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Korean Chemical Engineering Research

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수록정보
수록범위 : 1권1호(1963)~60권4호(2022) |수록논문 수 : 5,405
화학공학
60권4호(2022년 11월) 수록논문
최근 권호 논문
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KCI등재 SCOPUS

저자 : 송대성 ( Daesung Song ) , 김은규 ( Eunkyu Kim ) , Thang-toan Vu

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 473-477 (5 pages)

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본 연구에서는 폐배터리 재활용 공정에서 발생하는 공정폐액 중 리튬 회수를 위한 후보 기술들을 검토하고 상용화 관점에서 해당 공정에 적용 가능한 기술들을 정성적 측면에서 검토하였다. 현재 기술 수준에서 상용화 규모로 적용 가능한 증발법, 침전 및 용매추출 기술이 있다. 증발법의 경우 대규모의 땅을 필요로 하고 농축과정에서의 Li 손실로 낮은 회수율 보여 적용하기 어렵다. 침전의 경우, 상용화되어 있는 기술로 인산의 높은 Li/Na 선택도로 높은 회수율을 보이지만 비싼 인산 사용으로 회수 단계 필요로 공정이 복잡하고 Li 농축과정에서 고체를 다루고 있어 연속운전이 불가능하다는 단점이 있다. 용매추출의 경우, Li/Na 선택도가 높은 저렴한 추출제를 찾는다면 전 단계의 다른 금속 추출 시 사용되고 있는 방법으로 연속운전이 가능하고 Li 농축 시 액체 상태이기 때문에 연속운전이 가능하다는 장점이 있다. 침전기술과 비교하여 유사한 회수율을 보인다면 상용화가 가능성이 가장 높을 것이다.


In this study, candidate technologies for lithium recovery from the process waste liquid generated in the waste battery recycling process were reviewed, and technologies applicable to the process from the commercialization point of view were reviewed from a qualitative point of view. The evaporation method is difficult to apply because it requires a large-scale land and shows a low recovery rate due to the loss of Li during the concentration process. In the case of precipitation, a commercially available technology shows a high recovery rate due to the high Li/Na selectivity of phosphoric acid, but there are disadvantages in that the process is complicated due to the use of expensive phosphoric acid, requiring a recovery step, and continuous operation is impossible because solids are handled in the Li concentration process. In the case of solvent extraction, if we find an inexpensive extractant with high Li/Na selectivity, continuous operation is possible with the method used in extraction of other metals in the previous step, and when Li is concentrated, continuous operation is possible because it is in a liquid state. If it shows a similar recovery rate compared to precipitation technology, commercialization will be the most likely.

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저자 : 김억용 ( Eok Yong Kim ) , 신민창 ( Min Chang Shin ) , 박정훈 ( Jeong Hoon Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 478-485 (8 pages)

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외부사업을 통해 발행받은 인증실적을 배출권 거래제 할당 대상 업체에게 판매하고 할당 대상업체는 구매한 외부사업 인증실적을 상쇄 배출권으로 바꾸어 할당량을 확보할 수 있다. 본 방법론은 기존 기름보일러를(유종별) 사용하던 화석연료를 상대적으로 탄소 함량이 적은 프로판가스를 사용하는 보일러로 교체하였을 때 유종별 이산화탄소 배출 감축분을 인정받아 온실가스 감축을 하지 못해 배출허용량을 넘긴 대기업의 부족된 할당량으로 보충하기 위한 초기 분석으로 탄소감축 배출량과 배출권 거래 금액을 산출하였다.


The certification performance issued through an external business is sold to companies subject to the emission trading system allocation, and the company subject to the allocation can secure the quota by converting the purchased external business certification performance into offset credits. In this methodology, when fossil fuels that used existing oil boilers (by oil type) were replaced with boilers using propane gas with a relatively low carbon content, the amount of carbon dioxide emission reduction by oil type was recognized. As an initial analysis to make up for the insufficient quota of large corporations, the amount of carbon reduction emissions and emission rights trading was calculated.

