《化工过程分析与合成》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：CHEM4123

课程名称：化工过程分析与合成

课程英文名称：Analysis and Synthesis of Chemical Engineering Process

课程所属单位：化学与环境工程学院化工教研室

课程面向专业：化学工程与工艺

课程类型：专业必修课

先修课程：高等数学、物理化学、化工原理、化学反应工程

学分：2.0

总学时：32学时

二、课程性质与目的

化工过程分析与合成是化学工程与工艺专业的一门专业课。它是在原系统工程学和过程工程学的基础上建立起来的，该课程借鉴了原系统工程和过程工程教材的特点及内容，利用系统工程的知识，对大化工系统进行有效的分析，并利用工程优化的知识，将化工系统作为一个整体进行全局的调优和评价。

本课程的一个最基本的目的是讨论化工过程系统工程设计的现代化方法和策略，即建立过程系统的数学模型，描述出系统中每一部分及总体性能，并给以评价，应用过程集成技术、数学规划方法和人工智能技术等对过程系统进行综合优化。通过本课程的学习，使学生加强学生综合能力培养和化学工程与工艺专业教学实践性的共识，通过对原有课程体系和教学内容的整合，面向典型的化工过程系统，培养学生综合运用化工系统工程、化学工艺、化学反应工程和传递与分离工程知识分析与解决实际问题的能力。课程目标和毕业要求指标对应点关系见表1。

表1 课程目标和毕业要求指标点对应关系

三、课程教学内容与要求

（一） 绪论

1.教学内容与要求

教学内容：

化工过程；化工过程生产操作控制；化工过程的分析与合成；化工过程模拟系统；化工企业CIPS技术；人工智能技术在化工过程中的应用。

教学要求：

了解化工过程生产操作控制；

掌握化工过程分析与合成的基本概念及主要研究内容；

了解化工企业CIPS技术；

了解人工智能技术在化工过程中的应用。

2.教学重点

化工过程分析与合成的基本概念及主要研究内容

3.教学难点

化工过程分析与合成的新型手段和方法。

（二）化工过程系统稳态模拟与分析

1.教学内容与要求

教学内容：

典型的稳态模拟与分析问题；过程系统模拟的三类问题及三种基本方法；过程系统模拟的序贯模块法；过程系统模拟的面向方程法；过程系统模拟的联立模块法；氨合成工艺流程的模拟与分析；过程系统稳态模拟软件。

