• 제목/요약/키워드: Chemical kinetic modeling

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나노 스케일 확산 공정 모사를 위한 동력학적 몬테칼로 소개 (An Introduction to Kinetic Monte Carlo Methods for Nano-scale Diffusion Process Modeling)

  • 황치옥;서지현;권오섭;김기동;원태영
    • 대한전자공학회논문지SD
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    • 제41권6호
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    • pp.25-31
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    • 2004
  • 본 논문에서는 나노 스케일 확산 공정 모사를 위한 방법으로 동력학적 몬테칼로(kinetic Monte Carlo)를 소개하고자 한다. 먼저 동력학적 몬테칼로의 이론과 배경을 살펴보고 실제적인 이해를 돕기 위하여 실리콘 기판에 이온(전자) 주입 후 열처리과정에서 일어나는 점결함의 확산을 동력학적 몬테칼로를 이용하여 모사하는 간단한 예를 보여주고 있다. 동력학적 몬테칼로는 몬테칼로의 일종이지만 기존의 몬테칼로에서 구현하지 못하였던 물리적인 시간을 포아송 확률 과정을 통하여 구현하였다. 동력학적 몬테칼로 확산 공정 모사에서는 연속 확산 미분 방정식의 해를 구하는 기존의 유한 요소 수치 해석적 방법과 달리원자 상호간 혹은 원자와 결함 또는 결함들 간의 화학적 반응과 입자들의 확산 과정을 포아송 확률 과정에 따라 일어나는 화학적 반응, 입자들의 확산 사건의 연속으로 본다. 사건마다 고유의 사건 발생 확률을 갖고 이 사건 발생 확률에 따라 일어나는 확률적 사건의 연속적 발생으로 실제의 반도체 확산 공정을 시간에 따라 직접적으로 모사할 수 있다. 입자들 간의 화학적 반응 사건 확률과 입자들의 확산 공정에 필요한 확률적 인자들은 분자 동역학, 양자 역학적 계산, 흑은 실험으로 얻어진다.

A Kinetic Monte Carlo Simulation of Individual Site Type of Ethylene and α-Olefins Polymerization

  • Zarand, S.M. Ghafelebashi;Shahsavar, S.;Jozaghkar, M.R.
    • 대한화학회지
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    • 제62권3호
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    • pp.191-202
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    • 2018
  • The aim of this work is to study Monte Carlo simulation of ethylene (co)polymerization over Ziegler-Natta catalyst as investigated by Chen et al. The results revealed that the Monte Carlo simulation was similar to sum square error (SSE) model to prediction of stage II and III of polymerization. In the case of activation stage (stage I) both model had slightly deviation from experimental results. The modeling results demonstrated that in homopolymerization, SSE was superior to predict polymerization rate in current stage while for copolymerization, Monte Carlo had preferable prediction. The Monte Carlo simulation approved the SSE results to determine role of each site in total polymerization rate and revealed that homopolymerization rate changed from site to site and order of center was different compared to copolymerization. The polymer yield was reduced by addition of hydrogen amount however there was no specific effect on uptake curve which was predicted by Monte Carlo simulation with good accuracy. In the case of copolymerization it was evolved that monomer chain length and monomer concentration influenced the rate of polymerization as rate of polymerization reduced from 1-hexene to 1-octene and increased when monomer concentration proliferate.

Kinetic Modeling of Simultaneous Saccharification and Fermentation for Ethanol Production Using Steam-Exploded Wood with Glucose- and Cellobiose-Fermenting Yease, Brettanomyces custersii

  • Moon, Hyun-Soo;Kim, Jun-Seok;Oh, Kyeong-Keun;Kim, Seung-Wook;Hong, Suk-In
    • Journal of Microbiology and Biotechnology
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    • 제11권4호
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    • pp.598-606
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    • 2001
  • A mathematical model is proposed that can depict the kinetics of simultaneous saccharification and fermentation (SSF) using steam-exploded wood(SEW) with a glucose- and cellobiose-fermenting yeast strain. Brettanomyces custersii. An expression to describe the reduction of the relative digestibility during the hydrolysis of the SEW is introduced in the hydrolysis model. The fermentation model also takes two new factors into account, that is, the effects of the inhibitory compounds present in the SEW hydrolysates on the microorganism and the fermenting ability of Brettanomyces custersii, which can use both glucose and cellobiose as carbon sources. The model equations were used to simulate the hydrolysis of the SEW, the fermentation of the SEW hydrolysates, and a batch SSF, and the results were compared with the experimental data. The model was found to be capable of representing ethanol production over a range of substrate concentrations. Accordingly, the limiting factors in ethanol production by SSF under the high concentration of the SEW were identified as the effect of inhibitory compounds present in the SEW, the enzyme deactivation, and a limitation in the digestibility based on the physical condition of the substrate.