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저자 : 이미화 ( Mi-hwa Lee ) , 양설화 ( Seol-hwa Yang ) , 김영숙 ( Young-sook Kim ) , 추천호 ( Cheun-ho Chu ) , 박권필 ( Kwonpil Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 486-491 (6 pages)

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저생 미생물 연료전지(BMFC)는 바다나 호수의 뻘 속에서 저생 미생물이 유기물을 분해하면서 발생시키는 전기를 이용하는 친환경적인 에너지 변환장치다. 본 연구에서는 갯벌에 유입되는 생활 폐수가 저생 미생물 연료전지 성능에 어떤 영향을 주는지 파악하고자, 음식물에 들어가는 유기물들을 발효시켜 갯벌과 혼합해서 BMFC 성능을 비교검토 하였다. 박력분과 비타민(B2, B6, B12, C, D, E)이 많이 함유된 음식물을 발효시켜 첨가함으로써 BMFC 성능을 49% 향상시켰다. 발효 유기물의 양이 증가할수록 최고 출력밀도가 증가하였고, 25~29일 발효시킨 발효 유기물이 BMFC에 최적임을 보였다.


A benthic microbial fuel cell (BMFC) is an eco-friendly energy conversion device that uses electricity generated by benthic microorganisms decomposing organic matter in the mud of the sea or lake. In this study, in order to understand how domestic wastewater flowing into tidal flats affects the performance of BMFC. BMFC performance was compared and reviewed by fermenting organic substances in food and mixing them with tidal flats. Performance of the BMFC was improved by 49% by adding fermented food rich in vitamins (B2, B6, B12, C, D, E) and soft flour. The maximum power density increased as the amount of fermented organic matter increased, and it was shown that the fermented organic matter fermented during 25~29 days was optimal for BMFC.

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저자 : 김영세 ( Youngse Kim ) , 박진형 ( Jinhyung Park ) , 김상기 ( Sangki Kim ) , 김병직 ( Byungjick Kim ) , 이준원 ( Joonwon Lee ) , 박교식 ( Kyoshik Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 492-498 (7 pages)

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오늘날 대부분의 국내 석유화학 산업에서 사용되고 있는 공정제어시스템은 Windows 플랫폼 기반을 사용하고 있다. 개방형 기술에 따른 위험 노출이 증가하고 있지만, 사이버 공격에 대한 인식 부족과 오해로 인해 각종 사이버 공격에 대비하는 기업이 많지 않다. 본 연구는 석유화학 공정제어시스템이 OT 사이버보안 취약성에 얼마나 노출된 상태에서 운영 중인지를 조사하였으며, 보안 취약점을 감소시킬 수 있는 현실적인 방법을 제시하고자 하였다. 공정제어시스템의 사이버 위협 상태를 확인하기 위하여, 주요 사이버 위협 인자인 Windows 플랫폼에 대한 취약점을 확인하였으며 이를 위하여 국내 주요 3개 DCS 공급자와 635개 시스템의 Windows 플랫폼 단종 여부를 조사하였다. 조사결과 조사 대상의 77.5%가 아직도 이미 단종된 Windows 플랫폼으로 운영 중인 것으로 확인되어 공정제어 시스템이 보안 위협에 취약한 상태로 운영 중인 것으로 확인되었다. 이러한 사이버 위협에 능동적으로 대처하기 위해서는 미국과 같은 선진국에서 시행하고 있는 주요 석유화학 시설에 대한 중요기반시설 지정과 같은 법률적인 규제가 필요할 것으로 판단되며, 기존 DCS 공급자가 제공하는 보안 솔루션을 적극적으로 도입하여 공정제어시스템에 대한 보안 위협을 적극적으로 감소시키려는 노력이 필요한 시점이라고 판단된다.


