Enginyeria química

L'enginyeria química és l'enginyeria del canvi químic. Tracta del projecte, execució i operació de les instal·lacions per a fabricar els productes de les indústries químiques[1] i de l'establiment i direcció d’aquestes indústries.[2] Com a disciplina és una branca de l'enginyeria que s'encarrega de l'estudi, el disseny, la manutenció, l'avaluació, optimització, simulació, la construcció i l'operació de tota mena d'elements a la indústria de processos, que és aquella relacionada amb la producció industrial de compostos i productes l'elaboració dels quals requereix sofisticades transformacions físiques i químiques de la matèria.[3]

l'enginyeria química permet dissenyar processos químics eficients.

L'enginyeria química és un tipus d'enginyeria que s'ocupa de l'estudi del funcionament i disseny de plantes químiques, així com dels mètodes per millorar-ne la producció. Els enginyers químics desenvolupen processos comercials econòmics per convertir la matèria primera en productes útils. L'enginyeria química utilitza principis de la química, la física, les matemàtiques, la biologia i l'economia per utilitzar, produir, dissenyar, transportar i transformar energia i materials de manera eficient. El treball dels enginyers químics pot anar des de la utilització de nanotecnologia i nanomaterials al laboratori fins a processos industrials a gran escala que converteixen productes químics, matèries primeres, cèl·lules vives, microorganismes i energia en formes i productes útils. Els enginyers químics estan involucrats en molts aspectes del disseny i operació de plantes, incloses les avaluacions de seguretat i perills, disseny i anàlisi de processos, modelatge, enginyeria de control, enginyeria de reaccions químiques, enginyeria nuclear, enginyeria biològica, especificacions de construcció i instruccions d'operació.

Un enginyer o enginyera químic és la persona experta en la concepció, el càlcul, el disseny, la construcció i l'operació d'instal·lacions o equips en què la matèria experimenta un canvi d'estat, de contingut d'energia o de composició. Qualsevol procés químic de fabricació es pot descompondre en una sèrie d'operacions elementals sobre elements individualitzats d'un equip. Aquestes operacions estan relacionades entre si, i alhora, estan controlades, individualment i en conjunt, com a procés de producció industrial. Són múltiples els camps on l'enginyer o enginyera químic pot desenvolupar el seu treball perquè tot el que ens envolta, d'una manera o d'una altra, és químic.

És Enginyeria Química tota la indústria farmacèutica, la indústria alimentaria, la indústria ceràmica, totes les empreses dedicades a la depuració d'aigües, sòl, o l'aire, i un llarg etcètera. La seva convergència amb la biotecnologia i l'enginyeria biològica dona pas al que es coneix com a enginyeria bioquímica.

HistòriaModifica

Un article de 1996 cita James F. Donnelly per esmentar una referència de 1839 a l'enginyeria química amb relació a la producció d'àcid sulfúric.[4] En el mateix document, però, George E. Davis, un consultor anglès, va ser acreditat per haver encunyat el terme.[5] Davis també va intentar fundar una Societat d'Enginyeria Química, però, en canvi, es va anomenar Society of Chemical Industry (1881), amb Davis com a primer secretari.[6] L'obra History of Science in United States: An Encyclopedia posa l'ús del terme al voltant de 1890.[7] L' "Enginyeria química", descriu l'ús d'equips mecànics a la indústria química, es va convertir en vocabulari comú a Anglaterra després de 1850.[8] El 1910, la professió, "enginyer químic", ja era d'ús comú a Gran Bretanya i als Estats Units.[9]

Nous conceptes i innovacionsModifica

A la dècada de 1940, va quedar clar que les operacions de les unitats per si soles eren insuficients per al desplegament de reactors químics. Mentre el predomini de les operacions unitàries en els cursos d'enginyeria química a Gran Bretanya i els Estats Units va continuar fins a la dècada de 1960, els fenòmens de transport van començar a experimentar una major atenció.[10] Juntament amb altres conceptes nous, com l'enginyeria de processos de sistemes, es va definir un "segon paradigma".[11][9] Els fenòmens de transport van donar un enfocament analític a l'enginyeria química mentre que l'enginyeria de processos es va centrar en els seus elements sintètics, com el sistema de control i el disseny de processos.[9] Els desenvolupaments en enginyeria química abans i després de la Segona Guerra Mundial van ser incitats principalment per la indústria petroquímica, però també en altres camps.[12] Els avenços en l'enginyeria bioquímica dels anys quaranta, per exemple, van trobar aplicació a la indústria farmacèutica i van permetre la producció massiva de diversos antibiòtics, incloses la penicil·lina i l'estreptomicina.[9] Mentrestant, el progrés en la ciència dels polímers a la dècada de 1950 va obrir camí cap a l'"era dels plàstics".[13]

