《过程设备设计A》课程教学大纲

       课程编号：0802501007

课程名称：过程设备设计A                     

英文名称：Process Equipment Design A

学    分：3.5  总 学 时：56  

讲课学时：50  实验学时： 6   上机学时：0    课外学时：0 

适用对象：四年制过程装备与控制工程专业

先修课程：工程制图A、材料力学D、机械设计A、化工原理A

学生自主学习时数建议：56

一、课程性质、目的和任务  

    本课程是过程装备与控制工程专业的专业主干课程，通过本课程的学习，使学生能综合运用基础课、专业基础课程中的基本理论及相关的工程实践知识，基本具备从事过程设备设计和研究开发的初步能力。

二、教学基本要求 

本课程以过程设备的应力分析和结构设计为重点，要求熟悉并掌握过程设备设计的基本理论及工程实践知识，能采用正确、合理的方法进行过程设备的设计；从材料、设备的结构、制造质量、安装、操作维护等方面对过程设备的工程设计进行综合分析和研究。学完本课程应达到以下基本要求：

1. 熟练掌握压力容器的总体结构及分类，了解国内外压力容器设计规范；

2. 熟练掌握过程设备中的主要部件（薄壁壳体、厚壁壳体、平板等）在载荷作用下的应力计算方法，薄壁壳体在外压作用下稳定性的计算方法；

3. 掌握压力容器材料及环境和时间对其性能的影响；

4. 熟练掌握压力容器及各部件设计计算的基本方法即常规设计，包括：压力容器筒体、封头，压力容器密封、开孔及补强、焊接结构、安全装置等的设计方法及压力试验的方法等；掌握压力容器的应力分类；了解压力容器的分析设计和疲劳设计思想；

5. 掌握卧式储罐的设计计算方法，包括卧式储罐的载荷分析、内力分析、筒体的应力计算及强度校核等；

6. 熟练掌握传热设备的结构及主要零部件的计算方法，重点掌握各种管壳式换热器及其零部件的基本结构及设计方法；

7. 熟练掌握塔设备及其零部件、附件的基本结构及塔设备的强度计算方法，重点掌握板式塔、填料塔及其零部件、塔附件的基本结构，塔体的强度及稳定性计算的方法，塔体的振动及防振；

8. 熟练掌握搅拌反应器包括反应容器、搅拌器、密封装置等的结构，各种零部件的类型、结构特点。

三、教学内容 

绪论

1、教学内容

（1）掌握过程设备的功能及应用；

（2）掌握过程设备的特点和基本要求；

（3）了解影响过程设备设计的因素；

（4）了解本课程的目的及内容。

2、重点和难点

（1）重点：过程设备的功能及应用；过程设备的特点和基本要求。

（2）难点：无。

第1章  压力容器导言

1、教学内容

要求：掌握压力容器的总体结构、压力容器分类方式及国内外压力容器设计规范。

（1）熟练掌握压力容器的总体结构；

（2）熟练掌握压力容器的分类；

（3）掌握压力容器设计规范。

2、重点和难点

（1）重点：压力容器的总体结构；压力容器的分类。

（2）难点：无。

第2章  压力容器的应力分析

1、教学内容

主要内容：本章是该教材的重要内容，应掌握过程设备中的主要部件（薄壁壳体、厚壁壳体、平板等）在载荷作用下的应力计算方法，薄壁壳体在外压作用下稳定性的计算方法。

（1）熟练掌握回转薄壳的应力分析，包括回转壳体的几何要素，无力矩理论及无力矩理论的基本方程，典型回转壳体的薄膜应力；了解有力矩理论及回转壳体的不连续分析方法；

（2）掌握厚壁圆筒的应力分析，包括弹性应力分析和弹-塑性应力分析，屈服压力和爆破压力；

（3）掌握平板的应力分析，包括轴对称圆平板的弯曲方程，轴对称圆平板中的应力；

（4）熟练掌握薄壳的稳定性分析，包括稳定性的概念，壳体失稳的形式，影响稳定性的因素，外压薄壁圆柱壳体的弹性失稳分析；掌握其它回转壳体的临界压力：半球、碟形壳体、椭圆壳体及锥形壳体等；

