Chemieingenieurwesen - Chemical engineering

Chemieingenieure entwerfen, bauen und betreiben Prozessanlagen (im Bild Fraktionierungskolonnen ).

Chemieingenieurwesen ist eine bestimmte Art des Ingenieurwesens, die sich mit der Untersuchung des Betriebs und der Konstruktion chemischer Anlagen sowie mit Methoden zur Verbesserung der Produktion befasst. Chemieingenieure entwickeln wirtschaftliche kommerzielle Verfahren, um Rohstoffe in nützliche Produkte umzuwandeln. Das Chemieingenieurwesen verwendet Prinzipien der Chemie , Physik , Mathematik , Biologie und Wirtschaft , um Energie und Materialien effizient zu nutzen, zu produzieren, zu entwerfen, zu transportieren und umzuwandeln. Die Arbeit von Chemieingenieuren kann von der Nutzung von Nanotechnologie und Nanomaterialien im Labor bis hin zu großindustriellen Prozessen reichen , die Chemikalien, Rohstoffe, lebende Zellen, Mikroorganismen und Energie in nützliche Formen und Produkte umwandeln. Chemieingenieure sind an vielen Aspekten des Anlagendesigns und -betriebs beteiligt, einschließlich Sicherheits- und Gefahrenbewertungen, Prozessdesign und -analyse, Modellierung , Regelungstechnik , chemische Reaktionstechnik , Nukleartechnik , biologische Technik , Bauspezifikation und Betriebsanweisungen.

Chemieingenieure haben in der Regel einen Abschluss in Chemieingenieurwesen oder Verfahrenstechnik. Ausübende Ingenieure können eine Berufszertifizierung haben und akkreditierte Mitglieder einer Berufsorganisation sein. Zu diesen Gremien gehören die Institution of Chemical Engineers (IChemE) oder das American Institute of Chemical Engineers (AIChE). Das Studium des Chemieingenieurwesens ist in unterschiedlichem Maße direkt mit allen anderen Ingenieurdisziplinen verknüpft.

Etymologie

Ein Artikel aus dem Jahr 1996 zitiert James F. Donnelly für die Erwähnung eines Hinweises aus dem Jahr 1839 auf die chemische Verfahrenstechnik in Bezug auf die Herstellung von Schwefelsäure . In derselben Arbeit wurde jedoch George E. Davis , einem englischen Berater, zugeschrieben, den Begriff geprägt zu haben. Davis versuchte auch, eine Society of Chemical Engineering zu gründen, aber stattdessen erhielt sie den Namen Society of Chemical Industry (1881), mit Davis als ihrem ersten Sekretär. Die Geschichte der Wissenschaft in den Vereinigten Staaten: Eine Enzyklopädie verwendet den Begriff um 1890. "Chemical Engineering", das die Verwendung mechanischer Geräte in der chemischen Industrie beschreibt, wurde nach 1850 in England zum allgemeinen Vokabular. Bis 1910 wurde der Beruf " Chemieingenieur" war in Großbritannien und den USA bereits gebräuchlich.

Geschichte

Neue Konzepte und Innovationen

Demonstrationsmodell einer Direkt-Methanol- Brennstoffzelle . Der eigentliche Brennstoffzellenstapel ist die geschichtete Würfelform in der Bildmitte.

