Химическая инженерия
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, процессов проектирование и анализ , 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.
Этимология
[ редактировать ]
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 Джордж Э. Дэвис , английский консультант. автором этого термина считается [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] В «Истории науки в Соединенных Штатах: энциклопедия» этот термин используется примерно в 1890 году. [5] «Химическая инженерия», описывающая использование механического оборудования в химической промышленности, стала обычным словарем в Англии после 1850 года. [6] К 1910 году профессия «инженер-химик» уже была широко распространена в Великобритании и США. [7]
История
[ редактировать ]Новые концепции и инновации
[ редактировать ]
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 своих синтетических элементах, таких как система управления и проектирование процессов . [12] Развитие химического машиностроения до и после Второй мировой войны было главным образом стимулировано 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 «эре пластмасс». [15]
Развитие безопасности и опасностей
[ редактировать ]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] в Индии в 1984 году Катастрофа в Бхопале унесла жизни почти 4000 человек. [ нужна ссылка ] 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 обучения, 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]
Недавний прогресс
[ редактировать ]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 генной инженерии и геномики . также [21] Принципы химической инженерии использовались для производства последовательностей ДНК в больших количествах. [22]
Концепции
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Химическая инженерия |
|---|
 |
| Основы |
| Единичные процессы |
| Аспекты |
| Глоссарии |
|
 Категория |
Химическая технология предполагает применение нескольких принципов. Ключевые понятия представлены ниже.
Проектирование и строительство завода
[ редактировать ]Проектирование в области химического машиностроения 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 ограничено несколькими факторами, включая финансирование, правительственные постановления и стандарты безопасности. Эти ограничения диктуют заводу выбор процесса, материалов и оборудования. [23]
Строительство завода координируют инженеры-проектировщики и руководители 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 упор на инженерно-проектное образование, которое можно получить в рамках специализированной подготовки, по выбору или в рамках аспирантуры . Рабочие места в области инженерных проектов являются одними из крупнейших работодателей для инженеров-химиков. [25]
Проектирование и анализ процессов
[ редактировать ]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.
В обучении инженеров-химиков на первом курсе колледжа (3 или 4 года обучения) особое внимание уделяется принципам и практике проектирования технологических процессов. Те же навыки используются на существующих химических предприятиях для оценки эффективности и выработки рекомендаций по улучшению.
Транспортные явления
[ редактировать ]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]
Приложения и практика
[ редактировать ]
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]
См. также
[ редактировать ]
Связанные темы
[ редактировать ]Связанные области и понятия
[ редактировать ]- Биохимическая инженерия
- Биоинформатика
- Биологическая инженерия
- Биомедицинская инженерия
- Биомолекулярная инженерия
- Биотехнологическая инженерия
- Биотехнология
- Биотехнологическая инженерия
- Катализаторы
- Керамика
- Моделирование химических процессов
- Химический реактор
- Химик-технолог
- Химическое оружие
- Хеминформатика
- Вычислительная гидродинамика
- Коррозионная инженерия
- Оценка стоимости
- Сейсмостойкая инженерия
- Электрохимия
- Электрохимическая инженерия
- Экологическая инженерия
- Синтез Фишера-Тропша
- Гидродинамика
- Пищевая инженерия
- Топливный элемент
- Газификация
- Теплопередача
- Промышленные катализаторы
- Промышленная химия
- Промышленный газ
- Массовый трансфер
- Материаловедение
- Металлургия
- Микрофлюидика
- Переработка полезных ископаемых
- Молекулярная инженерия
- Нанотехнологии
- Природная среда
- Переработка природного газа
- Ядерная переработка
- Разведка нефти
- Нефтеперерабатывающий завод
- Бумажная инженерия
- Нефтяное машиностроение
- Фармацевтическая инженерия
- Пластмассовая инженерия
- Полимеры
- Управление процессом
- Проектирование процесса
- Разработка процесса
- Технологическое проектирование
- Миниатюризация процесса
- Безопасность процесса
- Производство полупроводниковых приборов
- Процессы разделения (см. также: разделение смеси )
- Производство синтез-газа
- Текстильное машиностроение
- Термодинамика
- Транспортные явления
- Операции подразделения
- Водные технологии
Ассоциации
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коэн 1996 , с. 172.
