SOLAR MULTISTAGE MEMBRANE DISTILLATION WITH HEAT RECOVERY FOR SUSTAINABLE WATER DESALINATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis g202313190) MS Thesis Loay Elkiki.pdf Restricted to Repository staff only until 29 December 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

يُحفّز شحّ المياه وارتفاع البصمة الطاقية لطرق التحلية التقليدية تطويرُ عملياتٍ جديدة قادرة على استغلال الحرارة الشمسية منخفضة الدرجة لمعالجة المياه عالية الملوحة بكفاءة. ويُعدّ التقطير الغشائي (MD) من التقنيات الواعدة، إلا أن تطبيقه ما يزال محدودًا بسبب انخفاض كفاءته الحرارية وارتفاع تكلفة إنتاج المياه، لا سيّما في التهيئات متعددة المراحل/التأثيرات. تتناول هذه الرسالة دراسة نظامين شمسيين متعددَي المراحل من التقطير الغشائي بفجوة مائية، هما: نظام التقطير الغشائي متعدد المراحل بفجوة مائية (MS-WGMD) ونظام التقطير الغشائي متعدد المراحل بفجوة مائية متداولة (MS-CWGMD)، مع دمج ترتيبات داخلية لاسترجاع الحرارة بهدف تحقيق تحلية مستدامة وخفض التكلفة. تم تطوير نموذج أحادي البعد مقترن بانتقال الحرارة والكتلة لوحدات WGMD وCWGMD، ثم تمديده لتمثيل التشغيل متعدد المراحل، وربطه بنموذج ديناميكي لمجمّع شمسي مسطّح مع خزان تخزين حراري، إضافةً إلى إطار تفصيلي للتكاليف الرأسمالية والتشغيلية (CAPEX/OPEX). شملت الدراسة أربع تهيئات أساسية WGMD وCWGMD بالتسخين الكهربائي وبالتشغيل الشمسي)، إلى جانب ترتيبات لاسترجاع الحرارة من جهة التغذية ومن جهة النفاذ. كما استُخدمت خوارزمية التطور التفاضلي (Differential Evolution) لتقليل تكلفة إنتاج المتر المكعب ضمن قيود تصميم وتشغيل واقعية. تم التحقق من صحة النموذج بمقارنته مع بيانات مجمّع شمسي مسطّح ونتائج نموذج أولي من عشر مراحل لوحدة WGMD، حيث كانت الانحرافات في معظم الحالات ضمن حوالي ±5%. أظهرت النتائج أن دمج تدوير الفجوة المائية مع استرجاع الحرارة الداخلي يعزّز الأداء الحراري والاقتصادي بشكل كبير. ففي نظام CWGMD ذي التسخين الكهربائي مع الاسترجاع، انخفض الاستهلاك النوعي للطاقة الحرارية وتكلفة الإنتاج بما يصل إلى نحو 80% مقارنةً بحالة عدم الاسترجاع. أما في النظام الشمسي MS-CWGMD، فقد أدى استرجاع الحرارة من جهة النفاذ إلى زيادة نسبة الخرج المكتسب (GOR) بأكثر من أربعة أضعاف. كما بيّن التحسين التقني-الاقتصادي أن التهيئة الشمسية MS-CWGMD قادرة على خفض أقل تكلفة إنتاجية من 2.60 إلى 1.38 دولار/م³ مقارنةً بنظام WGMD الشمسي، مع عدد أقل من المراحل وعدد أقل من المجمّعات الشمسية. بوجه عام، تُظهر النتائج أن تصميم الفجوة المائية المتداولة، عند دمجه مع التسخين الشمسي واسترجاع الحرارة، يُمثّل مسارًا واعدًا نحو تحلية متجددة منخفضة التكلفة لتطبيقات التحلية الصغيرة إلى متوسطة السعة

English Abstract

Water scarcity and the rising energy footprint of conventional desalination motivate the development of novel processes that can utilize low-grade solar heat while treating high-salinity waters. Membrane distillation (MD) is a promising candidate, yet its deployment is limited by low thermal efficiency and relatively high-water production cost, particularly for multi-effect configurations. This thesis investigates solar-driven multistage water-gap membrane distillation (MS-WGMD) and circulated water-gap membrane distillation (MS-CWGMD) systems, incorporating internal heat-recovery schemes, for sustainable desalination. A one-dimensional coupled heat- and mass-transfer model is developed for WGMD and CWGMD and extended to multistage operation, then integrated with a dynamic solar collector with storage-tank model and a detailed CAPEX/OPEX cost framework. Four base configurations (electrically heated and solar-driven WGMD and CWGMD) are evaluated, together with feed-side and permeate-side heat-recovery arrangements. A Differential Evolution algorithm is employed to minimize the unit production cost subject to realistic design and operating constraints. Model predictions are validated against flat-plate collector data and a ten-stage WGMD prototype, with deviations typically within about ±5%. The results show that combining gap circulation with internal heat recovery substantially enhances performance. For electrically heated CWGMD with recovery, specific thermal energy consumption and unit production cost are reduced by up to about 80% relative to a non-recovery baseline, while in the solar-driven CWGMD system permeate-side recovery increases the gained output ratio by more than fourfold. Techno-economic optimization further indicates that the solar-driven CWGMD configuration can lower the minimum unit production cost from 2.60 to 1.38 $/m³ compared with solar WGMD, using fewer stages, and less number of solar collectors. Overall, the findings demonstrate that circulated water-gap design with integrated solar heating and heat recovery offer a promising pathway toward cost-effective, renewable-driven desalination at small to medium scales.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Khalifa, Atia
Committee Members:	Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Alsharafi, Abdullah
Depositing User:	LOAY ELKIKI (g202313190)
Date Deposited:	29 Dec 2025 11:09
Last Modified:	29 Dec 2025 11:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143938