¿Qué es la ingeniería y la tecnología química?
Disciplina de la ingeniería que estudia las leyes de los procesos químicos y físicos en la industria química y otros procesos de producción industrial. Estas industrias incluyen la refinación de petróleo, la metalurgia, los materiales de construcción, la alimentación, el papel, etc. Parten de materias primas básicas como petróleo, carbón, gas natural, sal, piedra caliza, otros minerales, cereales, madera, agua, aire, etc., y cambian la composición, propiedades y estado de las sustancias mediante procesos químicos o físicos para convertirlas en en diversos productos de alto valor como fertilizantes químicos, gasolina, lubricantes, fibras sintéticas, caucho sintético, plásticos, sosa cáustica, carbonato de sodio, cemento, vidrio, acero, etc. El proceso químico se refiere al proceso de reacción en el que las sustancias sufren cambios químicos. Por ejemplo, el craqueo catalítico del diésel para preparar gasolina de alto octanaje es un proceso de reacción química. Proceso físico se refiere al proceso de cambio de la composición, propiedades, estado y energía de sustancias sin reacción química, como gasolina, diesel, queroseno y otros productos obtenidos por destilación y separación del petróleo crudo. En cuanto a otros campos, como la fundición de minerales, la quema de combustibles, la fermentación biológica, la fabricación de cuero, la desalinización de agua de mar, etc. , aunque el proceso tiene varias manifestaciones, todas ellas pueden descomponerse en los procesos químicos y físicos antes mencionados. De hecho, los procesos químicos suelen ocurrir simultáneamente con los procesos físicos. Por ejemplo, el craqueo catalítico es un proceso químico típico, pero está asistido por calentamiento, enfriamiento y separación, y durante el proceso de reacción, también va acompañado de flujo, transferencia de calor y transferencia de masa. Todos estos procesos pueden entenderse y explicarse a través del estudio de la ingeniería química y aplicarse al desarrollo, diseño y operación de procesos y dispositivos productivos para lograr el propósito de optimizar y mejorar la eficiencia.
La producción industrial antes mencionada tiene una característica común, es decir, desde el laboratorio hasta la producción industrial, especialmente la producción a gran escala, se debe resolver el problema de amplificación de un dispositivo. Una forma importante de ampliar la escala de producción y mejorar los beneficios económicos es ampliar el equipo para lograr el propósito de ahorrar inversiones, reducir el consumo, reducir la ocupación de la tierra y ahorrar mano de obra. Sin embargo, algunos indicadores que se pueden lograr en dispositivos a gran escala suelen ser más bajos que los resultados de experimentos a pequeña escala, porque a medida que el dispositivo aumenta, los factores y condiciones de los procesos físicos, como el flujo de materiales, la transferencia de calor y la transferencia de masa, cambian. . Este efecto que se origina en el proceso de amplificación se ha denominado durante mucho tiempo "efecto de amplificación", que incluye muchos factores físicos (o factores de ingeniería) que han sido identificados o no reconocidos. Una tarea importante de la ingeniería química es estudiar la influencia de los factores de ingeniería en los procesos y dispositivos, especialmente durante el escalado, para resolver problemas relacionados con el desarrollo de procesos, el diseño de dispositivos y la operación. Se basa en los principios de la física, la química y las matemáticas, y utiliza ampliamente diversos métodos experimentales para resolver problemas de producción industrial junto con procesos químicos.
La ingeniería química incluye operaciones unitarias, ingeniería de reacciones químicas, procesos de transferencia, termodinámica química, ingeniería de sistemas químicos, dinámica y control de procesos.
Los procesos físicos que constituyen la producción de diversos productos químicos mediante operaciones unitarias se pueden resumir en unos pocos procesos básicos limitados, como el transporte de fluidos, el intercambio de calor (calentamiento y enfriamiento), la destilación, la absorción, la evaporación, extracción, y cristalización y secado. Estos procesos básicos se denominan operaciones unitarias. La investigación sobre operaciones unitarias ha logrado * * * resultados que pueden utilizarse para guiar la producción de diversos productos y el diseño de equipos químicos. A principios del siglo XX, aunque la comprensión de la ingeniería química se limitaba a las operaciones unitarias, abrió un nuevo campo y algunos ingenieros químicos aparecieron en carreras completamente nuevas. Estos ingenieros químicos son diferentes de los trabajadores de producción química anteriores. Han recibido formación en ingeniería química, por lo que tienen la capacidad de hacer más razonable el diseño, fabricación y control de operación de los procesos y equipos de producción química. Hasta el día de hoy, la investigación sobre cada operación unitaria todavía tiene un significado teórico y un valor de aplicación extremadamente importantes y, para adaptarse a los nuevos requisitos técnicos, constantemente surgen algunas nuevas operaciones unitarias que se enriquecen gradualmente.
