能量的充分利用课堂实录及点评

《化工生产中能量的充分利用—以工业制硫酸为例》教学设计

武汉中学

汪晓翠

一、教材分析

“能量的充分利用”是人教版高中化学选修2 《化学与技术》第一章“走进化学工业”的第一节内容。化工生产过程比较复杂，但一些最基本的问题是相似的。根据课程标准，结合高中生特点，本节将化学反应原理，反应发生的条件，原料的选择，三废的处理和能量的利用等作为化工生产过程中的基本问题。硫酸是学生在初中化学学过的物质，对其性质比较了解，硫酸工业又是非常典型的基本化学工业，因此本课题以硫酸工业为例，结合硫酸的生产，将化学知识与生产过程、生产工艺等结合，充分体现化学在生产中的作用。

以硫酸工业为例，化学反应原理，反应发生的条件，原料的选择，三废的处理分别从元素化合物性质，外界条件对化学反应速率及化学平衡的影响，环境保护及能源充分利用等角度，培养学生利用已学基本化学知识解决实际生产中问题的能力，能量的利用则是从充分利用能量、节能减耗的角度引导学生将化学反应与能量等相关知识学以致用。从本节内容可以看出，人教版高中化学选修2是让学生学会将掌握的书本知识应用于实际，很好地培养了学生学以致用的能力，同时也体现出化学学科特点，凸显科学态度与社会责任的学科核心素养。

二、学情分析

所授班级为化学选考班。学生整体化学基础较为薄弱，学习主体性和学习主动性均有待提高。

学生已有知识储备：硫及其化合物的性质，可逆反应，化学平衡，外界条件对化学平衡的影响，反应热，能量的相互转化，接触法制硫酸工艺的反应原理，原料的选择，反应条件的控制，生产中三废的处理。

学生可能遇到的问题：

1.

知识储备不足，不了解热交换，对硫酸工艺中接触室中的热交换过程不明了；

2.

语言表达能力不足，对接触法制硫酸的工艺流程描述还不够全面；对放热反应的描述不够简洁；

3.

不了解我国目前的能源利用情况，对充分利用能量的重要性认识不足；

4.

心理上，所学知识与实践之间存在较大差距，不易做开放性跨越。

三、教学与评价目标

1.

教学目标

(1)了解能量充分利用的含义及其重要意义；

(2)巩固工业制硫酸工艺，进一步了解其中涉及到的能量转换过程；

(3)掌握化工生产中充分利用能量采取的措施，形成节能减耗、节能减排的观念。

2.评价目标

(1)通过判断能量利用的手段评价学生是否掌握能量的充分利用的含义；

(2)

围绕“工业制硫酸过程中涉及到的能量转换”对学生进行提问，评价学生是否掌握制硫酸的原理以及其中的能量转换形式；

(3)通过让学生总结制硫酸过程中充分利用能量的措施，进一步总结出充分利用能量的意义所在，评价学生是否形成相应的知识体系，是否形成节能减排的思想意识。

四、教学重点与难点

1.教学重点：硫酸工业生产过程中能量的充分利用

2.教学难点：硫酸工业生产过程中接触室部分的能量充分利用原理

五、教学方法

问题导学法、数据分析法、讨论法、归纳法、讲授法、板演法、总结练习法

六、教具

教师：多媒体课件，人教版高中化学选修2课本，纸质教案，工业制硫酸沸腾炉，接触室，吸收塔实物模型

学生：人教版高中化学选修2第一章第一节复印版课本

七、教学设计

新课导入，引出课题：能量的充分利用——→问题导学：为何要充分利用能量——→实例导向：工业制硫酸涉及到的能量消耗——→提供生产的能量来源——→硫酸工业生产中余热的充分利用——→新课小结，当堂练习，巩固新知。