Evolució de la seguretat i riscosModifica

Durant aquest període també es van plantejar preocupacions sobre la seguretat i l'impacte ambiental de les instal·lacions de fabricació de productes químics a gran escala. Silent Spring, publicat el 1962, va alertar els seus lectors sobre els efectes nocius del DDT, un potent insecticida.[14] El desastre de Flixborough de 1974 al Regne Unit va provocar 28 morts, així com danys a una planta química i tres pobles propers.[15] El desastre de Bhopal de 1984 a l'Índia va provocar gairebé 4.000 morts.[16] Aquests incidents, juntament amb altres, van afectar la reputació del comerç, ja que es va donar més atenció a la seguretat industrial i la protecció del medi ambient.[17] Com a resposta, l'IChemE exigia que la seguretat fos part de tots els estudis de grau que acredités després de 1982. A la dècada de 1970, es van instituir agències de legislació i control a diversos països, com França, Alemanya i els Estats Units.[9]

Progressos recentsModifica

Els avenços en informàtica van trobar aplicacions per dissenyar i gestionar plantes, simplificant els càlculs i dibuixos que abans s'havien de fer manualment. La finalització del Projecte Genoma Humà també es considera un desenvolupament important, no només avançant en l'enginyeria química sinó també en l'enginyeria genètica i la genòmica.[18] Els principis d'enginyeria química es van utilitzar per produir seqüències d'ADN en grans quantitats.[19]

ConceptesModifica

L'enginyeria química implica l'aplicació de diversos principis. A continuació es presenten els conceptes clau.

Disseny i construcció de plantesModifica

El disseny d'enginyeria química es refereix a la creació de plànols, especificacions i anàlisis econòmiques per a plantes pilot, noves plantes i la seva modificació. Els enginyers de disseny sovint treballen en un paper de consultor, dissenyant plantes per satisfer les necessitats dels clients. El disseny està limitat per diversos factors, com ara el finançament, les regulacions governamentals i les normes de seguretat. Aquestes limitacions dicten l'elecció de procés, materials i equips d'una planta.[20]

La construcció de la planta està coordinada per enginyers de projecte i directors de projecte,[21] depenent de la mida de la inversió. Un enginyer químic pot fer la feina d'enginyer de projecte a temps complet o part del temps, que requereix formació addicional i habilitats laborals o actuar com a consultor del grup del projecte. Els treballs d'enginyeria de projectes són alguns dels ocupadors més grans per als enginyers químics.[22]

Disseny i anàlisi de processosModifica

Les operacions unitàries són un pas físic en un procés d'enginyeria química individual. Les operacions d'unitat (com la cristal·lització, la filtració, l'assecat i l'evaporació) s'utilitzen per preparar reactius, purificar i separar els seus productes, reciclar reactius no gastats i controlar la transferència d'energia als reactors.[23] D'altra banda, un procés unitari és l'equivalent químic d'una operació unitària. Juntament amb les operacions unitàries, els processos unitaris constitueixen una operació de procés. Els processos unitaris (com la nitració, hidrogenació,[24] hidrocraqueig[25] i oxidació[26]) impliquen la conversió de materials per mitjans bioquímics, termoquímics i altres. Els enginyers químics responsables d'aquests s'anomenen enginyers de processos.[27]

El disseny del procés requereix la definició dels tipus i mides d'equips, així com de com estan connectats i dels materials de construcció. Els detalls sovint s'imprimeixen en un diagrama de flux de procés que s'utilitza per controlar la capacitat i la fiabilitat d'una fàbrica química nova o existent.

Education for chemical engineers, en el primer grau universitari de 3 o 4 anys d'estudi destaca els principis i pràctiques del disseny de processos. Les mateixes habilitats s'utilitzen a les plantes químiques existents per avaluar l'eficiència i fer recomanacions de millora.

