摘要：流动化学技术在促进化工行业绿色发展及提升行业本质安全水平方面展现出巨大应用前景，而相关技术人才匮乏已成为一个亟待解决的问题。鉴于此，将流动化学技术引入化学化工本科教学体系非常重要，其不仅与化工行业发展趋势相契合，亦能满足当下高校教学需求。流动化学技术为跨学科课程的融合创造了良好契机，其理论教学可采用模块化设计方法从化学和化学工程的双重视角进行构建，相关实验教学可根据高校具体教学需求进行设计和实施。流动化学技术融入化学化工本科教学过程中还需着重关注多学科交叉和教学资源问题。流动化学技术的引入将改变学生对化工行业的传统认知，助力高校履行为社会输送相关人才的社会责任，推动化工行业高水平绿色化发展。
关键词：流动化学,微反应技术,过程强化,化学化工,本科教育
0引言
化学工业作为国民经济支柱产业，与国家经济命脉和战略安全紧密相关，然而我国部分传统化工行业仍面临着一系列挑战——能源消耗居高不下、结构性供需矛盾尖锐、工程化创新能力不足以及在安全与环保方面的水平亟待提高等，亟需积极推进转型升级以促进行业整体高质量可持续发展。流动化学技术被认为是化工行业一项具有颠覆性的创新技术，众多科研机构和企业对流动化学技术保持高度关注并开展流动化学技术相关研究以改进传统化工生产过程[1-3]，然而，该技术的快速发展与相关技术人才的短缺形成了鲜明对比。本科教育是高等教育的基础，本科生还未形成固有的研究方向和兴趣，在化学、化工、制药等相关专业的本科生化学化工教学中引入流动化学技术将丰富教学内容、改变学生对化工行业的传统认知、提高学生学习化学化工专业知识的兴趣，推动流动化学技术人才的培养，为我国化工行业高水平绿色化发展打下坚实基础，并为学生未来职业发展提供更多选择。
1流动化学技术的原理和优势
流动化学技术作为一种在连续流动状态下进行化学反应的技术，正日益受到化工领域的广泛关注[4]。微通道反应器、小型连续搅拌釜式反应器等均属于流动化学技术中使用的典型设备，相比于大型间歇釜式反应器等传统化工设备，此类设备特征尺度缩小所带来的独特性使得流动化学技术成为化工过程强化技术中非常重要的一类。高效混合、优越热质传递、精确过程参数调控、本质安全、易于放大等特性是流动化学技术快速发展的重要驱动力[5-6]。连续流设备通道特征尺寸缩小至微米或毫米尺度，比表面积大幅提高，热质传递性能可实现显著增强，GANAPATHY等[7]在微结构反应器中研究了二乙醇胺水溶液气液吸收CO2的流体力学和传质性能，所获得的液体侧体积传质系数值相较于大多数已报道的传统气液吸收系统高1～3个数量级。连续流设备可以有效防止热量积聚、降低热失控风险，设备内部有限的反应体积保障了严苛反应条件下的整体反应过程的安全性，使得硝化等强放热反应及涉及氢氰酸、重氮甲烷、叠氮酸等高风险试剂的反应都能安全有效进行[8]。流动化学技术易于集成在线分离技术、在线分析技术等实现对微反应系统的实时监控或实现多步合成反应的连续高效进行，例如SAGMEISTER等[9]针对活性药物中间体美沙拉嗪的合成过程，设计开发了涉及流动硝化、水解和氢化多步反应的实时分析平台用于实时监测反应过程中的目标产物、中间体及杂质的生成。在过去二十多年里，流动化学技术领域取得显著进步，许多曾经棘手的技术难题已经得到解决，实施过程中诸多具体细节亦已清晰界定。当前，流动化学技术发展关键在于如何将其有效推广至化工行业并确保整个行业切实受益，为此，培养掌握相关技能的人才至关重要。而将流动化学技术创造性地融入本科化学化工教育，无疑是拓展其在化工行业应用范围的有效方式。
2流动化学技术的教育必要性
尽管流动化学技术优势显著且发展迅速，但其在化工行业实际生产中的渗透率仍旧有限。流动化学技术自身技术限制(如连续流形式下含固体系的处理仍极具挑战性)、流动化学技术相关商业化设备高昂的投资成本、生产企业现存大量传统釜式设备及缺乏相关教育背景的技术人才均阻碍了流动化学技术在行业中的广泛应用。其中，人才缺乏的现状可通过在化学化工本科教育中融入流动化学技术来改变，这也符合当前高校教学需求及化工行业发展需求。
2.1高校教学需求
