Химическая инженерия — это область инженерии , которая занимается изучением работы и проектирования химических заводов , а также методами улучшения производства. Химические инженеры разрабатывают экономичные коммерческие процессы для преобразования сырья в полезные продукты. Химическая инженерия использует принципы химии , физики , математики , биологии и экономики для эффективного использования, производства, проектирования, транспортировки и преобразования энергии и материалов. Работа химических инженеров может варьироваться от использования нанотехнологий и наноматериалов в лаборатории до крупномасштабных промышленных процессов, которые преобразуют химикаты, сырье, живые клетки, микроорганизмы и энергию в полезные формы и продукты. Химические инженеры участвуют во многих аспектах проектирования и эксплуатации завода, включая оценку безопасности и опасности, проектирование и анализ процессов , моделирование , контрольную технику , химическую реакционную технику , ядерную технику , биологическую технику , строительные спецификации и инструкции по эксплуатации.
Химические инженеры обычно имеют степень в области химической инженерии или технологической инженерии . Практикующие инженеры могут иметь профессиональную сертификацию и быть аккредитованными членами профессиональной организации. К таким организациям относятся Институт инженеров-химиков (IChemE) или Американский институт инженеров-химиков (AIChE). Степень в области химической инженерии напрямую связана со всеми другими инженерными дисциплинами, в той или иной степени.
В статье 1996 года цитируется Джеймс Ф. Доннелли, упоминающий ссылку 1839 года на химическую инженерию в связи с производством серной кислоты . [1] В той же статье, однако, Джорджу Э. Дэвису , английскому консультанту, приписывают создание этого термина. [2] Дэвис также пытался основать Общество химической инженерии, но вместо этого оно было названо Обществом химической промышленности (1881), а Дэвис стал его первым секретарем. [3] [4] История науки в Соединенных Штатах: Энциклопедия относит использование термина к 1890 году. [5] «Химическая инженерия», описывающая использование механического оборудования в химической промышленности, стала общепринятой лексикой в Англии после 1850 года. [6] К 1910 году профессия «химический инженер» уже была общеупотребительной в Великобритании и Соединенных Штатах. [7]
В 1940-х годах стало ясно, что одних лишь единичных операций недостаточно для разработки химических реакторов . Хотя преобладание единичных операций в курсах по химической инженерии в Великобритании и Соединенных Штатах продолжалось до 1960-х годов, явления переноса начали получать больше внимания. [8] Наряду с другими новыми концепциями, такими как проектирование систем процессов (PSE), была определена «вторая парадигма». [9] [10] Явления переноса дали аналитический подход к химической инженерии [11], в то время как PSE сосредоточилась на ее синтетических элементах, таких как элементы системы управления и проектирования процессов . [12] Разработки в области химической инженерии до и после Второй мировой войны в основном были инициированы нефтехимической промышленностью ; [13] однако, успехи были достигнуты и в других областях. Достижения в области биохимической инженерии в 1940-х годах, например, нашли применение в фармацевтической промышленности и позволили массово производить различные антибиотики , включая пенициллин и стрептомицин . [14] Между тем, прогресс в области полимерной науки в 1950-х годах проложил путь к «эпохе пластмасс». [15]
В этот период также возникли опасения относительно безопасности и воздействия на окружающую среду крупных химических производственных предприятий. «Безмолвная весна» , опубликованная в 1962 году, предупредила своих читателей о вредном воздействии ДДТ , сильнодействующего инсектицида . [16] Катастрофа в Фликсборо в 1974 году в Соединенном Королевстве привела к гибели 28 человек, а также к повреждению химического завода и трех близлежащих деревень. [17] Катастрофа в Бхопале в 1984 году в Индии привела к гибели почти 4000 человек. [ требуется ссылка ] Эти инциденты, наряду с другими инцидентами , повлияли на репутацию отрасли, поскольку промышленной безопасности и охране окружающей среды уделялось больше внимания. [18] В ответ на это IChemE потребовал, чтобы безопасность была частью каждого курса обучения, который он аккредитовал после 1982 года. К 1970-м годам в разных странах, таких как Франция, Германия и Соединенные Штаты, были учреждены законодательство и контрольные органы. [19] Со временем систематическое применение принципов безопасности на химических и других технологических предприятиях стало рассматриваться как особая дисциплина, известная как безопасность процессов . [20]
Достижения в области компьютерных наук нашли применение в проектировании и управлении заводами, упрощая расчеты и чертежи, которые раньше приходилось делать вручную. Завершение проекта «Геном человека» также рассматривается как крупное достижение, не только продвигающее химическую инженерию, но и генную инженерию и геномику . [21] Принципы химической инженерии использовались для производства последовательностей ДНК в больших количествах. [22]
Химическая инженерия подразумевает применение нескольких принципов. Ключевые концепции представлены ниже.
