Shape-Optimization of Membrane Channels Towards Improved Seawater Desalination. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 202008240_ChE_Thesis v2.pdf Restricted to Repository staff only until 27 May 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تقوم هذه الدراسة باستكشاف طريقة لتحقيق الدرجة المثلى في عملية التناضح العكسي من خلال إعادة تشكيل قنوات التغذية. عمليات محاكاة ديناميكية السوائل الحسابية استخدمت من أجل حساب التدفق المائي وخسائر تبدد المائع. لقد تم تطوير مقياس أداء اقتصادي شامل لكل من المتغيرين لتقييم النماذج الجديدة وعرف بالمعدل الربحي. المعدل الربحي يمثل الفرق بين قيمة الناتج المائي والتكاليف التشغيلية المرتبطة باستهلاك الطاقة. يمثل المنحنى السفلي في نموذج المحاكاة الواجهة بين قناة التغذية وحاجز الغشاء. هذا المنحنى قد شكّل باستعمال ثلاث دوال رياضية، وهي الدالة اللوجستية ودالة جومبيرتز والدالة المتعددة الحدود من الدرجة الثالثة. الدالة اللوجستية حققت أفضل النتائج حيث أن المعدل الربحي زاد بنسبة 12.2% بالنسبة إلى التصميم الأساسي. لقد أجريت تحاليل الاستجابة من أجل دراسة تأثير قيم الناتج المائي ورقم رينولدز للدخيل على شكل القناة الأمثل، والذي تم تمثيله من خلال العمق التكاملي للقناة. العمق التكاملي للقناة يمثل درجة الانحناء لحاجز الغشاء بالنسبة إلى الحاجز المستو المتواجد في التصميم الأساسي. اكتشف البحث أن العمق التكاملي للقناة في شكل القناة الأمثل قد وصل إلى الحد الأقصى عندما تجاوزت قيمة الناتج المائي نقطة انتقالية لأن ثمن الماء تعدى على تكلفة الطاقة. بما أن كلاً من الناتج المائي الإجمالي ومعدل خسائر تبدد المائع يتناسبان طردياً مع رقم رينولدز لتدفق الماء الدخيل، فإن إيرادات الإنتاج وتكاليف التشغيل يزيدان مع زيادة تدفق الماء الدخيل. لهذا السبب فإن هنالك قيمة محددة لرقم رينولدز من حيث وصول العمق التكاملي للقناة إلى النسبة العليا. من خلال استعمال أسلوب الامتياز الأمثل فقد تم استنتاج أن إعادة التشكيل لقناة الدخيل قد أدت إلى عائد ربحي.

English Abstract

This study explores a method to optimize the reverse osmosis process through shape reconfiguration of feed channels. Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations were conducted to calculate water flux and viscous dissipation losses. An economic performance metric combining both variables to evaluate the new models was developed and defined as the profitability rate. The profitability rate represents the difference between the value of product water and the operational cost attributed to energy consumption. The bottom boundary curve in the simulation model represents the interface between feed channel and the permeate collection channel. This boundary was constructed using a variety of three mathematical profiles – comprising the Logistics, Gompertz, and third-order Polynomial functions for the purpose of investigating their effect on the optimization trials. The most promising outcomes were achieved using the Logistics function, with a profitability increasing by 12.2% relative to the baseline design. Sensitivity analyses were conducted to examine how the values of permeate water and the feed Reynolds number affect the optimal shape, represented through the channel-integral-depth parameter. The channel integral depth reflects the curvature of the membrane wall boundary relative to the conventional flat membrane wall used in the baseline design. It was revealed that the optimum channel integral depth saturates to a maximum when the water permeate value exceeds a transition point – where the product water value dominates over the energy cost. Water feed flow and the rate of viscous dissipation losses are proportional to feed Reynolds number, translating to both larger product revenue and operational cost at higher feed flow rates. Accordingly, a critical Reynolds number was observed that produces the maximum optimal channel integral depth. Using our shape optimization procedure, it was demonstrated that geometrical reconfiguration of the feed channel generates a positive rate of return.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering Math
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	CHRYSTIE, ROBIN
Committee Co-Advisor:	AL-SMAIL, JAMAL
Committee Members:	ALJUNDI, ESSAM and ALSAIFI, NAYEF and AL-YOUSEF, ZUHAIR
Depositing User:	HASAN ALSHAFEI (g202008240)
Date Deposited:	27 May 2025 10:09
Last Modified:	27 May 2025 10:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143474