流动化学技术兼具前沿性与实践性，将其纳入本科教学体系有利于培养学生的创新思维和实践技能。该技术覆盖化学、化学工程、材料科学、自动化、计算机等多个学科领域，融入化学化工本科教学有助于促进这些学科间的交叉融合，加强学生在跨学科背景下的创新性思考，从而培育出具备跨学科知识和技能的复合型人才。流动化学技术的引入不仅使许多传统教学中难以开展的化学反应得以实施，而且为学生带来绿色化学、闪速化学等创新的教学概念。教学中学生可通过自行挑选流动设备并组装流动化学系统来完成连续流化学过程，流动化学技术理论与实践可实现有效融合，从而有效激发学生学习兴趣，而兴趣对学生学习成效至关重要。此外，学生掌握了流动化学技术不仅能够胜任多种化学及化学工程相关的职位，还能在跨学科领域中展现出色的适应能力和创新能力，这无疑将为学生在就业市场上增添显著的竞争优势。
2.2化工行业发展需求
近年来，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、应急管理部等多部门都发文鼓励使用流动化学技术对传统化工生产过程进行连续化改造，例如在工信部等九部门联合印发的《精细化工产业创新发展实施方案(2024—2027年)》中多次提到流动化学技术的应用，在安全化技术方面提到推进连续硝化、连续加氢、连续(定向)氯化等连续化工艺技术的研发与推广应用，提升农药、染(颜)料、助剂及中间体等生产过程安全性[10-12]。流动化学技术所具有的本质安全等优势可有效应对传统化工生产过程中的诸多挑战并提升企业创新发展水平，化工生产企业对于能熟练掌握流动化学技术的人才需求日益增长。然而，当前化学化工本科教学内容和工业生产实际相脱节的现象较为显著，部分传统教学内容过于陈旧，因此在化学化工教学过程中融入流动化学等前沿技术可以显著提高教学内容的实用性和针对性，推动学生将所掌握的知识顺利转化为实际工作中的技能。
3流动化学技术教学实施策略
3.1流动化学技术理论教学
流动化学技术为化学化工课程的跨学科融合提供了契机，其涵盖了化学、化学工程、材料科学、自动化、计算机等多个领域。然而，鉴于本科教学课时的实际限制，流动化学技术理论教学建议主要聚焦于化学和化学工程的视角展开。与传统的化学或化学工程学科理论课程教学不同，流动化学技术理论教学应当从化学和化学工程的双重视角出发，以传统釜式工艺与连续流工艺之间的差异性及传统化学工程理论在微尺度条件下的普适性与特殊性为教学切入点，在强调流动化学技术应用优势的同时突出展示传统理论在微尺度环境下所展现的适用性和独特性。为了优化流动化学技术的理论教学过程，可采用模块化设计方法将教学内容按照不同模块进行组织，并通过相互关联的模块来构建完整的教学体系，如图1所示。流动化学技术理论教学从化学视角(A)切入可细分为流动化学基础理论模块(A1)、连续流反应模块(A2)以及应用场景模块(A3)，而从化学工程的角度(B)出发则可划分为微工程基础理论模块(B1)、微设备设计模块(B2)和综合案例教学模块(B3)。
模块A1为本门课程的引入部分，主要包括流动化学技术相关的基础内容。该模块旨在引导学生认识流动化学技术，从技术原理角度审视流动化学技术所具有的特性优势，并将其与传统釜式合成化学过程进行对比，认识到流动化学技术正向模块化、集成化、智能化方向发展。教学过程中以视频、图片等形式介绍重大的化工生产安全事故,引导学生认识到化工安全生产的重要性,进而引出流动化学技术概念,引发学生对化工行业未来发展方向的思考。
模块A2涉及化学专业知识领域，主要介绍了流动化学技术在不同化学反应类型中的应用，引导学生认识到流动化学技术适合的化学反应类型及其应用驱动力。结合具体的化学反应案例，采用对比教学法，将连续流工艺与传统釜式工艺进行比较，向学生更直观地展现流动化学技术相较于传统釜式工艺在工艺参数控制、产品质量、安全性、过程效率等方面的显著优势。
模块A3为流动化学技术适用的部分应用场景，主要讲授了其在功能性材料、精细化学品、医药中间体、高分子聚合物制备过程中的应用。讲解过程中先引导学生认识到不同应用场景所具有的自身特点以及传统制备过程中存在的普遍问题，在每个应用场景下都应当强调流动化学技术解决特定问题的能力，并通过实际案例来加深学生的理解。教学过程中，可以通过交互式问答、案例视频展示与分析、小组讨论等多种方式激发学生的参与感和创新思维，同时鼓励学生思考流动化学技术的局限性和未来可能的发展方向。
