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关键词： 高中化学   有机化学   核心素养  

摘要： 有机化学是高中化学知识中的重要组成部分,其贯穿于整个化学学习过程,因此做好有机化学的衔接对于学生建构化学知识系统有着重要意义。本文基于高中必修二与选修五化学知识内容,对有机化学部分知识的衔接做简要分析。

关键词： 有机化学   证据推理   教学实践  

摘要： 在21世纪“知识社会”和“人才社会”的时代背景下,世界各国为提高人才的培养力度以及人才储备能力,逐渐展开一场无硝烟的“战争”。为提高学生的核心能力,教育事业的发展愈发被重视,同时全新的课程系统正逐步构建。其中,我国人才培养的能力也在迅速发展,但由于我国基础教育更注重于人才选拔,较为忽视学生的全面发展,依然无法达到预期的教育目标。因此“化学学科核心素养”在近几年逐步成为化学教育的热门术语,反映出化学教育中核心素养发展的迫切需求。本研究旨在增强学生的逻辑思维能力,使学生在有机化学学习中获得更佳效果,以提升学生化学学科核心素养。在研究过程中,首先通过前测成绩及问卷了解高二学生在有机化学学习过程中“证据推理”素养的体现,依据测量结果将学生标定为:优秀学业水平、中等学业水平和不良学业水平三个不同层次。再将以上参与测试的学生随机划分为实验组和对照组,对实验组学生开展教学实验。在教学过程中,将证据推理素养渗透进有机化学教学,并依此确定教学目标、学业评价目标。采取“创造真实情境”“问题驱动学习”等策略实施教学,组织引导学生在自主学习、合作学习和探究学习中收集证据,推论结果并解决问题。同时通过持续监测学生证据推理素养及学业成绩的变化,分析教学实验对不同学业水平学生的影响差异,形成如下研究结论:(1)在学习有机化学的过程中,被调查的高中生里有28.71%的学生只是单纯记忆了课堂知识片段,并未形成知识的结构化体系,更不能利用知识去解决实际问题。此类现象出现的主要原因在于学生缺乏合理的学习策略及知识构建方法。(2)在有机化学课程教学中开展证据推理素养教学,更有助于学生学习本课程,同时能提高记忆能力,以及构建知识结构体系的思维能力。(3)教学实验对不同学业水平的学生影响各异。学业水平更高的学生趋向于更全面地搜集证据,并通过知识的连锁反应得出相应的结论,从而完善其知识结构体系。而学业水平较低的学生则需要利用证据推理来了解学习课堂内容,以建立基本的知识体系。在推行此项教学实践之前,相同学业水平学生之间成绩几乎没有差异,采用证据推理培养教学法后,相关数据表明实验组成绩相比于对照组成绩提高幅度更大。融入证据推理的教学设计是可以帮助学生理解有机化学知识的规则和系统性,从而提高他们的学习成绩。在学生掌握化学知识的基础上,教师应着重关注学生思维学习方法及能力的提升。

关键词： 萃取精馏   复盐离子液体   分子设计   UNIFAC   遗传算法  

摘要： 萃取精馏是分离共沸混合物的有效方法,萃取剂的选择是萃取精馏的关键问题。离子液体是萃取精馏的一类有效的绿色萃取剂。复盐离子液体具有比单一离子液体更优异的物理性质,在萃取精馏过程中有良好的应用前景。复盐离子液体的分子设计是离子液体萃取精馏研究的一个关键问题。本文收集了文献中有机溶质在各种离子液体中的无限稀释活度系数数据,并利用COSMO-SAC模型计算获得了无限稀释活度系数的补充数据。利用无限稀释活度系数数据回归出了含有多种离子液体基团的修正UNIFAC模型参数。基于遗传算法和修正UNIFAC模型,提出了一种用于萃取精馏中复盐离子液体萃取剂选择的计算机辅助分子设计方法。首先确定被分离体系,并对预选基团进行编号;然后根据复盐离子液体组合规则由基团组合生成分子,利用修正UNIFAC模型计算萃取剂的选择性和溶解度,采用基于选择性和溶解度的S型函数进行萃取剂性能综合评价,根据遗传算法中的选择、交叉和变异算子进行复盐离子液体的优化。针对分子设计过程中产生的不可行性分子,提出了一种可行性分子判断依据和不可行性分子修复方法。针对叔丁醇-水体系和甲醇-乙酸甲酯两个共沸体系,利用分子设计方法选择出了相应的复盐离子液体萃取剂:分别为[C2mim]-[DCA]0.5[OAc]0.5以及[C8mim]-[Br]0.5[Tf2N]0.5。利用本课题组已发表的文献数据,验证了[C2mim]-[DCA]0.5[OAc]0.5作为萃取剂分离叔丁醇-水共沸物的可行性。通过汽液平衡实验测定了甲醇-乙酸甲酯-[C8mim]-[Br]0.5[Tf2N]0.5的汽液平衡,验证了复盐离子液体萃取剂[C8mim]-[Br]0.5[Tf2N]0.5的分离性能。实验结果和文献数据表明,本文提出的分子设计方法是可靠的。