Process control systems used in most domestic petrochemical corporates today are based on the Windows platforms. As technology leans toward opened environment, the exposure risk of control systems is increasing. However, not many companies are preparing for various cyberattacks due to lack of awareness and misunderstanding of cyber intrusion. This study investigated the extent of how much exposed the petrochemical process control system is to security threats and suggested practical measures to reduce OT cybersecurity vulnerabilities. To identify the cyber threat status of process control systems, vulnerabilities of the Windows platform, a principal cyber threat factor, have been analyzed. For research, three major DCS providers in Korea and the discontinuation of Windows platform of 635 control systems were investigated. It was confirmed that 78% of the survey subjects were still operating in the discontinued windows platforms, and those process control systems were operated in a state vulnerable to cyber intrusions. In order to actively cope with these cyber threats, legal regulations such as designation of critical infrastructure for major petrochemical facilities which is implemented in advanced countries such as the United States are needed. Additionally, it is necessary to take the initiative in eradicating security threats to the process control systems by aggressively introducing security solutions provided from existing DCS suppliers. This paper was submitted to Professor Ko JaeWook's retirement anniversary issue.

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저자 : 김은규 ( Eunkyu Kim ) , Thang Toan Vu , 송대성 ( Daesung Song )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 499-505 (7 pages)

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본 연구에서는 크라프트 리그닌(Kraft Lignin)을 사용해 바닐린을 생산하는 공정의 개념 설계를 진행하였다. 기존 크라프트 리그닌은 대부분 저품질의 보일러 연료로 사용되거나 폐수로 버려지고 오직 2% 이하의 리그닌만 고품질의 제품으로 정제된다. 버려지는 크라프트 리그닌을 활용하기 위해 새로운 공정을 제안하였다. 기존 바닐린 생산 개념 공정은 NaOH를 사용한 알칼리 산화, 여과, 크로마토그래피, 결정화 단계로 진행됐다. 이중 상용화가 어려운 크로마토그래피를 용매 추출 공정으로 변경하였다. 제안된 용매 추출 공정의 바닐린 회수율 92.9%, 순도 99.5%이며, 이는 기존 크로마토그래피 공정과 유사한 수준이다. 크로마토그래피와 비슷한 결과를 보이는 용매 추출 공정이 기존 크로마토그래피 공정을 대체할 수 있는 이유를 분석하였다.


This study presents a conceptual design of vanillin production from Kraft lignin. Most of the existing Kraft lignin is used as low-quality boiler fuel or discarded as wastewater, and only 2% or less of lignin has been refined into high-quality products. We propose the process developed in this study to utilize discarded Kraft lignin. The existing vanillin production concept process consisted of alkali oxidation using NaOH, filtration, chromatography, and crystallization. Chromatography, which is difficult to commercialize, was changed to a solvent extraction process. The recovery rate of vanillin of the proposed solvent extraction process is 92.9%, and the purity is 99.5%, which is similar to the existing chromatography process. The reason why the solvent extraction process showing similar results to chromatography can replace the existing chromatography process was analyzed.

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저자 : 안광재 ( Gwangjae Ahn ) , 김정욱 ( Jungwook Kim ) , 이근원 ( Keunwon Lee ) , 정승호 ( Seungho Jung )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 506-511 (6 pages)

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화학물질관리법에서 장외영향평가서 및 위해관리계획서를 화학사고예방관리계획서로 일원화하는 제도가 시행되었다. 화학사고예방관리계획서에서 다루는 유해화학물질 중 사고대비물질은 화학사고의 발생 가능성이 높거나 화학사고가 발생한 경우에 그 피해 규모가 클 것으로 우려되는 화학물질로서 지정하고 있다. 본 연구에서는 사고대비물질별 규정수량 기준에 따른 위험도를 비교하고자 상위/하위 규정수량이 비슷한 화학물질을 특정하여 동일한 사고 시나리오를 선정하고 위험도 평가를 실시하였다. 연구대상물질은 암모니아, 염화수소, 이황화탄소, 벤젠 등 총 4종의 물질을 선정하였으며, DNV 사의 정량적 위험성 평가 프로그램인 Safeti 8.0을 활용하여 위험도를 비교 분석하였다. 그 결과, 비슷한 상위/하위규정수량임에도 불구하고 상대적으로 높은 위험도를 가지고 있는 물질을 확인할 수 있었다.