八、教学过程

教学环节

展示课题

工业制硫酸为例

教师活动

学生活动

印版课本中所在位置(P8) PPT：展示本节课的学习目标，并逐条复述

聆听并观看课件

(1)了解能量充分利用的含义及其重要意义；

明确学习目(2)巩固工业制硫酸工艺，进一步了解其中涉标

及到的能量转换过程；

(3)掌握化工生产中充分利用能量采取的措施，形成节能减排的观念。

【引导】说到节能减排，同学们最先想到我回想生活中与节能减从生活入手，引导学生进们日常生活中的哪些东西？

关的视频。

排相关内容。

入课题，同时通过相互分享，增加学生的节能减排意识。

以新闻报道过渡，增强学

【过渡】我们先来看一段与我们生活息息相

【讲述】从能量利用的角度考虑，我们会更

排放的二氧化碳更低，这与我国当下推崇的答问题。

节能减排理念也是相统一的。

【过渡】生活中我们就有节能减排的意识，

那么在决定国家工业实力的化工生产中，节

有目标才有方向，让学生对本节课的学习内容做到心中有数

设计意图

打开课件，展示课题：能量的充分利用—以聆听，找到该课题在复引导学生做好上课准备

倾向于使用电磁炉，而且使用电磁炉过程中回忆视频观看内容，回生节能减排的意识。

直接导入，引入课题

能减排的意识应该更加突出。上一节课我们认真聆听，回忆上节课回顾旧知，为本节课新知以硫酸工业为例，分析了化工生产中原料选学习的内容，进入今天识的学习打下基础。

择、反应条件控制、三废处理等问题，这节新知识的学习。

课我们继续以硫酸工业为例，了解化工生产中能量的充分利用。

【问题过渡】同学们有没有想过，为什么要聆听，思考，以现有的引导学生思考，领会研究充分利用化工生产中的能量呢？

2011年我国高能耗行业增加值。

知识回答问题。

工业生产中能量充分利用这一问题的研究意义。

【讲述】先来看一组数据。数据图片展示：

【数据分析】从数据可以看出，2011年在我看数据，和老师一起分国高耗能行业中，与化工相关的行业能耗增析，认识我国化工生产加量尤为明显。

中能量利用现状。

【数据展示】“十一五”至“十三五”政府

万元GDP能耗目标完成情况图表

数据引导，【数据分析】好在我国一直在推崇节能减

了解现状

排，也有一定的成效。这是2018年10月份

统计的数据，从中可以看出，2018年超额完

成了3.15个百分点，预计在2019年即可提

前完成“十三五”规划设定的能耗目标。

【过渡】然而，我国能源利用率总体仍偏低。

国内生产总值占世界的8.6%，但能源消耗占

世界的19.3%，单位国内生产总值能耗仍是认真聆听，掌握充分我世界平均水平的2.5倍。以上数据均说明一国能耗现状，认识充分个问题，我国亟待采取措施优化单位产值能利用工业生产中的能耗。

以硫酸工业为例，生产过程中有大量热量可以利用。充分利用生产过程中的能量，一方面可以减少单位产值能耗，节约能源，另一方面，还能提高经济效益。

【设问1】工业制硫酸工艺中主要的能量消

耗有哪些？

问题导向

维持整个体系温度。

反应、维持反应温度需要热能。

哪些呢？

结合刚刚学习的反应热的知识，一方面检验学生

【引导学生回答】机器运行；原料反应加热；学生思考并回答。

【归纳问题答案】设备运行需要电能；原料

【设问2】生产硫酸工艺中的能量来源又有思考并回答。

【引导学生回答】从两个方面来考虑。第一

个方面：从外界输入(外界输送电能、煤燃烧

提供热能)，这是大家都容易想到的；第二个

方面，我们容易忽略的一点是来自反应所产

生的能量。

【讲述】上节课我们提到，黄铁矿燃烧、二

检验旧知，氧化硫催化氧化以及三氧化硫制硫酸这三

问题导向，个均为放热反应。我们来看放热反应的能量

引入新题

-反应历程图。

以相对熟悉且非常重要的硫酸工业为例，领略化工生产中的能量消耗与来源，为后面的学习做铺垫。

量的重要意义。

【引导学生回答】反应物吸收能量E1跨过画出放热反应的能量-的掌握程度，另一方面也“能垒”成为活化分子，这部分能量可以是反应历程图，并分析每为后续能够充分利用的环境提供的；生成物形成放出能量E2，对于一步能量变化的原因。