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중금속 오염토의 Electrokinetic 정화시 토체의 전기화학적 특성의 모델링 (Modeling of Electrical and Chemical Characteristics During the Electro]kinetic Remediation of Contaminated Soil by Heavy Metal)

  • 한상재;김수삼;조용실
    • 한국지반공학회논문집
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    • 제18권1호
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    • pp.49-57
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    • 2002
  • 오염지반 정화를 위한 Electrokinetic 처리 과정에서 지반에 전류를 적용하면 흙물 시스템 내에서 발생하는 유체의 이동 현상과 계면의 특성 변화가 발생하여 Electrokinetic 반응에 영향을 미친다. 본 논문에서는 지반 내에서 발생하는 전기적, 화학적 변수와 그 변화 특성을 규명하고자 실내실험을 수행하여, 시료의 전압, 전류, 제타포텐셜, pH등의 전기 화학적 현상을 연구하였으며 이러한 인자들의 특성변화를 모델링하는 기법을 제시하였다. 그 결과 정화 도중 전압, 전류 변화를 각 농도에서 시간에 따른 지수함수로 표현할 수 있었으며 제타포텐셜의 변화를 pH와 오염농도에 따라 모델링 할 수 있었다.

직접메탄올 연료전지의 Multiscale 모델링 및 전산모사 (Multiscale Modeling and Simulation of Direct Methanol Fuel Cell)

  • 김민수;이영희;김정환;김홍성;임태훈;문일
    • 멤브레인
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    • 제20권1호
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    • pp.29-39
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    • 2010
  • 본 연구는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있는 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)에 대해 mutiscale 기법을 사용하여 DMFC의 MEA부분에 대한 상세 모델링 및 전산모사를 통한 이론적 고찰을 시도하였다. 본 연구에서 이용한 multiscale 모델링 방법은 공정시스템 공학의 kinetic 중심의 모델링 방법과 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)의 유동중심의 모델링 방법을 유기적으로 결합하여 모사 중간에 필요한 데이터 교환을 함으로써 정확한 모델링 및 전산모사 결과를 얻었다. CFD 모델링으로 유체 이동현상을 3차원으로 해석하였고, 동시에 복잡한 비선형 대수방정식으로 표현되는 반응속도, 전기화학반응을 DAE (Differential & Algebraic Equation) solver로 계산하였다. 모델은 메탄올의 산화반응과 산소의 환원반응을 중심으로 MEA (Membrane Electorde Assembly)부분에서 물리화학적, 전기적 현상 현상을 규명하고, 반응 메커니즘을 구성하였다. MEA 모델은 3차원 공간에서 변위를 가지는 3차원 모델로 구성하였으며, 정상상태 및 등온공정의 조건하에 수립되었다. 이를 통해 channel을 포함한 MEA 부분에서 발생되는 물리적, 화학적, 전기적 현상을 정확히 예측 할 수 있다. 본 연구를 통해 수행된 결과는 DMFC의 실험계획 및 운전조건을 도출함에 있어 매우 유용한 역할을 할 수 있을 것으로 사료되며, 추가적인 연구를 통해 DMFC의 상용화에 크게 이바지 할 수 있을 것으로 사료된다.

Kinetics of Horseradish Peroxidase-Catalyzed Nitration of Phenol in a Biphasic System

  • Kong, Mingming;Zhang, Yang;Li, Qida;Dong, Runan;Gao, Haijun
    • Journal of Microbiology and Biotechnology
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    • 제27권2호
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    • pp.297-305
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    • 2017
  • The use of peroxidase in the nitration of phenols is gaining interest as compared with traditional chemical reactions. We investigated the kinetic characteristics of phenol nitration catalyzed by horseradish peroxidase (HRP) in an aqueous-organic biphasic system using n-butanol as the organic solvent and ${NO_2}^-$ and $H_2O_2$ as substrates. The reaction rate was mainly controlled by the reaction kinetics in the aqueous phase when appropriate agitation was used to enhance mass transfer in the biphasic system. The initial velocity of the reaction increased with increasing HRP concentration. Additionally, an increase in the substrate concentrations of phenol (0-2 mM in organic phase) or $H_2O_2$ (0-0.1 mM in aqueous phase) enhanced the nitration efficiency catalyzed by HRP. In contrast, high concentrations of organic solvent decreased the kinetic parameter $V_{max}/K_m$. No inhibition of enzyme activity was observed when the concentrations of phenol and $H_2O_2$ were at or below 10 mM and 0.1 mM, respectively. On the basis of the peroxidase catalytic mechanism, a double-substrate ping-pong kinetic model was established. The kinetic parameters were ${K_m}^{H_2O_2}=1.09mM$, ${K_m}^{PhOH}=9.45mM$, and $V_{max}=0.196mM/min$. The proposed model was well fit to the data obtained from additional independent experiments under the suggested optimal synthesis conditions. The kinetic model developed in this paper lays a foundation for further comprehensive study of enzymatic nitration kinetics.

