课程类别：实践教学环节 课程名称：过程装备与控制工程专业课程设计
开课单位：机械工程学院 课程编号：B05020505K
总学时：2周 学 分：2
适用专业：过程装备与控制工程
先修课程：化工原理、过程设备设计、过程流体机械、过程装备成套技术
一、课程在教学计划中地位、作用
《过程装备与控制工程专业课程设计》是过程装备与控制工程专业的一门专业实践类课程，是通过设计过程能综合应用所学的多种专业知识和专业基础知识，同时获得依次工程设计实践的实际训练。本课程设计所涉及的知识领域包括化工原理、过程设备设计、过程流体机械、过程装备成套技术过程检测控制技术或过程装备控制技术及应用等课程，通过过程产品的整套装备设计过程将其串接起来，实现模拟实际工程设计的一次训练。
本课程是在完成所有的专业课程课堂教学和实践环节后的一次综合性的能力训练，所设计的结果将在生产/毕业实习过程中得到检验。在完成本课程后，学生能够通过小组分工合作的方式初步完成一个比较完整的过程工艺产品的成套装备设计过程，为本专业学生就业后有能力承担过程工业生产的不同环节的技术工作进行知识储备和技术培养。
二、课程目标
经过本课程的训练，学生可通过小组分工协作后具备下列能力：
1. 对典型过程产品进行工艺设计，能对典型设备进行结构设计，对典型输送设备进行机器选型，对主要工艺管道进行选材与设计，对典型设备的典型参数(如温度、压力、流量、液位等)进行自动控制方案设计，对整套装备进行经济分析与评价。
2. 在完成工艺设计和结构设计基础上，按标准要求绘制出工艺流程草图、工艺物料流程图、管道及仪表流程图和典型设备的装配图。
3. 能通过口头表述形式，辅助以图文并茂的PPT文档，按逻辑关系有条理的陈述整个设计过程与设计结果。
三、课程内容、基本要求
第一阶段 论证与准备
1. 工艺方案设计
本次课程设计采用设计小组的形式，参考实际工程的专业分工，本课程设计按照所培养学生的专业方向不同首先完成设计小组分工，设计小组成员7~10人。
根据课程设计任务书要求，首先确定待设计产品的工艺路线，随后确定适合的工艺流程，在此基础上进行主要设备的物料和热量衡算，初步完成工艺方案设计和论证，提交工艺方案论证报告，同时包含料衡算一览表、进出物流焓值表、能量平衡表、原料与动力消耗定额及消耗量表等规范表格项。
2. 设计小组分工
参考实际工程的专业分工，本课程设计按照所培养学生的专业方向不同首先完成设计小组分工。设计小组成员7~10人，专业分工包括设备与管道设计(3~4人)、工程绘图(2~3人)、自控方案设计与工程概算(2～3人)。
工艺、设备与管道设计人员主要完成工艺设计、设备设计、机器选型、管道设计、绝热设计；工程绘图人员主要完成工艺流程草图、工艺物料流程图、管道及仪表流程图和典型设备(如换热器、塔器、反应器、储罐)的装配图；自控方案设计人员主要完成典型设备的典型参数的自动控制方案的具体设计；工程概算人员主要完成整套装备的设备价格估算、项目投资估算和经济评价。
第二阶段 分工协作设计与绘图
本阶段要求：设计小组成员根据专业分工不同，在同一时间段内协调完成如下多项设计工作。
1. 典型设备结构设计
根据工艺流程所确定的主要设备和物料、热量衡算所确定的工艺参数，利用《过程设备设计》相关知识对典型过程设备进行结构设计，包括设备型式选择、设备特性尺寸(如容器的设计容积、换热设备的换热面积等)，以及流体流动阻力与操作范围的计算。进一步完成设备材料选择、根据强度条件计算筒体、封头厚度，以及设备内部结构设计。最后编制设备一览表、所设计设备主要尺寸和结果汇总表。
2. 主要机器选型
