الهندسة الكيميائية

في أربعينيات القرن العشرين، اتضح أن العمليات الوحدوية وحدها غير كافية لتطوير المفاعلات الكيميائية . وبينما استمر هيمنة العمليات الوحدوية في مقررات الهندسة الكيميائية في بريطانيا والولايات المتحدة حتى ستينيات القرن العشرين، بدأت ظواهر النقل تحظى باهتمام أكبر. ^{[ 8 ]} إلى جانب مفاهيم جديدة أخرى، مثل هندسة أنظمة العمليات ، تم تعريف "نموذج ثانٍ". ^{[ 9 ] [ 10 ]} قدمت ظواهر النقل منهجًا تحليليًا للهندسة الكيميائية ^{[ 11 ]} بينما ركزت هندسة أنظمة العمليات على عناصرها التركيبية، مثل نظام التحكم وتصميم العمليات . ^{[ 12 ]} كانت صناعة البتروكيماويات المحرك الرئيسي للتطورات في الهندسة الكيميائية قبل وبعد الحرب العالمية الثانية ؛ ^{[ 13 ]} ومع ذلك، فقد تحققت إنجازات في مجالات أخرى أيضًا. فعلى سبيل المثال، وجدت التطورات في الهندسة الكيميائية الحيوية في أربعينيات القرن العشرين تطبيقات في صناعة الأدوية ، وسمحت بالإنتاج الضخم للعديد من المضادات الحيوية ، بما في ذلك البنسلين والستربتومايسين . ^{[ 14 ]} وفي الوقت نفسه، مهد التقدم في علم البوليمرات في الخمسينيات الطريق لـ "عصر البلاستيك". ^{[ 15 ]}

خلال هذه الفترة، أُثيرت مخاوف بشأن سلامة منشآت تصنيع المواد الكيميائية واسعة النطاق وتأثيرها البيئي. فقد نبّه كتاب "الربيع الصامت" ، الذي نُشر عام 1962، قرّاءه إلى الآثار الضارة لمادة DDT ، وهي مبيد حشري قوي . ^{[ 16 ]} وأسفرت كارثة فليكسبره عام 1974 في المملكة المتحدة عن 28 حالة وفاة، بالإضافة إلى أضرار لحقت بمصنع كيميائي وثلاث قرى مجاورة. ^{[ 17 ]} كما أسفرت كارثة بوبال عام 1984 في الهند عن وفاة ما لا يقل عن 4000 شخص. ^{[ 18 ]} وقد أثرت هذه الحوادث، إلى جانب حوادث أخرى ، على سمعة الصناعة، حيث ازداد التركيز على السلامة الصناعية وحماية البيئة . ^{[ 19 ]} واستجابةً لذلك، اشترط معهد المهندسين الكيميائيين (IChemE) أن تكون السلامة جزءًا من كل برنامج دراسي معتمد لديه بعد عام 1982. وبحلول سبعينيات القرن العشرين، تم سنّ تشريعات وإنشاء هيئات رقابية في دول مختلفة، مثل فرنسا وألمانيا والولايات المتحدة. ^{[ 20 ]} بمرور الوقت، بدأ يُنظر إلى التطبيق المنهجي لمبادئ السلامة في المصانع الكيميائية وغيرها من مصانع العمليات على أنه تخصص محدد، يُعرف باسم سلامة العمليات . ^{[ 21 ]}

وجدت التطورات في علوم الحاسوب تطبيقاتٍ في تصميم وإدارة المصانع، مما سهّل الحسابات والرسومات التي كانت تُجرى يدويًا. طُوّرت برامج مثل Aspen HYSYS لإنجاز حسابات هندسية كيميائية متعددة. ويُعدّ إنجاز مشروع الجينوم البشري تطورًا هامًا، إذ لم يقتصر أثره على الهندسة الكيميائية فحسب، بل شمل الهندسة الوراثية وعلم الجينوم أيضًا. ^{[ 22 ]} استُخدمت مبادئ الهندسة الكيميائية لإنتاج تسلسلات الحمض النووي بكميات كبيرة. ^{[ 23 ]}