余热来源做铺垫。

放热反应，生成物形成释放的总能量E2大

于反应物活化吸收的总能量E1，总的热效应

即为放出能量。

理？

思考，提出可行的方【设问3】放出的这部分能量可以怎么处

【讲述】实际上这部分能量也可以作为能量案。

来源，对这部分能量的利用是保证能量充分

利用的关键。

【讲述】能量的充分利用。包括减少能量的聆听，掌握能量的充分

排出损失和加强余热的回收利用。

利用和余热的定义以

【讲述】第一个方面，能量的排出损失。如及余热的分类。

设备保温效果不好，工业上称为“跑冷”；

由于管理不善造成能量损失，还有就是体系

排出物料带来的能量损失。

第二个方面，即余热的回收利用。

我们来了解什么是余热以及余热的分类。简

二次能源。

充分利用，

由此可见，余热资源巨大，数量可观。我国工业用能中近

60～65%的能源转化为余热资源。目前余热利用最多的国家是美国，利用率达60%，欧洲的利用率是50%，我们国家只有30%。就余热的利用现状来看，我国还有提升的空间。

单来讲，就是在设备中没有得到充分利用的仔细聆听，知道硫酸工仔细聆听，了解工业行业中余热的来源，了解情，对我国工业余热的利工业制硫酸工艺中，有大量反应热没有得到我国余热利用的现状。

用情况做到心中有数。

【过渡】接下来看看工业制硫酸涉及到的反根据课件提示信息，规检验热化学方程式的规应热。

料制硫酸过程中三步反应的热化学方程式(2人)。

【点评】展示正确答案并点评学生答案

【过渡】硫酸工业中如何利用这部分能量，

提高余热的回收利用呢？我们先来回顾工

业制硫酸的三大装置和流程。

和吸收塔)。

这是三个实物模型(展示实物模型) 么？

范写出相关的3个热范书写，复习旧知。

【板演】利用已有信息，写出以黄铁矿为原化学方程式。

【设问4】3个装置分别是(沸腾炉、接触室仔细聆听，认真回顾工培养学生清晰、简洁、准业制硫酸的装置与流确地语言表达能力，培养程，回答问题。口述反化学学科素养。

【设问5】工业制硫酸的生产工艺流程是什应装置和工艺流程。

【学生复述】黄铁矿在沸腾炉中充分燃烧，

制得二氧化硫气体，干燥净化后的二氧化硫

与氧气一起被通入接触室，并在接触室中发

生催化氧化得到三氧化硫，冷却后的三氧化

硫随后被通入吸收塔中，用98.3%的浓硫酸

进行吸收，制得硫酸成品。

【过渡】在每个过程中标注出了相应的温度。接下来，我们将三部分装置逐一分析。

【讲述】第一部分，沸腾炉。1mol黄铁矿充

分燃烧，放出热量853kJ。炉内温度高达

850℃，排出的SO2与O2温度是450℃，而

经过净化、干燥后的SO2和O2温度仅在60℃

以下，这其中能够利用的热量非常大。

【设问6】谈到降温，同学们最先想到的是

的冷凝，所用装置为冷凝管) 方向，下进上出)

让学生进一步了解接触法制硫酸的工艺流程以及其中涉及到的能量充分利用的措施，同时也自省实验规范操作。

什么装置或者是什么操作？(实验室中常用仔细聆听，回答问题。

【设问7】冷凝管的使用要点是什么？(通水

【设问8】制蒸馏水时，我们的冷凝水直接回想实验时自己的操

排到下水道，实际上，冷凝水在与蒸气进行作，并自我检查操作是

热交换之后温度升高，虽然在这个实验中温否规范。

度升高不大，但是在工业上就不一样了。

我们可以干些什么呢？

【设问9】要将沸腾炉中的冷凝水加以利用，

让学生切身体会到有很多容易被忽略的能量，实际可以变废为宝。

发挥想象，学以致用，变【展示工业生产图示】在沸腾炉旁边设置蒸思考，提出可行性方

汽锅炉，利用升温后的冷凝水进行蒸气发案。

电。

利用的热功转换技术。

【讲解】这里面涉及到的是工业上余热回收

【过渡】接下来我们来看第二部分，接触室。

【讲述】在接触室中，二氧化硫与氧气催化仔细聆听，并跟着老师身工业小设计师，将工业氧化得到三氧化硫，反应放热，涉及到的气的思路一起分析，了解余热合理利用，变废为体温度变化：进气低于60℃，催化氧化温度接触室的构造，并掌握宝。

