Химическая инженерия — это область техники , которая занимается изучением работы и проектирования химических предприятий , а также методов улучшения производства. Инженеры-химики 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 инженеров-химиков может варьироваться от использования нанотехнологий и наноматериалов в лаборатории до крупномасштабных промышленных процессов, которые преобразуют химические вещества, сырье, живые клетки, микроорганизмы и энергию в полезные формы и продукты. Инженеры-химики участвуют во многих аспектах проектирования и эксплуатации предприятий, включая оценку безопасности и опасностей, проектирование и анализ процессов , моделирование , технику управления , разработку химических реакций , ядерную инженерию , биологическую инженерию , строительные спецификации и инструкции по эксплуатации.
Инженеры-химики обычно имеют степень в области химического машиностроения или технологического проектирования . Практикующие инженеры могут иметь профессиональную сертификацию и быть аккредитованными членами профессиональной организации. К таким органам относятся Институт инженеров-химиков (IChemE) или Американский институт инженеров-химиков (AIChE). Степень в области химического машиностроения в различной степени напрямую связана со всеми другими инженерными дисциплинами.
В статье 1996 года цитируется Джеймс Ф. Доннелли за упоминание ссылки 1839 года на химическую технологию в связи с производством серной кислоты . [1] Однако в той же статье автором этого термина считается Джордж Э. Дэвис , английский консультант. [2] Дэвис также пытался основать Общество химической инженерии, но вместо этого оно было названо Обществом химической промышленности (1881 г.), а Дэвис стал его первым секретарем. [3] [4] История науки в Соединенных Штатах: Энциклопедия использует этот термин примерно в 1890 году. [5] «Химическая инженерия», описывающая использование механического оборудования в химической промышленности, стала обычным словарем в Англии после 1850 г. [6] К 1910 г. профессия «инженер-химик» уже была широко распространена в Великобритании и США. [7]
В 1940-е годы стало ясно, что одних лишь единичных операций при разработке химических реакторов недостаточно . Хотя преобладание единичных операций на курсах химического машиностроения в Великобритании и США продолжалось до 1960-х годов, явлениям транспорта стало уделяться больше внимания. [8] Наряду с другими новыми концепциями, такими как проектирование технологических систем (PSE), была определена «вторая парадигма». [9] [10] Явления переноса дали аналитический подход к химической технологии [11], в то время как PSE сосредоточился на ее синтетических элементах, таких как системы управления и проектирование процессов . [12] Развитие химического машиностроения до и после Второй мировой войны было в основном вызвано нефтехимической промышленностью ; [13] Однако были достигнуты успехи и в других областях. Достижения биохимической инженерии 1940-х годов, например, нашли применение в фармацевтической промышленности и позволили наладить массовое производство различных антибиотиков , включая пенициллин и стрептомицин . [14] Между тем, прогресс в науке о полимерах в 1950-х годах проложил путь к «эпохе пластмасс». [15]
В этот период также высказывались опасения по поводу безопасности крупных химических производств и воздействия на окружающую среду. «Тихая весна» , опубликованная в 1962 году, предупредила читателей о вредном воздействии ДДТ , мощного инсектицида . [16] Катастрофа 1974 года во Фликсборо в Соединенном Королевстве привела к гибели 28 человек, а также к повреждению химического завода и трех близлежащих деревень. [17] Катастрофа в Бхопале в Индии в 1984 году привела к гибели почти 4000 человек. [ нужна цитация ] Эти инциденты, наряду с другими инцидентами , повлияли на репутацию отрасли, поскольку промышленной безопасности и защите окружающей среды уделялось больше внимания. [18] В ответ IChemE потребовала, чтобы безопасность была частью каждого курса, аккредитованного после 1982 года. К 1970-м годам в различных странах, таких как Франция, Германия и США, были созданы законы и контролирующие органы. [19] Со временем систематическое применение принципов безопасности на химических и других технологических предприятиях стало рассматриваться как особая дисциплина, известная как технологическая безопасность . [20]
Достижения в области информатики нашли применение в проектировании и управлении заводами, упрощая расчеты и чертежи, которые раньше приходилось выполнять вручную. Завершение проекта «Геном человека» также рассматривается как важное событие, способствующее не только развитию химической инженерии, но также генной инженерии и геномики . [21] Принципы химической инженерии использовались для производства последовательностей ДНК в больших количествах. [22]
Химическая технология предполагает применение нескольких принципов. Ключевые понятия представлены ниже.