- ^ Коэн 1996 , с. 174.
- ^ Суиндин, Н. (1953). «Лекция памяти Джорджа Э. Дэвиса». Труды Института инженеров-химиков . 31 .
- ^ Флавелл-Уайл, Клаудия (2012). «Инженеры-химики, изменившие мир: Знакомство с папой» (PDF) . Инженер-химик . 52-54. Архивировано из оригинала (PDF) 28 октября 2016 года . Проверено 27 октября 2016 г.
- ^ Рейнольдс 2001 , с. 176.
- ^ Коэн 1996 , с. 186.
- ^ Перкинс 2003 , с. 20.
- ^ Коэн 1996 , с. 185.
- ^ Огава 2007 , с. 2.
- ^ Перкинс 2003 , с. 29.
- ^ Перкинс 2003 , с. 30.
- ^ Перкинс 2003 , с. 31.
- ^ Рейнольдс 2001 , с. 177.
- ^ Перкинс 2003 , стр. 32–33.
- ^ Ким 2002 , с. 7С.
- ^ Данн, Роб (31 мая 2012 г.). «Оглядываясь назад: Тихая весна» . Природа . 485 (7400): 578–579. Бибкод : 2012Natur.485..578D . дои : 10.1038/485578a . ISSN 0028-0836 . S2CID 4429741 .
- ^ Беннет, Саймон (1 сентября 1999 г.). «Бедствия как эвристика? Практический пример» . Австралийский журнал по управлению чрезвычайными ситуациями . 14 (3): 32.
- ^ Ким 2002 , с. 8С.
- ^ Перкинс 2003 , с. 35.
- ^ ЦПС (2016). Введение в технологическую безопасность для студентов и инженеров . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons . ISBN 978-1-118-94950-4 .
- ^ Ким 2002 , с. 9С.
- ^ Американский институт инженеров-химиков 2003a .
- ^ Таулер и Синнотт 2008 , стр. 2–3.
- ^ Хербст, Эндрю; Ганс Вервейс (19–22 октября). «Проектирование: междисциплинарная координация и общий инженерный контроль качества». Учеб. ежегодной конференции IAC Американского общества инженерного менеджмента 1 ( ISBN 9781618393616 ): 15–21.
- ^ «Чем занимаются инженеры-химики?» . Архивировано из оригинала 2 мая 2014 г. Проверено 23 августа 2015 г.
- ^ МакКейб, Смит и Хариотт 1993 , стр. 4.
- ^ Силла 2003 , стр. 8–9.
- ^ Берд, Стюарт и Лайтфут 2002 , стр. 1–2.
- ^ Jump up to: а б Гарнер 2003 , стр. 47–48.
- ^ Американский институт инженеров-химиков, 2003 , Статья III.
- ^ Сориано-Молина, П.; Гарсиа Санчес, JL; Малато, С.; Пласа-Боланьос, П.; Агуэра, А.; Санчес Перес, JA (05.11.2019). «О проектировании и эксплуатации солнечных фото-фентоновых открытых реакторов для удаления вызывающих озабоченность загрязняющих веществ из сточных вод очистных сооружений при нейтральном pH» . Прикладной катализ Б: Экология . 256 : 117801. doi : 10.1016/j.apcatb.2019.117801 . ISSN 0926-3373 . S2CID 195424881 .
- ^ Ньето-Сандовал, Джулия; Гомес-Эрреро, Эстер; Муньос, Макарена; Де Педро, Захара М.; Касас, Хосе А. (15 сентября 2021 г.). «Каталитический мембранный реактор на основе палладия для непрерывного проточного гидродехлорирования хлорсодержащих микрозагрязнителей» . Прикладной катализ Б: Экология . 293 : 120235. doi : 10.1016/j.apcatb.2021.120235 . HDL : 10486/700639 . ISSN 0926-3373 .