对装置所需定型设备进行选型时，需要根据工艺要求来实现预定的过程，详见《过程流体机械》。对机泵而言，需要确定管路总长、弯头(三通)、阀门等，计算对应的局部阻力，然后确定扬程和压差。由此选择适合的机泵类型。最后编制机器选型一览表。
3. 工艺管道设计与绝热设计
根据工艺流程图对设备之间的每根工艺管道进行管材和规格尺寸的确定：其中管子材料的选择主要考虑介质腐蚀特性、公称压力和设计温度，以及工作环境等；管子规格尺寸的确定(包括直径和壁厚)，其确定方法参考压力容器筒体直径和壁厚计算方法(可根据介质常用流速计算对应管径或按经济直径法计算也可，壁厚则根据直管经验公式计算出理论壁厚，并考虑壁厚负偏差和腐蚀余量确定最小壁厚，再根据管子标准尺寸圆整得到管子规格)，也可参考相关手册进行设计。然后编制工艺管道一览表。
对其中设计温度较高或较低的工艺管道需进行绝热设计，主要进行绝热材料的选择，绝热层厚度的确定，其计算公式可按照经济性绝热厚度公式或热损失绝热厚度进行的计算与校核，最后编制绝热设计一览表。
4. 工艺流程图绘制
根据工艺路线绘制出工艺流程草图，需标注设备位号；再结合物料、热量衡算结果，绘制工艺物料流程图，需标注设备位号、名称及特性数据，流程中物料组分、流量等；物料表和热量衡算表；再结合管道设计与自动方案设计，绘制管道及仪表流程图，需标注设备位号、管段位号、控制点仪表位号、图例等。根据典型设备设计结果绘制对应的典型设备装配图，标注设计数据表、管口表及明细栏和技术要求等。
5. 过程控制方案设计
根据工艺要求，选择重要的工艺参数(如温度、压力、流量、液位、收率)进行简单回路或复杂回路的控制方案设计，内容包括被控变量选择、操纵变量选择、检测与变送器选型、调节阀选型(包括类型、口径、气开气关型式、流量特性等，最后给出具体型号及特性参数)、控制器规律选择、正反作用选择等。然后编制仪表索引表和仪表数据表。
6. 经济分析与评价
根据工艺流程相关设备主要参数，完成概算依据、单元设备费用估算、投资费用估算、总成本费用估算、财务分析与评价的工作，最后汇总出主要技术经济综合指标一览表。
第三阶段 说明书整理与答辩
1. 设计小组通过分工协作
共同完成一份专业课程设计说明书。内容包括：封面、设计小组成员分工表、目录、概论(包括设计依据和原则、产品规格表、原料来源表、危险性物料的物性表等)，工艺衡算(包括流程简述、物料和能量衡算一览表、原料与动力消耗定额及消耗量表)、典型设备的设计过程与结果(包括设计标准、工艺参数计算与校核、结构设计与校核、所设计设备一览表)、典型输送设备的机器选型计算(包括选型依据、具体工艺参数计算与校核、选型结果、所选型机器一览表)、主要工艺管道的设计(包括设计标准、管子选材、管径、壁厚计算与校核、存在绝热处理的绝热选择与厚度计算与校核、所设计管道一览表)、自控方案设计(包括设计依据、典型参数的控制方案具体设计结果，所设计仪表一览表)、工程概算(包括概算依据、单元设备费用估算、投资费用估算、总成本费用估算、财务分析与评价、主要技术经济综合指标一览表)、设计总结、参考文献。
2. 设计小组通过分工协作
共同绘制出工艺流程草图(A2) 1张、工艺物料流程图(A2) 1张、管道及仪表流程图(A2) 1张和典型设备的装配图(如换热器装配图、塔器装配图、反应器装配图、储罐装配图等，视工程绘图人数而定)多张A2。
3. 设计小组成员答辩成绩评定标准
