运用动态仿真模拟技术优化中学化工知识教学

2017-07-13王希霞陈继生杨荣榛

化学教学 2017年6期

王希霞+陈继生+杨荣榛

摘要：中学化学教学中涉及到的化工知识内容有综合性强、工艺复杂、知识点多、内容抽象等特点，教学效果一直欠佳。分析其成因，从教具简单陈旧角度入手，以工业制备硫酸为例，运用动态虚拟仿真技术制作直观形象的动态生产工艺流程，进行教学设计和实施，欲为化工知识教学提供教学资源，加深学生对化工生产原理的理解，优化化工知识的教学，加强理论与实际的联系。

关键词：中学化学；化工知识；仿真模拟；硫酸制备

文章编号：1005–6629（2017）6–0053–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

化工知识是理论联系实际的重要素材，是中学化学教学的重要组成部分。中学化学教材中的化工知识呈片状分布，涉及范围广，必修、选修中均有涉及，但学生对化工知识的学习可以说流于形式[1]。造成教学效果不佳的因素涉及社会、课程、教师、学生、教法等方面，具体如表1所示。

鉴于此，为弥补中学化工教学中教具的陈旧短缺，本文主要针对教材中具有化工生产工艺过程和典型设备示意图的化工内容这一教学难点，以工业制备硫酸为例，运用仿真模拟技术，制作动态模拟课件，充分发挥教材作用，设计教学过程，欲达到帮助教师顺利开展化工知识教学，突破中学化工知识教学难点，解除学生对化工技术的畏难情绪的目的。

2 工业制硫酸的动态仿真模拟

化工知识不仅包含了一般化学知识的内容，还带有化学生产工艺流程及典型设备的介绍，因此，化工知识教学与一般化学知识教学相比，应有其典型的方法[10]。多媒体技术提供界面友好、形象直观的交互式学习环境，与中学化工知识教学有效结合，有利于形成体现建构主义理念的化工知识学习环境。为了取得良好的教学效果，采用美国国家仪器（NI）公司开发的专用虚拟仪器开发平台软件LabVIEW（一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，不需编写大量程序代码的软件），辅以Photoshop和CorelDRAW开发用户界面，以传统的黄铁矿为原料的水洗法二转二吸制酸流程为基础，设计制作流程完整、形象逼真的动态生产工艺流程，为中学化工知识的教学提供教学资源（见图1）[11]。

四段内部间接换热式转化器，流程是经预热的原料气由上部进入转化器，在第一段催化床中进行绝热反应，温度升高。一段反应气自篦子板向下，进入列管式换热器的管程与流经壳程的冷原料气间接换热，冷却后的一段反应气向下进入二段催化床继续反应。如此类推，气体经第四段催化剂床反应后排出转化器，在器外再进行冷却。冷原料气则自下而上通过器内各换热器的壳程，加热至催化剂起燃温度（430℃左右）进入第一段催化床。

该流程有以下特征：

（1）与工业生产硫酸流程一致的用户界面。工艺流程设计中的图形如接触室、吸收塔、酸泵、鼓风机等用Photoshop处理实物图片或已有图形获得，并用该软件制作火焰和喷淋的GIF图片。其余图形均用CorelDRAW绘制，结构清晰，色彩明暗对比适中，与原生产装置相近。绘制好工艺流程中的各个部件后，在LabVIEW程序前面板组装，组装过程中按照工艺流程，特别注意各个部件的位置叠放次序和连接关系组装，这样栩栩如生的工业制硫酸仿真流程图就完成了。

（2）表现微观粒子运动及转化过程。由于管道较多，用很多的箭头表示气体的流动方向不利于观察气体流动方向及转化过程，因此利用事件驱动的编程技术LabVIEW设置6个SO2分子不同的移动轨迹来表示这一过程。同时实现SO2分子在接触室中转化为SO3，SO3分子在吸收塔被吸收及硫酸储罐中液面的上下波动。此外，为方便教师讲解，设置了开始、停止、退出按钮，控制SO2分子运动。