高达500℃，反应后气体温度高于500℃，其中的反应历程和热

排出气500℃左右，如何来补充其中的热量交换过程。

差呢？为充分利用能量，在接触室中有一个

神器，它就是热交换器！我们来看热交换器

的工作原理，同时也进一步认识接触室中的

反应过程。

【讲述】热交换器的上下部分均有催化剂，

换器的上下两端进行。热交换器中间有很多

平行的空心金属管道或者是蛇道。

【设问10】设计成蛇道的目的是什么？

计的目的是使热交换更加充分。

也就意味着二氧化硫的催化氧化是在热交仔细聆听，思考问题。

空心金属管的用途是发生热量交换，这样设

低温原料气SO2和O2在管外由①自下而上

流过至②，温度升至500℃，至此完成第一

次热交换，由低温到高温；紧接着，500℃

原料气由②至③，在催化剂表面被催化氧化

成SO3，该反应放热，热的SO3随后由③通

过管内自上而下流至④，完成第二次热交

换，由高温降至适宜温度。

是什么？

【设问11】到达④的气体组分是什么？原因

【引导学生回答】由于SO2与O2的催化氧

化是可逆反应，SO2和O2的转化率不能达到

100%，因此到达④的气体为SO3、SO2、O2

的混合气。

催化剂，便完成了第二次的催化氧化。

【讲述】此时混合气体的温度适宜，⑤处有

从以上流程可以看出，利用热交换器的管壁

进行热交换，在预热反应原料气的同时，又

可使接触氧化后的气体降温至适宜温度，这

就很好地利用了SO2催化氧化所放出的热

量。

【讲述】接下来是最后一部分，吸收塔。从

接触室出来的SO3蒸气温度高达500℃甚至

更高，然而高温的SO3蒸气并不利于水对它

这里面又涉及到热量的利用。

这部分热量呢？

动福利，也可以创造经济价值。

突破本节课难点，逐步分析接触室中反应历程和热交换，突破硫酸工业中的热交换技术。

的吸收，因此在通入吸收塔之前需要降温，仔细聆听，并思考有什

么新奇的方法来充分

激发学生潜质，鼓励学生设计充分利用能量的新方法。

【设问

12】同学们能想到的应该如何利用利用工艺中的能量。

可以在吸收塔附近建造浴室，为工人提供劳

在吸收塔内，三氧化硫与水反应也会放出大

量的热，但是我们知道成品后的硫酸必须要

经过降温才能够进行包装、运输、投入使用，

那么由高温硫酸到低温硫酸，其中的热量该

如何充分利用呢？同学们有什么想法？假

如你是工程师，你会如何设计尽可能地让这

部分能量得到充分利用？

【小结】工业制硫酸过程中，可以利用的余

热资源非常丰富，如果能充分利用这些余

热，不仅能减少外界向硫酸厂供应的能量，

还能实现硫酸厂输出能量的综合利用，同时思考，并回答问题，形

解决硫酸工艺中产生的热污染问题。简直一成相应的学科思想和引导学生形成变废为宝、举三得。对此，你有什么启发？

总的来说，充分利用化工生产中的能量，可以帮助我们做到节能减排，从而实现综合效益最优化，最后我们通过一个实例来看看大庆和沈阳是如何实践这个理念的。

科学观念。

节能减排的观念。

【针对练习，巩固新知】

(1)潜热材料

认真思考，回答问题

针对练习，巩固新知。

九、板书设计

能量的充分利用

——以工业制硫酸为例

一、能量充分利用的含义及其措施

1.

减少能量的排出损失

2.

加强余热的回收利用

二、接触法制硫酸(FeS2为原料) 1.

热化学方程式

2.

主要流程及生产装置

3.

余热的充分利用

三、能量充分利用的重要意义