運用動態仿真模擬技術優化中學化工知識教學

2017-07-13 16:49:33王希霞陳繼生楊榮榛

化學教學 2017年6期

王希霞+陳繼生+楊榮榛

摘要：中學化學教學中涉及到的化工知識內容有綜合性強、工藝復雜、知識點多、內容抽象等特點，教學效果一直欠佳。分析其成因，從教具簡單陳舊角度入手，以工業制備硫酸為例，運用動態虛擬仿真技術制作直觀形象的動態生產工藝流程，進行教學設計和實施，欲為化工知識教學提供教學資源，加深學生對化工生產原理的理解，優化化工知識的教學，加強理論與實際的聯系。

關鍵詞：中學化學；化工知識；仿真模擬；硫酸制備

文章編號：1005–6629（2017）6–0053–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

化工知識是理論聯系實際的重要素材，是中學化學教學的重要組成部分。中學化學教材中的化工知識呈片狀分布，涉及范圍廣，必修、選修中均有涉及，但學生對化工知識的學習可以說流于形式[1]。造成教學效果不佳的因素涉及社會、課程、教師、學生、教法等方面，具體如表1所示。

鑒于此，為彌補中學化工教學中教具的陳舊短缺，本文主要針對教材中具有化工生產工藝過程和典型設備示意圖的化工內容這一教學難點，以工業制備硫酸為例，運用仿真模擬技術，制作動態模擬課件，充分發揮教材作用，設計教學過程，欲達到幫助教師順利開展化工知識教學，突破中學化工知識教學難點，解除學生對化工技術的畏難情緒的目的。

2 工業制硫酸的動態仿真模擬

化工知識不僅包含了一般化學知識的內容，還帶有化學生產工藝流程及典型設備的介紹，因此，化工知識教學與一般化學知識教學相比，應有其典型的方法[10]。多媒體技術提供界面友好、形象直觀的交互式學習環境，與中學化工知識教學有效結合，有利于形成體現建構主義理念的化工知識學習環境。為了取得良好的教學效果，采用美國國家儀器（NI）公司開發的專用虛擬儀器開發平臺軟件LabVIEW（一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，不需編寫大量程序代碼的軟件），輔以Photoshop和CorelDRAW開發用戶界面，以傳統的黃鐵礦為原料的水洗法二轉二吸制酸流程為基礎，設計制作流程完整、形象逼真的動態生產工藝流程，為中學化工知識的教學提供教學資源（見圖1）[11]。

四段內部間接換熱式轉化器，流程是經預熱的原料氣由上部進入轉化器，在第一段催化床中進行絕熱反應，溫度升高。一段反應氣自篦子板向下，進入列管式換熱器的管程與流經殼程的冷原料氣間接換熱，冷卻后的一段反應氣向下進入二段催化床繼續反應。如此類推，氣體經第四段催化劑床反應后排出轉化器，在器外再進行冷卻。冷原料氣則自下而上通過器內各換熱器的殼程，加熱至催化劑起燃溫度（430℃左右）進入第一段催化床。

該流程有以下特征：

（1）與工業生產硫酸流程一致的用戶界面。工藝流程設計中的圖形如接觸室、吸收塔、酸泵、鼓風機等用Photoshop處理實物圖片或已有圖形獲得，并用該軟件制作火焰和噴淋的GIF圖片。其余圖形均用CorelDRAW繪制，結構清晰，色彩明暗對比適中，與原生產裝置相近。繪制好工藝流程中的各個部件后，在LabVIEW程序前面板組裝，組裝過程中按照工藝流程，特別注意各個部件的位置疊放次序和連接關系組裝，這樣栩栩如生的工業制硫酸仿真流程圖就完成了。

（2）表現微觀粒子運動及轉化過程。由于管道較多，用很多的箭頭表示氣體的流動方向不利于觀察氣體流動方向及轉化過程，因此利用事件驅動的編程技術LabVIEW設置6個SO2分子不同的移動軌跡來表示這一過程。同時實現SO2分子在接觸室中轉化為SO3，SO3分子在吸收塔被吸收及硫酸儲罐中液面的上下波動。此外，為方便教師講解，設置了開始、停止、退出按鈕，控制SO2分子運動。