In den 1940er Jahren wurde klar, dass der Betrieb von Einheiten allein für die Entwicklung chemischer Reaktoren nicht ausreichte . Während in Großbritannien und den Vereinigten Staaten bis in die 1960er Jahre die Vorherrschaft der Einheitsoperationen in Chemieingenieurstudiengängen anhielt, begannen die Verkehrsphänomene stärker im Fokus zu stehen. Neben anderen neuartigen Konzepten, wie dem Process Systems Engineering (PSE), wurde ein „zweites Paradigma“ definiert. Transportphänomene gaben der chemischen Verfahrenstechnik einen analytischen Ansatz, während sich PSE auf seine synthetischen Elemente konzentrierte, wie z. B. Steuerungssystem und Prozessdesign . Die Entwicklungen in der chemischen Verfahrenstechnik vor und nach dem Zweiten Weltkrieg wurden hauptsächlich von der petrochemischen Industrie angestoßen ; aber auch in anderen Bereichen wurden Fortschritte erzielt. Fortschritte in der biochemischen Technik in den 1940er Jahren fanden beispielsweise Anwendung in der pharmazeutischen Industrie und ermöglichten die Massenproduktion verschiedener Antibiotika , einschließlich Penicillin und Streptomycin . Inzwischen ebneten Fortschritte in der Polymerwissenschaft in den 1950er Jahren den Weg für das "Zeitalter der Kunststoffe".

Sicherheits- und Gefahrenentwicklungen

In diesem Zeitraum wurden auch Bedenken hinsichtlich der Sicherheit und der Umweltauswirkungen chemischer Großanlagen geäußert. Silent Spring , das 1962 veröffentlicht wurde, machte seine Leser auf die schädlichen Auswirkungen von DDT , einem starken Insektizid, aufmerksam . Die Katastrophe von 1974 in Flixborough im Vereinigten Königreich forderte 28 Tote sowie Schäden an einer Chemiefabrik und drei nahe gelegenen Dörfern. Die Katastrophe von 1984 in Bhopal in Indien forderte fast 4.000 Tote. Diese und andere Vorfälle belasteten das Ansehen des Handwerks, da Arbeitssicherheit und Umweltschutz stärker in den Fokus gerückt wurden. Als Reaktion darauf verlangte die IChemE, dass Sicherheit in jedem Studiengang, den sie nach 1982 akkreditierte, enthalten muss. In den 1970er Jahren wurden in verschiedenen Ländern, wie Frankreich, Deutschland und den Vereinigten Staaten, Gesetze und Überwachungsbehörden eingeführt. ()

Jüngste Fortschritte

Fortschritte in der Informatik fanden Anwendung bei der Planung und Verwaltung von Anlagen, die Berechnungen und Zeichnungen vereinfachten, die zuvor manuell durchgeführt werden mussten. Der Abschluss des Humangenomprojekts wird ebenfalls als eine wichtige Entwicklung angesehen, die nicht nur die chemische Technik, sondern auch die Gentechnik und die Genomik voranbringt . Die Prinzipien der chemischen Verfahrenstechnik wurden verwendet, um DNA-Sequenzen in großen Mengen herzustellen .

Konzepte

Chemieingenieurwesen beinhaltet die Anwendung mehrerer Prinzipien. Im Folgenden werden die wichtigsten Konzepte vorgestellt.

Anlagenplanung und Bau

Das chemietechnische Design umfasst die Erstellung von Plänen, Spezifikationen und wirtschaftlichen Analysen für Pilotanlagen , Neuanlagen oder Anlagenänderungen. Konstrukteure arbeiten oft in beratender Funktion und entwerfen Anlagen, die den Bedürfnissen der Kunden entsprechen. Das Design wird durch mehrere Faktoren eingeschränkt, darunter Finanzierung, staatliche Vorschriften und Sicherheitsstandards. Diese Einschränkungen bestimmen die Wahl des Verfahrens, der Materialien und der Ausrüstung einer Anlage.

Der Anlagenbau wird je nach Investitionsvolumen von Projektingenieuren und Projektleitern koordiniert . Ein Chemieingenieur kann die Arbeit des Projektingenieurs in Vollzeit oder Teilzeit übernehmen, was zusätzliche Ausbildung und berufliche Fähigkeiten erfordert, oder als Berater der Projektgruppe fungieren. In den USA betont die Ausbildung von Absolventen des Chemieingenieurwesens der von ABET akkreditierten Baccalaureate-Programme in der Regel keine Projektingenieurausbildung, die durch eine Fachausbildung, als Wahlpflichtfach oder in Graduiertenprogrammen erworben werden kann . Projektingenieurberufe gehören zu den größten Arbeitgebern für Chemieingenieure.

