国内外化工类核心课程《化工设计》教材及教学对比

(调研报告4)

钟理 陈砺

（华南理工大学 化学与化工学院）

[摘要]本调研报告介绍了国内外《化工设计》课程使用的教材，重点对Max S. Peters, Klaus D. Timmerhaus编写、目前美国大学使用最普遍的Plant Design and Economics for Chemical Engineers教材及教学内容与我国高校目前使用的《化工设计》教材及教学内容进行了对比分析，为国内化学工程专业《化工设计》课程教学计划的制定、修订以及教学改革提供参考。

1 前言

《化工设计》是化学工程与工艺专业及其他化工类专业的一门学科基础课，是培养学生创新思维、工程能力和灵活运用各方面知识来解决实际问题的能力的重要载体，是工科大学生通向合格工程师的重要桥梁。该课程在先修课程知识的基础上，讨论化学工艺过程、化工设备和化工厂的整体设计问题。主要内容有：化工设计概述，过程物料及热量衡算，化工过程分析与优化整合，工艺流程设计，设备设计，总图布置及储运，设备平面及立面布置，管路布置，公用工程及环境保护等。化工设计教学在国内具有悠久的历史。新中国成立后的上世纪五十年代全国高校院系调整起，在国内一批著名的化工专家如余国琮、王静康、汪家鼎院士及化工界的老前辈邓颂九、谭盈科、袁孝鹑、陈仲言教授的领衔下，开展了化工设计的相关教学。1977年全国恢复高考后，国内高校设置了化学工程专业，时任各个化工系的教授从培养化工设计工程人才出发，对化学工程与工艺专业提出了明确的培养目标：即加强学生的基础理论知识，在打下坚实的理论基础上加强对工程实践能力的培养，学生在课程设计和毕业设计环节中，以实际化工生产装置为蓝本，进行了大量的化工设计及工程设计训练。到了20世纪80年代末期，国内工程教育出现了重理论轻实践的倾向，一些重点院校的学生在毕业环节基本上只做科研论文，极少或根本不做设计工作，我国的化工设计事业遇到了人才危机。改革开放后外国化工企业大举进入我国，抢夺我国的市场，其先进的技术和管理对我国的化工企业构成的威胁也越来越大，靠模仿生存的企业日子越来越难过，日益严格的知识产权保护的法律环境留给模仿者的利益空间越来越狭窄。我国的化学工业要生存和发展，必须加速技术进步和技术创新，加强原创性的基础研究和产品开发，只有不断地创新，才能站在技术的前沿，也才能获得巨大的经济利益。 

1996年国内高校由天津大学牵头，华东理工大学、浙江大学、北京化工大学、大连理工大学、四川大学等7所高校共同参加的教育部面向21世纪教改项目《化工类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践》（1996.6—2000.5）的研究工作，在余国琮院士的领导下，在新世纪化学工程与工艺专业培养方案中，化工设计被确定为专业主干课程。与过程优化设计、模拟仿真类化工设计课程相比，化工设计所需的知识面较广，包括从工艺路线选择、总图、工艺流程、设备布置、装置设计、公用工程、仓储物流、安全生产、环境保护、经济分析及可行性报告撰写等各个方面。该课程可使学生在贴近工程设计实际环境中掌握课程知识。　 

国外化工设计课程从上世纪20-30年代就出现在高校化工类专业的教学，其中以美国MIT为代表，该课程以注重工程实际与实践。将大学前几年学过的知识应用到最后的化工过程与工艺、单元装置设计以及工厂设计中，既培养学生应用化学工程基本原理和方法，应结合工程实践，成为化工学科最重要的学位课程之一。美国不同大学开设的化工设计课程的名称与教材不完全相同，包括有：《Applied process design for chemical and petrochemical plants》, 《Chemical process industries》，《Recent development in chemical process and plant design》，《Chemical process engineering design and economics》，《Art of Chemical Engineering Design》，《Plant Design and Economics for Chemical Engineering》，《Chemical Process Equipment》，《Chemical and Process Equipment Design: Vessel Design and Selection》等等。但其教学内容均涉及化工过程及工艺的设计，反应工程及装置设计，单元设备的设计，物料与能量衡算，工厂管路及厂房布置，化工厂生产安全与环境保护，设计中的经济学等。