关键词： 数字化实验   有机化学   中美实验比较  

摘要： 实验是中学化学的重要组成部分,有机化学实验又是中学化学实验的重要内容。国内外有大量关于数字化实验和实验比较的研究,但没有以中学有机化学数字化实验为对象的的比较研究。本研究比较了中美中学有机化学部分的数字化实验,希望为我国数字化实验在有机化学教学中的应用提供借鉴。本论文以建构主义、结构主义、比较教育学为理论基础,用文献研究法、比较研究法,以美国的《威尼尔有机化学实验手册CHEM-O》、《威尼尔AP化学实验手册APCHEM》中的31个中学有机化学数字化实验和中国教师设计的35个中学有机化学数字化实验为对象进行比较研究,寻找两者在实验内容、实验设计以及实验教学价值方面的异同点,主要得到了以下结论:(1)在实验内容上,中美实验都重视物质的分离检验和合成设计;美国实验侧重分离和鉴别,中国实验侧重抽象概念的“可视化”。(2)在实验设计上,中美实验都基于真实情境开展实验,都利用生活材料开展实验;美国实验更重视对曲线的加工和处理,中国实验更重视对曲线的分析和解释。(3)在教学价值上,中美实验都引导学生从微观层面认识有机物,都引导学生基于证据理解有机化学反应;美国实验更注重引导学生运用多种科学方法,注重培养学生的实验设计能力。借鉴美国实验重视对数据的处理加工,重视科学方法的应用,重视实验设计能力培养的特点,本研究开发设计了两个实验案例。通过在高中研究性学习中的实践应用,初步说明比较借鉴美国的上述特点,有利于提高我国有机化学数字化实验质量。

关键词： 有机化学   化学实验   中等专业学校   教材  

ISBN: (纸本)9787122363626

摘要： 《有机化学实验》（第四版）一书为中等职业学校规划教材，由有机化学实验的基本知识、有机化学实验的基本操作、有机化合物的性质与鉴定、有机化合物的制备和综合实验五部分组成。书中对各部分教学内容都提出了“知识目标”和“技能目标”，有利于教师和学生正确把握知识点和技能训练要求。全书采用国家标准规定的术语、符号和法定计量单位，选编了36个典型实验，实验规程可靠，实用性强，体现环保理念，涉及的操作技术全面，便于训练学生基本操作技能，有利于提高动手能力。在每个实验项目后都编有“实验指南与安全提示”以及“预习指导”等内容，便于指导教与学。

关键词： 萃取精馏   无水乙醇   AspenPlus   模拟   响应曲面法  

摘要： 无水乙醇既是一种重要的工业原料,又是一种清洁能源,因此,无水乙醇的制备显得尤为关键,其制备方法主要有精馏法、吸附法和膜分离法等。近年来,由于环境污染问题的影响,节能减排的要求逐步提高,而如何有效地降低制备过程的能耗,一直都是精馏分离技术类的研究重点。通过深入研究和了解无水乙醇的萃取精馏制备工艺流程体系,并对其体系进行合理的设计和优化,最终达到降低精馏能耗的目的,具有很大的现实指导意义。 本文将通过Aspen Plus V8.0模拟软件对普通萃取精馏工艺、顺流萃取精馏工艺、逆流萃取精馏工艺和平流萃取精馏工艺,进行稳态模拟,基于灵敏度分析和响应曲面法对工艺进行优化,获取各个工艺的最佳操作参数,优化后,对各个工艺的数据进行比较,发现三种双效萃取精馏工艺都具有明显的节能效果,其中顺流双效萃取精馏(高压塔和低压塔)工艺的节能效果最为明显,其最佳操作参数为:高压萃取精馏塔和低压萃取精馏塔的萃取剂进料流量分别为61和50kg·h1,高压萃取精馏塔中,理论塔板数为21,萃取剂和原料分别从第3块塔板和第20块塔板进料,且回流比为1.57,而低压萃取精馏塔中,理论塔板数为23,萃取剂、原料和回流液体分别从第2块塔板、第15块塔板和第21块塔板进料,回流比则为1.38,在该条件下,可以制备质量分数为99.96%的乙醇,且相比普通萃取精馏工艺节能率为26.38%。 最后,将响应曲面法优化后的顺流双效萃取精馏工艺与未采用响应曲面法优化的常规萃取精馏工艺和未采用响应曲面法优化的顺流双效萃取精馏工艺中的萃取精馏塔的参数分别进行比较,研究发现,由响应曲面法优化后的顺流双效萃取精馏工艺,既可以获得较高纯度的无水乙醇产品,又可以降低制备工艺的能耗。 因此,采用响应曲面法优化后的顺流双效萃取精馏(高压塔和低压塔)工艺制备无水乙醇,在保证产品纯度的前提条件下,降低了制备工艺能耗,在实际工厂应用中,具有一定的应用价值。