教学要求：

掌握过程系统模拟的三种基本方法；

掌握序贯模块法的基本原理及基本方法；

掌握面向方程法的基本原理及基本方法；

掌握联立模块法的基本原理及基本方法；

了解氨合成工艺流程的模拟与分析方法；

熟悉运用回路矩阵表示不可分隔子系统问题。

2.教学重点

过程系统模拟的三种基本方法。

3.教学难点

氨合成工艺流程的模拟与分析方法。

（三）化工过程系统动态模拟与分析

1.教学内容与要求

教学内容：

化工过程系统的动态模型；连续搅拌罐反应器的动态特征；精馏塔的动态特征；变压吸附过程的模拟与分析。

教学要求：

掌握化工过程系统动态模型的分类；

了解确定性动态模型的数学处理；

了解连续搅拌罐反应器动态模拟的推导过程；

掌握精馏塔动态模拟的数学处理与应用；

了解变压吸附过程的模拟与分析方法；

熟悉运用多级集中参数模型对精馏塔的动态特性进行模拟与分析。

2.教学重点

精馏塔动态模型的数学处理与应用。

3.教学难点

动态模型的数学处理与应用

（四）化工过程系统的优化

1.教学内容与要求

教学内容：

化工生产流程中换热网络的作用和意义；换热网络合成问题；换热网络合成-夹点技术；夹点法设计能量最优的换热网络；换热网络的最优；实际工程项目的换热网络合成。

教学要求：

了解化工过程系统优化问题基本概念；

掌握最优化问题的建模方法；

掌握化工过程系统最优化问题的类型；

了解化工过程中的线性规划及非线性规划问题；

了解化工过程大系统的优化方法；

熟悉运用有约束条件最优化问题的经典方法求解烃类催化反应器问题。

2.教学重点：

最优化问题的类型。

3.教学难点：

有约束条件最优化问题的经典求解方法的应用。

（五）换热网络合成

1.教学内容与要求：

教学内容：

化工生产流程中换热网络的作用和意义；换热网络合成问题；换热网络合成-夹点技术：夹点法设计能量最优的换热网络；换热网络的调优；实际工程项目的换热网络合成。

教学要求：

了解化工生产流程中换热网络的作用和意义；

掌握换热网络合成问题的描述；

掌握夹点的概念及夹点的特性；

了解夹点匹配的可行性原则；

了解实际工程项目的换热网络合成；

熟练运用夹点匹配的可行性原则判断是否需要进行流股分割问题。

2.教学重点：

夹点的概念及夹点的特性。

3.教学难点：

夹点匹配的可行性原则。

（六）分离塔序列的综合

1.教学内容与要求

教学内容：

精馏塔分离序列综合概况；分离塔序列综合的基本概念；动态规划法；分离度系数有序探试法；相对费用函数法；分离序列综合过程的评价；调优法；复杂塔的分离顺序。

教学要求：

了解精馏塔分离序列综合概况；

掌握分离序列综合的基本概念；

掌握动态规划法解决多阶段决策过程最优化问题的方法；

了解分离度系数有序试探法；

了解分离序列综合过程的评价方法；

熟悉运用动态规划法解决多阶段决策过程最优化问题。

2.教学重点：

分离序列综合的基本概念。

3.教学难点：

动态规划法解决多阶段决策过程最优化问题。

四、学时分配：

本课程总学时为32学时，具体分配如表2所示。

表2 课堂学时分配表

五、教学环节与教学要求：

本课程的主要教学环节有：课堂讲授 （含讲课、习题课、讨论课）。在课堂讲授这个教学环节中，本着“以学生为中心”的思想，通过课堂讲授、讨论、启发、课后思考、作业等方式，激发学生的学习热情，引导学生与教师共同从研究工程实际问题的角度进行探讨、互动，培养学生运用系统工程的观点和方法研究化工过程系统模拟、分析、优化和合成的基本能力，达到本课程的教学目的。

要求学生按时独立完成课堂作业和课后作业，由教师利用课堂零碎时间讲解。

表3 课程目标及其实现方法

六、课程考核办法：

本课程采用期末考试、课程作业和课堂表现综合评价的考核办法。其中，课程作业为课后随堂练习；课堂作业（包括问答/讨论/报告等形式）要求学生围绕教师所提出的问题/讨论题进行课堂回答、演讲，报告，对于较为复杂的讨论题学生可在课后准备后再于课堂上汇报。考勤占总评成绩的5%，课堂作业占总评分5%，课程作业占总评分40%，课程考试占总评成绩50%，课程目标对应观测点/考核方式及分值分布如表4所示。

表4 课程目标对应的考核内容及考核方式

表格中的分数为每项在总评成绩中的实际分数。期末考试采用百分制，其考试试卷题型一般包括：名词解释、填空、单选、多选、判断、简答、综合题中的几种。各知识点可以以不同的题型出现，每次考核知识点出现的题号不固定。考核标准见各年度试卷评分标准；课程作业评价和课堂问答/讨论/作业评价标准见以下各表：

表5 课程作业评价标准

备注：

1. 本课程总计安排3次课程作业，标准作业时间均为三周；

2. 各次课程作业均有特定解题过程；

3. 课堂讨论后可修改并延后一周提交；但未提交或未修改者不给分。

   表6 课堂表现（问答/讨论/报告）评价标准

备注：课堂问答/讨论/报告根据课程教学进展安排，部分讨论题将于课前布置。

课堂考勤：课堂随堂抽查考勤，考勤点名一般不少于3次，无故缺勤3次及以上取消考试资格。

七、教材与主要参考书：

教材：

1、张卫东等主编. 化工过程分析与合成（第二版）化学工业出版社，2011

主要参考书：

1、姚平经.过程系统工程.上海：华东理工大学出版社，2009.

2、王弘轼.化工过程系统工程.北京：清华大学出版社，2006.

3、都健.化工过程分析与综合.大连理工大学出版社，2009.

八、课程目标达成度评价

课程目标达成度从学生个体达成情况和课程整体达成情况两方面评价，前者将作为评判学生是否达到毕业要求以及能否通过课程考核的依据；后者作为课程实施质量的评价及持续改进措施的依据。当参加课程考核的学生班级数为2个班时，样本集为所有学生；当参加课程考核的学生班级为3个班及以上时，样本集通过间隔采样获取（按照所有学生学号序列间隔采样）。学生个体达成度统计表和课程整体达成度统计表如表7和表8所示。

表7学生个体对课程目标的达成度统计表

备注：*期望值根据各年度考核覆盖面、难度、预期区分度等因素调整，但不低于所对应课程目标观测点全分值的60%；课程考试采用百分制，各观测点得分值×45%后输入本表格。课堂作业和课程作业的得分值按照表格里面的实际分值进行给分，然后输入本表格。

表8课程整体目标达成度评价及持续改进

备注：*课程分目标达成度计算方法为样本中与课程目标对应观测点的平均得分/课程目标对应观测点的总分值。

执笔人：张勇

时间：2020年7月