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.

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.