（5）了解压力容器的典型局部应力及分析方法，降低局部应力的措施。

2、重点和难点

（1）重点：薄壁壳体，无力矩理论的基本方程及其应用；厚壁壳体，弹性应力，弹-塑性应力的计算方法；平板的弯曲及平板中应力的计算方法；薄壁外压容器的临界压力的计算。

（2）难点：回转薄壳的应力分析；厚壁圆筒的应力分析；薄壳的屈曲（稳定性）分析。

第3章  压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

1、教学内容

主要内容：压力容器用钢材，有色金属、非金属等材料及其基本性能；制造工艺如塑性变形、应变硬化以及焊接对材料性能的影响；环境如温度、介质对材料性能的影响；选材的基本要求及应考虑的因素。

（1）熟悉掌握压力容器常用材料；

（2）掌握制造工艺对钢材性能的影响：塑性变形，应变硬化，冷、热加工，应变时效， 焊接；

（3）掌握环境对压力容器用钢性能的影响：温度，介质；

（4）熟练掌握压力容器材料选择，包括压力容器用钢的基本要求，压力容器用钢的选择。

2、重点和难点

（1）重点：压力容器常用钢材的种类及性能；环境对压力容器用钢材性能的影响；压力容器材料选择。

（2）难点：无。

第4章  压力容器设计

1、教学内容

主要内容：本章为该课程的重点内容，介绍压力容器及各部件设计计算的基本方法。包括：常规设计、分析设计和疲劳设计。

（1）掌握压力容器的设计要求，设计条件，设计文件；

（2）熟练掌握压力容器的失效形式及设计准则；

（3）熟练掌握压力容器的常规设计方法，包括内压、外压作用下的圆筒设计和封头设计， 压力容器的密封设计，开孔及开孔补强设计，支座及检查孔设计，安全泄放装置的选择，焊接结构设计，压力试验的选择；

（4）了解压力容器分析设计的基本思想，掌握压力容器的应力分类，了解应力强度的限制条件；

（5）了解压力容器的疲劳分析思想；

（6）了解压力容器设计的技术进展。

2、重点和难点

（1）重点：常规设计方法，包含压力容器筒体和封头，压力容器密封、开孔及补强、焊接结构、安全装置等的设计方法及压力试验的方法等。

（2）难点：常规设计方法，包含压力容器筒体和封头，压力容器密封、开孔及补强设计。

第5章  储存容器

1、教学内容

主要内容：本章介绍储存设备，包括卧式储罐及球形储罐，主要是卧式储罐的设计计算方法，包括卧式储罐的载荷分析、内力分析、筒体的应力计算及强度校核等。

（1）熟练掌握卧式储罐的结构形式及设计计算：载荷分析、内力分析、筒体应力计算及强度校核，鞍座的强度校核；

（2）掌握球形储罐的罐体结构、支座形式及人孔和接管的设计；

（3）了解移动式压力容器的基本结构。

2、重点和难点

（1）重点：卧式储罐的设计计算方法，包括卧式储罐的载荷分析、内力分析、筒体的应力计算及强度校核等。

（2）难点：卧式储罐的设计计算方法，包括卧式储罐的载荷分析、内力分析、筒体的应力计算及强度校核等。

第6章  换热设备

1、教学内容

主要内容：传热设备的结构及主要零部件的计算方法，重点掌握各种管壳式换热器及其零部件的基本结构及设计方法。

（1）掌握换热设备的分类及特点；

（2）熟练掌握管壳式换热器的类型与结构，了解管板的设计，了解膨胀节的设计以及管束振动及防振；

（3）掌握传热强化技术。

2、重点和难点

（1）重点：各种管壳式换热器及其零部件的基本结构及设计方法。

（2）难点：无。

第7章  塔设备

1、教学内容

主要内容：塔设备及其零部件、附件的基本结构及塔设备的强度计算方法，重点掌握板式塔、填料塔及其零部件、塔附件的基本结构，塔体的强度及稳定性计算的方法，了解塔体的振动及防振。

