《化工工厂设计》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：CHEM4104

课程名称：化工工厂设计

课程英文名称：Chemical Plant Design

课程所属单位：化学与环境工程学院化工系化学工程与工艺教研室

课程面向专业：化学工程与工艺

课程类型：必修

先修课程：《化工原理》、《机械制图》、《化学反应工程》、《化工设备机械基础》、《化工仪表自动化》、《化工制图与CAD》

学时学分：总学时32 (其中理论学时：32)，学分2

二、课程性质与目标

《化工工厂设计》是高等学校化学工程与工艺专业的一门专业必修课，对于培养化工专业学生在化工企业建设、生产管理、项目开发、技术改进等场景中，综合运用专业知识和技能解决的复杂化学工程问题具有重要作用。在进入本课程学习前，学生应具备工艺、装备和控制等基础知识以及工程制图、工程计算等基础技能；在本课程学习中，学生将在工程设计的统筹、计算、制图等方面获得较为综合的能力培养，从而为进入化工工艺课程设计、毕业设计等实践环节打下基础。

本课程的主要课程目标为：

1、了解化工过程开发周期和流程，理解设计阶段划分及其设计目标和要素；掌握工厂设计的总体思路和基本方法（支撑毕业要求指标点3.1）；

2、能够集成单元操作/单元反应构建工艺流程、运用工艺三算方法实施工艺及装备设计、理解过程控制、管道和车间布置技术要求和规范；在设计过程中体现创新意识（支撑毕业要求指标点3.2）；