本调研报告将结合作者在美国及加拿大大学访问及学习经历，并结合国内大学本科生《化工设计》的教学，对国内外该课程使用的教材与教学内容及方法等进行对比，以便为我国高等教育化工类核心课程教材建设与教学改革做些基础工作。
2 国内外化工设计教材及教学内容对比 

《化工设计》是所有高校化学工程专业的学生必修课程之一，国内不同高校和出版社相继出版了多种《化工设计》教材，具有代表性的主要有:
1、王静康(院士)主编，化工设计，化学工业出版社，1995；
2、黄英主编，化工过程设计(国防科工委”十五”规划教材)，西北大学出版社，2005;
3、王红林，陈砺主编. 化工设计. 华南理工大学出版社等教材。
国内教材以王静康(院士)主编的〈化工设计〉和黄英主编的〈化工过程设计〉较有代表性，前者是21世纪前化工设计代表作，后者则是21世纪出版的化工设计代表著作。
国外高校《化工设计》教材以北美为例，包括有：
1、Ernest E Ludwig, Applied process design for chemical and petrochemical plants, 2ndedition, Gulf Publishing Company, Houston, USA, 1977；
2、R Norris Shreve, Joseph A Brink JR. Chemical process industries，4th edition, McGraw-Hill Book Company, New York, USA, 1977；
3、 Y.A. Liu, Henry A McGee Jr., W Robert Epperly, Recent development in chemical process and plant design，A Wiley-Intersciene Publication, John Wiley & Sons, New York, USA, 1987；
4、Harry Silla, Chemical process engineering design and economics， Marcel Dekker Inc., New York, USA, 2003；
5、Stanley M Walas,Chemical Process Equipment(Selection and Design), Butterworth Publishers, a division of Reed Pulishing Inc., Boston, USA, 1988；
6、Davis S Azbel, Nicholas P Cheremisnoff.Chemical and Process Equipment Design: Vessel Design and Selection. A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, New York, USA, 1988；
7、Max S. Peters, Klaus D. Timmerhaus, Plant Design and Economics for Chemical Engineers,4th, McGraw-Hill Inc., New York, USA, 1991。 

其中以Max S. Peters等编写的化工设计教材最具代表性，该教材从1958年第一版问世，现已出版到第5版，成为北美大学本科生使用最广泛的热力学教材，该教材是美国化学工程专业的系列丛书之一(Chemical Engineering Series)，由美国最著名的的教材出版公司McCraw-Hill Book Company出版，美国高校化工类课程教科书几乎均由该公司出版，且北美高校化学工程专业教材大多选用该系列丛书，最具权威性。此外，由Stanley M Walas 编写

《Chemical Process Equipment：Selection and Design》也是北美高校广泛采用的《化工设计》教材。
下面以Max S. Peters等编写的《Plant Design and Economics for Chemical Engineers》和Stanley M Walas 编写的《Chemical Process Equipment：Selection and Design》教材、与我国黄英主编：“十五”国家级规划教材《化工过程设计》、及王静康院士主编的〈化工设计〉教材的教学内容进行对比分析，供国内高校化工类学位课程化工设计教材建设及教学改革参考。

Max S. Peters等 编写的《Plant Design and Economics for Chemical Engineers》教材是由美国最著名的McGraw Hill Inc.出版公司出版，该出版公司出版了美国高校几乎化工类的大部分教科书，其系列丛书（Chemical Engineering Series）包括了化工单元操作、动量、热量和质量传递、化工热力学、化学反应工程、物理化学、分析化学、有机化学、无机化学、传质与分离工程等化工类的核心课程教科书，最具权威性。《Plant Design and Economics for Chemical Engineers》教材内容涉及过程设计开发、一般设计考虑问题、计算机辅助设计、成本评估与计算、成本估算、利息与投资成本、税收与保险、折旧、利润、其它投资与维修、最适宜设计与设计策略、材料选择与设备制造、设计报告、物料输送、处理及处理装置（设计与成本）、传热设备设计与成本、传质设备与反应器设计与成本、设计中的统计分析。目前该教材是美国化学工程与工艺专业学生使用最广泛的教材，该教材每隔五年左右更新出版一次，并加入与当今化工设计的最新知识及进展，使学生掌握化工设计最新知识。从教材编排可见，教学内容除了涉及一般化工设计基本知识外，将化工设备的投资、成本、折旧费用、利润等均传授给学生，从市场经济出发，培养学生经济预算、化工过程可获取的利润并必须在设计中考虑成本等问题。 