Ingeniería de reacciones químicas La reacción química es la parte central de la producción química, que determina el rendimiento del producto y tiene un impacto importante en los costes de producción. Sin embargo, su complejidad impidió su estudio sistemático temprano. Hasta mediados del siglo XX, basándose en los resultados de la investigación de operaciones unitarias y procesos de transferencia, se descubrieron algunos * * * problemas en diversos procesos de reacción como oxidación, reducción, nitración, sulfonación, etc., como la retromezcla en el reactor, reacción interna en la fase de reacción, etc. Transferencia de masa y transferencia de calor, transferencia de masa y transferencia de calor fuera de la fase de reacción, estabilidad del reactor, etc. El estudio de estas cuestiones y su impacto en la cinética de reacciones constituye una nueva rama de la disciplina, la ingeniería de reacciones químicas, que enriquece y desarrolla los contenidos y métodos de la ingeniería química.
El proceso de transferencia es la base de las operaciones unitarias y de la ingeniería de reacción.
Los procesos físicos que se llevan a cabo en diversos equipos operativos unitarios y dispositivos de reacción no son más que tres tipos de transferencia: transferencia de momento, transferencia de calor y transferencia de masa. Por ejemplo, transporte de fluidos basado en transferencia de momento, distribución del flujo de gas en el reactor, operaciones de intercambio de calor basadas en transferencia de calor para eliminar el calor de polimerización del tanque de polimerización, operaciones de absorción basadas en transferencia de masa, difusión de reactivos y productos en el catalizador, etc. . En algunos procesos existen dos o más fenómenos de transferencia simultáneamente, como un aumento de gas y una disminución de la humedad. Como rama de la ingeniería química, el proceso de transferencia se centra en la velocidad y relación de las tres transferencias anteriores, condensando algunos fenómenos que son similares en naturaleza pero que tienen diferentes manifestaciones.
La termodinámica química es la base teórica de las operaciones unitarias y la ingeniería de reacciones. Estudia la dirección y los límites del proceso de transferencia y proporciona datos básicos relevantes necesarios para el análisis y diseño del proceso. Por lo tanto, la rama de la ingeniería química también se puede dividir en dos niveles: la operación unitaria y la ingeniería de reacciones están más directamente orientadas a la práctica industrial, y los procesos de transferencia y la termodinámica química apoyan las dos primeras ramas desde la perspectiva de la investigación básica. A través de estos dos niveles, la teoría y la práctica pueden integrarse estrechamente.
Con la expansión de la escala de producción y el consumo masivo de recursos y energía, problemas que antes eran menos importantes se han vuelto gradualmente prominentes. Por ejemplo, la utilización de energía, el diseño y la optimización del funcionamiento son muy importantes en la producción a gran escala. Dado que las distintas unidades de proceso en el proceso químico interactúan y se restringen entre sí, el proceso químico debe considerarse como un sistema integral y debe establecerse el concepto de optimización general. Por lo tanto, la disciplina de la ingeniería de sistemas se ha desarrollado rápidamente en la ingeniería química y ha logrado resultados obvios, formando la ingeniería de sistemas químicos. Es el producto de una combinación de métodos de ingeniería de sistemas y operaciones unitarias con ingeniería de reacciones químicas. Para mantener las operaciones razonables y optimizadas, las características dinámicas del proceso y los métodos de control también son contenidos importantes de la ingeniería química.
Los objetos de investigación de la ingeniería química suelen ser muy complejos, reflejándose principalmente en: ① La complejidad del proceso en sí: tanto químico como físico, muchas veces ocurren al mismo tiempo y se influyen entre sí. ②Complejidad de los sistemas materiales: existen tanto fluidos (gases y líquidos) como sólidos, que a menudo existen en múltiples fases. Las propiedades de los fluidos pueden variar ampliamente, como viscosidad baja y alta, newtonianas y no newtonianas. A veces las propiedades físicas cambian significativamente durante el proceso, como el cambio del sistema reactivo de baja a alta viscosidad durante la polimerización. (3) La complejidad del límite cuando fluye el sistema de material: dado que la geometría del equipo (como bandejas, cuchillas, deflectores, etc.) es variable, la forma del relleno (como catalizador, empaque, etc.) también es variable, lo que hace que los límites del flujo sean complejos y difíciles de determinar y describir.
Métodos de investigación en ingeniería química Debido a estas características de los objetos de ingeniería química, los métodos analíticos a menudo fallan en la investigación de ingeniería química. Como resultado, formó sus propios métodos de investigación (métodos de investigación en ingeniería química), algunos de los cuales no eran originales sino trasplantados de otros campos.
Métodos de investigación tempranos El método principal en los primeros días de la ingeniería química fue el método de amplificación empírica, que exploraba las reglas de amplificación a través de experimentos paso a paso de múltiples niveles. Este método empírico es costoso, requiere mucho tiempo e ineficaz, y la gente ha estado intentando deshacerse de esta situación. Pero hasta ahora, la gente ha tenido que recurrir a este método o a partes de él para abordar algunos procesos particularmente complejos que hasta ahora no se conocían bien.