Prozessdesign und -analyse

Eine Einheitsoperation ist ein physikalischer Schritt in einem einzelnen verfahrenstechnischen Verfahren. Einheitsoperationen (wie Kristallisation , Filtration , Trocknung und Verdampfung ) werden verwendet, um Reaktanten vorzubereiten, ihre Produkte zu reinigen und zu trennen, nicht verbrauchte Reaktanten zu recyceln und die Energieübertragung in Reaktoren zu kontrollieren. Andererseits ist ein Einheitsprozess das chemische Äquivalent einer Einheitsoperation. Zusammen mit Einheitsoperationen bilden Einheitsprozesse eine Prozessoperation. Einheitsprozesse (wie Nitrierung , Hydrierung, Hydrocracken und Oxidation ) beinhalten die Umwandlung von Materialien durch biochemische , thermochemische und andere Mittel. Die dafür verantwortlichen Chemieingenieure werden Verfahrensingenieure genannt .

Die Prozessgestaltung erfordert die Definition von Gerätetypen und -größen sowie deren Verbindung und Konstruktionsmaterialien. Details werden oft in einem Prozessflussdiagramm gedruckt, das verwendet wird, um die Kapazität und Zuverlässigkeit einer neuen oder bestehenden Chemiefabrik zu kontrollieren.

Die Ausbildung zum Chemieingenieur im ersten Hochschulabschluss 3 oder 4 Studienjahre betont die Prinzipien und Praktiken der Prozessgestaltung. Dieselben Fähigkeiten werden in bestehenden Chemieanlagen eingesetzt, um die Effizienz zu bewerten und Verbesserungsvorschläge zu machen.

Transportphänomene

Die Modellierung und Analyse von Transportphänomenen ist für viele industrielle Anwendungen unerlässlich. Transportphänomene umfassen Fluiddynamik , Wärmeübertragung und Stoffübertragung , die hauptsächlich durch Impulsübertragung , Energieübertragung bzw. Transport chemischer Spezies bestimmt werden. Modelle beinhalten oft getrennte Betrachtungen für makroskopische , mikroskopische und molekulare Phänomene. Die Modellierung von Verkehrsphänomenen erfordert daher ein Verständnis der angewandten Mathematik.

Anwendungen und Praxis

Zwei Computer-Flachbildschirme, die eine Anwendung für das Anlagenprozessmanagement zeigen
Chemieingenieure verwenden Computer, um automatisierte Systeme in Anlagen zu steuern.
Colonne destillazione.jpg

Chemieingenieure "entwickeln ökonomische Wege der Material- und Energienutzung". Chemieingenieure setzen Chemie und Technik ein, um Rohstoffe in verwertbare Produkte wie Medizin, Petrochemie und Kunststoffe im industriellen Großmaßstab zu verwandeln. Sie engagieren sich auch in der Abfallwirtschaft und in der Forschung. Sowohl angewandte als auch wissenschaftliche Facetten könnten Computer umfassend nutzen.

Chemieingenieure können in der Industrie oder in der universitären Forschung tätig sein, wo sie mit der Entwicklung und Durchführung von Experimenten beauftragt sind, um bessere und sicherere Methoden für Produktion, Umweltverschmutzung und Ressourcenschonung zu entwickeln. Sie können als Projektingenieur an der Planung und dem Bau von Anlagen beteiligt sein . Chemieingenieure als Projektingenieure setzen ihr Wissen bei der Auswahl optimaler Produktionsverfahren und Anlagenausrüstungen ein, um Kosten zu minimieren und Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu maximieren. Nach dem Anlagenbau können Projektmanager für Chemieingenieurwesen in Vollzeit- oder Beratungsfunktionen an Anlagen-Upgrades, Fehlerbehebung und dem täglichen Betrieb beteiligt sein.

Siehe auch

verwandte Themen

Verwandte Felder und Konzepte

Verbände

Verweise

Literaturverzeichnis