康奈爾探究項目

清潔低價的高性能無鉛汽油優(yōu)化設(shè)計

課題簡介

化學(xué)工程是一門已有上百年歷史的實用工程學(xué)科，包含了化學(xué)，物理，數(shù)學(xué)，經(jīng)濟(jì)，化工原理，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。從日化類的洗發(fā)水，到時下大熱的電動汽車，幾乎所有消費品的生產(chǎn)與升級都依托化學(xué)工程 。

隨著二十世紀(jì)以來汽油動力汽車的普及，傳統(tǒng)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(fā)動機(jī)積碳，并通過增氧幫助汽油更加充分地燃燒以提高發(fā)動機(jī)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(chǎn)原料之一。目前工業(yè)上主流的異丁烯生產(chǎn)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(shè)計出一個更好的生產(chǎn)辦法，則可以提高異丁烯的產(chǎn)量并降低生產(chǎn)成本。

叔丁醇的酸催化脫水是生產(chǎn)異丁烷的另一個辦法。由于反應(yīng)速率由催化反應(yīng)決定，優(yōu)化催化劑以及催化反應(yīng)條件對于大規(guī)模低成本生產(chǎn)異丁烯就顯得十分重要。

本課題旨在通過提供學(xué)生真實的實驗室數(shù)據(jù)，使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模，嘗試?yán)斫馐宥〈嫉乃岽呋撍姆磻?yīng)機(jī)理，從而設(shè)計出最優(yōu)化的反應(yīng)配比。通過此次課題研究，學(xué)生應(yīng)當(dāng)獲得基礎(chǔ)的MATLAB處理數(shù)據(jù)能力，以及對于催化反應(yīng)，傳質(zhì)，和工程用經(jīng)濟(jì)學(xué)及統(tǒng)籌學(xué)的一定了解。通過此課題，學(xué)生也會得到關(guān)于本科化學(xué)工程的專業(yè)課課程結(jié)構(gòu)和專業(yè)涉獵的大致概念，了解未來化學(xué)工程，或是其他工程類專業(yè)學(xué)習(xí)的必備基礎(chǔ)。

科研方法

計算機(jī)仿真模擬

計算機(jī)仿真模擬是一種運用計算機(jī)軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進(jìn)行分析的技術(shù)。與傳統(tǒng)的實驗相比，計算機(jī)模擬技術(shù)通過數(shù)學(xué)建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進(jìn)行、反復(fù)試錯的優(yōu)點。同時，由于計算機(jī)模擬技術(shù)黑箱化了復(fù)雜的理論推導(dǎo)與數(shù)據(jù)計算，能夠以直觀的方式呈現(xiàn)研究的成果，對于初次涉獵科學(xué)研究的高中生而言，也更為簡單易學(xué)、容易上手。

例如：在設(shè)計外太空的衛(wèi)星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現(xiàn)外太空的環(huán)境，因此，只能借助計算機(jī)強(qiáng)大的運算能力，對外太空的情況和衛(wèi)星的軌道進(jìn)行模擬、反復(fù)實驗，并基于模擬實驗的結(jié)果，完成科學(xué)的軌道設(shè)計。

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課題要求

本課題適合： 9-12 年級學(xué)生，有較強(qiáng)的邏輯思維和抽象思維能力：

英文：

具備基本的學(xué)術(shù)英語閱讀能力；
接觸過英文寫作，能初步撰寫英文文章；

數(shù)學(xué)：
統(tǒng)計基礎(chǔ)知識；
微積分基礎(chǔ)知識；
線性代數(shù)基礎(chǔ)知識；

計算機(jī)：

結(jié)課時需要基本掌握MATLAB