（1）掌握塔设备的应用及结构型式；

（2）熟练掌握填料塔内件的结构设计，包括填料支承装置、液体分布装置、液体收集再分布装置、填料的压紧和限位装置；

（3）熟练掌握板式塔的分类与结构，包括泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、无降液管塔、导向筛板塔、斜喷型塔；塔盘的结构，包括塔盘、降液管、受液盘、溢流堰；

（4）熟练掌握塔的附件，包括除沫器、裙座、吊柱等；

（5）熟练掌握塔及裙座的强度计算及稳定性校核；

（6）了解塔设备的振动形式及防振措施。

2、重点和难点

（1）重点：板式塔，填料塔及其零部件，塔附件的基本结构，塔体的强度及稳定性计算的方法。

（2）难点：塔体的强度及稳定性计算的方法。

第8章  反应设备

1、教学内容

主要内容：反应设备的分类、结构及特点，其主要内容为搅拌反应器包括反应容器、搅拌器、密封装置等的结构，各种零部件的类型、结构特点。

（1）掌握反应器的分类及常用反应器的结构及特点；

（2）熟练掌握机械搅拌反应器的基本结构：搅拌容器，搅拌器，搅拌轴的设计，密封装置及传动装置；

（3）了解机械搅拌设备技术进展。

2、重点和难点

（1）重点：搅拌反应器包括反应容器、搅拌轴、搅拌器、密封装置等的结构及设计，各种零部件的类型、结构特点。

（2）难点：搅拌反应器包括反应容器、搅拌轴、搅拌器、密封装置等的结构及设计。

四、实践环节设计

为巩固理论知识，本课程安排5项实验，根据课程需要完成其中4项实验（2项必做，另3项中选作1项）共6学时：

1. 薄壁容器应力测试实验（2学时）（必作）

实验目的及要求：

（1）了解内压薄壁容器在内压作用下薄膜应力的分布规律；

（2）验证薄壁容器筒体应力计算的理论公式；

（3）掌握用电阻应变仪测定应力的基本原理及具体操作的过程和方法。

2. 高压爆破实验（2学时）（必作）

实验的目的和要求：

（1）了解厚壁容器加载、塑性变形、应变硬化、最后大变形破坏的全过程；

（2）测量厚壁圆筒的爆破压力，并与各种失效理论的结果进行比较；

（3）了解大应变及数据采集的技术。

3. 外压容器稳定性实验（2学时）（选作）

实验目的及要求：

（1）观察薄壁圆筒形容器在周向外压作用下失稳的形态；

（2）测定圆筒形容器的临界压力并与理论值进行比较。

4. 换热器综合实验（2学时）（选作）

实验的目的和要求：

（1）测定换热器的系列参数，掌握换热器性能的测试方法和工作原理；

（2）比较套管换热器、板式换热器和列管式换热器的结构及性能的差别；

（3）通过测定参数计算换热器流体的热量和传热系数及效率；分析换热器的传热状况，比较顺流和逆流传热的差别。

5. 水处理剂缓蚀性能的测定实验（2学时）（选作）

实验的目的和要求：

（1）测定水处理剂缓蚀性能；

（2）测定金属材料在特定溶液中的腐蚀速率，掌握压力容器材料腐蚀裕量的计算方法。

具体实验的内容、方法详见实验指导书。

五、课外习题及课程讨论 

为达到本课程的教学基本要求，课程讲授过程中应跟随进度布置足量的课外习题。

六、教学方法与手段  

本课程采用板书与多媒体课件结合的方式进行课堂教学。

七、各教学环节学时分配 

八、学生自主学习要求

课外学生自主学习时间不少于56课时。

九、考核方式与成绩评定  

1、考核方式：本课程为考试课程，期末考试为闭卷笔试。

2、成绩评定：学生的课程总评成绩由平时成绩（占30%）和期末考试成绩（占70%）两部分构成，平时成绩中实验成绩占10%，出勤、作业、学习主动性等占20%。

