Chemické inženýrství - Chemical engineering

Chemičtí inženýři navrhují, staví a provozují zpracovatelská zařízení (frakční sloupce na obrázku).

Chemické inženýrství je pobočkou inženýrství který používá principy chemie, fyzika, matematika, biologie, a ekonomika efektivně využívat, vyrábět, navrhovat, přepravovat a transformovat energii a materiály. Práce chemických inženýrů může sahat od využití nanotechnologií a nanomateriálů v laboratoři až po rozsáhlé průmyslové procesy, které přeměňují chemikálie, suroviny, živé buňky, mikroorganismy a energii na užitečné formy a produkty.

Chemičtí inženýři jsou zapojeni do mnoha aspektů návrhu a provozu zařízení, včetně hodnocení bezpečnosti a nebezpečí, Návrh procesu a analýza, modelování, řídicí technika, chemické reakční inženýrství, jaderné inženýrství, biologické inženýrství, konstrukční specifikace a návod k obsluze.

Chemičtí inženýři obvykle vystudovali chemické inženýrství nebo procesní inženýrství. Cvičení technici mohou mít profesionální certifikaci a být akreditovanými členy profesního orgánu. Mezi takové subjekty patří: Institution of Chemical Engineers (IChemE) nebo Americký institut chemických inženýrů (AIChE). Titul v chemickém inženýrství je v různé míře přímo spojen se všemi ostatními inženýrskými obory.

Etymologie

George E. Davis

1996 British Journal for the History of Science Článek cituje Jamese F. Donnellyho za zmínku o chemickém inženýrství z roku 1839 ve vztahu k výrobě kyselina sírová.[1] Ve stejném příspěvku však George E. Davis, anglický konzultant, byl připočítán s vytvořením tohoto termínu.[2] Davis se také pokusil založit společnost chemického inženýrství, ale místo toho byla pojmenována Společnost chemického průmyslu (1881), jehož prvním tajemníkem byl Davis.[3][4] The Dějiny vědy ve Spojených státech: Encyklopedie uvádí použití tohoto výrazu kolem roku 1890.[5] „Chemické inženýrství“, popisující použití mechanických zařízení v chemickém průmyslu, se stalo v Anglii po roce 1850 běžným slovníkem.[6] V roce 1910 byla profese „chemický inženýr“ již běžně používána v Británii a ve Spojených státech.[7]

Dějiny

Hlavní článek: Dějiny chemického inženýrství

Chemické inženýrství se objevilo při vývoji operace jednotky, základní koncept oboru chemického inženýrství. Většina autorů souhlasí s tím, že Davis vynalezl koncept jednotkových operací, pokud jej podstatně nerozvinul.[8] Uspořádal řadu přednášek o jednotkových operacích v Manchester průmyslová škola (pozdější část University of Manchester Institute of Science and Technology a teď University of Manchester ) v roce 1887, považován za jeden z prvních takových o chemickém inženýrství.[9] Tři roky před Davisovými přednáškami, Henry Edward Armstrong učil na chemickém inženýrství na chemickém inženýrství City and Guilds of London Institute. Armstrongův kurz selhal jednoduše proto, že jeho absolventi nebyli pro zaměstnavatele nijak zvlášť atraktivní. Zaměstnavatelé té doby by raději najali chemiky a strojní inženýři.[5] Kurzy chemického inženýrství nabízené Massachusetts Institute of Technology (MIT) ve Spojených státech, Owens College v Manchester, Anglie a University College v Londýně utrpěl za podobných okolností.[10]

Studenti v laboratoři průmyslové chemie na MIT

Od roku 1888,[11] Lewis M. Norton učil na MIT první kurz chemického inženýrství ve Spojených státech. Nortonův kurz byl současný a v zásadě podobný kurzu Armstronga. Oba kurzy však jednoduše spojily předměty chemie a inženýrství spolu s designem produktu. „Její praktici měli potíže přesvědčit inženýry, že jsou inženýři a chemici, že to nejsou jen chemici.“[5] Provoz jednotky zavedl do kurzu William Hultz Walker v roce 1905.[12] Na počátku 20. let se jednotkové operace staly důležitým aspektem chemického inženýrství na MIT a dalších amerických univerzitách i na Imperial College London.[13] The Americký institut chemických inženýrů (AIChE), založená v roce 1908, hrála klíčovou roli v tom, aby bylo chemické inženýrství považováno za nezávislou vědu, a v jednotkách chemického inženýrství. Například ve zprávě z roku 1922 definovalo chemické inženýrství jako „vědu o sobě, jejímž základem je ... provoz jednotek“; a s jakým principem zveřejnila seznam akademických institucí, které nabízejí „uspokojivé“ kurzy chemického inženýrství.[14] Mezitím podpora chemického inženýrství jako samostatné vědy v Británii vedla k založení Institution of Chemical Engineers (IChemE) v roce 1922.[15] IChemE rovněž pomohl učinit operace jednotky považovány za zásadní pro disciplínu.[16]

Nové koncepty a inovace

Demonstrační model přímého methanolu palivový článek. Skutečný zásobník palivových článků je vrstvený tvar krychle ve středu obrázku.

