運用動態(tài)仿真模擬技術(shù) 優(yōu)化中學(xué)化工知識教學(xué)

王希霞+陳繼生+楊榮榛

摘要：中學(xué)化學(xué)教學(xué)中涉及到的化工知識內(nèi)容有綜合性強、工藝復(fù)雜、知識點多、內(nèi)容抽象等特點，教學(xué)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(yè)制備硫酸為例，運用動態(tài)虛擬仿真技術(shù)制作直觀形象的動態(tài)生產(chǎn)工藝流程，進行教學(xué)設(shè)計和實施，欲為化工知識教學(xué)提供教學(xué)資源，加深學(xué)生對化工生產(chǎn)原理的理解，優(yōu)化化工知識的教學(xué)，加強理論與實際的聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué)；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(biāo)識碼：B

1 問題的提出

化工知識是理論聯(lián)系實際的重要素材，是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分。中學(xué)化學(xué)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(xué)生對化工知識的學(xué)習(xí)可以說流于形式[1]。造成教學(xué)效果不佳的因素涉及社會、課程、教師、學(xué)生、教法等方面，具體如表1所示。

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

2 工業(yè)制硫酸的動態(tài)仿真模擬

化工知識不僅包含了一般化學(xué)知識的內(nèi)容，還帶有化學(xué)生產(chǎn)工藝流程及典型設(shè)備的介紹，因此，化工知識教學(xué)與一般化學(xué)知識教學(xué)相比，應(yīng)有其典型的方法[10]。多媒體技術(shù)提供界面友好、形象直觀的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，與中學(xué)化工知識教學(xué)有效結(jié)合，有利于形成體現(xiàn)建構(gòu)主義理念的化工知識學(xué)習(xí)環(huán)境。為了取得良好的教學(xué)效果，采用美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的專用虛擬儀器開發(fā)平臺軟件LabVIEW（一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)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(fā)用戶界面，以傳統(tǒng)的黃鐵礦為原料的水洗法二轉(zhuǎn)二吸制酸流程為基礎(chǔ)，設(shè)計制作流程完整、形象逼真的動態(tài)生產(chǎn)工藝流程，為中學(xué)化工知識的教學(xué)提供教學(xué)資源（見圖1）[11]。

四段內(nèi)部間接換熱式轉(zhuǎn)化器，流程是經(jīng)預(yù)熱的原料氣由上部進入轉(zhuǎn)化器，在第一段催化床中進行絕熱反應(yīng)，溫度升高。一段反應(yīng)氣自篦子板向下，進入列管式換熱器的管程與流經(jīng)殼程的冷原料氣間接換熱，冷卻后的一段反應(yīng)氣向下進入二段催化床繼續(xù)反應(yīng)。如此類推，氣體經(jīng)第四段催化劑床反應(yīng)后排出轉(zhuǎn)化器，在器外再進行冷卻。冷原料氣則自下而上通過器內(nèi)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(yè)生產(chǎn)硫酸流程一致的用戶界面。工藝流程設(shè)計中的圖形如接觸室、吸收塔、酸泵、鼓風(fēng)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(jié)構(gòu)清晰，色彩明暗對比適中，與原生產(chǎn)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(guān)系組裝，這樣栩栩如生的工業(yè)制硫酸仿真流程圖就完成了。

（2）表現(xiàn)微觀粒子運動及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化過程，因此利用事件驅(qū)動的編程技術(shù)LabVIEW設(shè)置6個SO2分子不同的移動軌跡來表示這一過程。同時實現(xiàn)SO2分子在接觸室中轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)突破教學(xué)重難點

該節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自選自蘇教版必修1專題四第一單元第二節(jié)。

3.1 教學(xué)背景分析

進入新課程改革以來，提高所有學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)已經(jīng)成為我國中學(xué)科學(xué)教育目標(biāo)中的核心內(nèi)容之一。多媒體的輔助教學(xué)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(xué)。在教學(xué)過程中，聯(lián)系學(xué)生原有知識和生活實際，運用多媒體技術(shù)合理地將化工知識的學(xué)習(xí)與技術(shù)思想的培養(yǎng)有效整合，優(yōu)化教學(xué)，運用探究性的學(xué)習(xí)方法，深入認識技術(shù)，從而達到培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的目的。