Fenòmens de transportModifica

La modelització i l'anàlisi dels fenòmens de transport és essencial per a moltes aplicacions industrials. Els fenòmens de transport impliquen la dinàmica de fluids, la transferència de calor i la transferència de massa, que es regeixen principalment per la transferència de moment, la transferència d'energia i el transport d'espècies químiques, respectivament. Els models sovint impliquen consideracions separades per als fenòmens a nivell macroscòpic, microscòpic i mol·lecular. La modelització dels fenòmens de transport, per tant, requereix una comprensió de les matemàtiques aplicades.[28]

Aplicacions pràctiquesModifica

Els enginyers químics "desenvolupen maneres econòmiques d'utilitzar materials i energia". Els enginyers químics utilitzen la química i l'enginyeria per convertir les matèries primeres en productes utilitzables, com ara medicaments, petroquímics i plàstics en un entorn industrial a gran escala. També participen en la gestió i investigació de residus.[29][30] Tant les facetes aplicades com les de recerca podrien fer un ús extensiu dels ordinadors.[31]

Els enginyers químics poden participar en investigacions industrials o universitàries on se'ls encarrega de dissenyar i realitzar experiments per crear mètodes millors i més segurs per a la producció, el control de la contaminació i la conservació dels recursos. Poden estar involucrats en el disseny i la construcció de plantes com a enginyer de projecte. Els enginyers químics que serveixen com a enginyers de projectes., utilitzen els seus coneixements per seleccionar mètodes de producció òptims i equips de planta per minimitzar els costos i maximitzar la seguretat i la rendibilitat. Després de la construcció de la planta, els directors de projectes d'enginyeria química poden participar en les actualitzacions d'equips, la resolució de problemes i les operacions diàries, ja sigui a temps complet o en funcions de consultoria.[32]