第五部分的课程达成目标是针对整个设计小组的成绩来设计的，通常当小组内各个成员贡献相当时，设计小组成绩直接等于各个成员的成绩，但如果出现个别小组成员不认真其设计任务，导致其他成员的进度收到耽搁时，需采取惩罚措施避免个别成员最终成绩“吃大锅饭”，因此可考虑根据设计小组集体所确定每人的设计贡献进行加权评价来确定小组成员的设计成绩Si，具体公式如下：
式中，S为设计小组所得成绩；n为设计小组人数；xi为设计小组针对第i个成员所确定的贡献，且
。
4. 答辩过程
本次课程设计答辩以设计小组为单位进行答辩，各小组可选派一名或多名成员进行口头陈述，而在答辩期间由全部成员根据专业分工不同，自愿回答答辩委员会所提出的问题。每组答辩时间约为30min，答辩成绩根据课程设计答辩评价标准进行。
四、学时分配
章节名称 |
讲授（学时） |
实验（天数） |
小计 |
第一阶段 |
0 |
3 |
3 |
第二阶段 (分工协作) 共5天 |
典型设备设计 |
0 |
3 |
3 |
主要机器选型 |
0 |
2 |
2 |
工艺管道设计与绝热设计 |
0 |
3 |
3 |
工艺流程草图与工艺物料流程图 |
0 |
2 |
2 |
管道及仪表流程图 |
0 |
2 |
2 |
典型设备装备图 |
0 |
3 |
3 |
过程控制方案设计 |
0 |
2 |
2 |
工程概算 |
0 |
2 |
2 |
第三阶段 |
0 |
2 |
2 |
合计 |
0 |
10 |
10 |
五、课程目标达成评价的途径和措施
1. 考核目标
在考核学生对工艺、设备、管道、过程控制仪表、对象建模、控制系统的基本知识和基本原理的基础上，重点考核学生通过小组分工合作的方式初步完成一个比较完整的过程工艺产品的成套装备设计能力；
2. 考核方式：出勤情况、小组设计文档、小组设计图纸、小组答辩；
3. 考核方式及对课程目标达成、评价比例见表5.1和表5.2所示。
4. 计分方法：五级等级分数制：“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”和“不及格”。
表5.1 考核方式对课程目标达成贡献率及支撑材料
考核环节 |
出勤情况 |
小组设计文档 |
小组设计图纸 |
小组答辩 |
课程目标达成的贡献率 |
0.3 |
0.2 |
0.2 |
0.3 |
支撑材料 |
出勤计分标准、 出勤情况登记表 |
设计文档评价标准、 小组课程设计说明书 |
图纸评价标准、 小组设计图纸 |
小组答辩评价标准、 |
表5.2 各考核方式对不同课程目标评价的比例分配
课程目标 |
出勤情况 |
小组设计文档 |
小组设计图纸 |
小组答辩 |
1 |
0.4 |
0.6 |
0 |
0 |
2 |
0.4 |
0.3 |
0.3 |
0 |
3 |
0 |
0.3 |
0.3 |
0.4 |
六、主要参考书
1. 黄振仁等. 过程装备成套技术(第二版) [M]，北京：化学工业出版社，2008
2. 黄振仁等. 过程装备成套技术设计指南(第二版) [M]，北京：化学工业出版社，2013
3. 梁志武, 陈声宗, 任艳群等. 化工设计(第四版) [M]，北京：化学工业出版社，2015
4. 王静康等. 化工过程设计(第二版) [M]，北京：化学工业出版社，2006
5. 陈敏恒等. 化工原理[M]. 北京：化学工业出版社，2001
6. 中国石化集团上海工程有限公司. 化工工艺设计手册(上下册) (第4版) [M]，北京：化学工业出版社，2009
7. 国家医药管理局上海医药设计院. 化工工艺设计手册(第二版) [M]，北京：化学工业出版社，1996
8. 时均等. 化学工程手册(上下册) (第2版) [M]，北京：化学工业出版社，1996
