Capitolo 1 : Ingegneria chimica
L'ingegneria chimica è un sottocampo dell'ingegneria che si concentra sullo studio del funzionamento e della progettazione degli impianti chimici, nonché sulle strategie che possono essere utilizzate per migliorare la produzione. Al fine di trasformare le materie prime in prodotti vantaggiosi, gli ingegneri chimici elaborano procedure commerciali che siano sia convenienti che efficienti. I principi della chimica, della fisica, della matematica, della biologia e dell'economia sono utilizzati nel campo dell'ingegneria chimica al fine di utilizzare, produrre, progettare, trasportare e trasformare efficacemente l'energia e i materiali. Gli ingegneri chimici sono responsabili di un'ampia varietà di compiti, tra cui l'applicazione della nanotecnologia e dei nanomateriali in laboratorio, nonché lo sviluppo di processi industriali su larga scala che trasformano energia, materie prime, cellule viventi e microbi in forme e prodotti utili. Ci sono molti aspetti della progettazione e del funzionamento degli impianti in cui sono coinvolti gli ingegneri chimici. Alcuni di questi aspetti includono la valutazione della sicurezza e dei pericoli, la progettazione e l'analisi dei processi, la modellazione, l'ingegneria del controllo, l'ingegneria delle reazioni chimiche, l'ingegneria nucleare, l'ingegneria biologica, le specifiche di costruzione e le istruzioni operative.
La maggior parte delle volte, gli ingegneri chimici hanno una laurea in ingegneria chimica o ingegneria di processo. Gli ingegneri che lavorano attivamente nel settore possono essere in possesso di certificazioni professionali ed essere membri di un organismo professionale accreditato. Istituzioni come l'American Institute of Chemical Engineers (AIChE) e l'Institution of Chemical Engineers (IChemE) sono esempi di tali organizzazioni. Una laurea in ingegneria chimica è direttamente collegata a tutti gli altri campi dell'ingegneria, a vari livelli, e questa connessione è estremamente forte.
James F. Donnelly è citato in un articolo del 1996 per aver citato un riferimento all'ingegneria chimica nel 1839 che è stato fatto riguardo alla produzione di acido solforico. Al contrario, la parola è stata attribuita a George E. Davis, un consulente inglese, nello stesso rapporto. A Davis è stato attribuito il merito di aver usato per primo il termine. Una Società di Ingegneria Chimica fu un'altra organizzazione che Davis tentò di fondare; ciononostante, alla fine fu rinominata Society of Chemical Industry (1881) e Davis fu il primo segretario dell'organizzazione. Un'enciclopedia cita l'anno 1890 come il momento in cui la frase è stata usata per la prima volta nella storia della scienza negli Stati Uniti. Dopo l'anno 1850, il termine "ingegneria chimica" per quanto riguarda l'utilizzo di apparecchi meccanici nell'industria chimica divenne un termine di vocabolario diffuso in Inghilterra. Nel 1910, il termine "ingegnere chimico" era già diventato ampiamente utilizzato sia negli Stati Uniti che nel Regno Unito.
Negli anni '40, divenne abbondantemente evidente che lo sviluppo dei reattori chimici non poteva essere realizzato solo attraverso l'uso di operazioni unitarie. Nonostante il fatto che le operazioni unitarie continuassero ad essere l'argomento più comune trattato nelle lezioni di ingegneria chimica sia negli Stati Uniti che nel Regno Unito fino agli anni '60, iniziò a essere prestata crescente attenzione ai fenomeni dei trasporti. In concomitanza con la definizione di altre nuove idee, come l'ingegneria dei sistemi di processo (PSE), è stato proposto anche un "secondo paradigma". Per quanto riguarda l'ingegneria chimica, i fenomeni di trasporto hanno fornito un approccio analitico, mentre l'ingegneria delle scienze di processo (PSE) si è concentrata sui componenti sintetici del campo, come quelli di un sistema di controllo e della progettazione dei processi. Sebbene il settore petrolchimico sia stato l'impulso principale dietro i progressi dell'ingegneria chimica che si sono verificati sia prima che dopo la seconda guerra mondiale, anche altri campi hanno fatto passi da gigante nei propri campi. Negli anni '40, ad esempio, gli sviluppi dell'ingegneria biochimica trovarono applicazioni nel settore farmaceutico. Questi progressi hanno reso possibile la produzione di un'ampia varietà di antibiotici in grandi quantità, tra cui penicillina e streptomicina. Nel frattempo, gli sviluppi della scienza dei polimeri negli anni '50 aprirono la strada all'inizio dell'"era della plastica".