Ve 40. letech 20. století vyšlo najevo, že samotný vývoj jednotek nebyl při vývoji dostatečný chemické reaktory. Zatímco převaha jednotkových operací v kurzech chemického inženýrství v Británii a USA pokračovala až do 60. let, dopravní jevy začal zažívat větší zaměření.[17] Spolu s dalšími novými koncepty, jako např procesní systémy inženýrství (PSE), bylo definováno „druhé paradigma“.[18][19] Dopravní jevy poskytly analytické přístup k chemickému inženýrství[20] zatímco PSE se zaměřila na své syntetické prvky, jako např kontrolní systém a Návrh procesu.[21] Vývoj v chemickém inženýrství před a po druhá světová válka byly podněcovány zejména petrochemický průmysl;[22] pokroky však byly učiněny také v jiných oblastech. Pokrok v biochemické inženýrství ve čtyřicátých letech minulého století našel uplatnění například v farmaceutický průmysl a povoleno pro masová produkce různých antibiotika, počítaje v to penicilin a streptomycin.[23] Mezitím pokrok v polymerní věda v padesátých letech připravila cestu pro „věk plastů“.[24]

Bezpečnost a vývoj nebezpečí

V tomto období byly rovněž vzneseny obavy ohledně bezpečnosti a dopadu velkých chemických výrobních zařízení na životní prostředí. Tiché jaro, publikovaný v roce 1962, upozornil své čtenáře na škodlivé účinky DDT, silný insekticid.[Citace je zapotřebí ] 1974 Flixboroughova katastrofa ve Spojeném království mělo za následek 28 úmrtí, stejně jako poškození a chemická rostlina a tři nedaleké vesnice.[Citace je zapotřebí ] 1984 Bhopalská katastrofa v Indii vedlo k téměř 4 000 úmrtím.[Citace je zapotřebí ] Tyto incidenty spolu s jiné události, ovlivnilo pověst obchodu jako průmyslová bezpečnost a ochrana životního prostředí byly více zaměřeny.[25] V reakci na to IChemE požadoval, aby bezpečnost byla součástí každého studijního programu, který akreditoval po roce 1982. V 70. letech byla zavedena legislativa a monitorovací agentury v různých zemích, jako je Francie, Německo a Spojené státy.[26]

Nedávný pokrok

Pokrok v počítačová věda našel aplikace navrhující a spravující závody, zjednodušující výpočty a výkresy, které dříve musely být prováděny ručně. Dokončení Projekt lidského genomu je také považován za významný vývoj, nejen pokrok v chemickém inženýrství, ale také genetické inženýrství a genomika také.[27] K výrobě byly použity principy chemického inženýrství DNA sekvence ve velkém množství.[28]

Koncepty

Část série na
Chemické inženýrství
Základy
Jednotkové procesy
Aspekty
Glosáře
Kategorie Kategorie

Chemické inženýrství zahrnuje použití několika principů. Klíčové pojmy jsou uvedeny níže.

Návrh a konstrukce rostlin

Chemické inženýrství se týká vytváření plánů, specifikací a ekonomických analýz pro pilotní závody, nové rostliny nebo úpravy rostlin. Konstruktéři často pracují jako konzultanti a navrhují závody tak, aby vyhovovaly potřebám klientů. Design je omezen několika faktory, včetně financování, vládních předpisů a bezpečnostních standardů. Tato omezení diktují volbu procesu, materiálů a vybavení závodu.[29]

Konstrukci závodu koordinuje projektové inženýry a projektoví manažeři,[30] v závislosti na velikosti investice. Chemický inženýr může vykonávat práci projektového inženýra na plný nebo částečný úvazek, což vyžaduje další školení a pracovní dovednosti, nebo působit jako konzultant pro projektovou skupinu. V USA vzdělání absolventů chemického inženýrství z bakalářských programů akreditovaných NAVÁDĚT obvykle nekladou důraz na projektové inženýrské vzdělávání, které lze získat specializovaným školením, volitelně nebo od postgraduální programy. Pracovní místa v oblasti projektového inženýrství jsou jedním z největších zaměstnavatelů pro chemické inženýry.[31]

Návrh a analýza procesu

Hlavní článek: Návrh procesu

Jednotková operace je fyzickým krokem v individuálním procesu chemického inženýrství. Operace jednotky (např krystalizace, filtrace, sušení a vypařování ) se používají k přípravě reaktantů, čištění a separaci jejích produktů, recyklaci nevyčerpaných reaktantů a řízení přenosu energie v reaktorech.[32] Na druhou stranu je jednotkový proces chemickým ekvivalentem jednotkové operace. Spolu s jednotkovými operacemi představují jednotkové procesy procesní operaci. Jednotkové procesy (např nitrace a oxidace ) zahrnuje přeměnu materiálu biochemické, termochemické a další prostředky. Volají se chemičtí inženýři odpovědní za tyto procesy procesní inženýři.[33]

Návrh procesu vyžaduje definici typů a velikostí zařízení, jakož i způsobu jejich připojení a konstrukčních materiálů. Podrobnosti jsou často vytištěny na a Vývojový diagram procesu který se používá k řízení kapacity a spolehlivosti nové nebo upravené chemické továrny.