3 利用仿真模拟技术突破教学重难点

该节教学内容选自选自苏教版必修1专题四第一单元第二节。

3.1 教学背景分析

进入新课程改革以来，提高所有学生技术素养已经成为我国中学科学教育目标中的核心内容之一。多媒体的辅助教学的高效性、形象直观性、新颖性和多样性等特点，很适合化工知识的教学。在教学过程中，联系学生原有知识和生活实际，运用多媒体技术合理地将化工知识的学习与技术思想的培养有效整合，优化教学，运用探究性的学习方法，深入认识技术，从而达到培养学生技术素养的目的。

硫酸制法是中学阶段为数不多的作为化工知识学习的重点内容，特征显著，条理清晰，易于在教学中整合，并且包含了大量的技术原理和技术思想[12]。本课是一节将学科知识和生产实际相结合的重要内容，是充分渗透技术思想的一节内容。本节教学内容涉及制硫酸的原料、原理、设备及生产流程，工业制备的特点，工业厂址选择等。

学生已经具备了有关硫及其化合物的性质及其相互关系的知识，化学反应速率与化学反应平衡的有关原理，在生活中对硫酸在工业中的应用有所耳闻，兴趣浓厚，但实际生产环节学生知之甚少。

3.2 教学目标

（1）了解硫酸工业生产的主要设备，准确表述接触法制硫酸的三个重要阶段、反应原理及主要设备的名称、构造和作用。

（2）能通过分析和设计硫酸制备的装置，说明工业生产中加快反应、提高原料利用率、节约能源及环境保护的一些措施和方法。

3.3 教学过程设计及解析

环节一：工业制硫酸反应原理的确定

[引导]自然界中存在含硫的物质有哪些？根据已有知识，这些物质要经过哪些中間产物才能变成硫酸？

[生]提出方案：

[设疑]从绿色化学的角度思考，将SO2氧化为SO3最好是通过什么氧化？

[生]用氧气氧化最好，也最直接。

[讲述]现代工业制法采用直接用氧气氧化的方法制得SO3，即第1种和第4种。方法1原理方法简单，但我国黄铁矿相对单质硫来说，资源丰富，产量高，并且FeS2中的S是-1价，处于低价态，可以被氧化成高价态的SO2。所以综合多方面来说，使用方法4最佳。

环节二：反应装置的设计

[引导]从生产硫酸的原理看，硫酸厂中的生产设备最少应分为几部分？

[生]根据书写的化学方程式推断最少有3部分。第一阶段是SO2的制取，第二阶段是SO2氧化为SO3，第三阶段是H2SO4的生成。

[设疑]第一阶段是SO2的制取，那第一阶段的反应装置应如何设计呢？（引导学生从反应条件、反应产物等方面考虑反应装置的设计。）

[操作]打开仿真模拟界面，介绍沸腾炉。

[讲述]点火口处点火，黄铁矿与炉底部送入的空气在炉内沸腾焙烧，用排气管道将生成的含有SO2及细小矿尘的炉气转移到下一个装置，产生的矿渣从炉下部出渣口排出。

[设疑]如何做到原料利用率最大化，并且提高产率呢？

[讲述]将矿石进料口放在进风口的上面，这样气流与矿石接触更加充分，为增大反应接触面积，将黄铁矿经破碎、筛分和配料后由进料口加入，不必选用纯净的氧气，选用空气就可以，这样可以节约成本。

[操作]点击开始按钮，沸腾炉中火焰开始燃烧，干燥塔、第一二吸收塔开始喷淋，酸罐中液面发生变化每隔1.5s产生1个SO2分子，共产生4个SO2分子，第一个SO2分子未进入旋风除尘器前，点击暂停。

[设疑]从沸腾炉中管道中排出的物质除SO2外还有哪些？

[生]在沸腾炉中燃烧黄铁矿制得的炉气中含有SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质。

[讲述]矿尘（Fe2O3粉末）的沉积会阻塞输送气体的管道，杂质如砷、硒化合物等和矿尘都会使催化剂中毒而失去催化作用，水蒸气在高温下会腐蚀设备因此从沸腾炉出来的炉气在进入接触室前，必须净化和干燥，除去矿尘、砷硒化合物和水蒸气。