디젤 SCR 후처리장치 내 공간속도가 NOx 저감에 미치는 영향 (Effect of Space Velocity on the DeNOx Performance in Diesel SCR After-Treatment System)

  • 왕태중;백승욱;강대환;길정기;여권구
    • 한국연소학회:학술대회논문집
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    • 한국연소학회 2006년도 제32회 KOSCO SYMPOSIUM 논문집
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    • pp.49-54
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    • 2006
  • The present study conducted a numerical modeling on the diesel SCR (selective catalytic reduction) system using ammonia as a reductant over vanadium-based catalysts $(V_2O_5-WO_3/TiO_2)$. Transient modeling for ammonia adsorption/desorption on the catalyst surface was firstly carried out, and then the SCR reaction was modeled considering for it. In the current catalytic reaction model, we extended the pure chemical kinetic model based on laboratory-scale powdered-phase catalyst experiments to the chemico-physical one applicable to realistic commercial SCR reactors. To simulate multi-dimensional heat and mass transfer phenomena, the SCR reactor was modeled in two dimensional, axisymmetric domain using porous medium approach. Also, since diesel engines operate in transient mode, the present study employed an unsteady model. In addition, throughout simulations using the developed code, effects of space velocity on the DeNOx performance were investigated.

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전기산화공법을 이용한 고농도폐수 처리공정의 모델링 및 최적화 (Modeling and Optimization of High Strength Wastewater Treatment Using the Electro Oxidation Process)

  • 이홍민;이상선;황성원;진동복
    • Korean Chemical Engineering Research
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    • 제54권3호
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    • pp.340-349
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    • 2016
  • 본 연구에서는 정유산업의 유지 및 보수기간에 배출되는 고농도폐수의 COD (Chemical Oxygen Demand)를 효과적으로 제거하기 위해 전기산화공법을 적용하였다. 우선 산업에서 배출되는 실제 폐수를 처리하기 위하여 BDD전극을 개발하고, 개발된 전극을 이용하여 전류밀도, pH, 전해질농도, 반응시간 등과 같은 다양한 운전조건하에 실험을 진행하였다. 둘째, 이러한 실험결과를 이용하여 전기분해의 kinetic parameter를 산출한 후에, 이를 토대로 전기산화 처리설비를 수학적으로 모델링 하였다. 마지막으로, 기존에 정상운전 조건 시 사용하던 저 농도 폐수를 처리하는 공정의 유입조건에 맞추기 위하여 전기산화 처리설비의 설계 및 운전의 다양한 변수들을 최적화함으로써 보다 효율적인 폐수 전처리 시스템을 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 모델의 결정계수($R^2$)는 0.982로 상당히 작은 오차범위를 보여줌으로써 모델의 높은 정확도를 입증하였다.

Kinetic Modeling for Biosorption of Metylene Blue onto H3PO4 Activated Acacia arabica

  • Sivarajasekar, N.;Srileka, S.;Samson Arun Prasath, S.;Robinson, S.;Saravanan, K.
    • Carbon letters
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    • 제9권3호
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    • pp.181-187
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    • 2008
  • Batch sorption experiments were carried out for the removal of metylene blue from its aqueous solution using $H_3PO_4$ activated Acacia arabica carbon (AAC). The prepared activated carbon was characterized and was found as an effective adsorbent material. The operating variables studied were initial metylene blue concentration, AAC concentration and solution pH. AAC activated carbon posses a maximum sorption capacity for the range of initial dye concentrations studied (60~100 mg $L^{-1}$). The sorption kinetics were analyzed using reversible first order kinetics, second order, reversible first order, pseudo-first order, and pseudo-second order model. The sorption data tend to fit very well in pseudo-second order model for the entire sorption time. The average pseudo-second order rate constant, $K_{II}$ and regression coefficient value were determined to be 0.0174 mg $g^{-1}$ $min^{-1}$ and 0.9977. The biosorption process also fit well to reversible I order kinetics with a regression coefficient of 0.9878.

$N_{2}/O_{2}$ 혼합가스에서 펄스코로나 방전을 이용한 NOx 제거 모델링에 관한 연구 (DeNOx modeling in $N_{2}/O_{2}$ gas by pulsed corona discharge)

  • 박광서;이형상;전배혁;신현호;윤웅섭;전광민
    • 한국연소학회:학술대회논문집
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    • 한국연소학회 1999년도 제19회 KOSCO SYMPOSIUM 논문집
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    • pp.117-128
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    • 1999
  • The removal of nitrogen oxides(NOx) from $N_{2}/O_{2}$ gas using a pulsed corona discharge was investigated as a function of the reduced electric field(E/N) and the energy density(J/L). A kinetic model was developed to characterize the chemical reactions taking place in a pulsed corona discharge reactor. The model calculates the fractional concentrations of radical species at each pulse-on period and utilizes the radicals to remove NOx for the subsequent pulse-off period. Electron collision reaction data are calculated using ELENDIF program to solve Boltzmann equation for electron energy distribution function, and the subsequent chemical reactions are calculated using CHEMKIN-II program to solve stiff ODE(ordinary differential equation) problems for species concentrations. The corona discharge energy per pulse and the time-space averaged E/N were obtained by fitting the model to experimental data. The model calculation shows good agreement with the experimental data, and predicts the formation of other species such as $NO_{2}$, $O_{3}$ and $N_{2}O$.

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