3 利用仿真模擬技術突破教學重難點

該節教學內容選自選自蘇教版必修1專題四第一單元第二節。

3.1 教學背景分析

進入新課程改革以來，提高所有學生技術素養已經成為我國中學科學教育目標中的核心內容之一。多媒體的輔助教學的高效性、形象直觀性、新穎性和多樣性等特點，很適合化工知識的教學。在教學過程中，聯系學生原有知識和生活實際，運用多媒體技術合理地將化工知識的學習與技術思想的培養有效整合，優化教學，運用探究性的學習方法，深入認識技術，從而達到培養學生技術素養的目的。

硫酸制法是中學階段為數不多的作為化工知識學習的重點內容，特征顯著，條理清晰，易于在教學中整合，并且包含了大量的技術原理和技術思想[12]。本課是一節將學科知識和生產實際相結合的重要內容，是充分滲透技術思想的一節內容。本節教學內容涉及制硫酸的原料、原理、設備及生產流程，工業制備的特點，工業廠址選擇等。

學生已經具備了有關硫及其化合物的性質及其相互關系的知識，化學反應速率與化學反應平衡的有關原理，在生活中對硫酸在工業中的應用有所耳聞，興趣濃厚，但實際生產環節學生知之甚少。

3.2 教學目標

（1）了解硫酸工業生產的主要設備，準確表述接觸法制硫酸的三個重要階段、反應原理及主要設備的名稱、構造和作用。

（2）能通過分析和設計硫酸制備的裝置，說明工業生產中加快反應、提高原料利用率、節約能源及環境保護的一些措施和方法。

3.3 教學過程設計及解析

環節一：工業制硫酸反應原理的確定

[引導]自然界中存在含硫的物質有哪些？根據已有知識，這些物質要經過哪些中間產物才能變成硫酸？

[生]提出方案：

[設疑]從綠色化學的角度思考，將SO2氧化為SO3最好是通過什么氧化？

[生]用氧氣氧化最好，也最直接。

[講述]現代工業制法采用直接用氧氣氧化的方法制得SO3，即第1種和第4種。方法1原理方法簡單，但我國黃鐵礦相對單質硫來說，資源豐富，產量高，并且FeS2中的S是-1價，處于低價態，可以被氧化成高價態的SO2。所以綜合多方面來說，使用方法4最佳。

環節二：反應裝置的設計

[引導]從生產硫酸的原理看，硫酸廠中的生產設備最少應分為幾部分？

[生]根據書寫的化學方程式推斷最少有3部分。第一階段是SO2的制取，第二階段是SO2氧化為SO3，第三階段是H2SO4的生成。

[設疑]第一階段是SO2的制取，那第一階段的反應裝置應如何設計呢？（引導學生從反應條件、反應產物等方面考慮反應裝置的設計。）

[操作]打開仿真模擬界面，介紹沸騰爐。

[講述]點火口處點火，黃鐵礦與爐底部送入的空氣在爐內沸騰焙燒，用排氣管道將生成的含有SO2及細小礦塵的爐氣轉移到下一個裝置，產生的礦渣從爐下部出渣口排出。

[設疑]如何做到原料利用率最大化，并且提高產率呢？

[講述]將礦石進料口放在進風口的上面，這樣氣流與礦石接觸更加充分，為增大反應接觸面積，將黃鐵礦經破碎、篩分和配料后由進料口加入，不必選用純凈的氧氣，選用空氣就可以，這樣可以節約成本。

[操作]點擊開始按鈕，沸騰爐中火焰開始燃燒，干燥塔、第一二吸收塔開始噴淋，酸罐中液面發生變化每隔1.5s產生1個SO2分子，共產生4個SO2分子，第一個SO2分子未進入旋風除塵器前，點擊暫停。

[設疑]從沸騰爐中管道中排出的物質除SO2外還有哪些？

[生]在沸騰爐中燃燒黃鐵礦制得的爐氣中含有SO2、O2、N2、水蒸氣以及一些雜質。

[講述]礦塵（Fe2O3粉末）的沉積會阻塞輸送氣體的管道，雜質如砷、硒化合物等和礦塵都會使催化劑中毒而失去催化作用，水蒸氣在高溫下會腐蝕設備因此從沸騰爐出來的爐氣在進入接觸室前，必須凈化和干燥，除去礦塵、砷硒化合物和水蒸氣。

