化工过程强化创新团队·天津大学导师团队教学设备的研究开发探索

引言

化工过程强化是化学工程领域的重要发展方向，旨在通过设备、工艺和技术的创新，实现“更小、更安全、更高效、更环保”的化工生产过程。天津大学作为我国化工高等教育的发源地之一，其化工过程强化创新团队在导师团队的带领下，长期致力于过程强化基础研究与工程应用，并在教学设备的研究开发方面形成了鲜明特色。本文将围绕该团队的教学设备研发实践，探讨其在化工人才培养中的意义与成果。

一、团队概况与研发定位

天津大学化工过程强化创新团队依托化学工程联合国家重点实验室等平台，汇聚了以教授、副教授和青年骨干教师为核心的导师团队。团队研究方向涵盖超重力旋转床、微化工系统、膜分离强化、反应精馏、过程系统集成等。在科研攻关的团队明确提出“科研反哺教学、设备支撑实践”的理念，将过程强化领域的先进成果转化为模块化、可视化、可操作的教学设备。

团队的教学设备研发定位主要体现在三个方面：

前沿性：将超重力、微通道、膜过程等强化技术凝练为教学实验装置，使学生接触学科前沿。
工程性：设备设计贴近工业实际，兼顾安全、环保与可操作性，培养学生工程思维。
系统性：从单元操作到集成流程，形成系列化实验平台，支撑“化工原理”“化工过程强化”“化工设计”等多门课程。

二、典型教学设备的研究开发

1. 超重力旋转填充床实验装置

超重力技术是过程强化的典型代表。团队开发了适用于本科与研究生教学的超重力旋转床实验平台，可开展气液传质、吸收、解吸、精馏等实验。装置采用透明转子与可调速电机，便于观察液膜流动与气泡行为；配套在线数据采集系统，实时显示传质系数、压降、功率等参数。该设备已用于“化工原理”课程中吸收单元的操作实验，使学生直观感知超重力场对传质过程的强化效果。

2. 微通道反应器实训平台

针对微化工过程强化方向，团队研制了微通道反应器教学实训平台。平台集成微混合器、微换热器、微反应器及在线检测模块，可开展液液混合、酯化反应、纳米颗粒制备等实验。设备注重模块化设计，学生可自行组装不同流程，探究流速、温度、通道结构对反应转化率与选择性的影响。该平台不仅用于实验教学，还支持大学生创新创业训练计划项目。

3. 膜分离强化实验系统

膜过程是过程强化的重要组成部分。团队开发了中空纤维膜接触器与膜蒸馏实验系统，用于脱除水中挥发性有机物、浓缩盐溶液等实验。系统配备恒温循环、流量控制和在线浓度检测，可研究膜材料、操作条件对分离性能的影响。该设备融入“分离工程”课程实验，强化学生对膜过程传递机理与强化策略的理解。

4. 反应精馏集成实验装置

反应精馏将反应与分离耦合，是过程强化的经典案例。团队设计了小型反应精馏塔教学装置，采用玻璃塔节与可拆装填料，便于观察温度分布与取样分析。通过乙酸乙酯酯化反应等体系，学生可探究回流比、进料位置、催化剂用量对转化率和产品纯度的影响。装置兼顾安全性与教学可重复性，已应用于专业实验课程。

三、教学设备研发的创新机制

天津大学导师团队在教学设备研发中形成了“产学研用”协同机制：

科研驱动：将国家自然科学基金、企业合作项目中的过程强化成果转化为教学案例与装置原型。
导师主导、学生参与：研究生参与设备设计、调试与优化，本科生通过毕业设计、大创项目加入研发，形成传帮带模式。
虚实结合：开发配套虚拟仿真软件，与实体设备互补，拓展实验维度，降低安全风险与耗材成本。
持续迭代：根据教学反馈与工业需求，定期更新设备功能与实验内容，保持先进性。

四、教学应用与育人成效

团队研发的教学设备已应用于天津大学化工学院多门本科与研究生课程，每年覆盖学生数百人。学生通过动手操作，加深了对过程强化原理的理解，提升了工程实践与创新能力。依托这些设备，团队指导学生在“全国大学生化工设计竞赛”“全国大学生化工实验大赛”等赛事中多次获奖。部分教学设备被兄弟院校引进，发挥了示范辐射作用。