KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.12
no.5
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pp.2162-2176
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2018
Chemical reactions have an intricate relationship with the search for better-quality neighborhood solutions to optimization problems. A catalytic reaction for chemical reactions provides a clue and a framework to solve complicated optimization problems. The application of a catalytic reaction reveals new information hidden in the optimization problem and provides a non-intuitive perspective. This paper proposes a new simulated catalytic reaction method for search in optimization problems. In the experiments using this method, significantly improved results are obtained in almost all graphs tested by applying to a graph bisection problem, which is a representative problem of combinatorial optimization problems.
The reaction conditions optimization, including the temperature of the reaction, amount of catalyst required, and reaction time for the linoleic acids (LAs) and conjugated linoleic acids (CLAs) production by catalytic dehydration of castor oil via saponification was investigated by response surface methodology (RSM). It was confirmed that all three parameters (temperature, time, and amount of catalyst) were influential factors in isolating LAs and CLAs. When the temperature was increased, the iodine value increased, and the reaction time and catalyst amount increased. The optimal reaction conditions were: 240 ℃, 2.2 h reaction time, and 7 wt% catalyst amount. The maximum iodine value reached 156.25 with 91.69% conversion to the essential fatty acids.
A comprehensive kinetic study has been conducted on dimethyl carbonate synthesis by transesterification reaction of ethylene carbonate with methanol. An alkali base metal (KOH) was used as catalyst in the synthesis of DMC, and its catalytic ability was investigated in terms of kinetics. The experiment was performed in a batch reactor at atmospheric pressure. The reaction orders, the activation energy and the rate constants were determined for both forward and backward reactions. The reaction order for forward and backward reactions was 0.87 and 2.15, and the activation energy was 12.73 and 29.28 kJ/mol, respectively. Using the general factor analysis in the design of experiments, we analyzed the main effects and interactions according to the MeOH/EC, reaction temperature and KOH concentration. DMC yield with various reaction conditions was presented for all ranges using surface and contour plot. Furthermore, the optimal conditions for DMC yield were determined using response surface method.
Fundamental ideas of the free energy gradient method are briefly reviewed with three applications: the stable structures of glycine and ammonia-water molecule pair in aqueous solution and the transition state (TS) structure of a Menshutkin reaction $NH_3 + CH_3Cl → CH_3NH_3^+ + Cl^-$ in aqueous solution, which is the first example of full TS optimization of all internal degrees of freedom.
The intrinsic reactivity of $S_N2$reaction in the gas phase was discussed MO theoretically (CNDO/2). We investigated the changes in geometry and electronic structure by means of the partial geometry optimization for reactantes, transition states, and products with various nucleophiles and leaving groups. We found that it was possible to discuss qualitatively the reactivity of $S_N2$ reaction with CNDO/2 MO calculation and the reactivity was controlled by basicity and of induced polarizability.
In this study, we dedicated to optimize the process for a reactive diluent for epoxy resin of improved chemical resistance by using cardanol, a component of natural oil of cashew nut shell liquid (CNSL). The central composite design (CCD) model of response surface methodology (RSM) was used for the optimization. The quantitative factors for CCD-RSM were the cardanol/ECH mole ratio, reaction time, and reaction temperature. The yield, epoxy equivalent, and viscosity were selected as response values. Basic experiments were performed to design the reaction surface analysis. The ranges of quantitative factors were determined as 2~4, 4~8 h, and 100~140 ℃ for the cardanol/ECH reaction mole ratio, reaction time, and reaction temperature, respectively. From the result of CCD-RSM, the optimum conditions were determined as 3.33, 6.18 h, and 120 ℃ for the cardanol/ECH reaction mole ratio, reaction time, and reaction temperature, respectively. At these conditions, the yield, epoxy equivalence, and viscosity were estimated as 100%, 429.89 g/eq., and 41.65 cP, respectively. In addition, the experimental results show that the error rate was less than 0.3%, demonstrating the validity of optimization.
The reaction mechanism between cyclopropenylidene and formaldehyde has been systematically investigated employing the MP2/6-311+$G^*$ level of theory to better understand the cyclopropenylidene reactivity with carbonyl compound. Geometry optimization, vibrational analysis, and energy property for the involved stationary points on the potential energy surface have been calculated. Energies of all the species are further corrected by the CCSD(T)/6-311+$G^*$ single-point calculations. It was found that one important reaction intermediate (INTa) has been located firstly $via$ a transition state (TSa). After that, the common intermediate (INTb) for the two pathways (1) and (2) has been formed $via$ TSb. At last, two different products possessing three- and four-membered ring characters have been obtained through two possible reaction pathways. In the reaction pathway (1), a three-membered ring alkyne compound has been obtained. As for the reaction pathway (2), it is the formation of the four-membered ring conjugated diene compound. The energy barrier of the ratedetermining step of pathway (1) is lower than that of the pathway (2), and the ultima product of pathway (2) is more stable than that of the pathway (1).
Response surface methodology (RSM) in combination with a 17-run central composite design (CCD) was applied to optimize the non-catalytic hydrolysis of lard using subcritical water to produce fatty acids (FA). The effects of three variables including temperature, molar ratio of water to oil and time, and their relationship on FA content were investigated. A quadratic regression model was employed to predict the FA contents. Optimum reaction conditions for maximizing the FA content were obtained as follows: reaction temperature of $288.5^{\circ}C$, molar ratio of water to oil of 39.5 and reaction time of 29.5 min. Under the optimum conditions, the predicted and experimentally obtained FA contents were 97.06% and 96.99%, respectively.
Biodiesel production has attracted attention as a sustainable source of fuel and is a competitive alternate to diesel engines. The glycerol that is produced as a by-product is generally discarded as waste and can be converted to green chemicals such as acetins to increase bio-diesel profitability. Acetins find application in fuel, food, pharmaceutical and leather industries. Batch experiments and analysis have been previously conducted for synthesis of acetins using glycerol esterification reaction aided by sulfated metal oxide catalysts (SO42-/CeO2-ZrO2). The aim of this study was to optimize process parameters: effects of mole ratio of reactants (glycerol and acetic acid), catalyst concentration and reaction temperature to maximize glycerol conversion/acetin selectivity. The optimum conditions for this reaction were determined using response surface methodology (RSM) designed as per a five-level-three-factor central composite design (CCD). Statistica software 10 was used to analyze the experimental data obtained. The optimized conditions obtained were molar ratio - 1:12, catalyst concentration - 6 wt.% and temperature -90 ℃. A packed bed reactor was fabricated and column studies were performed using the optimized conditions. The breakthrough curve was analyzed.
A computational study of the reactions between Zn-containing species, the products of the thermal decomposition of diethylzinc (DEZn) and water was investigated. The Zn-containing species – $C_2H_5)_2,\;HZnC_2H_5,\;and\;(ZnC_2H_5)_2$ – were assumed to react with water during ZnO metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Density functional theory (DFT) calculations at the level of B3LYP/6-311G(d) were employed for the geometry optimization and thermodynamic property evaluation. As a result dihydroxozinc, $Zn(OH)_2$, was the most probable reaction product common for all three Zn-containing species. A further clustering of $Zn(OH)_2$ was investigated to understand the initial stage of ZnO film deposition. In experiments, the reactions of DEZn and water were examined by in-situ Raman scattering in a specially designed MOCVD reactor. Although direct evidence of $Zn(OH)_2$ was not observed, some relevant reaction intermediates were successfully detected to support the validity of the gas phase reaction pathways proposed in the computational study.
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