模块B1专注于流动化学技术在微尺度下的化学工程基础理论，深入探讨了在这一尺度下动量传递、热量传递和质量传递的基本规律。尽管传统的化学工程理论可以为微尺度下的反应过程提供工程理论基础，帮助学生在一定程度上理解和预测这些过程的宏观行为，但是当反应系统的尺度缩小到微尺度时，必须考虑到由此产生的微尺度效应对流体流动行为及热质传递过程的影响，部分传统的化工理论需进行相应的调整、优化和完善以满足微尺度这一特定场合。
模块B2为微设备设计模块，专注于微尺度下的混合、反应、分离纯化设备的设计与工程理论。本模块将探讨被动和主动微混合器的工作原理与设计要点，学习如何利用微尺度结构及引入外部能量输入实现流体高效混合。对于微尺度反应器，将重点讨论气液体系、液液体系以及三相体系的反应特性及特定体系下微尺度反应器的特点。在分离纯化微设备单元方面，将学习相关分离原理和技术(如膜分离)，并讨论如何将这些技术应用于微分离设备单元的设计和制造中。
模块B3为综合案例教学模块。本模块将深入分析微反应系统在工业应用中的案例，帮助学生理解微反应技术的实际效果和商业价值。在微反应系统设计与构建部分，将学习如何根据化学反应特性和生产需求，选择合适的反应器类型和设计参数，包括反应器材质选择、反应器结构设计、流体动力学优化以及传热和传质问题的解决策略。工业微反应系统工艺开发与评估环节将重点讲解如何将实验室规模的微反应工艺放大到工业生产规模，探讨工艺开发中的关键环节并讲述评估微反应工艺经济性、环境影响和安全性的方法。通过分析微反应系统工业应用案例，向学生展示微反应技术如何提高反应效率、降低能耗、减少环境污染并实现过程强化，辅助学生了解微反应技术在行业中的实际产业化应用。
针对流动化学技术理论教学，采用单元模块化设计可以显著提升教学布局和知识实践的灵活性，教学内容从化学原理过渡到工程理论、从宏观现象深入至背后的原理和机制，可帮助学生清晰地构建课程思路、更好地理解课程整体结构。同时，这些模块既可以合并作为独立课程进行授课，亦可以嵌入无机化学、有机化学、化学反应工程、化工传递过程等课程中分开讲授。
3.2流动化学技术实验教学
流动化学技术实验教学是在其理论教学基础上开展的重要实践性教学环节，通过实验教学可以促进学生理解和巩固流动化学技术的基本原理，熟悉和掌握流动化学设备的工作原理、特性及使用方法，学生能够根据特定反应体系自主搭建相应的流动化学系统，在实验中培养学生解决流动化学技术生产过程中实际问题的能力。然而，适合本科生教学的流动化学实验选择则需强调实验风险性较小且流动设备廉价易得，同时还需考虑到教学时间的限制，流动化学技术虽可大幅缩短反应时间，但为本科生设计的连续流实验还需要考虑流动系统搭建及验证等时间。已有诸多文献报道了流动化学技术在本科实验教学中的适用案例[13-28]。针对本科一年级学生的实验教学，KUIJPERS等[18]选择了风险较小的溶剂黄7的合成反应和辛硫醇的二聚反应，并采用价廉易得、适用面广的毛细管构建流动反应器，通过该实验教学不仅使学生了解流动化学技术的特点和优势，也促使学生对有机化学和化学工程形成更深刻的理解。VAN SUMMEREN等[19]连续多年针对本科二年级学生开展Omura-Sharma-Swern氧化的二苯基重氮甲烷的连续流合成实验，旨在促进并加深学生对有机合成、定量化学分析、实验设计优化、流动化学技术等方面的理解。WELCH等[13]将流动化学技术与在线分析技术相结合，为本科三年级学生设计了在线监测反应过程的实验项目，在本科教学中实施此项目可为学生提供现代合成方法和过程分析的宝贵学习经验。
光子无痕、无毒，光化学反应为化学工业提供了绿色、可持续的解决方案，流动化学技术则可为光化学反应提供更有效和均匀的照射等，将光氧化还原催化的氧化反应、光致变色反应、光催化Thiol-Ene反应等涉及光化学转化的反应引入到本科生流动化学技术实验教学中，使学生能够探索绿色化学、光化学和流动化学技术等概念[14-15,23]。
化学动力学作为物理化学的关键分支，在本科化学化工教育中占据举足轻重的地位，而流动化学技术凭借其显著的优势已成为探究化学反应动力学的有力工具，通过罗丹明B水杨醛腙锌(II)配合物的光致变色反应以及二苯基重氮甲烷与苯甲酸反应的动力学研究，能让学生体验流动化学技术在动力学分析中的独特优势，并激发学生对该领域的兴趣[15,22]。
