مدل‌سازی یک آب‌شیرین‌کن حرارتی نوع چندمرحله‌ای (MED) برای مصارف صنعتی

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
سید ابوذر فنایی 1
میثم محمودی 2
1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
2 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
10.22034/stme.2025.520824.1127
چکیده
سیستم‌های آب‌شیرین‌کن چندمرحله‌ای (MED) به دلیل بازدهی انرژی بالا و قابلیت بازیافت حرارت، فناوری پیشرویی در نمک‌زدایی آب دریا برای مصارف صنعتی و شرب هستند. در این پژوهش، به‌منظور تحلیل عملکرد این سیستم‌ها، یک مدل ریاضی مبتنی بر موازنه‌های جرم، انرژی و رابطه‌های ترمودینامیکی اجزای سیستم توسعه داده شد. با حل معادلات حاکم سیستم، تأثیر پارامترهای کلیدی از جمله تعداد مراحل تقطیر، دمای بخار ورودی و غلظت آب شور بر شاخص بهره‌وری سیستم (GOR) مورد ارزیابی کمی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان داد که افزایش تعداد مراحل تقطیر، رابطه خطی مثبتی با بهبود شاخص (GOR) دارد؛ به‌طوری‌که در پیکربندی ۱۲ مرحله‌ای با دمای تغذیه ۸۰ درجه سانتی‌گراد، بیشینه بازدهی معادل ۱۲٫۰۴۹ حاصل شد. همچنین، افزودن هر مرحله به فرایند، موجب افزایش حدود ۱۵ درصدی در شاخص بهره‌وری گردید. از سوی دیگر، تحلیل رفتار نسبت بخار محرک به بخار مکش‌شونده نشان می‌دهد که این پارامتر به‌صورت نمایی به تعداد مراحل وابسته است؛ به‌گونه‌ای که با افزایش تعداد مراحل تقطیر، مصرف بخار محرک به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. یافته‌های این پژوهش، چارچوبی تحلیلی برای طراحی بهینه آب‌شیرین‌کن‌های صنعتی ارائه می‌کند که می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و افزایش صرفه‌جویی اقتصادی منجر شود.
کلیدواژه‌ها
آب شیرین کن چند مرحله ای
ضریب عملکرد
آب شور
مدل سازی ریاضی
مصارف صنعتی
موضوعات

عنوان مقاله English

Mathematical modeling of a thermally driven multistage desalination system (MED) for industrial applications

نویسندگان English

Seyed Abozar Fanai 1
meysam mahmoudi 2
1 Associate professor of Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Birjand University, Birjand, Iran
2 PhD Student, Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, birjand, Iran
چکیده English

Multi-Effect Distillation (MED) systems are advanced technologies for seawater desalination, valued for their high energy efficiency and heat recovery capabilities in industrial and potable water applications. This study developed a mathematical model based on mass, energy, and thermodynamic balances to analyze system performance. By solving the governing equations, the impact of key parameters—number of distillation stages, inlet steam temperature, and brine concentration—on the Gain Output Ratio (GOR) was quantitatively evaluated. Results show a linear positive correlation between the number of stages and GOR improvement, with a maximum GOR of 12.049 achieved in a 12-stage configuration at an 80°C feed temperature. Each additional stage increases GOR by approximately 15%. However, the motive-to-sucked steam ratio grows exponentially with more stages, significantly increasing motive steam consumption. These findings provide an analytical framework for optimizing industrial MED systems, enhancing energy efficiency and economic savings.

کلیدواژه‌ها English

Multi-stage desalination plant
performance coefficient
brackish water
mathematical modeling
industrial applications

