Optimal Design Strategies for Hybrid Membrane Distillation Separation Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Tasneem final thesis report.pdf Restricted to Repository staff only until 18 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

تعد عملية التقطير من أكثر تقنيات الفصل استخدامًا في الصناعات الكيميائية والبتروكيميائية نظرًا لنضجها التقني وقدرتها على تحقيق درجات نقاوة عالية. إلا أنها تستهلك كميات كبيرة من الطاقة، خاصة في حالة الخلائط ذات درجات الغليان المتقاربة، حيث تنخفض كفاءة الفصل بشكل ملحوظ عند الوصول إلى درجات نقاوة مرتفعة. وقد أدى ذلك إلى زيادة الاهتمام بأنظمة الفصل الهجينة التي تجمع بين التقطير وتقنيات الأغشية، حيث تعمل الأغشية كوحدات مكملة تساهم في تقليل الحمل الطاقي على أعمدة التقطير التقليدية . تهدف هذه الرسالة إلى تطوير إطار منهجي متكامل لتصميم وتقييم أنظمة التقطير-الأغشية الهجينة من خلال نهجين رئيسيين: ) 1 ( إطار تحسين قائم على البنية الفوقية (Superstructure Optimization) لتوليف العمليات واختيار التكوين الأمثل، و) 2 ( منهجية إعادة تأهيل (Retrofit) لتقييم إمكانية دمج الأغشية في أعمدة التقطير القائمة . في الجزء الأول، تم تطوير نموذج تحسين لاخطي مختلط (MINLP) يجمع بين نموذج التقطير المختصر المعتمد على معادلات فنكس-أندروود-جيليلاند (FUG) ونموذج انتقال الكتلة عبر الأغشية المبني على قانون فيك. يتيح هذا الإطار تقييم عدة تكوينات تشغيلية ضمن نموذج موحد، تشمل التقطير التقليدي والتكوينات الهجينة مع وضع الغشاء في أعلى العمود أو أسفله أو بشكل موازٍ. ويهدف النموذج إلى تقليل التكلفة السنوية الكلية (TAC) مع مراعاة القيود التشغيلية ومتطلبات النقاوة والاسترجاع . تم تطبيق هذا الإطار على عدة أنظمة فصل للهيدروكربونات الخفيفة، منها الإيثيلين/الإيثان، والبروبيلين/البروبان، و 1,3 -بيوتادايين/بيوتان. وأظهرت النتائج أن الأنظمة الهجينة تتفوق بشكل واضح على التقطير التقليدي، حيث تحقق وفورات في الطاقة تتراوح بين 30 % إلى 60 %، وانخفاضًا في التكلفة السنوية الكلية يتراوح بين 22 % إلى 45 ،% xvii وذلك اعتمادًا على خصائص النظام وظروف التشغيل. كما تبين أن التكوين الموازي هو الأكثر كفاءة، نظرًا لقدرته على فصل عمل الغشاء عن العمود وتعزيز قوة الدفع لعملية الفصل .في الجزء الثاني، تم تطوير إطار لإعادة تأهيل أعمدة التقطير القائمة من خلال إضافة وحدة غشائية تعمل كمرحلة تكميلية للفصل. تعتمد هذه المنهجية على تقليل درجة نقاوة القطف العلوي جزئيًا، ونقل جزء من مهمة الفصل إلى الغشاء، مما يؤدي إلى خفض استهلاك الطاقة في العمود. وتم تمثيل أداء العمود كنموذج مستمر، وتحديد نقطة التشغيل المثلى من خلال تقليل التكلفة السنوية الكلية بالنسبة لتركيب القطف الوسيط. ولضمان الاتساق وإمكانية المقارنة المباشرة، تم استخدام نفس نماذج التكاليف والافتراضات الاقتصادية المعتمدة في الجزء الأول . تم توسيع تحليل إعادة التأهيل ليشمل عدة فئات من أنظمة الفصل، منها الأوليفينات/البارافينات، والهيدروكربونات المتشابهة بنيويًا، والمركبات العطرية/الأليفاتية، وأنظمة 7C–6C ، بالإضافة إلى الأحماض الدهنية. وأظهرت النتائج أن جدوى إعادة التأهيل تعتمد بشكل كبير على طبيعة النظام، حيث تتحقق وفورات اقتصادية كبيرة في الأنظمة الصعبة وعالية الاستهلاك للطاقة، بينما تكون الفوائد محدودة أو معدومة في الأنظمة المتشابهة بنيويًا التي يكون فيها التقطير فعالًا بالفعل . كما أظهرت تحليلات الحساسية ومحاكاة مونت كارلو أن العوامل التشغيلية، مثل تكلفة الطاقة ومتطلبات الاسترجاع، لها تأثير أكبر على الجدوى الاقتصادية مقارنة بانتقائية الغشاء وحدها. وبشكل عام، تقدم هذه الدراسة إطارًا عمليًا ومنهجيًا لدعم اتخاذ القرار في تصميم وتقييم أنظمة الفصل الهجينة، وتحديد الحالات التي يكون فيها دمج الأغشية مجديًا اقتصاديًا، مما يساهم في تطوير عمليات فصل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة على المستوى الصناعي .