3、能够利用工程图纸/计算书等形式规范展示化工设计多阶段的设计结果（支撑毕业要求指标点3.4）；

4、了解一般化工企业机构设置及运行管理方式；理解技术、经济和环境可行性对化工项目的影响（支撑毕业要求指标点11.2）；

5、了解工程经济概念，能够运用静态评价方法评价化工设计方案的合理性（支撑毕业要求指标点11.3）。

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：

［内容］

1.1化学工程的含义和地位

1.2化工设计的目的和内容

1.3现代化工过程的特点

1.4课程教学方案和学习要求

［要求］

了解化工设计的目的和内容；

理解化工工程设计人员承担的责任及与多学科人员沟通协作的必要性；

了解现代化工过程的特点和主要发展趋势。

2、教学重点：

化工设计的目的和内容，现代化工过程的特点

3、教学难点：

无

（二）化工过程设计程序

1、教学内容与要求：

［内容］

2.1化工工程项目开发过程

2.2化工工艺设计程序

2.3化工设计中的全局性问题

2.4化工企业基本构架及运行管理

［要求］

了解化工工程开发的全周期、全流程及其关键节点；

理解化工工艺设计过程中各步骤的主要内容和逻辑联系，了解各阶段成果的表达形式；

了解化工设计中厂址选择、总体布置、公共工程等全局性问题的主要解决途径；

了解化工企业构架，理解其一般运行管理机制；

理解化工工厂设计的洋葱型设计思想；

掌握从技术、经济和环境等多角度评价化工项目可行性的思考方法

2、教学重点：

化工工艺设计程序，化工工厂总体布置，化工企业构架及运行管理

3、教学难点：

公共工程和厂区布置

（三）化工工艺流程设计

1、教学内容与要求：

［内容］

3.1工艺流程设计的内容和方法

3.2工艺流程设计的目标和成果形式

3.3工艺流程设计的基本思想

3.4分离过程的组合及调整

3.5辅助流程设计

3.6工艺流程图的绘制。

［要求］

掌握工艺流程的设置和调整思路及方法，掌握各类工艺流程图的特点和绘制要求。

2、教学重点：

分离操作的经验法则，方案比较和优化，有序试探-调优法，工艺流程草图的绘制。

3、教学难点：

单元操作/单元反应的集成及工艺流程构建

工艺流程草图的绘制

（四）物料衡算

1、教学内容与要求：

［内容］

4.1物料衡算的基本概念

4.2物理过程的物料衡算

4.3反应过程的物料衡算

4.4复杂过程的物料衡算

4.5化工工厂物料衡算程序

［要求］

了解物料衡算式的基准及适用范围，掌握物料衡算系统独立方程组的建立方法、反应过程的直接计算法、节点计算法，了解循环系统，旁路系统和驰放系统的计算原则。

2、教学重点：

系统选择和独立方程组的建立方法、反应过程的直接算法、节点计算法。

3、教学难点：

系统选择和独立方程组的建立方法、节点计算法。

（五）能量衡算

1、教学内容与要求：

［内容］

5.1能量衡算的基本概念和一般方法

5.2常用物性数据的查取和计算

5.3能量消耗计算

5.4热量集成初步^*（进阶可选）

［要求］

掌握设备热量状况分析的基本原则；了解设备预热和设备热损失的估算方法，物性参数的来源和基本计算方法；理解热量集成的概念，掌握初步的热量集成方法。

2、教学重点：

设备热状况分析，换热系统的T-H图及栅格图表示方法，T-H复合曲线法。

3、教学难点：

热量集成概念，换热系统的T-H图及栅格图表示方法。

（六）设备设计和选型

1、教学内容与要求：

［内容］

6.1泵的种类和特点及选型依据

6.2换热器的种类及选型依据

6.3气体输送设备的种类和特点及选型依据

6.4储罐结构和设计

6.5釜式反应器的结构和设计

6.6化工设备图

［要求］

了解泵、换热器及气体输送设备等定型设备的特征及选型依据；掌握真空系统的计算和选型方法；掌握储罐及反应器等非定型设备的设计方法；熟悉设备图的绘制要求和注意事项。

2、教学重点：

定型设备的选型依据，真空系统的计算选型，釜式反应器的设计计算，间歇操作周期的确定。

3、教学难点：

釜式反应器的设计计算，间歇操作周期的确定及排班。

（七）管道布置与车间布置

1、教学内容与要求：

［内容］

7.1管道和阀门类型及特点

7.2仪表和控制单元的配置

7.3管道和仪表的表示方法

7.4管道及仪表流程图

7.5车间总体布置方案和布置要求

7.6平面和立面布置图

［要求］

了解管道和阀门的类型及特点，掌握选择方法；掌握管道和仪表在管道仪表流程图上的表示方法；熟悉车间总体布置原则，了解车间平立面布置图的绘制内容和要点。

2、教学重点：

阀门种类和特点，管道和仪表表示方法，操作参数的反馈控制。

3、教学难点：

管道和仪表表示方法，操作参数的反馈控制。

（八）工程经济

1、教学内容与要求：

［内容］

8.1经济评价的基本概念

8.2静态评价方法

8.3动态评价方法

8.4投资组成和估算

8.5设备成本估算

［要求］

理解经济评价的基本概念，掌握简单静态评价方法和动态评价方法；了解投资估算的基本思路；掌握设备价格估算的一般方法。

2、教学重点：

静态评价方法，设备价格估算法。

3、教学难点：

投资收益率的估算，投资回收期的估算，净现值法动态估算

四、学时分配

表2 课程学时分配

备注：*表示课堂教学采用报告-讨论的组织形式

五、教学环节与教学方法

本课程包括课堂讲授，课堂问答/讨论和（课后）课程作业三个主要教学环节。课堂讲授主要用于基本概念、基本思想和方法的讲解，主要采用案例解析、例题演示、理论推导等方法，强调知识和能力体系的逻辑关联；课程作业则是分阶段设计目标为导向，要求学生通过自主性学习（教师指导阅读）和思考形成设计方案，进而在设计过程中训练统筹、计算和制图三大应用技能；课堂问答/讨论主要用于教学难点的重点解析，也鼓励学生提出创新设想，此外还强调易于忽略的技术规范，引导学生逐步形成严谨周密却又大胆创新的设计风格。

表3 课程目标及其实现方法

六、课程考核评价

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，设计作业均为具有具体阶段性设计目标的设计任务，需要应用统筹、计算和制图等技能完成；课堂表现（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。课堂表现总评分15%，课程作业占总评分45%，课程考试占总评成绩40%，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

期末考试采用百分制，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，标准作业时间均为一周；

2. 各次课程作业均有特定设计要求/标准，将与设计任务一并发布；

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。

七、教材与主要参考书

教 材：《化工工程设计概论》（第二版，普通高等教育“十二五”规划教材），杨基和，徐淑玲，中国石化出版社，2012

参考书：1、《化工设计》，梁志武，陈声宗主编，化学工业出版社，2015；2、《化工工艺设计手册》，中国石化集团上海工程有限公司编，化学工业出版社，2016；3、《化工设计》，王静康主编，化学工业出版社，2001；4、《轻化工工厂设计概论》， 周镇江，中国轻工业出版社，2006

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×40%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：刘晔

二零二零年一月