Camps i conceptes relacionatsModifica

ReferènciesModifica

  1. «indústria química». Gran Enciclopèdia Catalana, 01-11-1988. [Consulta: 18 desembre 2021].
  2. «enginyeria». Gran Enciclopèdia Catalana, 01-05-1987. [Consulta: 18 desembre 2021].
  3. Hipple, Jack. Chemical Engineering for Non-Chemical Engineers (en anglès). John Wiley & Sons, 2017-01-05. ISBN 978-1-119-30965-9. 
  4. Cohen, Clive «The early history of chemical engineering: a reassessment» (en anglès). The British Journal for the History of Science, 29, 2, 1996-06, pàg. 172. DOI: 10.1017/S000708740003421X. ISSN: 1474-001X.
  5. Cohen, Clive «The early history of chemical engineering: a reassessment» (en anglès). The British Journal for the History of Science, 29, 2, 1996-06, pàg. 174. DOI: 10.1017/S000708740003421X. ISSN: 1474-001X.
  6. Flavell-While, Claudia (2012). "Chemical Engineers Who Changed the World: Meet the Daddy" (PDF). The Chemical Engineer. 52-54. Archived from the original (PDF) on 28 October 2016
  7. Rothenberg, Marc. The History of Science in the United States: An Encyclopedia (en anglès). Taylor & Francis, 2001, p. 176. ISBN 978-0-8153-0762-4. 
  8. Cohen, Clive «The early history of chemical engineering: a reassessment» (en anglès). The British Journal for the History of Science, 29, 2, 1996-06, pàg. 186. DOI: 10.1017/S000708740003421X. ISSN: 1474-001X.
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 Perkins, JD. «Chapter 2: Chemical Engineering — the First 100 Years». A: Darton, R.C.; Prince, R.G.H.; Wood, D.G. (eds.). Chemical Engineering: Visions of the World (en anglès). Elsevier, 2003-05-21. ISBN 978-0-08-047221-8. 
  10. Cohen, Clive «The early history of chemical engineering: a reassessment» (en anglès). The British Journal for the History of Science, 29, 2, 1996-06, pàg. 185. DOI: 10.1017/S000708740003421X. ISSN: 1474-001X.
  11. Ogawa, Kohei. «Chapter 1: Information Entropy». A: Chemical Engineering: A New Perspective (en anglès). Elsevier, 2007-11-26. ISBN 978-0-08-049421-0. 
  12. Reynolds, Terry S. Rothenberg, Marc (ed.). The History of Science in the United States: An Encyclopedia (en anglès). Taylor & Francis, 2001, p. 177. ISBN 978-0-8153-0762-4. 
  13. Kim, Irene (January 2002), "Chemical engineering: A rich and diverse history" (PDF), Chemical Engineering Progress, Philadelphia: American Institute of Chemical Engineers, 98 (1), ISSN 0360-7275, archived from the original (PDF) on 2004-08-21
  14. McLaughlin, Dorothy. «Special Reports - Silent Spring Revisited». Frontline-PBS. [Consulta: 19 desembre 2021].
  15. Kletz, Trevor A. Learning from Accidents (en anglès). Gulf Professional, 2001, p. 103-109. ISBN 978-0-7506-4883-7. 
  16. Varma, Roli; Varma, Daya R. «The Bhopal Disaster of 1984» (en anglès). Bulletin of Science, Technology & Society, 25, 1, 01-02-2005, pàg. 37–45. DOI: 10.1177/0270467604273822. ISSN: 0270-4676.
  17. Mario, GRAU RÍOS; Eugenio, MUÑOZ CAMACHO. Ingeniería química (en castellà). Editorial UNED, 2013-04-18. ISBN 978-84-362-6642-9. 
  18. Schloss, Jeffery A.; Gibbs, Richard A.; Makhijani, Vinod B.; Marziali, Andre «Cultivating DNA Sequencing Technology After the Human Genome Project» (en anglès). Annual Review of Genomics and Human Genetics, 21, 1, 31-08-2020, pàg. 117–138. DOI: 10.1146/annurev-genom-111919-082433. ISSN: 1527-8204.
  19. Haghi, A. K.; Pogliani, Lionello; Castro, Eduardo A.; Balköse, Devrim; Mukbaniani, Omari V.. Applied Chemistry and Chemical Engineering, Volume 4: Experimental Techniques and Methodical Developments (en anglès). CRC Press, 2017-12-22, p. 186. ISBN 978-1-351-80127-0. 
  20. Towler, Gavin; Sinnott, Ray. Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design (en anglès). Butterworth-Heinemann, 2007-11-26, p. 2-3. ISBN 978-0-08-055695-6. 
  21. Herbst, Andrew; Verwijs, Hans «Project Engineering: Interdisciplinary Coordination and Engineering Quality Control». Conference: 2011 International Annual Conference of the American Society for Engineering Management, 2011, pàg. 7.
  22. Helmenstine, Anne Marie. «What Chemical Engineering Is and What Chemical Engineers Do» (en anglès). thoughtco.com, 23-12-2018. [Consulta: 19 desembre 2021].
  23. McCabe, Warren L. Unit operations of chemical engineering. Chennai McGraw-Hill Education (India) Private Limited, 2014, p. 4. ISBN 978-93-392-1323-7. 
  24. Juhász, Kinga; Lévay, Krisztina; Hegedűs, László; Balogh-Weiser, Diána; Pirault-Roy, Laurence «Application of supported lanthanum catalysts in the hydrogenation of nitriles» (en anglès). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 133, 2, 01-08-2021, pàg. 687–698. DOI: 10.1007/s11144-021-02028-2. ISSN: 1878-5204.
  25. Marinescu, Mihai; Popovici, Daniela Roxana; Bombos, Dorin; Vasilievici, Gabriel; Rosca, Paul «Hydrodeoxygenation and hydrocracking of oxygenated compounds over CuPd/γ-Al2O3–ZSM-5 catalyst» (en anglès). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 133, 2, 01-08-2021, pàg. 1013–1026. DOI: 10.1007/s11144-021-02029-1. ISSN: 1878-5204.
  26. Naumann d’Alnoncourt, Raoul; Csepei, Lénárd-István; Hävecker, Michael; Girgsdies, Frank; Schuster, Manfred E. «The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts» (en anglès). Journal of Catalysis, 311, 01-03-2014, pàg. 369–385. DOI: 10.1016/j.jcat.2013.12.008. ISSN: 0021-9517.
  27. Silla, Harry. Chemical Process Engineering: Design And Economics (en anglès). CRC Press, 2003-08-08, p. 8-9. ISBN 978-0-8247-5644-4. 
  28. Bird, R. Byron; Stewart, Warren E.; Lightfoot, Edwin N. Transport Phenomena (en anglès). John Wiley & Sons, 2006-12-11, p. 1-2. ISBN 978-0-470-11539-8. 
  29. Soriano-Molina, P.; García Sánchez, J. L.; Malato, S.; Plaza-Bolaños, P.; Agüera, A. «On the design and operation of solar photo-Fenton open reactors for the removal of contaminants of emerging concern from WWTP effluents at neutral pH» (en anglès). Applied Catalysis B: Environmental, 256, 05-11-2019, pàg. 117801. DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.117801. ISSN: 0926-3373.
  30. Nieto-Sandoval, Julia; Gomez-Herrero, Esther; Munoz, Macarena; de Pedro, Zahara M.; Casas, Jose A. «Palladium-based Catalytic Membrane Reactor for the continuous flow hydrodechlorination of chlorinated micropollutants» (en anglès). Applied Catalysis B: Environmental, 293, 15-09-2021, pàg. 120235. DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120235. ISSN: 0926-3373.
  31. Garner, Geraldine O. Careers in Engineering (en anglès). McGraw Hill Professional, 2003, p. 47-48. ISBN 978-0-07-139041-5. 
  32. Garner, Geraldine O. Careers in Engineering (en anglès). McGraw Hill Professional, 2003, p. 49-50. ISBN 978-0-07-139041-5. 

Enllaços externsModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Enginyeria química