关键词： 共沸物   萃取精馏   变压精馏   全局优化   动态控制  

摘要： 化工、石油、医药等行业生产过程中常伴随着共沸混合物的产生,但常规精馏无法实现这类混合物的高纯度分离。特殊精馏技术如萃取精馏是分离不同类型共沸混合物的最常用技术,然而,特殊精馏中的能耗成本较高且热力学效率低。为了提高这类特殊精馏过程的能源利用效率,节约经济投资成本,基于深入的热力学分析设计、全局协调优化等手段对特殊精馏过程的强化愈发引起了研究者的关注。在乙酸和乙醇通过酯化反应合成乙酸乙酯的生产过程中,会伴随乙酸乙酯和乙醇的混合物产生。这两种物质在常压下形成共沸,因而常规精馏无法实现其有效分离。基于传统萃取精馏的方法分离乙酸乙酯-乙醇,本研究对该特殊精馏过程进行强化设计并提出了带有侧线采出的萃取精馏过程。基于传统的序贯迭代过程优化具有繁琐耗时的缺点,因此本研究采用了改进的遗传算法全局优化方法。该算法将实际问题模拟成生物进化过程中的“优胜劣汰”。在多代进化中,通过遗传、交叉、变异等操作算子保证了解的多样性,最后通过评价和选择算法逐步淘汰适应度函数较低的解,从而最终保留最优解。本算法在非支配排序和设置弱变异基础上进行了改进,具有随机优化、用户偏好设置和减少重复解的显著优势。本文以设备费用(CAP)和能耗费用(ENR)作为遗传算法优化的目标函数。通过Active X控件实现Aspen Plus和遗传算法程序的联用,开发了遗传算法优化程序的简洁界面软件,利用该软件最终得到了不同侧线萃取精馏工艺的最优操作条件,同时计算出了较少的设备费用和能耗。通过侧线萃取精馏、热集成的侧线萃取精馏两种工艺的优化结果对比发现,热集成侧线萃取精馏方案具有最小的年投资总成本(TAC)。相对于常规萃取精馏方案,热集成侧线萃取精馏工艺的TAC减少了7.78%,同时二氧化碳排放量减少了9.28%。我们进一步对热集成的侧线萃取精馏分离乙酸乙酯-乙醇最优工艺进行了动态控制研究。通过±10%的进料流量和组成扰动分析,最终提出的组分控制器和温度控制器结合的控制方案具有良好的抗干扰能力。这种控制方案可以为侧线萃取精馏的工业应用提供重要理论指导。此外,对四氢呋喃-甲醇-水三元共沸物的分离,前期我们团队研究了其强化设计和过程优化,并证明了三塔热集成变压萃取精馏工艺具有最佳的经济和环保优势。本课题进一步研究了该工艺的动态控制特性,以验证该最优精馏工艺在实际工业生产运行中的可靠性。本研究提出了带有组分控制器的控制结构,通过IAE值对比发现带有低位选择的组分控制性能最好。但是考虑组分控制器的成本较高,本研究最终探索出带有高位选择的温度控制结构,从动态抗干扰过程中的产品纯度变化可以看出,改进的温度控制策略也能较好地处理±20%的进料流量和组分扰动。这两种控制方案都可为复杂的三塔热集成变压萃取精馏的工业应用提供方案决策参考。