يهتم تصميم الهندسة الكيميائية بوضع الخطط والمواصفات والتحليلات الاقتصادية للمحطات التجريبية أو الجديدة أو تعديلات المحطات القائمة. غالبًا ما يعمل مهندسو التصميم كمستشارين، حيث يصممون المحطات لتلبية احتياجات العملاء. يُقيّد التصميم بعدة عوامل، منها التمويل واللوائح الحكومية ومعايير السلامة. وتفرض هذه القيود على اختيار المحطة للعمليات والمواد والمعدات. ^{[ 24 ]}

يتولى مهندسو المشاريع ومديروها تنسيق أعمال بناء المصانع ، ^{[ 25 ]} وذلك تبعًا لحجم الاستثمار. وقد يعمل المهندس الكيميائي كمهندس مشروع بدوام كامل أو جزئي، الأمر الذي يتطلب تدريبًا إضافيًا ومهارات وظيفية، أو قد يعمل كمستشار لفريق المشروع. في الولايات المتحدة الأمريكية، لا يركز خريجو الهندسة الكيميائية من برامج البكالوريوس المعتمدة من قبل ABET عادةً على تعليم هندسة المشاريع، والذي يمكن اكتسابه من خلال تدريب متخصص، أو كمواد اختيارية، أو من خلال برامج الدراسات العليا . وتُعد وظائف هندسة المشاريع من أكبر فرص العمل المتاحة للمهندسين الكيميائيين. ^{[ 26 ]}

العملية الوحدوية هي خطوة فيزيائية ضمن عملية هندسية كيميائية محددة. تُستخدم العمليات الوحدوية (مثل التبلور ، والترشيح ، والتجفيف ، والتبخير ) لتحضير المواد المتفاعلة، وتنقية وفصل نواتجها، وإعادة تدوير المواد المتفاعلة غير المستهلكة، والتحكم في نقل الطاقة في المفاعلات. ^{[ 27 ]} من جهة أخرى، تُعدّ العملية الوحدوية المكافئ الكيميائي للعملية الوحدوية. وتُشكّل العمليات الوحدوية، إلى جانب العمليات الوحدوية، عمليةً متكاملة. تتضمن العمليات الوحدوية (مثل النترجة ، والهدرجة، والأكسدة ) تحويل المواد بوسائل كيميائية حيوية ، وحرارية كيميائية ، وغيرها. يُطلق على المهندسين الكيميائيين المسؤولين عن هذه العمليات اسم مهندسي العمليات . ^{[ 28 ]}

يتطلب تصميم العمليات تحديد أنواع وأحجام المعدات، بالإضافة إلى كيفية توصيلها ومواد تصنيعها. غالبًا ما تُطبع التفاصيل على مخطط تدفق العمليات ، والذي يُستخدم للتحكم في طاقة وموثوقية مصنع كيميائي جديد أو قائم. ^{[ 29 ]}

يركز تعليم المهندسين الكيميائيين في المرحلة الجامعية الأولى (ثلاث أو أربع سنوات من الدراسة) على مبادئ وممارسات تصميم العمليات. وتُستخدم هذه المهارات نفسها في المصانع الكيميائية القائمة لتقييم كفاءتها وتقديم توصيات للتحسين. ^{[ 30 ]}

يُعدّ نمذجة وتحليل ظواهر النقل أمرًا بالغ الأهمية للعديد من التطبيقات الصناعية. تشمل ظواهر النقل ديناميكيات الموائع ، وانتقال الحرارة ، وانتقال الكتلة ، والتي تخضع بشكل رئيسي لانتقال الزخم ، وانتقال الطاقة، وانتقال الأنواع الكيميائية ، على التوالي. غالبًا ما تتضمن النماذج اعتبارات منفصلة للظواهر على المستويات العيانية والميكروسكوبية والجزيئية . لذلك، تتطلب نمذجة ظواهر النقل فهمًا للرياضيات التطبيقية. ^{[ 31 ]}