اصل مقاله

[1] M. Al-Shammiri and M. Šafář, “Multi-effect distillation plants: state of the art,” Desalination, Vol. 126, No. 1-3, pp. 45-59, 1999. doi: 10.1016/S0011-9164(99)00154-X
[2] H. El-Dessouky and H. Ettouney, “Fundamentals of Salt Water Desalination,” Elsevier, 2002.
[3] F. Al-Juwayhel, H. El-Dessouky, and H. Ettouney, “Analysis of single-effect evaporator desalination systems combined with vapor compression heat pumps,” Desalination, Vol. 114, No. 3, pp. 253-275, 1997.
[4] F. N. Alasfour, M. A. Darwish, and A. O. Bin Amer, “Thermal analysis of ME-TVC + MEE desalination systems,” Desalination, Vol. 174, No. 1, pp. 39-61, 2005. doi: 10.1016/j.desal.2004.08.039
[5] A. E. Khalifa, H. Alawadhi, and M. Ahmad, “Dynamic modeling of multi-effect desalination plants,” Desalination, Vol. 250, No. 3, pp. 928-935, 2010.
[6] M. A. Sayed, H. T. El-Dessouky, and H. M. Ettouney, “Thermodynamic analysis of a hybrid MED-TVC desalination system,” Desalination, Vol. 365, pp. 55-71, 2015.
[7] A. Sharonov et al., “Optimization of MED-TVC desalination systems using thermodynamic models,” Desalination, Vol. 435, pp. 45-58, 2018.
[8] Y. Wang et al., “Modeling and optimization of MED systems for petrochemical industries,” Desalination, Vol. 456, pp. 78-90, 2019.
[9] L. Zhang et al., “Dynamic modeling of MED systems for food industry applications,” Desalination, Vol. 500, pp. 114-125, 2021.
[10] M. Abdi-Khanghah, B. Bazooyar, M. Gonbadi, and K. C.-W. Wu, “Design and optimization of MED-TVC desalination plant using mathematical modeling coupled with response surface methodology,” J. Taiwan Inst. Chem. Eng., Vol. 153, p. 105187, 2023.
[11] M. Arjmandi and M. Pakizeh, “Design and mathematical modeling of a multi-effect desalination system with applicability in steam power plants and similar industries (MED),” Farayand-e No (Process No), Vol. 8, No. 41, pp. 36-49, 2013 (in Persian).
[12] S. Ghorbani, M. Deymi-Dashtebayaz, and E. Tayyeban, “Parametric investigation and performance optimization of a MED-TVC desalination system based on 1-D ejector modeling,” Energy Convers. Manag., Vol. 288, p. 117131, 2023.
[13] Y. Zhang, X. Liu, W. Chen et al., “Advancing Water Security: China’s Latest Seawater Desalination Technologies in 2025,” Desalination, Vol. 560, pp. 115-130, Jan. 2025.
[14] H. Sayyaadi and A. Saffari, “Thermoeconomic optimization of multi-effect distillation desalination systems,” Applied Energy, Vol. 87, No. 4, pp. 1122-1133, 2010. doi: 10.1016/j.apenergy.2009.05.023
[15] H. Sayyaadi and A. Saffari, “Various approaches in optimization of multi-effects distillation desalination systems using a hybrid meta-heuristic optimization tool,” Desalination, Vol. 254, pp. 138-148, 2010. doi: 10.1016/j.desal.2009.11.045 (in Persian)
[16] M. Zamen, M. Kahani, J. Yazdanpanahi, R. Abedini, and M. H. Ahmadi, “Modeling of a direct-contact humidification-dehumidification desalination unit in a 256 MW steam power plant using effluent streams: Case study,” Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 45, p. 102966, 2023.
[17] K. Elsaid, E. T. Sayed, and A. G. Olabi, “Sustainable multi-effect distillation powered by green hydrogen: A techno-economic feasibility study,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 189, p. 114789, 2025.
[18] H. O. A. Hamed, “Thermal assessment of a Multiple Effect Boiling (MEB) desalination system,” Desalination, Vol. 86, pp. 325-339, 1992.
[19] N. H. Ali Karameldin and M. M. Shamloul, “Modeling and simulation of steam jet ejectors,” Desalination, Vol. 123, pp. 1-8, 1999.
[20] H. El-Dessouky, H. Ettouney, I. Alatiqi, and G. Al-Nuwaibit, “Evaluation of steam jet ejectors,” Chemical Engineering and Processing, Vol. 41, pp. 551-561, 2002.
[21] I. S. Al-Mutaz and I. Wazeer, “Development of a steady-state mathematical model for MED-TVC desalination plants,” Desalination, Vol. 351, pp. 9-18, 2014. doi: 10.1016/j.desal.2014.07.018
[22] M. L. Elsayed, O. Mesalhy, R. H. Mohammed, and L. C. Chow, “Exergy and thermo-economic analysis for MED-TVC desalination systems,” Desalination, Vol. 447, pp. 29-42, 2018. doi: 10.1016/j.desal.2018.06.008
[23] N. Eshoul, A. Almutairi, R. Lamidi, H. Alhajeri, and A. Alenezi, “Energetic, exergetic, and economic analysis of MED-TVC water desalination plant with and without preheating,” Water, Vol. 10, No. 3, p. 305, 2018. doi: 10.3390/w10030305
[24] H. B. Harandi, A. Asadi, M. Rahnama, Z.-G. Shen, and P.-C. Sui, “Modeling and multi-objective optimization of integrated MED–TVC desalination system and gas power plant for waste heat harvesting,” Computers & Chemical Engineering, Vol. 149, p. 107294, 2021.
 

  • تاریخ دریافت 13 اردیبهشت 1404
  • تاریخ بازنگری 11 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 16 شهریور 1404
  • تاریخ اولین انتشار 16 شهریور 1404
  • تاریخ انتشار 01 بهمن 1404