Aiman Eid Al-Rawajfeh

Modelling and Simulation of CO2 Release in Multiple-Effect Distillers for Seawater Desalination

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 25.06.2004

Abstract
Es wurde ein Modell zur Beschreibung der CO2-Ausgasung und des Karbonatsystems in Mehrfacheffekt-Verdampfern mit horizontalen Rohren zur Meerwasserentsalzung entwickelt. Der Strömungsweg der Sole durch den Endkondensator und durch die Verdampferstufen wurde betrachtet. Die Theorie der Desorption mit chemischer Reaktion, die erfolgreich in vielen industriellen CO2-Desorptionsprozessen eingesetzt worden ist, wurde auf das Problem der CO2-Ausgasung in den Mehrfacheffekt-Verdampfern angewendet. Das Modell wurde in ein C++ Computerprogramm umgesetzt. Die CO2-Ausgasung sowie die HCO3--, CO32--, CO2-, H+- und OH--Konzentrationen in der Sole auf ihrem Strömungsweg durch den Verdampfer wurden für verschiedene Betriebsbedingungen einer Referenzanlage simuliert.
Die Desorptionsrate von CO2 nimmt von der ersten bis zur letzten Stufe ab. Die CO2-Desorptionsraten steigen bei Zunahme der Solehöchsttemperatur und des Salzgehalts vom Meerwasser und bei Abnahme des Konzentrationsfaktors und des pH-Wertes des Meerwassers. Werden die CO2-Desorptionsraten auf den Speisewassermassenstrom bezogen, so nimmt die spezifische CO2-Desorption mit dem Konzentrationsfaktor zu. Zwischen 14 % und 18 % des Gesamtkohlendioxids im Speisewasser wird als CO2 freigesetzt. Das Belagbildungspotential der Sole in Mehrfacheffekt-Verdampfern wurde mit Hilfe des Langelier Sättigungsindex (LSI) und des Ryznar Stabilitätsindex (RSI) ermittelt.

A model has been developed for the prediction of the CO2 release and the description of the carbonate system in multiple-effect distillers with horizontal tubes for seawater desalination. Included is the flow path of brine through the final condenser and the evaporator stages. The theory of desorption with chemical reaction, which has been successfully employed in many industrial CO2 desorption processes, was applied to the problem of CO2 release in multiple-effect distillers. A computer code in C++ was written. The CO2 release rates as well as the HCO3-, CO32-, CO2, H+ and OH- concentrations in the brine on its flow path through the distiller were simulated for a reference distiller at various operating conditions.
The release rates of CO2 decrease from the first to the last stage. CO2 release increases with increasing top brine temperature and salinity and decreasing concentration factor and pH of the seawater. Relating the desorption rates to the feed water flow rates, the specific CO2 desorption increases with the concentration factor. Between 14 % and 18 % of the total carbon dioxide content in the feed water is released as CO2. The scale forming potential was inferred from the composition of the brine by using the Langelier Saturation Index (LSI) and the Ryznar Stability Index (RSI).

Keywords:
Modellierung, Simulation, Mehrfacheffekt-Verdampfern MED, Kohlendioxid, CO2-Ausgasung, Meerwasserentsalzung, Ablagerung CaCO3

Modelling, Simulation, MED, Carbon dioxide, Release, Seawater desalination, Scaling CaCO3

Online-Dokument im PDF-Format (571 KB) mit integrierter Gliederung.

Inhaltsverzeichnis
Title page, Table of Contents
1. Introduction (1-3)
2. Current State of Knowledge of CO2 Release in Desalination Distillers (4-7)
3. Mass Transfer with Chemical Reaction (8-17)
4. The Carbonate System in Seawater (18-38)
5. Model for the Description of the CO2 Desorption in ME Distillers (39-60)
6. Simulation of the CO2 Release and the Carbonate System in ME Distillers (61-77)
7. The Role of CO2 Release in Scale Formation (78-84)
8. Summary (85-87)
9. Zusammenfassung (88-91)
10. Notations (92-96)
11. References (97-109)