Stanley M Walas 编写的《Chemical Process Equipment：Selection and Design》教材是由美国著名的Butterworth publisher出版公司出版，该出版公司出版了美国高校许多化工类的教科书。《Chemical Process Equipment：Selection and Design》教材共分20章，分别讨论了化学工程与工艺流程图、过程控制、输送设备、固体输送、流体传送、流体输送设备（包括管路、泵、风机、压缩机等）、传热及换热设备、干燥器与冷却塔、混合与搅拌、固液分离、固体颗粒的大小分离及聚合、精馏与气体吸收、萃取、吸附和离子交换、溶液结晶、化学反应器、过程容器、其它方面（包括膜分离、冷冻干燥、发酵过程、电化学合成、热扩散分离、泡沫分离等较先进分离技术）、单个设备成本等。从教材的编写内容可见，介绍了化工过程几乎所有的装置原理、用途及设计，介绍了由这些装置构成的化工工艺及流程，设备的经济核算等。与Max S. Peters等 编写的《Plant Design and Economics for Chemical Engineers》教材相比，后者内容编幅较多，涉及内容更广，除了作为本科生化工设计的教科书外，也可作为从事化工设计的工程技术人员的设计手册参考。 

作为国内化工设计代表性教材，黄英主编的十五”国家级规划教材《化工过程设计》教材也有其特点，它吸收了国外教材的某些优点，又与中国高等教育及化工设计课程及教学计划与要求实际相结合，教材内容既考虑了一般的化工设计常见问题，包括物料与能量衡算，化工工艺流程的设计，单元设备如传热与传质设备设计，还介绍了化工车间管理布置设计，车间及厂房布置设计，车间管路布置及设计，还将经济学观点应用到化工设计中去，考虑了化工设计及单元设备的成本与经济衡算，另外，教材还介绍了化工过程的安全与环保，这是学生在设计中需考虑的重要因素，因为化工过程涉及易燃易爆过程，且化工过程会产生废气、废水和固体废物，对环境和人民安全产生影响，所以进行化工涉及过程，必须将安全和环保作为重点考虑，该教材最后还介绍了计算机辅助设计，对提高设计效率与准确性非常重要。 

国内较早的《化工设计》教材是由王静康院士主编，在上个世纪90年代被许多高校广泛采用。该教材是王静康院士根据自己多年从事化工工程的实践经验基础上，进行总结编写出的一本教材。该教材最显著的特色是专门有一章列举了化工设计实例—年产1500吨醋酸乙酯车间工艺设计。这是一个实实在在的化工过程设计，学生通过学习该实例，可对整个化工设计所有知识进行一次全面复习与应用，使学生将四年所学过的所有课程应用到一个化工产品生产与设计过程，该设计实例既要学生应用化工单元设计基本知识，还需应用反应工程、化工热力学、物理化学、数学、计算机等基本知识，设计过程还需考虑醋酸乙酯生产过程的安全与环保，该教材尤其在当今学生工程观念较为淡薄，学生动手能力有待培养与提高的时代，显得更有其重要性。
3 结 语 

通过上述国内外《化工设计》典型教材的对比发现，两者各有特色，国外教材除了介绍化工设计的基本原理、方法与计算在化工设计中的应用，很注重经济核算、成本计算及回收期等经济问题；国内教材在参考国外教材基础上，结合我国化工过程的实际及人才培养目标，教材引用化工过程的实际例子作为该课程的总结与综合应用，通过该实际例子向学生传输工程观，以培养工程应用型人才，具有较强的实用性，两者可以互相参考借鉴。