康奈尔探究项目：清洁低价的高性能无铅汽油优化设计

康奈尔探究项目

清洁低价的高性能无铅汽油优化设计

课题简介

化学工程是一门已有上百年历史的实用工程学科，包含了化学，物理，数学，经济，化工原理，是现代工业发展的基础。从日化类的洗发水，到时下大热的电动汽车，几乎所有消费品的生产与升级都依托化学工程 。

随着二十世纪以来汽油动力汽车的普及，传统汽车汽油带来的铅污染问题变得越来越突出。对于新的无铅油品添加剂的需求在近几十年中大量增长。汽油添加剂可以提高汽油辛烷值减缓发动机积碳，并通过增氧帮助汽油更加充分地燃烧以提高发动机效率。异丁烯(isobutylene)是目前市面上主流的无铅汽油添加剂甲基叔丁基醚(MTBE; methyl tert-butyl ether)及乙基叔丁基醚(ETBE；Ethyl tert-butyl ether)的主要生产原料之一。目前工业上主流的异丁烯生产方式是异丁烷的脱氢。不过烷类的脱氢需要大量能量，因此假如可以设计出一个更好的生产办法，则可以提高异丁烯的产量并降低生产成本。

叔丁醇的酸催化脱水是生产异丁烷的另一个办法。由于反应速率由催化反应决定，优化催化剂以及催化反应条件对于大规模低成本生产异丁烯就显得十分重要。

本课题旨在通过提供学生真实的实验室数据，使用MATLAB进行数据分析与建模，尝试理解叔丁醇的酸催化脱水的反应机理，从而设计出最优化的反应配比。通过此次课题研究，学生应当获得基础的MATLAB处理数据能力，以及对于催化反应，传质，和工程用经济学及统筹学的一定了解。通过此课题，学生也会得到关于本科化学工程的专业课课程结构和专业涉猎的大致概念，了解未来化学工程，或是其他工程类专业学习的必备基础。

科研方法

计算机仿真模拟

计算机仿真模拟是一种运用计算机软件建立抽象模型、模拟真实条件并进行分析的技术。与传统的实验相比，计算机模拟技术通过数学建模，解放了普通实验对于器材的苛刻要求，具有可多次进行、反复试错的优点。同时，由于计算机模拟技术黑箱化了复杂的理论推导与数据计算，能够以直观的方式呈现研究的成果，对于初次涉猎科学研究的高中生而言，也更为简单易学、容易上手。

例如：在设计外太空的卫星轨道时，受制于客观条件，科研工作者无法在地球上重现外太空的环境，因此，只能借助计算机强大的运算能力，对外太空的情况和卫星的轨道进行模拟、反复实验，并基于模拟实验的结果，完成科学的轨道设计。

---

课题要求

本课题适合： 9-12 年级学生，有较强的逻辑思维和抽象思维能力：

英文：

具备基本的学术英语阅读能力；
接触过英文写作，能初步撰写英文文章；

数学：
统计基础知识；
微积分基础知识；
线性代数基础知识；

计算机：

结课时需要基本掌握MATLAB