È stato anche durante questo periodo che sono state sollevate preoccupazioni sulla sicurezza degli impianti di produzione chimica su larga scala e sulla loro influenza sull'ambiente. I lettori sono stati resi consapevoli delle conseguenze potenzialmente pericolose del DDT, un potente insetticida, quando il libro Primavera silenziosa è stato pubblicato per la prima volta nel 1962. L'incidente avvenuto a Flixborough, nel Regno Unito, nel 1974 provocò la morte di 28 persone e causò danni a un impianto chimico e a tre comunità che si trovavano nelle vicinanze. Quasi quattromila persone hanno perso la vita a causa della tragedia di Bhopal avvenuta in India nel 1984. A causa della maggiore enfasi posta sulla sicurezza industriale e sulla protezione dell'ambiente, la reputazione del settore è stata influenzata negativamente da questi eventi e da altri incidenti che si sono verificati nel settore. Come reazione, l'International Council of Chemical Engineers ha imposto che la sicurezza fosse incorporata in ogni corso di laurea accreditato dopo l'anno 1982. Un certo numero di nazioni, tra cui gli Stati Uniti d'America, la Francia e la Germania, avevano già stabilito regolamenti e organizzazioni di monitoraggio negli anni '70. Nel corso del tempo, l'applicazione metodica dei principi di sicurezza agli impianti chimici e ad altri impianti di processo è stata riconosciuta come un campo di studio distinto, generalmente indicato come sicurezza di processo.
Lo sviluppo dell'informatica ha portato alla creazione di programmi che facilitano il processo di pianificazione e manutenzione degli impianti. Queste applicazioni semplificano i calcoli e i disegni che in precedenza venivano eseguiti manualmente. Inoltre, il completamento del Progetto Genoma Umano è considerato un progresso significativo, in quanto non solo contribuisce al progresso dell'ingegneria chimica, ma anche dell'ingegneria genetica e della genomica. Quantità di sequenze di DNA sono state prodotte utilizzando l'applicazione di principi provenienti dal campo dell'ingegneria chimica.
La pratica dell'ingegneria chimica richiede l'applicazione di una serie di principi diversi. I concetti essenziali sono descritti di seguito.
La progettazione in ingegneria chimica si riferisce al processo di sviluppo di progetti, specifiche e valutazioni economiche per impianti pilota, nuovi impianti o modifiche a strutture esistenti da parte degli ingegneri chimici. In molti casi, i progettisti sono impiegati in capacità di consulenza, progettando impianti per soddisfare le esigenze dei clienti. Una serie di elementi, come i finanziamenti, le regole governative e i requisiti di sicurezza, contribuiscono ai vincoli che il design deve affrontare. La scelta del processo, dei materiali e delle attrezzature da utilizzare in un impianto è determinata da questi limiti.
Dipende dall'entità dell'investimento se gli ingegneri di progetto o i project manager sono responsabili del coordinamento dello sviluppo dell'impianto. È possibile per un ingegnere chimico lavorare come ingegnere di progetto a tempo pieno o part-time, il che richiede una formazione e abilità aggiuntive per il lavoro. Inoltre, un ingegnere chimico può anche fungere da consulente per il gruppo di progetto. La formazione in ingegneria di progetto non è in genere enfatizzata nella formazione dei laureati in ingegneria chimica che si sono laureati in programmi di maturità accreditati dall'American Board of Education and Training (ABET). La formazione in ingegneria di progetto può essere ottenuta attraverso una formazione specializzata, come elettivi o attraverso programmi di laurea. I lavori nell'ingegneria di progetto sono tra i tipi più comuni di opportunità di lavoro per gli ingegneri chimici.
Nel campo dell'ingegneria chimica, un'operazione unitaria è una fase fisica che si verifica all'interno di un singolo processo. La preparazione dei reagenti, la purificazione e la separazione dei suoi prodotti, il riciclaggio dei reagenti non consumati e la gestione del trasferimento di energia nei reattori sono tutti realizzati attraverso l'utilizzo delle operazioni unitarie. Questi processi includono la cristallizzazione, la filtrazione, l'essiccazione e l'eliminazione dell'acqua. D'altra parte, un processo unitario è l'equivalente chimico di un'operazione unitaria. Un processo unitario è un'operazione unitaria. I processi unitari sono inclusi nella definizione di un'operazione di processo, insieme alle operazioni unitarie. La trasformazione dei materiali attraverso processi biochimici, termochimici e di altro tipo è parte integrante dei processi unitari. Alcuni esempi di questi processi includono la nitrazione, l'idrogenazione e l'ossidazione. Questi sono indicati come ingegneri di processo e sono responsabili della gestione dei processi chimici.
Quando si progetta un processo, è necessario specificare i tipi e le dimensioni delle apparecchiature, nonché il modo in cui sono collegate e i materiali utilizzati nella loro costruzione. È pratica comune stampare le specifiche su un diagramma di flusso del processo, che viene utilizzato allo scopo di controllare la capacità e l'affidabilità di una fabbrica chimica, sia essa nuova o consolidata.
Nel corso di tre o quattro anni di studio, vengono enfatizzate le idee e le tecniche di...