- ^ Гарнер 2003 , стр. 49–50.
Библиография
[ редактировать ]- Американский институт инженеров-химиков (17 января 2003 г.), Конституция AIChE , заархивировано из оригинала 13 августа 2011 г. , получено 13 августа 2011 г.
- Берд, Р. Байрон; Стюарт, Уоррен Э.; Лайтфут, Эдвин Н. (2002), Кулек, Петрина (редактор), Transport Phenomena (2-е изд.), США: John Wiley & Sons, ISBN 0-471-41077-2 , LCCN 2001023739 , LCC QA929.B% 2001 .
- Карберри, Джеймс Дж. (24 июля 2001 г.), Техника химических и каталитических реакций , Серия McGraw-Hill Chemical Engineering, Канада: General Publishing Company, ISBN 0-486-41736-0 , LCCN 2001017315 , LCC TP155.7.C37 2001 .
- Коэн, Клайв (июнь 1996 г.), «Ранняя история химической инженерии: переоценка» (PDF) , Br. Дж. Хист. наук. , 29 (2), Cambridge University Press: 171–194, doi : 10.1017/S000708740003421X , JSTOR 4027832 , S2CID 145005140 , заархивировано из оригинала (PDF) 1 июня 2012 г.
- Проектирование будущего биологии и биотехнологии , Университет Райса , архивировано с оригинала 25 июля 2010 г. , получено 7 августа 2011 г.
- Гарнер, Джеральдин О. (2003), Карьера в области инженерии , Серия профессиональной карьеры VGM (2-е изд.), США: McGraw-Hill, ISBN 0-07-139041-3 , LCCN 2002027208 , LCC TA157.G3267 2002 .
- Ким, Ирен (январь 2002 г.), «Химическая инженерия: богатая и разнообразная история» (PDF) , Chemical Engineering Progress , 98 (1), Филадельфия: Американский институт инженеров-химиков, ISSN 0360-7275 , заархивировано из оригинала (PDF) ) 21 августа 2004 г.
- Маккейб, Уоррен Л.; Смит, Джулиан К.; Хариотт, Питер (1993), Кларк, Би Джей; Кастеллано, Элеонора (ред.), Подразделение химического машиностроения , Серия McGraw-Hill Chemical Engineering (5-е изд.), Сингапур: McGraw-Hill, ISBN 0-07-044844-2 , LCCN 92036218 , LCC ТП155.7.М393 1993 .
- Огава, Кохей (2007), «Глава 1: Информационная энтропия», Химическая инженерия: новая перспектива (1-е изд.), Нидерланды: Elsevier, ISBN 978-0-444-53096-7 .
- Перкинс, доктор медицинских наук (2003), «Глава 2: Химическая инженерия — первые 100 лет» , в Дартоне, штат Колорадо; Принц, RGH; Вуд, Д.Г. (ред.), Химическая инженерия: видение мира (1-е изд.), Нидерланды: Elsevier Science, ISBN 0-444-51309-4 .
- Рейнольдс, Терри С. (2001), «Инженерное дело, химия», Ротенберг, Марк (редактор), История науки в Соединенных Штатах: энциклопедия , Нью-Йорк: Garland Publishing, ISBN 0-8153-0762-4 , LCCN 99043757 , LCC Q127.U6 H57 2000 .
- Силла, Гарри (2003), Химический процесс: дизайн и экономика , Нью-Йорк: Марсель Деккер, ISBN 0-8247-4274-5 .
- Американский институт инженеров-химиков (2003a), «Ускорение проекта генома человека» (PDF) , Chemical Engineering Progress , 99 (1), Филадельфия, ISSN 0360-7275 , заархивировано из оригинала (PDF) 21 августа 2004 г. .
- Таулер, Гэвин; Синнотт, Рэй (2008), Химическое проектирование: принципы, практика и экономика проектирования предприятий и процессов , США: Elsevier, ISBN 978-0-7506-8423-1 .
химической инженерии Темы |
|---|
Отрасли химии |
|---|