English Abstract

Distillation remains the dominant separation technology in the chemical and petrochemical industries; however, it is highly energy-intensive, particularly for close-boiling mixtures where separation efficiency decreases significantly at high purities. This has motivated the development of hybrid membrane–distillation (HMD) systems, in which membranes act as complementary units to reduce the energy burden of conventional distillation. This thesis presents a systematic framework for the design and evaluation of HMD systems through two complementary approaches: (i) a superstructure-based optimization framework for process synthesis, and (ii) a retrofit-based methodology for practical implementation in existing distillation columns. In the first part, a mixed-integer nonlinear programming (MINLP) model is developed by integrating a shortcut distillation model based on the Fenske–Underwood–Gilliland (FUG) method with a Fickian membrane transport model. The framework simultaneously evaluates multiple configurations, including standalone distillation and hybrid arrangements with membrane placement at the top, bottom, or in parallel with the column, with the objective of minimizing total annual cost (TAC). The proposed approach is applied to representative light hydrocarbon separations, including ethylene/ethane, propylene/propane, and 1,3-butadiene/butane systems. The results demonstrate that hybrid configurations consistently outperform conventional distillation, achieving energy savings of 30–60% and TAC reductions of 22–45%, depending on system characteristics. Among the configurations studied, the parallel arrangement is identified as the most effective due to its ability to decouple membrane and column operation and enhance driving force. In the second part, a retrofit framework is developed to evaluate the feasibility of integrating membrane units into existing distillation columns. The methodology is based on relaxing the distillate purity and transferring part of the separation duty to the membrane unit. The column is represented as a continuous performance map, and the optimal operating point is determined by minimizing TAC with respect to the intermediate distillate composition. The same economic formulations and cost assumptions used in the superstructure optimization are applied to ensure consistent comparison. The retrofit analysis is extended to multiple classes of separations, including olefin/paraffin systems, structurally similar hydrocarbons, aromatics/aliphatic mixtures, C6–C7 hydrocarbon pairs, and fatty acids. The results reveal that retrofit performance is highly system-dependent. Significant economic benefits are observed for energy-intensive and difficult separations, such as olefin/paraffin systems and fatty acids, while negligible or negative benefits are obtained for structurally similar systems where distillation is already efficient. Sensitivity and Monte Carlo analyses show that system-level parameters, particularly energy cost and recovery constraints, have a greater impact on economic feasibility than membrane selectivity alone. Overall, this work provides a practical and systematic decision-making framework for identifying when membrane integration is economically justified, offering valuable insights for the design and retrofit of energy-efficient separation processes

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Hassan Ba Aqeel,
Thesis Committee Members:	Usama Ahmed, Omar Abdelaziz,
Depositing User:	TASNEEM ABDALLA (g202320270)
Date Deposited:	21 May 2026 05:55
Last Modified:	21 May 2026 05:55
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144355