十、推荐教材和教学参考书 

教  材：《过程设备设计》（第4版），郑津洋、董其伍、桑芝富，化学工业出版社，2015.10

参考书：《化工容器设计》（第三版），王志文，化学工业出版社，2008

       《化工容器设计》，丁伯民，化学工业出版社，2003

GB150-2011《压力容器》，2011

《化工设备设计全书》， 化学工业部化工设备设计技术中心站，化学工业出版社，2003

十一、说明

本课程实践性较强，授课过程中要多结合工程实例。

大纲制订人：刘友英

大纲审定人：朱大胜

制订日期：2016年4月10日

           《过程设备设计A》课程实验教学大纲

一、教学目标与基本要求

要求对常用主要过程设备的实验方法有所了解，并掌握各实验原理、步骤和常用实验仪器设备、仪表的操作方法及一些基本公式的运算。综合实验能充分发挥学生的个性，要求学生认真做实验，如实观测记录，认真解答思考题中的问题，独立作出实验报告。设计性实验要求学生选择实验方法和步骤，选用仪器设备，提出实验预案，经指导老师同意后，独立操作完成设计性实验，写出实验报告。

二、基本理论与实验技术知识

随着现代过程装备技术的迅速发展，各种先进高效的过程装备、化工生产设备等得到了广泛应用。

本实验属专业必修实验课，在实验过程中，注意掌握过程设备设计的基本理论、基本知识和基本技能，为将来工作打下基础。

三、实验方法、特点与基本要求

1、基本操作技能

正确使用常见的过程设备配套仪器、仪表，训练学生基本的实验技能，掌握基本的过程设备测试技术、实验方法及数据分析处理。验证所学的科学知识，加深和巩固对所学知识的认识和了解。

2、验证性和综合性实验

验证课程中所学的基本知识和基本理论，加深对所学知识的理解；对内压容器（薄壁、厚壁）、外压容器及换热设备等过程设备有个感性的认识，为将来工作做好铺垫，打好基础。

四、实验主要仪器设备

1.         薄壁容器应力测试实验装置：薄壁容器DN325*8、压力自控施压泵Z4DSY-15/80静态电阻应变仪、转换器、测试软件及测试微机；

2.         高压爆破实验装置：高压爆破教学实验台NGGY-2、压力传感器MB26、USB数据采集箱、转换适配器、测试微机及测试软件；

3.         外压容器稳定性实验装置：外压容器稳定性试验台GDWY-002、试压泵SB-48；

4.         换热器综合实验装置：换热器综合试验台GDH-002（含套管式、板式和列管式三种换热器）、电加热器、水泵、转子流量计、温控仪等；

5.         水处理剂缓蚀性能的测定实验装置：RCC-I旋转腐蚀挂片试验仪（含10个挂片支架、仪表箱、导柱、恒温水浴箱及测温电阻）。

 五、实验项目的设置与内容提要

六、实验报告要求

每次实验提交实验报告。实验报告由实验原理、实验内容及数据的记录及处理组成，并附有实验原始记录。

七、考核方式与成绩评定

1、考核方式：根据学生预习情况以及实验记录、实验操作、实验报告四部分综合评定。

2、成绩评定：预习10%、操作40%、报告40%、原始记录10%。

八、教材及主要参考资料

教  材：《过程装备与控制工程专业实验指导书》 李冲，自编讲义，2014年5月

参考书：《过程设备设计》（第4版），郑津洋、董其伍、桑芝富，化学工业出版社，2015

九、其他说明

无。

大纲制订人：刘友英/朱大胜

大纲审定人：朱大胜

制订日期：2017年4月8日