[操作]点击开始，第1、2个分子沿沸腾炉-旋风除尘器-文氏管-泡沫塔-电除雾室-干燥塔路径移动，第3个分子经泡沫塔后随污水流入解析塔被鼓风机吹出，第4个分子表示经电除雾室后随污酸流入解析塔。SO2分子经旋风除尘器、文氏管洗涤器、泡沫塔、电除雾器、干燥塔依次除去炉气中的粉尘及杂质气体，净化炉气。再将各塔、器出来的污酸、污水送到解吸塔，回收SO2，用空气把溶解的SO2在解吸塔吹出，与新炉气混合返回系统，解吸塔排出的污水经处理合格达标后，循环使用或排放。

[设疑]造气阶段完成后，净化后的炉气用鼓风机升压，經换热器换热升温，进入接触室的催化剂层进行催化氧化，SO2被催化氧化成SO3的设备该如何设计才能使利用率与转化率都更高呢？

[操作]第1个分子经换热器1进入接触室，经第一层催化剂转化为SO3，第2个分子经接触室时未能在第一层催化转化，经换热器2后再次进入接触室，在接触到第二层催化剂时转化为SO3，第3个分子经接触室第一二层催化剂时未转化，经第三层催化剂时才转化为SO3。第4个分子，经接触室第一二三层催化剂时均未转化。

[讲述]接触室是一种固定床反应器，筒体由钢板卷焊而成，筒内衬有耐腐蚀材料，外壁包保温材料，为使催化剂与SO2和O2充分接触，器内装填多层固定的催化剂。SO2被催化氧化成SO3是放热反应，可以吸收热进行再次利用，炉气在床层中进行反应，离开床层时，炉气温度升高，随后进入催化剂床层之间的热交换器，通过与温度较低的气体换热移走热量，然后进入下一段催化剂床层继续进行反应[13]。

[设疑]至此，第二阶段催化氧化完成生成SO3，进入第三阶段，从仿真界面中可以看到，用98.3%的浓硫酸吸收SO3而不直接用水吸收，这是为什么呢？

[操作]第1、2、3个SO3分子经换热器2、接触室、换热器1进入第一吸收塔被吸收，消失。第4个未被转化的SO2分子，进入第一吸收塔时不能被吸收，经管道排出进入换热器3、换热器2再进入接触室底部第四层催化剂转化为SO3，最后被送入第二吸收塔吸收。

[讲述]SO3溶于水形成硫酸是放热反应，放出大量的热会造成酸雾，不利于SO3的吸收。干燥炉气是用93%的浓硫酸在干燥塔中喷淋干燥，吸收水分浓度降低；相应地吸收塔用98.3%的硫酸，在吸收SO3后浓度逐渐升高，为维持正常生产，保持硫酸浓度不变，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，生产中称为串酸，得到的98.3%硫酸通过酸泵送到硫酸贮罐，作为商品酸出售或作为生产其他产品的原料[14，15]。

环节三：尾气处理方法的确定

[操作]最后出现第5、6个分子，自始至终未被转化的SO2和未被吸收的SO3在第二吸收塔被排出。

[设疑]硫酸厂的尾气应该如何处理呢？

[讲述]尾气中含有SO2、O2、SO3、N2等，直接排放会污染大气，通过查阅资料可以用氨水来吸收尾气，生成的硫酸铵可以做化肥，做到绿色环保。

参考文献：

[1][3][9]刘高堂.多媒体在化工知识教学中的应用与探讨[D].兰州：西北师范大学硕士学位论文，2004：25～28.

[4]黄智跃，黄宜美.高中化学中化学工业技术知识教学研究[J].化学教育.2013，（12）：22～26.

[5]谢文彪，费伦猛，孙旭花等.关于中学化学中化工知识教学的调查研究[J].化学教育，2000，（9）：33～36.

[6]段兴潮.高中化学新教材化工内容教学之我见[J].中学化学教学参考，2010，（9）：35～37.

[7][8]谭瑾.高中化学教学中融入化工生产知识的探讨[J].化工中间体，2015，（12）：135～136.

[10]毕华林，亓英丽.中学化学课程中工业化学知识教学的探讨[J].化学教育，2001，（2）：14～16.

[11]陈树学，刘萱. LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.