关键词： 锂同位素分离   冠醚   离子液体   液-液萃取  

摘要： 随着不可再生能源储量的减少和生态环境的逐渐恶化,开发绿色、清洁和环保的能源迫在眉睫。核能是一种高效、清洁和绿色的能源,是我国能源体系中重要的组成部分。核能产生的方式分为核聚变和核裂变,核聚变相比于核裂变是一种更加安全、高效和绿色的提供能量的方式。锂在自然界中有两种稳定存在的同位素6Li和7Li,自然丰度分别为7.53%和92.47%。6Li和7Li在核反应过程中起着重要作用。6Li极易受中子撞击产生氚,氚是核聚变反应中的重要原料。7Li中子吸收截面积极小,常作为核反应的堆心冷却剂、减速剂和p H调节剂。因此,锂同位素的分离和提取研究对我国清洁能源的开发和战略安全的实施具有极其重要的意义。目前锂同位素的分离中较为有效的方法是以冠醚作为萃取剂分离锂同位素,冠醚本身的分子结构对锂同位素的分离具有较大的影响。我们选择了三类孔腔直径大小不同的冠醚作为萃取剂,以疏水性较好的室温离子液体作为协萃剂和萃取溶剂,较为系统的探究了冠醚孔腔直径对锂同位素分离效果的影响。根据实验结果筛选出了分离效果较好的冠醚并将其作为萃取剂进行了多级逆流萃取实验。同时,还对锂同位素分离过程中的萃取交换机理和热力学参数进行了探究。具体工作如下:（1）不同孔腔直径冠醚-离子液体体系萃取分离锂同位素的研究:较为系统地探究了离子液体在有机相中体积比、离子液体阳离子碳链长度、冠醚浓度、锂盐阴离子和温度对锂同位素分离效果的影响。通过实验探究发现,不同孔腔大小的冠醚对锂同位素分离因子的影响顺序为:DB15C5（二苯并-15-冠-5）>DB18C6（二苯并-18-冠-6）>DB14C4（二苯并-14-冠-4）,选用冠醚孔腔直径略大于锂离子直径的二苯并-15-冠-5作为萃取剂时,体系有较大的锂同位素分离因子,最大分离因子为1.031。（2）冠醚-离子液体体系多级逆流萃取分离锂同位素研究:以锂同位素分离效果较好的二苯并-15-冠-5作为萃取剂,以1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐（[EMIm][NTf2]）作为萃取溶剂,以苯甲醚作为稀释剂,进行了多级逆流萃取实验。多级逆流萃取实验结果显示,随萃取级数的增加,有机相中锂离子的浓度逐渐增加,有机相中6Li的丰度也呈现增加的趋势。经过10级逆流萃取实验以后,锂离子的萃取率可以达到37.4%,有机相中6Li的丰度可以达到7.77%。（3）对冠醚-离子液体体系萃取分离锂同位素的机理进行了探究。冠醚与锂离子通过离子-偶极相互作用形成冠醚-锂离子的络合物,冠醚孔腔直径与锂离子直径大小近似时,更容易与锂离子络合形成冠醚-锂离子络合物。此时体系对锂离子具有较大的萃取率,但并没有较好的锂同位素分离效果。冠醚孔腔直径过大时,会降低冠醚给电原子与锂离子的离子-偶极效应,这不利于锂同位素的分离。冠醚孔径略大于锂离子直径时,有利于锂同位素的分离。在冠醚-离子液体体系萃取金属离子的过程中,冠醚-离子液体体系的萃取交换过程大多是阳离子交换。其中DB15C5-离子液体体系和DB14C4-离子液体体系中,离子液体阳离子与锂离子之间的交换比接近1:1。通过对体系的萃合比的研究,我们发现DB15C5-离子液体体系和DB18C6-离子液体体系的萃合比接近于1,这意味着一分子的冠醚可以与一分子的锂离子形成络合物。DB14C4-离子液体体系的萃合比略小于1。体系的热力学研究结果表明冠醚-离子液体体系中锂同位素分离是一个自发放热的过程,降低温度有利于锂同位素的分离。