流动化学技术可有效强化多相传递过程，固相催化酮化、酯化反应及液相乙酰化、氧化/酯化、酯交换反应等涉及液液两相、液固两相等多相体系的本科实验教学案例在文献中均有所报道[16,20-21,23-25]。通过2-羟基苯甲醛和乙酰乙酸乙酯的缩合/酯交换环化反应、植物油的催化酯交换反应案例，可以引导学生认识到流动化学技术具有的本质安全等特性和易于过热操作加速反应进程的优势[16,28]。
文献中流动化学技术实验教学案例多聚焦于有机化学，KÖNIG等[27]提出通过酰胺生成等六个有机反应可展示流动化学技术在有机合成中的广泛应用，而磁性纳米颗粒和金纳米颗粒的连续流合成案例的引入可以让学生了解流动化学技术在纳米材料制备中的应用潜力[26]。
为了让学生充分理解流动化学技术并深入认识到其与传统化学之间的差异，其与间歇釜式反应过程的比较通常是必要的，文献中部分教学案例在讨论流动化学实验的同时也一并引入了传统的间歇釜式实验过程[17,19-20,23,27-28]，例如BAYANA等[20]选用液液两相乙二胺乙酰化反应，引导学生在实验过程中改变工艺参数以优化实验，并比较釜式间歇反应器、连续管式反应器以及多级连续搅拌釜式反应器串联在反应性能方面的差异，但这需考虑到流动和间歇过程是否可以在给定的实验教学时间内执行完成。
鉴于化工行业未来的发展趋势，流动化学技术的重要性愈发突出，高校教师需要有充分的远见将流动化学技术有机地融入化学化工本科实验教学中，为我国化工行业实现高效绿色转型源源不断地输送流动化学技术人才。
4流动化学技术教育面临的问题与挑战
当前，流动化学技术在工业生产和学术研究中正迅速普及，但尚未成为本科化学化工学科教育的核心内容，多数本科课程仍依赖传统教学和釜式实验，教学资源、多学科交叉等问题阻碍了流动化学技术教学的融入，教育界正探索采用多种方式来解决流动化学技术教育面临的问题。
(1)多学科交叉问题：流动化学技术是一个快速发展的领域，其涉及到化学、化学工程、材料科学、自动化、计算机等多学科交叉，教师需要有足够的专业知识积累并始终保持学习的态度不断更新自己的专业知识和技能，方能实现流动化学技术的有效教学。教学开展过程中教师需有意识地加强各相关学科之间的内容关联，通过引导学生参加流动化学技术相关的跨学科教学和研究项目，促进不同学科之间的交流与合作，培养学生的跨学科思维能力。
(2)教学资源问题：流动化学技术商业化设备成本高昂，流动化学技术引入本科教学中往往会侧重于理论教学而缺乏足够的实践教学，DIY流动化学装置是实现在相关本科教学中大范围开展流动化学技术实践教学的一种有效方式[29]。此外，3D打印技术作为一种制造方法可为流动化学技术教育提供低成本且易于使用的教学资源，例如，PENNY等[30]在流动化学技术相关实践教学中展示了便携式低成本3D打印连续流系统，PRICE等[31]免费提供了应用于3D打印流动化学组件的开源工具包并展示了3D建模平台Rhino3D在芯片式流动反应器设计修饰中的应用。增强现实等技术也是将流动化学技术引入到本科生实践教学的有效方式，CHEN等[32]基于增强现实技术开发了FlowAR项目指导学生构建模块化连续流填充床反应器，以培养学生组装连续流反应器的实践能力。
5结语
流动化学技术在促进化工行业绿色发展及提升行业本质安全水平方面展现出巨大应用前景，而相关技术人才短缺必然会成为制约其技术本身甚至行业发展的关键因素。本文概述了流动化学技术原理及优势并阐述了开展流动化学技术教育的必要性，针对流动化学技术理论教学的实施分别从化学和化学工程视角进行讨论，同时结合对相关文献中流动化学实验案例的分析为流动化学技术实践教学提供参考。多学科交叉问题、教学资源问题等是阻碍流动化学技术融入到化学化工本科课程中的重要因素，加强教师专业技能培训，采用DIY流动化学装置、3D打印/增强现实等技术是解决此类问题的有效手段。未来，希望高校将流动化学技术引入到化学、化工、制药类本科生的教学内容中，通过具体的理论和实践教学有计划、有目的地培养流动化学技术人才，同时鼓励相关专业教师在化学化工本科教学的不同阶段引导学生认识和理解流动化学技术。
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