Al-Muallem, Hussain (2026) Computational Fluid Dynamics Modeling and Development of Md System, and Fouling on Membrane Distillation. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD Thesis _Hussain Almuallem_g200946510_May_2026.pdf Restricted to Repository staff only until 27 September 2027. Download (14MB)

Arabic Abstract

في هذا العمل، تمت دراسة نظام تقطير غشائي متعدد المراحل عدديًا لبحث أثر تعدد المراحل في الحد من ظاهرتي الاستقطاب الحراري والتركيزي. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم تأثير ترتيب تدفق التيارات (المتوازي والمتعاكس) على أداء النظام. أُجريت محاكاة عددية ثنائية الأبعاد لنظام التقطير الغشائي بالتلامس المباشر (DCMD)، حيث تمت مقارنة نظام ذو مرحلة واحدة بطول 500 ملم بنظام مكون من خمس مراحل. وأظهرت النتائج تحسنًا ملحوظًا في الأداء يصل إلى 26.3% في حالة النظام خماسي المراحل. كما أشارت الدراسة إلى أن زيادة عدد المراحل في حالة التشغيل ذو التدفق المتوازي كان لها تأثير أكبر على نسبة تحسن تدفق النضح (Permeate flux) مقارنة بالتدفق المتعاكس. وبينما أظهر تكوين التدفق المتعاكس أداءً أوليًا أفضل في المرحلة الواحدة، إلا أن الفرق في إجمالي تدفق النضح بين التكوينين تضاءل وأصبح أقل وضوحًا مع زيادة عدد المراحل. علاوة على ذلك، تم بحث تأثير تعدد المراحل على تحسين تدفق النضح تحت ظروف دخول مختلفة، بما في ذلك التركيز الكتلي، ودرجة حرارة التغذية، والسرعة؛ حيث أظهرت النتائج تحقيق تحسن يتجاوز 30% في حالات معينة لظروف الدخول. بالتوازي مع ذلك، تم اقتراح تصميم مبتكر لنظام التقطير الغشائي الفراغي (VMD)، يتكون من "شرائح لولبية" (Helical strake) على أنبوب التقطير الغشائي الفراغي. يهدف التصميم المقترح إلى تحسين أداء تدفق النضح عن طريق تقليل تأثير استقطاب درجة الحرارة والتركيز على سطح الغشاء. تمت دراسة هذه الفكرة المقترحة باستخدام طريقة المحاكاة العددية، حيث تم بناء نموذج ثلاثي الأبعاد لديناميكا السوائل الحسابية (CFD) باستخدام برنامج (Ansys Fluent 2021)، وتم التحقق من صحة النموذج بمقارنته بنتائج تجريبية منشورة. تم اختبار تصميمات مختلفة للشرائح اللولبية بناءً على عدد اللفات، وأظهرت النتائج أن النموذج المقترح حقق تحسنًا كبيرًا في تدفق النضح وصل إلى 44%. كما بينت النتائج أن ارتفاع الشريحة يعد معيارًا مهمًا للغاية يجب تحسينه للحصول على أفضل أداء. فضلًا عن ذلك، تبين أن لسرعة ودرجة حرارة دخول التغذية تأثيرًا كبيرًا على تحسين أداء تدفق النضح في هذا التصميم. أخيرًا، تم تطوير نموذج (CFD) للتنبؤ بترسب الجبس (Gypsum fouling) في نظام التقطير الغشائي بالتلامس المباشر (DCMD). تم وضع إطار عمل للمحاكاة العددية للنظام مع التنبؤ بترسب الجبس، وتم التحقق من صحة إطار عمل النموذج بمقارنته بالنتائج التجريبية، وذلك من خلال مقارنة تدفق النضح مقابل الوقت لظروف دخول مختلفة من درجة حرارة التغذية، ومعدل تدفق الدخول، والتركيز الأولي للجبس. أظهرت النتائج توافقًا جيدًا بين نموذج (CFD) والتجارب العملية. بالإضافة إلى ذلك، قامت هذه الدراسة بتحليل نمط الترسب وفحصه ومقارنته بين النتائج التجريبية ونتائج المحاكاة.

English Abstract

In this work, a multi-stage membrane distillation system was numerically examined to evaluate the impact of multi-staging on reducing temperature and concentration polarization effect on permeate flux. Additionally, the impact of co-current and counter-current flow arrangements on system performance was evaluated. Numerical simulation of direct contact membrane distillation (DCMD) was conducted, comparing a single-stage system with a 500 mm channel length to a five-stage configuration. Results showed a significant performance improvement of up to 26.3% in the five-stage system. The study also indicates that increasing the number of stages for co-current operation has a greater impact on permeate flux improvement than for counter-current operation. While the counter-current configuration exhibited better initial performance in a single stage, the difference in total permeate flux between the two configurations diminished as the number of stages increased. Furthermore, the effect of multi-staging under different inlet conditions—including salt mass concentration, feed temperature, and velocity—was investigated, with results showing flux improvements exceeding 30% in specific cases. In parallel, a novel vacuum membrane distillation design incorporating a helical strake on a vacuum-tube membrane was proposed. The design aimed to improve permeate flux by reducing polarization effects at the membrane surface. Its performance was investigated numerically using computational fluid dynamics. A three-dimensional CFD model was developed in Ansys Fluent 2021. The validity of the model was verified using experimental results reported in the literature. Various helical-strake designs were evaluated based on the number of turns, with the results showing a significant permeate flux improvement of up to 44%. Strake height was identified as a critical optimization parameter, while inlet feed velocity and temperature were found to strongly influence system performance. Finally, a CFD model was developed to predict gypsum fouling in DCMD. A framework was established to numerically simulate the DCMD system with gypsum prediction. To validate the model, an experimental setup was designed and built for comparing experimental permeate flux versus time across different initial feed temperatures, flow rates, and gypsum concentrations. Results show good agreement between the CFD model and experimental data. Additionally, this study analyzed the patterns of fouling, comparing experimental observations with simulation results.