تحلیل مقایسه‌ای فنی - اقتصادی - محیط‌زیستی فرایندهای نمک‌زدایی MSF و MED یکپارچه شده با سامانه بازیافت حرارت گاز دودکش

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده
موضوع تحقیق: بحران رو‌به‌رشد جهانی آب، نیاز به توسعه و پیشرفت فناوری‌های نمک‌زدایی آب را تشدید کرده است. در این راستا، روش‌های حرارتی نمک‌زدایی مانند تبخیر ناگهانی چندمرحله‌ای (MSF) و تقطیر چندمرحله‌ای (MED)، در مناطقی که منابع آب شور در مجاورت واحدهای پتروشیمی و پالایشگاهی قرار دارند، گزینه‌های مناسبی محسوب می‌شوند. علت این امر، قابلیت این روش‌ها در بهره‌گیری از منابع انرژی حرارتی کم‌کیفیت، نظیر گازهای دودکش حاصل از فرایندهای صنعتی است.
روش تحقیق: این مطالعه به بررسی و مقایسه عملکرد فناوری‌های MSF و MED در سناریوی بازیافت حرارت از گازهای دودکش می‌پردازد. بدین منظور، یک چارچوب مدل‌سازی ریاضی جامع برای هر دو سیستم توسعه داده شده است که شامل معادلات موازنه جرم و انرژی، سازوکارهای انتقال حرارت و شاخص‌های ارزیابی اقتصادی می‌باشد. به‌منظور اطمینان از قابلیت اعتماد و دقت نتایج، مدل‌ها از طریق مقایسه با داده‌های تجربی به‌دست‌آمده از واحدهای صنعتی مختلف اعتبارسنجی شده‌اند.
نتایج اصلی: نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که فناوری MSF در نرخ بازیافت ۵۰ درصد و با استفاده از گازهای دودکش به‌عنوان منبع حرارتی، دارای هزینه تولید آب در حدود 0.8 دلار به ازای هر مترمکعب است، در حالی‌که فناوری MED تحت شرایط مشابه، هزینه کمتری معادل 0.4 دلار به ازای هر مترمکعب را محقق می‌سازد. همچنین، مصرف ویژه انرژی برای MSF حدود 9/15 کیلووات‌ساعت بر مترمکعب و برای MED حدود 11.3 کیلووات‌ساعت بر مترمکعب محاسبه شده است. انتشار گازهای گلخانه‌ای در سیستم MED در همان سطح بازیافت، حدود 41 درصد کمتر از MSF برآورد می‌شود. از منظر زیست‌محیطی، شدت آلایندگی آب تغلیظ‌شده تولیدی در هر دو فناوری عملاً یکسان است. در مجموع، در چارچوب یکپارچه‌سازی بازیافت حرارت گازهای دودکش، فناوری MED به‌دلیل مصرف انرژی کمتر، هزینه بهره‌برداری پایین‌تر، کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و اثرات زیست‌محیطی محدودتر، عملکرد برتری نسبت به MSF از خود نشان می‌دهد. این مطالعه یک چارچوب عددی جامع و اعتبارسنجی‌شده ارائه می‌دهد که می‌تواند مبنایی قابل اتکا برای بهینه‌سازی مبتنی بر شبیه‌سازی سیستم‌های نمک‌زدایی حرارتی با هدف تولید پایدار آب باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Comparative Techno-Eco-Environmental Analysis of MSF and MED Desalination Plants Integrated with a Flue Gas Waste Heat Recovery System

نویسندگان English

Mohammad Nour-Mohammad
Mohammad fakhroleslam
Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده English

Research subject: The growing global water crisis has intensified the need to advance desalination technologies. In this regard, thermal desalination methods such as Multi-Stage Flash (MSF) and Multi-Effect Distillation (MED) are considered suitable options in regions where saline water sources are located near petrochemical and refinery plants. Their suitability stems from their capability to utilize low-grade thermal energy sources, such as flue gases from industrial processes.
Research approach: This study investigates and compares the performance of MSF and MED technologies within a flue gas heat recovery scenario. A detailed mathematical modeling framework is developed for both systems, incorporating mass and energy balance equations, heat transfer mechanisms, and economic evaluation metrics. The models are validated through comparison with experimental data obtained from various industrial units to ensure reliability and accuracy.
Main results: Simulation outcomes show that MSF, operating at a 50% recovery rate using flue gas as a heat source, has a water production cost of approximately $0.80 per cubic meter, while MED, under similar conditions, achieves a lower cost of $0.40 per cubic meter. Furthermore, the specific energy consumption is calculated to be about 15.9 kWh/m³ for MSF and 11.3 kWh/m³ for MED. Greenhouse gas emissions in the MED system are estimated to be 41% lower than in MSF at the same recovery level. From an environmental standpoint, the pollutant intensity of the concentrated brine generated by the two technologies is essentially the same. Overall, MED demonstrates superior performance over MSF in the context of flue gas heat recovery integration, due to its lower energy consumption, reduced operational cost, decreased greenhouse gas emissions, and minimized environmental impact. This study provides a comprehensive and validated numerical framework that can support simulation-based optimization of thermal desalination systems for sustainable water production.

 

کلیدواژه‌ها English

Thermal Desalination
Multi-Stage Flash
Multi-Effect Distillation
Flue Gas Heat Recovery
Specific Energy Consumption

  • تاریخ دریافت 22 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 30 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 31 اردیبهشت 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 تیر 1404
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1404