحلية المياه طريقة مهمة وفعالة لتلبية الطلب المتزايد على المياه الصالحة للشرب، كما أنها تعتبر مكملة لموارد المياة العذبة الطبيعية. يتمثل العيب الرئيسي لتقنيات التحلية الحالية في استهلاكها المفرط للطاقة. تعد تحلية المياه باستخدام الامتزاز (Adsorption) و التقطير باستخدام الأغشية (MD) من تقنيات تحلية الياه الناشئة التي اكتسبت اهتماماً كبيراً من قِبل الباحثين والمهتمين في تحلية المياه نظراً لقدرتها على تحلية الماء المالح عند درجة حرارة منخفظة (أقل من 85 درجة مئوية). تحتوي هذه الأطروحة على دراسة متكاملة لمحاكاة تكامل جديد من نوعه بين التحلية بالامتزاز (AD) و التقطير باستخدام الغشاء من نوع (DCMD) ، حيث تم الإشاره إليها باسم النظام الهجين (DCMD-AD) والذي فيه يتم استخدام الحرارة المهدرة داخل أجزاء نظام الامتزاز (AD) لتشغيل نظام التقطير (DCMD). تم تكوين ودراسة نظام تحلية المياة الهجين (AD-DCMD) بثلاث طرق مختلفة. في الطريقة الأولى يتم تسخين مياه البحر المغذية لنظام (DCMD) بواسطة الحرارة المهدرة داخل مكثف نظام الامتزاز (AD). وفي الطريقة الثانية يتم استخدام الحراة المهدرة في مفاعل الامتزاز (Desorption bed reactor) لتسخين تيار ماء البحر المالح المتوجه للتحلية في نظام التقطير (DCMD). في الطريقة الثالثة تم اقتراح ترتيب معاكس للطريقتين الأولى والثانية حيث يتم تشغيل نظام الامتزاز (AD) بواسطة المحتوى الحراري للمحلول الملحي الساخن الخارج من نظام التقطير (DCMD). تم التحقق من أداء وكفاءة الطرق المقترحة من خلال دراسة مؤشرات الأداء الرئيسية مثل (GOR) والذي يشير إلى كفاءة نظام التحلية الحراري في استخدام الطاقة، ومعدل إنتاج المياة الصالحة للشرب، والانتاج اليومي للمياه لكل طن من مادة السليكا جل (Silica gel) والتي تعتبر المادة المستخدمة لأداء مهمة الامتزاز. تظهر النتائج أن قيم GOR للطرق 1 و 2 تصل إلى 1.48 و 1.6 على التوالي. وتمثل هذه النسب حوالي الضعف لنسبة نظام الامتزاز (AD) وحيداً بنفس كمية الطاقة . كما أن عند دخول المياه المالحة بدرجة حرارة 90 درجة مئوية يبلغ الإنتاج اليومي من المياه الصالحة للشرب للنظام الهجين 26 و 53 و 93 متر مكعب لكل طن واحد من السيليكا جل (Silica Gel) . أثبتت الطرق المقترحة قدرتها على تحقيق انخفاظ ملحوظ في تكلفة المياه الصالحة للشرب مقارنة بسعر المياه المنتجة من نظام الامتزاز (AD) والتي تبلغ 0.06 $ للتر الواحد، حيث بلغت تكلفة المياه الصالحة للشرب 0.049 و 0.026 و 0.028 $ للتر الواحد باستخدام الطرق الأولى والثانية والثالثة على التوالي.

English Abstract

Water desalination is an important and effective approach to meeting the growing demand for freshwater and supplementing freshwater resources. The existing desalination technologies' main disadvantage is their excessive energy consumption. Adsorption desalination (AD) and direct contact membrane distillation (DCMD) are emerging desalination technologies that gained interest due to their ability to operate at low temperatures (below 85 °C). This thesis proposes a novel integration of adsorption desalination (AD) and direct contact membrane distillation (DCMD) processes, designated as the AD-DCMD system, in which the waste heat of the AD system is utilized to drive the DCMD system and vice versa. Three AD-DCMD configurations are proposed and studied. In configuration 1, the feed stream (seawater) of the DCMD system is heated by the waste heat inside the AD condenser. Configuration 2 proposes that the DCMD feed is heated by the waste heat in the adsorption bed. Configuration 3 has an opposite arrangement in which the AD system is driven by the DCMD hot brine. The main performance parameters such as gain output ratio (GOR), freshwater production rate, specific daily water production (SDWP), and freshwater cost are investigated. The key parameters investigated to influence the hybrid system's performance include AD cooling water mass flow and temperature, AD heating water mass flow and temperature, and cycling time. Results show that GOR values reach 1.48, 1.6, and 1.25 for configurations 1, 2, and 3, respectively. At a source temperature of 90 °C, the freshwater production of the DCMD-AD hybrid system attains SDWP values of 26, 53 and 93 m^3⁄(ton.day) for configurations 1, 2, and 3, respectively. Under the same conditions of the optimal performance, the cooling effect was obtained as a by-product for the three configurations. This was demonstrated by the coefficient of performance (COP) values which are 0.76, 0.70, and 0.52 for configurations 1, 2, and 3, respectively, at a heat source temperature of 60 ˚C. Moreover, all configurations have proved a capability of achieving a remarkable reduction in freshwater cost against standalone AD systems (0.06 $/L). The freshwater cost has reached 0.049, 0.026 and 0.028 ($/L) for configurations 1, 2 and 3, respectively.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemical Engineering
Department: College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor: Baaqeel, Hassan
Committee Members: Qasem, Naef and Al-Mutairi, Eid and Rahman, Syed and Ahmed, Usama
Depositing User: AYMAN AL AZAB (g201472380)
Date Deposited: 27 Jun 2022 11:05
Last Modified: 27 Jun 2022 11:05
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142170