Vzdělání pro chemické inženýry na prvním vysokoškolském stupni 3 nebo 4 roky studia zdůrazňuje principy a postupy návrhu procesů. Stejné dovednosti se používají ve stávajících chemických závodech k hodnocení účinnost a doporučovat vylepšení.

Transportní jevy

Hlavní článek: Transportní jevy

Modelování a analýza transportních jevů je nezbytná pro mnoho průmyslových aplikací. Dopravní jevy zahrnují dynamika tekutin, přenos tepla a hromadný přenos, které se řídí zejména přenos hybnosti, přenos energie a přeprava chemické druhy, resp. Modely často zahrnují samostatné úvahy pro makroskopické, mikroskopický a molekulární fenomény úrovně. Modelování transportních jevů proto vyžaduje znalost aplikované matematiky.[34]

Aplikace a praxe

Dvě ploché obrazovky počítače zobrazující aplikaci pro řízení procesu závodu
Chemičtí inženýři používají počítače k ​​řízení automatizovaných systémů v závodech.[35]
Operátoři v chemickém závodě využívající starší analogovou řídicí desku, vidět ve východním Německu, 1986

Chemičtí inženýři „vyvinout ekonomické způsoby využití materiálů a energie“.[36] Používají chemičtí inženýři chemie a inženýrství k přeměně surovin na použitelné produkty, jako jsou medicína, petrochemie a plasty, ve velkém průmyslovém prostředí. Jsou také zapojeni do nakládání s odpady a výzkum. Aplikační i výzkumné aspekty mohly počítače rozsáhle využívat.[35]

Chemičtí inženýři mohou být zapojeni do průmyslového nebo univerzitního výzkumu, kde mají za úkol navrhovat a provádět experimenty za účelem vytvoření lepších a bezpečnějších metod výroby, kontroly znečištění a ochrany zdrojů. Mohou se podílet na navrhování a stavbě rostlin jako projektový inženýr. Chemičtí inženýři sloužící jako projektoví inženýři využívají své znalosti při výběru optimálních výrobních metod a vybavení závodu k minimalizaci nákladů a maximalizaci bezpečnosti a ziskovosti. Po vybudování závodu mohou být projektoví manažeři chemického inženýrství zapojeni do upgradů zařízení, změn procesů, řešení problémů a každodenního provozu v rolích na plný úvazek nebo v konzultačních rolích. [37]

Viz také

související témata

Související pole a koncepty

Sdružení

Reference

  1. ^ Cohen 1996, str. 172.
  2. ^ Cohen 1996, str. 174.
  3. ^ Swindin, N. (1953). „Pamětní přednáška George E. Davise“. Transakce instituce chemických inženýrů. 31.
  4. ^ Flavell-While, Claudia (2012). „Chemical Engineers Who Changed the World: Meet the Daddy“ (PDF). Chemický inženýr. 52-54. Archivovány od originál (PDF) dne 28. října 2016. Citováno 27. října 2016.
  5. ^ A b C Reynolds 2001, str. 176.
  6. ^ Cohen 1996, str. 186.
  7. ^ Perkins 2003, str. 20.
  8. ^ Cohen 1996, str. 172–173.
  9. ^ Cohen 1996, str. 175.
  10. ^ Cohen 1996, str. 178.
  11. ^ Cohen 1996, str. 180.
  12. ^ Cohen 1996, str. 183.
  13. ^ Cohen 1996, str. 184.
  14. ^ Cohen 1996, str. 187.
  15. ^ Cohen 1996, str. 189.
  16. ^ Cohen 1996, str. 190.
  17. ^ Cohen 1996, str. 185.
  18. ^ Ogawa 2007, str. 2.
  19. ^ Perkins 2003, str. 29.
  20. ^ Perkins 2003, str. 30.
  21. ^ Perkins 2003, str. 31.
  22. ^ Reynolds 2001, str. 177.
  23. ^ Perkins 2003, s. 32–33.
  24. ^ Kim 2002, str. 7S.
  25. ^ Kim 2002, str. 8S.
  26. ^ Perkins 2003, str. 35.
  27. ^ Kim 2002, str. 9S.
  28. ^ Americký institut chemických inženýrů 2003a.
  29. ^ Towler & Sinnott 2008, s. 2–3.
  30. ^ Herbst, Andrew; Hans Verwijs (19. – 22. Října). „Projektové inženýrství: Interdisciplinární koordinace a celková kontrola kvality inženýrství“. Proc. výroční konference IAC Americké společnosti pro inženýrské řízení 1 (ISBN  9781618393616): 15–21
  31. ^ „Co dělají chemičtí inženýři?“.
  32. ^ McCabe, Smith & Hariott 1993, str. 4.
  33. ^ Silla 2003, s. 8–9.
  34. ^ Bird, Stewart & Lightfoot 2002, s. 1–2.
  35. ^ A b Garner 2003, str. 47–48.
  36. ^ Americký institut chemických inženýrů 2003, Článek III.
  37. ^ Garner 2003, str. 49–50.

Bibliografie