Химическое проектирование касается создания планов, спецификаций и экономического анализа для пилотных установок , новых установок или модификаций установок. Инженеры-конструкторы часто работают в качестве консультантов, проектируя установки для удовлетворения потребностей клиентов. Проектирование ограничивается несколькими факторами, включая финансирование, правительственные постановления и стандарты безопасности. Эти ограничения диктуют выбор процесса, материалов и оборудования для установки. [23]
Строительство завода координируется инженерами проекта и менеджерами проекта [24] в зависимости от размера инвестиций. Инженер-химик может выполнять работу инженера проекта полный рабочий день или часть рабочего времени, что требует дополнительного обучения и профессиональных навыков, или выступать в качестве консультанта проектной группы. В США образование выпускников химических инженеров по программам бакалавриата, аккредитованным ABET , обычно не делает упор на образование в области проектной инженерии, которое можно получить путем специализированного обучения, в качестве факультативов или в рамках программ магистратуры . Рабочие места в области проектной инженерии являются одними из крупнейших работодателей для инженеров-химиков. [25]
Единичная операция — это физический шаг в отдельном процессе химической инженерии. Единичные операции (такие как кристаллизация , фильтрация , сушка и выпаривание ) используются для подготовки реагентов, очистки и разделения их продуктов, рециркуляции неизрасходованных реагентов и управления передачей энергии в реакторах. [26] С другой стороны, единичный процесс является химическим эквивалентом единичной операции. Наряду с единичными операциями единичные процессы составляют технологическую операцию. Единичные процессы (такие как нитрация , гидрирование и окисление) включают преобразование материалов биохимическими , термохимическими и другими способами. Инженеры-химики, ответственные за это, называются инженерами-технологами . [27]
Проектирование процесса требует определения типов и размеров оборудования, а также того, как они соединены, и материалов конструкции. Подробности часто печатаются на схеме технологического процесса , которая используется для контроля мощности и надежности нового или существующего химического завода.
Образование для инженеров-химиков в первой степени колледжа 3 или 4 года обучения делает акцент на принципах и практике проектирования процесса. Те же навыки используются на существующих химических заводах для оценки эффективности и выработки рекомендаций по улучшению.
Моделирование и анализ явлений переноса необходимы для многих промышленных приложений. Явления переноса включают в себя динамику жидкости , теплопередачу и массопередачу , которые в основном регулируются передачей импульса , передачей энергии и переносом химических веществ соответственно. Модели часто включают в себя отдельные рассмотрения для явлений макроскопического , микроскопического и молекулярного уровня. Поэтому моделирование явлений переноса требует понимания прикладной математики. [28]
Химические инженеры разрабатывают экономичные способы использования материалов и энергии. [30] Химические инженеры используют химию и инженерию для превращения сырья в пригодные для использования продукты, такие как медицина, нефтехимия и пластмассы в крупномасштабных промышленных условиях. Они также участвуют в управлении отходами и исследованиях. [31] [32] Как прикладные, так и исследовательские аспекты могли бы широко использовать компьютеры. [29]
Химические инженеры могут быть вовлечены в отраслевые или университетские исследования, где им поручено проектировать и проводить эксперименты, масштабируя теоретические химические реакции, чтобы создавать лучшие и более безопасные методы производства, контроля загрязнения и сохранения ресурсов. Они могут быть вовлечены в проектирование и строительство заводов в качестве инженеров проекта . Химические инженеры, работающие в качестве инженеров проекта, используют свои знания для выбора оптимальных методов производства и оборудования завода, чтобы минимизировать затраты и максимизировать безопасность и прибыльность. После строительства завода менеджеры проектов по химической инженерии могут быть вовлечены в модернизацию оборудования, устранение неполадок и ежедневные операции либо на постоянной основе, либо в качестве консультантов. [33]
