Mechanistic modeling and experimental analysis of direct contact membrane distillation for seawater desalination

  • Mechanistische Modellierung und experimentelle Analyse der Direktkontaktmembrandestillation zur Meerwasserentsalzung

Al-Mahri, Badr Abdulla Salem Bin Ashoor; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor); Hasan, Shadi Wajih (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Berichte aus der Verfahrenstechnik
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Membrandestillation (MD) ist eine aufkommende Technologie zur Meerwasserentsalzung.. Daher waren die Hauptziele dieser Forschungsstudie: (1) Entwurf, Herstellung und Installation einer DCMD-Testanlage (Direct Contact Membrandestillation) im Pilotmaßstab, (2) die Durchführung experimenteller Untersuchungen zur Leistung der entwickelten DCMD-Pilotanlage hinsichtlich der Destillatproduktionsrat, Rückgewinnungsverhältnis und Leistungsverhältnis und Identifizierung der wichtigsten und optimalen Betriebsbedingungen unter Verwendung eines orthogonalen Versuchsdesigns zur Durchführung einer experimentellen Sensitivitätsanalyse, (3) die Durchführung von experimentellen Untersuchungen unter transienten Bedingungen und die Bewertung der Prozessdynamik auf kurzer und langer Zeitskala, (4) die Entwicklung eines dynamischen 2D-Modells von DCMD mit experimentell validierten Parametern, und (5) die Validierung des dynamischen 2D-Modells unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Die wesentlichen Ablagerungen auf der Membranoberfläche wurden identifiziert. Die verwendeten Charakterisierungsverfahren umfassten die Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR), die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDAX), Strömungspotentialanalyse, Kontaktwinkelmessung und Membranporenanalyse. Im vierten und fünften Forschungsziel wurde ein dynamisches 2D-Modell aus konvektivem und diffusivem Wärme- und Stoffübergang entwickelt, um den Wasserfluss durch die Membran, die Temperaturpolarisation, die Konzentrationspolarisation und die Reaktion des Wasserflusses auf betriebliche Störungen vorherzusagen. Neben dem Membranmodul wurde auch das dynamische Verhalten in der Systemperipherie, d.h. Sole- und Destillatzirkulationstanks, modelliert. Modellparameter (kf, kp, c_m, αHeatloss, αCoil) wurden für verschiedene Betriebsbedingungen unter Verwendung von Meerwasser und NaCl-Lösung von analytischer Qualität identifiziert. Die Modellgenauigkeit wurde durch Vergleich der Modellvorhersagen vor und nach der Parameterschätzung bewertet. Das kalibrierte Modell wurde mit vorhandenen Literaturmodellen verglichen. Unter Verwendung des identifizierten Modells wurde eine höhere Genauigkeit der Vorhersagen für den Wasserfluss durch die Membran im Vergleich zur Literatur und zu experimentellen Daten erreicht. Das dynamische 2D-Modell war in der Lage, (i) dynamische 2D-Profile der Temperatur und Konzentration über den Zufuhrkanal, (ii) ein dynamisches 2D-Temperaturprofil über den Permeatkanal, (iii) dynamische Profile der Temperatur- und Konzentrationspolarisation im Modul und deren Änderung entlang der Strömungsrichtung, vorherzusagen (iv) die dynamischen Profile von Temperatur, Konzentration und Masse in den Peripherien und (v) das dynamische Profil des Wasserflusses im Modul und wie sich das Profil entlang der Strömung Richtung ändert.

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