In the Chemicals Control Act, a system was implemented to unify off-site risk assessment and risk management plan into the prevention and management system for chemical accidents. Among the hazardous chemicals which have been covered in system, the accident preparation substances are designated as chemical substances that are likely to occur and of which damage scale are likely to be large in the event of chemical accidents. In this study, risks were compared by selecting accident preparation substances with similar regulated quantities. In addition, risk assessment studies were conducted applying the accident scenarios. Four types of materials such as ammonia, hydrogen chloride, carbon disulfide and benzene were selected for the study, and risks were finally analyzed using Safeti 8.0, a quantitative risk assessment program by DNV. As a result, some materials are identified to have high risks comparing to other substances having similar regulated quantities.

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저자 : 배종훈 ( Jong Hoon Bae ) , 이창준 ( Chang Jun Lee )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 512-518 (7 pages)

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본 연구는 울산석유화학공단 내 A사의 암모니아 탱크 안전장치를 대상으로 진행하였다. 탱크는 실린더 형태이며, 1972년에 프로필렌을 저장하기 위해 설계되었다. 그 후 시장환경에 따른 생산계획 변경으로 인해 탱크의 용도가 암모니아 저장으로 변경되었다. 저장 물질을 변경하는 과정에서 안전성을 검토했던 어떠한 과학적인 정보나 검토 자료를 찾을 수가 없었다. 따라서, 본 연구에서는 현재 안전하게 운전되고 있는지를 확인하기 위해 탱크의 상태를 조사하였다. 또한, 현재 설치되어 운영되고 있는 두 개의 안전장치 암모니아 흡수 시스템 및 Water curtain이 어느 정도 사고의 영향을 경감하는지 분석하였다. 마지막으로, 비상대응계획 작성에 활용하기 위한 CA(consequence analysis)를 수행하였다. 그 결과 사고의 영향을 효율적으로 완화할 수 있도록 안전장치가 설치되어 있음을 확인하였으며, 암모니아 누출 시 긴급대응에 필요한 시간을 제시할 수 있었다.


In this study, safety devices for ammonia tanks of a company in Ulsan petrochemical industrial complex were studied. The type of a tank is cylindrical and this tank was originally designed to store propylene in 1972. Due to the changes of the production schedule according to market environments, the usage of this tank has been changed to store ammonia. Despite of the changes of materials, there is no scientific information or reviews for guaranteeing the safety. Therefore, in this study, the current status of this tank is investigated to confirm that the operational conditions are complying with safety conditions. Moreover, the safety devices such as an ammonia absorbing system and water curtains are analyzed how they mitigate the impact of an accident. In addition, consequence analysis is performed to provide a proper emergency response plan. Throughout these analysis, it is confirmed that installed safety devices effectively mitigate the impact of accidents, and the necessary time for an emergency response plan is suggested when ammonia release.

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저자 : 심지훈 ( Ji-hun Shim ) , 이재걸 ( Jae-geol Lee ) , 한경호 ( Kyoung-ho Han ) , 김주완 ( Ju-wan Kim ) , 송석훈 ( Seok-hun Song ) , 조형원 ( Hyung-won Jo ) , 윤도영 ( Do-young Yoon )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 519-524 (6 pages)

