康奈爾探究項目

清潔低價的高性能無鉛汽油優化設計

課題簡介

化學工程是一門已有上百年歷史的實用工程學科，包含了化學，物理，數學，經濟，化工原理，是現代工業發展的基礎。從日化類的洗發水，到時下大熱的電動汽車，幾乎所有消費品的生產與升級都依托化學工程 。

隨著二十世紀以來汽油動力汽車的普及，傳統汽車汽油帶來的鉛污染問題變得越來越突出。對于新的無鉛油品添加劑的需求在近幾十年中大量增長。汽油添加劑可以提高汽油辛烷值減緩發動機積碳，并通過增氧幫助汽油更加充分地燃燒以提高發動機效率。異丁烯(isobutylene)是目前市面上主流的無鉛汽油添加劑甲基叔丁基醚(MTBE; methyl tert-butyl ether)及乙基叔丁基醚(ETBE；Ethyl tert-butyl ether)的主要生產原料之一。目前工業上主流的異丁烯生產方式是異丁烷的脫氫。不過烷類的脫氫需要大量能量，因此假如可以設計出一個更好的生產辦法，則可以提高異丁烯的產量并降低生產成本。

叔丁醇的酸催化脫水是生產異丁烷的另一個辦法。由于反應速率由催化反應決定，優化催化劑以及催化反應條件對于大規模低成本生產異丁烯就顯得十分重要。

本課題旨在通過提供學生真實的實驗室數據，使用MATLAB進行數據分析與建模，嘗試理解叔丁醇的酸催化脫水的反應機理，從而設計出最優化的反應配比。通過此次課題研究，學生應當獲得基礎的MATLAB處理數據能力，以及對于催化反應，傳質，和工程用經濟學及統籌學的一定了解。通過此課題，學生也會得到關于本科化學工程的專業課課程結構和專業涉獵的大致概念，了解未來化學工程，或是其他工程類專業學習的必備基礎。

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術。與傳統的實驗相比，計算機模擬技術通過數學建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復試錯的優點。同時，由于計算機模擬技術黑箱化了復雜的理論推導與數據計算，能夠以直觀的方式呈現研究的成果，對于初次涉獵科學研究的高中生而言，也更為簡單易學、容易上手。

例如：在設計外太空的衛星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現外太空的環境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛星的軌道進行模擬、反復實驗，并基于模擬實驗的結果，完成科學的軌道設計。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學生，有較強的邏輯思維和抽象思維能力：

英文：

具備基本的學術英語閱讀能力；
接觸過英文寫作，能初步撰寫英文文章；

數學：
統計基礎知識；
微積分基礎知識；
線性代數基礎知識；

計算機：

結課時需要基本掌握MATLAB