Date of Award

5-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Prof. Ali H. Al-Marzouqi

Second Advisor

Prof. Nazar Zaki

Abstract

Over the next five to ten years, desalination will play an ever-important role in our society. Developing nations will look at desalination from the point of water scarcity, while developed nations will consider the perspective of the Water-Energy-Food nexus. With current technology, for every liter of freshwater produced, one and a half liters is thrown away as waste. This body of research proposes to employ chemical precipitation in ammoniated brine solutions, that have reasonably high ionic concentrations. CO2 absorption in Bubble Column Reactors can reduce sodium ions by precipitating NaHCO3. Also, the absorbed CO2 can reduce chloride ions and induce hydrate formation, by operating the column at a lower temperature (10 – 15℃).

The Bubble Column Reactor model includes CO2 absorption, aqueous reaction, and salt precipitation. The kinetic/equilibrium reaction system is simulated and optimized using non-linear programming. The hydrate formation process is modeled and optimized using Machine Learning. The results from the optimization show that brine with 23400 ppm of Na+ ions and 44000 ppm of Cl- ions can be reduced by 72.5% and 54.2%, respectively. The absorption process will use 1.15 mol of CO2 absorbed per mole of NH3 dissolved with a total of 8.702 mol of CO2 absorbed.

This work develops a new process for Zero Liquid Discharge. The proposed process utilizes CO2 absorption in Bubble Column Reactor to remove Na+ and Cl- ions. This study provides all the necessary equations to determine the appropriate operating conditions. These results can be taken into the lab and used as an initial point for optimization using statistical methods.

Arabic Abstract


معالجة المياه المالحة بالتقاط ثاني اكسيد الكربون: تحسين العملية باستخدام التعلم الالي

على مدى السنوات الخمس إلى العشر القادمة، ستلعب تحلية المياه دوراً مهماً دائماً في مجتمعنا. ستنظر الدول النامية إلى تحلية المياه من وجهة ندرة المياه ، بينما ستنظر الدول المتقدمة إلى منظور العلاقة بين المياه والطاقة والغذاء. بإستخدام التكنولوجيا الحالية، مع إنتاج كل لتر من المياه العذبة، يتم إنتاج لتر ونصف كنفايات. تقترح الأطروحة هذه استخدام الترسيب الكيميائي في المحاليل الملحية المذوبة بالأمونيا، التي تحتوي على تركيزات أيونية عالية بشكل معقول. امتصاص ثاني أكسيد الكربون في العمود الفقاعي يمكنه أن يقلل من أيونات الصوديوم عن طريق ترسيب كربونات الصوديوم (NaHCO3). أيضًا، يمكن لثاني أكسيد الكربون الممتص تقليل أيونات الكلوريد والحث على تكوين الهيدرات ،عن طريق تشغيل العمود عند درجة حرارة منخفضة (10-15 درجة مئوية).

نموذج مفاعل العمود الفقاعي يحتوي علي نماذج رياضية لامتصاص ثاني أكسيد الكربون وللتفاعل المائي ولترسيب الملح. يتم محاكاة نظام التفاعلات الحركية والتوازنية وتحسينه باستخدام البرمجة غير الخطية. تم تصميم عملية تكوين الهيدرات وتحسينها باستخدام التعلم الالي. تظهر النتائج أنه يمكن تقليل محلول ملحي الذي يحتوي على 23400 جزء في المليون من الأيونات الصوديوم و 44000 جزء في المليون من الأيونات الكلوريد بنسبة 72.5% و 54.2% على التوالي. ستستخدم عملية الامتصاص 1.15 مول من ثاني أكسيد الكربون لكل مول من الأمونيا الذائبة بإجمالي 8.702 مول من ثاني أكسيد الكربون الممتصة.

يطور هذا العمل عملية جديدة لتصريف السوائل الصفرية. تستخدم العملية المقترحة امتصاص ثاني أكسيد الكربون في مفاعل العمود الفقاعي لإزالة أيونات الصوديوم والكلوريد. توفر هذه الدراسة جميع المعادلات اللازمة لتحديد ظروف التشغيل المناسبة للمفاعل العمود الفقاعي. يمكن أخذ هذه النتائج إلى المختبر واستخدامها كنقطة مبدائية للتحسين العملية باستخدام الأساليب الإحصائية.

Download
COinS