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국내 건축물 마감재는 국토교통부 고시에 따라 KS F 2271 기준에 의해 평가되어지고 있으며, 이 실험은 실험동물을 사용하여 평가하고 있다. 본 연구에서는 가연성이 높은 유기물 단열재 EPS, 우레탄, 페놀폼에 대해 실험을 진행하였다. 이 3종의 단열재가 연소 시 발생되는 유해성 가스에 의한 실험용 쥐의 평균행동정지시간을 측정하여, 실험용 쥐의 행동정지에 대한 원인을 분석하고자 하였다. 실험용 쥐의 행동정지에 대한 원인분석방법으로는 FTIR 분석과 연기밀도실험을 진행하였고, 마우스의 행동정지 원인을 입자상물질에 의한 질식과 가스상물질에 의한 독성흡입으로 구분하여 실험결과를 분석하였다. 실험결과 우레탄이 가장 유해한 단열재로 평가되었으며, 가스유해성 실험결과에 대한 원인분석으로 FTIR분석과 연기밀도 실험을 진행한 결과, 독성흡입에 의한 영향보다 질식에 의한 실험용 쥐의 행동정지가 높은 것으로 나타났다. 본 연구는 유해성가스의 원인분석에 대한 기초연구로서, 독성의 근거를 마련하고 나아가 다양한 재료와 가스에 대한 분석을 통하여 보다 구체적인 독성평가의 기준이 마련될 수 있을 것으로 기대된다.


Domestic building finishing materials are being evaluated according to KS F 2271 standards according to the notification of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, and this test is evaluated using laboratory animals. In this study, experiments were conducted on highly combustible organic insulation materials such as EPS, urethane, and phenolic foam. The purpose of this study was to analyze the cause of the behavioral suspension of the experimental mice by measuring the average behavioral suspension time of the mice caused by the harmful gas generated when these three types of insulation materials were burned. FTIR analysis and smoke density experiment were performed as a cause analysis method for the behavioral suspension of mice, and the experimental results were analyzed by dividing the causes of behavioral suspension into suffocation by particulate matter and toxic inhalation by gaseous substances. As a result of the test, urethane was evaluated as the most harmful insulation material, and as a result of FTIR analysis and smoke density test as a cause analysis for the gas toxicity test results, it is judged that the behavioral stop of the rats by suffocation is higher than the effect of toxic inhalation. This study is a basic study on the cause analysis of harmful gases, and it will be necessary to prepare the toxicity basis and analyze various materials and gases.

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저자 : 조규상 ( Gyu Sang Cho ) , 이준서 ( Jun-seo Lee ) , 박기호 ( Kiho Park )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 525-534 (10 pages)

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본 연구에서는 물과 전기의 동시 생산이 가능한 pressure retarded membrane distillation (PRMD)의 폐루프식 구성디자인을 기수담수화에 적용해 최적 운전 조건과 성능 평가를 수행하였다. 시뮬레이션 결과 80℃ 이상의 폐열이 공급될 때 순 에너지 생산량이 양수 값을 보이며 90℃ 이상일 때 안정적인 전력 생산이 가능한 것을 확인할 수 있었고 최적 유입수 유량은 0.6 kg/s를 나타냈다. 이 조건에서 3 g/L의 기수가 유입될 때 순 에너지 생산량은 2.56 W/m2, 물 플럭스는 8.04 kg/m2/hr의 값을 나타냈다. 기수의 농도가 1-3 g/L로 변화할 때 물 플럭스나 에너지 생산량은 큰 변화가 나타나지 않았고, 해수가 유입수로 사용될 때와 비교하면 더 높은 물 플럭스와 순 에너지 생산량을 보였다. 이를 통해 에너지 생산이라는 측면에 집중한다면 기수를 사용해서 PRMD를 운전하는 것이 더 효율적이라는 것을 확인할 수 있었다.


In this study, we investigated the applicability and optimal operating strategy of a closed-loop pressure retarded membrane distillation (PRMD) for brackish water desalination. For effective operation with net power generation, high temperature of heat source over 90℃ and feed flow rate at 0.6 kg/s are recommended. At 3 g/L of feed concentration, the average permeate flux and net energy density showed 8.04 kg/m2/hr and 2.56 W/m2, respectively. The average permeate flux and net energy density were almost constant in the range of feed concentration from 1 to 3 g/L. Compared to the case with seawater feed, the PRMD with brackish water feed showed higher average permeate flux and net energy density. Thus, PRMD application using brackish water feed can be more effective than that using seawater feed in terms of power generation.