Проектирование химического машиностроения касается создания планов, спецификаций и экономического анализа для пилотных установок , новых установок или модификаций установок. Инженеры-проектировщики часто работают в качестве консультантов, проектируя установки для удовлетворения потребностей клиентов. Проектирование ограничено несколькими факторами, включая финансирование, правительственные постановления и стандарты безопасности. Эти ограничения диктуют заводу выбор процесса, материалов и оборудования. [23]
Строительство завода координируется инженерами-проектировщиками и менеджерами проектов, [24] в зависимости от размера инвестиций. Инженер-химик может выполнять работу инженера-проектировщика полный или неполный рабочий день, что требует дополнительной подготовки и профессиональных навыков, или выступать в качестве консультанта проектной группы. В США при образовании выпускников программ бакалавриата, аккредитованных ABET , в области химического машиностроения обычно не делается акцент на инженерно-проектном образовании, которое можно получить в рамках специализированной подготовки, по факультативу или в рамках последипломных программ . Рабочие места в области инженерных проектов являются одними из крупнейших работодателей для инженеров-химиков. [25]
Единичная операция — это физический этап отдельного химического технологического процесса. Единичные операции (такие как кристаллизация , фильтрация , сушка и испарение ) используются для подготовки реагентов, очистки и разделения его продуктов, переработки 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 нитрование , гидрирование и окисление) включают преобразование материалов биохимическими , термохимическими и другими способами. Инженеры-химики, ответственные за это, называются инженерами-технологами . [27]
Технологическое проектирование требует определения типов и размеров оборудования, а также способа их подключения и материалов конструкции. Подробности часто печатаются на технологической схеме , которая используется для контроля мощности и надежности нового или существующего химического завода.
Обучение инженеров-химиков на первом курсе колледжа (3 или 4 года обучения) уделяет особое внимание принципам и практике проектирования технологических процессов. Те же навыки используются на существующих химических предприятиях для оценки эффективности и выработки рекомендаций по улучшению.
Моделирование и анализ явлений переноса имеет важное значение для многих промышленных приложений. Явления переноса включают гидродинамику , теплопередачу и массоперенос , которые регулируются в основном передачей импульса , передачей энергии и переносом химических веществ соответственно. Модели часто включают отдельные соображения для явлений макроскопического , микроскопического и молекулярного уровня. Поэтому моделирование транспортных явлений требует понимания прикладной математики. [28]
Инженеры-химики «разрабатывают экономичные способы использования материалов и энергии». [30] Инженеры-химики используют химию и инженерию для превращения сырья в полезные продукты, такие как лекарства, нефтехимия и пластмассы, в крупномасштабных промышленных условиях. Они также участвуют в управлении отходами и исследованиях. [31] [32] Как прикладные, так и исследовательские аспекты могут широко использовать компьютеры. [29]
Инженеры-химики могут участвовать в промышленных или университетских исследованиях, где им поручено разрабатывать и проводить эксперименты путем масштабирования теоретических химических реакций для создания лучших и более безопасных методов производства, контроля загрязнения и сохранения ресурсов. Они могут участвовать в проектировании и строительстве предприятий в качестве инженера-проектировщика . Инженеры-химики, работающие в качестве инженеров-проектировщиков, используют свои знания при выборе оптимальных методов производства и производственного оборудования, чтобы минимизировать затраты и максимизировать безопасность и прибыльность. После строительства завода менеджеры проектов химического машиностроения могут участвовать в модернизации оборудования, устранении неполадок и повседневной работе либо на постоянной основе, либо в качестве консультанта. [33]