[操作]點擊開始，第1、2個分子沿沸騰爐-旋風除塵器-文氏管-泡沫塔-電除霧室-干燥塔路徑移動，第3個分子經泡沫塔后隨污水流入解析塔被鼓風機吹出，第4個分子表示經電除霧室后隨污酸流入解析塔。SO2分子經旋風除塵器、文氏管洗滌器、泡沫塔、電除霧器、干燥塔依次除去爐氣中的粉塵及雜質氣體，凈化爐氣。再將各塔、器出來的污酸、污水送到解吸塔，回收SO2，用空氣把溶解的SO2在解吸塔吹出，與新爐氣混合返回系統，解吸塔排出的污水經處理合格達標后，循環使用或排放。

[設疑]造氣階段完成后，凈化后的爐氣用鼓風機升壓，經換熱器換熱升溫，進入接觸室的催化劑層進行催化氧化，SO2被催化氧化成SO3的設備該如何設計才能使利用率與轉化率都更高呢？

[操作]第1個分子經換熱器1進入接觸室，經第一層催化劑轉化為SO3，第2個分子經接觸室時未能在第一層催化轉化，經換熱器2后再次進入接觸室，在接觸到第二層催化劑時轉化為SO3，第3個分子經接觸室第一二層催化劑時未轉化，經第三層催化劑時才轉化為SO3。第4個分子，經接觸室第一二三層催化劑時均未轉化。

[講述]接觸室是一種固定床反應器，筒體由鋼板卷焊而成，筒內襯有耐腐蝕材料，外壁包保溫材料，為使催化劑與SO2和O2充分接觸，器內裝填多層固定的催化劑。SO2被催化氧化成SO3是放熱反應，可以吸收熱進行再次利用，爐氣在床層中進行反應，離開床層時，爐氣溫度升高，隨后進入催化劑床層之間的熱交換器，通過與溫度較低的氣體換熱移走熱量，然后進入下一段催化劑床層繼續進行反應[13]。

[設疑]至此，第二階段催化氧化完成生成SO3，進入第三階段，從仿真界面中可以看到，用98.3%的濃硫酸吸收SO3而不直接用水吸收，這是為什么呢？

[操作]第1、2、3個SO3分子經換熱器2、接觸室、換熱器1進入第一吸收塔被吸收，消失。第4個未被轉化的SO2分子，進入第一吸收塔時不能被吸收，經管道排出進入換熱器3、換熱器2再進入接觸室底部第四層催化劑轉化為SO3，最后被送入第二吸收塔吸收。

[講述]SO3溶于水形成硫酸是放熱反應，放出大量的熱會造成酸霧，不利于SO3的吸收。干燥爐氣是用93%的濃硫酸在干燥塔中噴淋干燥，吸收水分濃度降低；相應地吸收塔用98.3%的硫酸，在吸收SO3后濃度逐漸升高，為維持正常生產，保持硫酸濃度不變，向93%的酸槽中添加98.3%的硫酸，或向98.3%的酸槽中添加93%的硫酸，生產中稱為串酸，得到的98.3%硫酸通過酸泵送到硫酸貯罐，作為商品酸出售或作為生產其他產品的原料[14，15]。

環節三：尾氣處理方法的確定

[操作]最后出現第5、6個分子，自始至終未被轉化的SO2和未被吸收的SO3在第二吸收塔被排出。

[設疑]硫酸廠的尾氣應該如何處理呢？

[講述]尾氣中含有SO2、O2、SO3、N2等，直接排放會污染大氣，通過查閱資料可以用氨水來吸收尾氣，生成的硫酸銨可以做化肥，做到綠色環保。

參考文獻：

[1][3][9]劉高堂.多媒體在化工知識教學中的應用與探討[D].蘭州：西北師范大學碩士學位論文，2004：25～28.

[4]黃智躍，黃宜美.高中化學中化學工業技術知識教學研究[J].化學教育.2013，（12）：22～26.

[5]謝文彪，費倫猛，孫旭花等.關于中學化學中化工知識教學的調查研究[J].化學教育，2000，（9）：33～36.

[6]段興潮.高中化學新教材化工內容教學之我見[J].中學化學教學參考，2010，（9）：35～37.

[7][8]譚瑾.高中化學教學中融入化工生產知識的探討[J].化工中間體，2015，（12）：135～136.

[10]畢華林，亓英麗.中學化學課程中工業化學知識教學的探討[J].化學教育，2001，（2）：14～16.

[11]陳樹學，劉萱. LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.