Введение
Химическая инженерия – это дисциплина, которая возникла из практики "промышленной химии" в конце XIX века. До промышленной революции (XVIII век) промышленные химикаты и другие потребительские товары, такие как мыло, в основном производились периодическими процессами. Периодические процессы трудоемки: операторы смешивают заранее определенные количества ингредиентов в сосуде, нагревают, охлаждают или подвергают смесь воздействию давления в течение заданного времени. Затем продукт может быть выделен, очищен и проанализирован для получения товарного продукта. Периодические процессы до сих пор используются для производства продукции с высокой добавленной стоимостью, такой как фармацевтические полупродукты, специальные и композиционные продукты, такие как парфюмерия и краски, или в пищевой промышленности, например, при производстве чистого кленового сиропа, где можно получать прибыль, несмотря на то, что периодические методы медленнее и менее эффективны с точки зрения использования труда и оборудования. Благодаря применению методов химической инженерии при разработке производственных процессов, химикаты больших объемов теперь производятся непрерывными химическими процессами, подобными "конвейеру". Промышленная революция ознаменовала начало перехода от периодических к более непрерывным процессам. Сегодня основные химические вещества и нефтехимические продукты преимущественно производятся непрерывными процессами, в то время как специальные химические вещества, тонкие химические вещества и фармацевтические препараты производятся периодическими процессами.
Chemical engineering is a discipline that was developed out of those practicing "industrial chemistry" in the late 19th century. Before the Industrial Revolution (18th century), industrial chemicals and other consumer products such as soap were mainly produced through batch processing. Batch processing is labour intensive and individuals mix predetermined amounts of ingredients in a vessel, heat, cool or pressurize the mixture for a predetermined length of time. The product may then be isolated, purified and tested to achieve a saleable product. Batch processes are still performed today on higher value products, such as pharmaceutical intermediates, speciality and formulated products such as perfumes and paints, or in food manufacture such as pure maple syrups, where a profit can still be made despite batch methods being slower and inefficient in terms of labour and equipment usage. Due to the application of Chemical Engineering techniques during manufacturing process development, larger volume chemicals are now produced through continuous "assembly line" chemical processes. The Industrial Revolution was when a shift from batch to more continuous processing began to occur. Today commodity chemicals and petrochemicals are predominantly made using continuous manufacturing processes whereas speciality chemicals, fine chemicals and pharmaceuticals are made using batch processes.
Происхождение
Промышленная революция привела к беспрецедентному росту спроса, как в количественном, так и в качественном отношении, на крупнотоннажные химические вещества, такие как сода. Это означало две вещи: во-первых, необходимо было увеличить масштабы производства и повысить эффективность, а во-вторых, требовалось изучить серьезные альтернативы периодическому производству, такие как непрерывный процесс.
Первый инженер-химик
Промышленная химия практиковалась в 1800-х годах, и её изучение в британских университетах началось с публикации Фридрихом Людвигом Кнаппом, Эдмундом Рональдсом и Томасом Ричардсоном важной книги «Химическая технология» в 1848 году. К 1880-м годам инженерные аспекты, необходимые для управления химическими процессами, стали рассматриваться как самостоятельная профессиональная область. Химическая инженерия впервые оформилась как профессия в Соединенном Королевстве после того, как в 1887 году в Манчестерском университете Джордж Э. Дэвис прочитал первый курс химической инженерии, состоящий из двенадцати лекций, охватывающих различные аспекты промышленной химической практики. В связи с этим Джордж Э. Дэвис считается первым в мире инженером-химиком. Сегодня химическая инженерия – это высокопрестижная профессия. Инженеры-химики с опытом работы могут получить лицензию профессионального инженера в Соединенных Штатах при поддержке Национального общества профессиональных инженеров или получить статус дипломированного инженера-химика через Институт химических инженеров Великобритании.
Профессиональные ассоциации
В 1880 году в Лондоне была предпринята первая попытка создать Общество химических инженеров. В конечном итоге это привело к образованию Общества химической промышленности в 1881 году. Американский институт химических инженеров (AIChE) был основан в 1908 году, а британский Институт химических инженеров (IChemE) – в 1922 году. Оба этих института в настоящее время имеют значительное число международных членов. В некоторых других странах также существуют общества химических инженеров или секции в составе химических или инженерных обществ, однако AIChE, IChemE и IiChE остаются крупнейшими по численности и географическому охвату: они принимают квалифицированных специалистов и студентов, изучающих химическую инженерию, со всего мира.
Определения
Для других устоявшихся отраслей инженерии в общественном сознании уже существовали чёткие ассоциации: машиностроение ассоциировалось с машинами, электротехника – с электрическими цепями, а строительство – со сооружениями. Химическая инженерия стала ассоциироваться с производством химической продукции.
Работа агрегата
Артуру Дехону Литтлу приписывают подход, который химические инженеры используют и сегодня: анализ и проектирование, ориентированные на процесс, а не на продукт. Концепция элементарных операций была разработана для подчеркивания фундаментального сходства между, казалось бы, различными химическими производствами. Например, принципы остаются одинаковыми, независимо от того, речь идет о разделении спирта и воды в ферментере или бензина и дизельного топлива на нефтеперерабатывающем заводе, при условии, что в основе разделения лежит получение пара с составом, отличным от состава жидкости. Следовательно, такие процессы разделения можно изучать совместно как единую элементарную операцию, в данном случае – дистилляцию.
Единица процессов
В начале прошлого века для классификации реакционных процессов использовалась параллельная концепция, называемая элементарными процессами. Таким образом, окисления, восстановления, алкилирования и т.д. формировали отдельные элементарные процессы и изучались как таковые. Это было закономерно, учитывая тесную связь химической инженерии с промышленной химией на заре ее развития. Однако постепенно предмет химической реакционной инженерии в значительной степени вытеснил концепцию элементарных процессов. Этот предмет рассматривает совокупность химических реакций как обладающую собственной спецификой, независимой от конкретных химических соединений или химических связей. Последние, безусловно, вносят вклад в эту специфику, но для проектирования и эксплуатации химических реакторов более важно знание таких характеристик, как кинетическое поведение, термодинамика, однофазность или многофазность и т.п. Появление химической реакционной инженерии как самостоятельной дисциплины ознаменовало освобождение химической инженерии от тесной связи с промышленной химией и утвердило уникальный характер этой дисциплины.