硫酸制法是中學(xué)階段為數(shù)不多的作為化工知識學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容，特征顯著，條理清晰，易于在教學(xué)中整合，并且包含了大量的技術(shù)原理和技術(shù)思想[12]。本課是一節(jié)將學(xué)科知識和生產(chǎn)實際相結(jié)合的重要內(nèi)容，是充分滲透技術(shù)思想的一節(jié)內(nèi)容。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容涉及制硫酸的原料、原理、設(shè)備及生產(chǎn)流程，工業(yè)制備的特點，工業(yè)廠址選擇等。

學(xué)生已經(jīng)具備了有關(guān)硫及其化合物的性質(zhì)及其相互關(guān)系的知識，化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)反應(yīng)平衡的有關(guān)原理，在生活中對硫酸在工業(yè)中的應(yīng)用有所耳聞，興趣濃厚，但實際生產(chǎn)環(huán)節(jié)學(xué)生知之甚少。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

（1）了解硫酸工業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備，準(zhǔn)確表述接觸法制硫酸的三個重要階段、反應(yīng)原理及主要設(shè)備的名稱、構(gòu)造和作用。

（2）能通過分析和設(shè)計硫酸制備的裝置，說明工業(yè)生產(chǎn)中加快反應(yīng)、提高原料利用率、節(jié)約能源及環(huán)境保護的一些措施和方法。

3.3 教學(xué)過程設(shè)計及解析

環(huán)節(jié)一：工業(yè)制硫酸反應(yīng)原理的確定

[引導(dǎo)]自然界中存在含硫的物質(zhì)有哪些？根據(jù)已有知識，這些物質(zhì)要經(jīng)過哪些中間產(chǎn)物才能變成硫酸？

[生]提出方案：

[設(shè)疑]從綠色化學(xué)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(xiàn)代工業(yè)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(zhì)硫來說，資源豐富，產(chǎn)量高，并且FeS2中的S是-1價，處于低價態(tài)，可以被氧化成高價態(tài)的SO2。所以綜合多方面來說，使用方法4最佳。

環(huán)節(jié)二：反應(yīng)裝置的設(shè)計

[引導(dǎo)]從生產(chǎn)硫酸的原理看，硫酸廠中的生產(chǎn)設(shè)備最少應(yīng)分為幾部分？

[生]根據(jù)書寫的化學(xué)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(shè)疑]第一階段是SO2的制取，那第一階段的反應(yīng)裝置應(yīng)如何設(shè)計呢？（引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)條件、反應(yīng)產(chǎn)物等方面考慮反應(yīng)裝置的設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)移到下一個裝置，產(chǎn)生的礦渣從爐下部出渣口排出。

[設(shè)疑]如何做到原料利用率最大化，并且提高產(chǎn)率呢？

[講述]將礦石進料口放在進風(fēng)口的上面，這樣氣流與礦石接觸更加充分，為增大反應(yīng)接觸面積，將黃鐵礦經(jīng)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(jié)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(fā)生變化每隔1.5s產(chǎn)生1個SO2分子，共產(chǎn)生4個SO2分子，第一個SO2分子未進入旋風(fēng)除塵器前，點擊暫停。

[設(shè)疑]從沸騰爐中管道中排出的物質(zhì)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(zhì)。

[講述]礦塵（Fe2O3粉末）的沉積會阻塞輸送氣體的管道，雜質(zhì)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(shè)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(fēng)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(jīng)泡沫塔后隨污水流入解析塔被鼓風(fēng)機吹出，第4個分子表示經(jīng)電除霧室后隨污酸流入解析塔。SO2分子經(jīng)旋風(fēng)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(zhì)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(tǒng)，解吸塔排出的污水經(jīng)處理合格達標(biāo)后，循環(huán)使用或排放。

[設(shè)疑]造氣階段完成后，凈化后的爐氣用鼓風(fēng)機升壓，經(jīng)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(shè)備該如何設(shè)計才能使利用率與轉(zhuǎn)化率都更高呢？

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

[講述]接觸室是一種固定床反應(yīng)器，筒體由鋼板卷焊而成，筒內(nèi)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(nèi)裝填多層固定的催化劑。SO2被催化氧化成SO3是放熱反應(yīng)，可以吸收熱進行再次利用，爐氣在床層中進行反應(yīng)，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(xù)進行反應(yīng)[13]。

[設(shè)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(jīng)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(zhuǎn)化的SO2分子，進入第一吸收塔時不能被吸收，經(jīng)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(zhuǎn)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(yīng)，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(yīng)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(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)其他產(chǎn)品的原料[14，15]。

環(huán)節(jié)三：尾氣處理方法的確定

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

[設(shè)疑]硫酸廠的尾氣應(yīng)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(huán)保。

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