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저자 : 김수영 ( Suyoung Kim ) , 원근혜 ( Geunhye Won ) , 이민지 ( Min Ji Lee ) , 김성원 ( Sung Won Kim )

발행기관 : 한국화학공학회 간행물 : 화학공학 60권 4호 발행 연도 : 2022 페이지 : pp. 535-543 (9 pages)

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실리콘 카바이드 입자(평균 입도 123 μm)의 유동층 태양열 흡열기의 성능 및 효율에 영향을 미치는 입자 거동 해석을 위해 MP-PIC 모델을 이용하여 전산모사를 수행하였고, 기존 실험결과와의 비교를 통해 검증하였다. 특히, 본 연구에서는 실험적으로 접근하기 어려운 유동층 표면 부근에서의 거동을 모사함으로써 흡열 성능과 입자 거동과의 상호영향을 분석하였다. CPFD 모사결과는 입자층 및 프리보드에서의 평균 고체체류량과 압력요동 등 수력학적 특성 실험결과를 잘 예측하였다. 입자 흡열기에서 1차적으로 태양열 에너지를 흡수하여 층 내부로 전달하는 층 표면 부근에서의 국부 고체체류량은 입자층 내 기포거동에 따라 중심부에서 상대적으로 낮은 값을 나타내는 불균일 분포를 나타내었다. 프리보드 영역에서 국부 고체체류량은 기체속도가 증가할수록 축방향과 각 높이에서의 횡방향에서 불균일성이 증가하였고, 이는 입자 흡열기의 프리보드 영역 내 비산된 입자에 의해 반사된 태양광 에너지 손실과 연관된 압력강하 상대표준편차 증가의 원인임을 나타내었다. 입자 흡열기 내 기체속도 증가에 따른 국부적인 기체 및 입자 속도의 변화에 대한 고찰을 통해, 유동층 내 국부적인 입자거동 특성은 Geldart B 입자 물성과 관련된 입자층 내 기포 거동과 밀접하게 연관됨을 확인하였다. 유동층 입자 흡열기의 성능 척도인 일사량 당 유동기체의 출입구 온도차(ΔT/IDNI)는 입자 층 표면 및 표면 상부 프리보드 영역 내 압력요동 RSD와 상관관계가 매우 높음을 확인하였고, 이 결과는 흡열기 성능 개선에 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.


A CPFD (Computational particle fluid dynamics) model of solar fluidized bed receiver of silicon carbide (SiC: average dp=123 μm) particles was established, and the model was verified by comparing the simulation and experimental results to analyze the effect of particle behavior on the performance of the receiver. The relationship between the heat-absorbing performance and the particles behavior in the receiver was analyzed by simulating their behavior near bed surface, which is difficult to access experimentally. The CPFD simulation results showed good agreement with the experimental values on the solids holdup and its standard deviation under experimental condition in bed and freeboard regions. The local solid holdups near the bed surface, where particles primarily absorb solar heat energy and transfer it to the inside of the bed, showed a non-uniform distribution with a relatively low value at the center related with the bubble behavior in the bed. The local solid holdup increased the axial and radial non-uniformity in the freeboard region with the gas velocity, which explains well that the increase in the RSD (Relative standard deviation) of pressure drop across the freeboard region is responsible for the loss of solar energy reflected by the entrained particles in the particle receiver. The simulation results of local gas and particle velocities with gas velocity confirmed that the local particle behavior in the fluidized bed are closely related to the bubble behavior characterized by the properties of the Geldart B particles. The temperature difference of the fluidizing gas passing through the receiver per irradiance (ΔT/IDNI) was highly correlated with the RSD of the pressure drop across the bed surface and the freeboard regions. The CPFD simulation results can be used to improve the performance of the particle receiver through local particle behavior analysis.

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