关键词： 萃取精馏   模拟优化   Aspen Plus   苯乙烯  

摘要： 通过传统法生产的苯乙烯产品供不应求,以轻烃、石脑油、柴油为原料的蒸汽裂解制乙烯装置生产的裂解汽油中约含4%6%的苯乙烯,随着乙烯生产装置大型化和裂解原料的重质化,裂解汽油产量大幅增加,使得回收利用其中的苯乙烯成为可能。但裂解汽油回收的苯乙烯产品的硫含量为30～100 ppm,严重影响了苯乙烯产品的化工利用。分析硫化物随石油蒸馏、裂解、分离过程中硫的含量及形态的变化规律,研究适宜的降硫工艺以降低苯乙烯产品中的硫含量,对提高乙烯厂经济效益具有重要意义。经分析得到苯乙烯产品中的硫化物主要为3,4-二甲基噻吩与C6硫醚,其中3,4-二甲基噻吩占50%以上,可作为模型硫化物。基于UNIFAC基团贡献模型预测环丁砜、N-甲酰吗啉、N-甲基吡咯烷酮、1,4-丁内酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺等萃取剂对邻二甲苯-苯乙烯、3,4-二甲基噻吩-苯乙烯两组二元体系的选择性,结果显示邻二甲苯-苯乙烯体系中,萃取剂的选择性为环丁砜>N-甲基吡咯烷酮>二甲基亚砜;在3,4-二甲基噻吩-苯乙烯体系中,萃取剂的选择性为N-甲基吡咯烷酮>N,N-二甲基乙酰胺>1,4-丁内酯。综合得到N-甲基吡咯烷酮为适宜的萃取剂。采用Aspen Plus化工流程模拟软件建立严格的模拟模型并对萃取精馏两塔体系进行全流程模拟,基于UNIFAC-Dortmund基团贡献模型估算适用体系范围较广的UNIQUAC方程二元交互作用参数。以N-甲基吡咯烷酮为萃取剂,通过单因素实验考查理论塔板数、回流比、剂油比、原料进料位置、萃取剂进料位置对萃取精馏生产苯乙烯产品的纯度以及产品中3,4-二甲基噻吩的含量的影响规律。在单因素实验的基础上借助正交实验,确定萃取精馏回收苯乙烯工艺的最优操作条件:萃取精馏塔塔顶温度73℃、压力13.9 kPa,塔釜温度141.2℃、压力25.80 kPa,理论塔板数为140块,回流比为3.5,剂油比为12,原料进料位置为第25块塔板,萃取剂进料位置为第6块塔板;溶剂回收塔塔顶温度87.2℃、压力16.14 kPa、塔釜温度148.6℃,26.04 kPa,原料进料位置为第10块板,回流比为11。经150h连续运行的小试试验生产的粗苯乙烯产品的纯度均高于99.10%,产品中的硫含量低于10 ppm,苯乙烯回收率维持80%左右,此工艺具有可行性。

关键词： 制药工业   醋酸   废水   萃取精馏   化工流程模拟   化工过程开发  

摘要： 制药工业与人类生命健康息息相关,维生素E作为一种大宗的原料药,其生产过程常伴随着大量的醋酸废水溶液产生,直接排放导致醋酸资源浪费,并且造成严重的环境问题。本文对比研究了当前的醋酸水溶液处理方式,其中萃取精馏法具有产能较大、能耗较低、萃取剂可以反复使用等优点,因而被本文所采用。首先,论文采用Aspen Plus模拟软件,根据醋酸水溶液的特性,并结合前人的文献模拟经验,选择以NRTL-HOC为物性方法,另结合前人关于萃取剂选择的研究成果,选择喹啉作为醋酸水溶液萃取精馏的萃取剂。在此基础上,建立了醋酸水溶液普通精馏和萃取精馏的模拟流程,考察了塔板总数、进料板位置、萃取剂用量、回流比等参数对分离结果的影响,确定了较佳的工艺条件。研究发现,在完成同样分离指标的前提下(醋酸≥98.0%),使用萃取精馏分离4 8.0%的醋酸水溶液比普通精馏节省54.79%的能耗。其次,建立了小试精馏装置,采用间歇精馏的方式进行了小试验证,结果表明,普通精馏难以满足要求,而萃取精馏可以完成任务,醋酸成品含量均在98.0%以上,回收率约为98.0%。研究还发现,套用喹啉中醋酸残留需严格控制在5.0%以下,方可满足生产任务的要求。最后,进行了醋酸水溶液萃取精馏的工业化实践。设计了萃取精馏装置,完成了工艺包开发工作,并进行了工艺的调试和运行。结果表明,装置运行基本稳定,可实现处理12000吨/年醋酸水溶液,同时生产3600-6000吨醋酸,产生效益259.59万元/年,具有良好的经济效益和社会效益,证明了萃取精馏在处理醋酸水溶液上的可行性和经济性。