A principios del siglo XX, la teoría de la similitud y el análisis dimensional eran métodos de investigación bastante populares, que se caracterizaban por resumir muchas variables que afectan el proceso en varios grupos adimensionales mediante transformación de similitud o análisis dimensional. Luego se diseñan para encontrar relaciones entre estos grupos. Es muy eficaz resumir los resultados experimentales utilizando estos dos métodos.
Para los procesos de reacción, se utilizan desde hace mucho tiempo métodos empíricos por pasos. Debido a que es imposible satisfacer las condiciones de similitud geométrica, similitud física y similitud química, la idea de utilizar grupos adimensionales para correlacionar resultados experimentales para obtener leyes del proceso de reacción no es válida.
Los métodos de investigación desarrollados después de la década de 1950 no se utilizaron ampliamente en el campo de la ingeniería de reacciones químicas hasta la década de 1950. La influencia de este enfoque se extendió a otras ramas de la ingeniería química, dando lugar a innovaciones en los métodos de investigación. Pero incluso si se adopta este método, el trabajo experimental sigue desempeñando un papel importante. Los datos básicos deben determinarse experimentalmente, el modelo debe identificarse experimentalmente, los parámetros del modelo deben obtenerse experimentalmente y la confiabilidad del modelo debe verificarse experimentalmente.
La base de diversos métodos de investigación en ingeniería química es el trabajo experimental. Independientemente del método de investigación que se utilice, debemos esforzarnos por hacer que el trabajo experimental sea eficaz, fiable y sencillo. Diversas teorías, métodos y aplicaciones informáticas están diseñados para que el trabajo experimental pueda revelar mejor las leyes de las cosas y ahorrar tiempo, mano de obra y costos.
En la aplicación de los métodos anteriores, la descomposición de procesos (descomponer un proceso complejo en dos o varios procesos más simples), la simplificación de procesos (un proceso más complejo ignora los factores secundarios y lo simplifica con un proceso más simple) y la síntesis de procesos. (procesar los procesos descompuestos por separado y luego integrar estos procesos en uno solo) se refleja en muchos aspectos.
Función vital
La escala de la producción industrial moderna a menudo requiere que la producción anual de un conjunto de dispositivos alcance cientos de miles de toneladas o más. Estos equipos seguramente enfrentarán una gran cantidad de problemas de ingeniería y una ligera caída en los indicadores causará enormes pérdidas económicas.
Los avances en la tecnología siempre están creando nuevos productos y tecnologías. Sin embargo, estos nuevos productos sólo pueden industrializarse mediante medios de ingeniería, y las nuevas tecnologías sólo pueden sustituirse mediante la racionalidad económica y técnica.
Los equipos a gran escala mencionados anteriormente y la industrialización de nuevos productos y nuevos procesos están todos dentro del alcance de la investigación en ingeniería química. El importante papel de la ingeniería química en la economía nacional es muy evidente.
Por ejemplo, antes de emitir una gran cantidad de gases de combustión, se eliminan los componentes nocivos como los óxidos de azufre y nitrógeno, y luego se logra una purificación de los gases de combustión a gran escala a escala industrial después de cumplir con los requisitos en el laboratorio. La economía y la viabilidad de la purificación son muy diferentes de los estudios de laboratorio.
Por ejemplo, en la producción química se necesitan productos muy puros como materia prima. Por ejemplo, en la industria química de polímeros, a menudo se requiere que el contenido de impurezas de los monómeros antes de la polimerización sea del orden de partes por millón (ppm). Esto no es necesariamente difícil para el trabajo de laboratorio, donde los pequeños experimentos no requieren indicadores económicos refinados. Es un tema completamente diferente el de requerir equipos de producción a gran escala para hacer esto en condiciones de bajo consumo y equipos simples y factibles. La solución a este problema pasa por el estudio del funcionamiento unitario. Se pueden obtener resultados satisfactorios si se determinan la temperatura, la concentración y el tiempo de reacción óptimos en el reactor experimental. Sin embargo, durante el proceso de amplificación, debido al flujo desigual, el tiempo de residencia (tiempo de reacción) del material en el reactor es desigual, desviándose del tiempo de reacción preferido. Debido al efecto térmico de la reacción, la temperatura en el dispositivo grande es desigual debido a las limitaciones de transferencia de calor, lo que hace que la temperatura de reacción se desvíe de la temperatura óptima. La temperatura desigual conducirá inevitablemente a una concentración desigual. Estos efectos conducen a una reducción de la eficiencia y un aumento de los costos de los productos en las grandes fábricas, que pueden incluso perder valor industrial y volverse inadecuadas para la producción. Este ejemplo ilustra el papel y la importancia de la investigación en ingeniería de reacciones químicas.
Por poner otro ejemplo, para satisfacer las necesidades de diversos procesos en la producción industrial, a veces se necesita calefacción y otras veces refrigeración. Los indicadores de consumo de energía no son importantes en el laboratorio, pero en la producción a gran escala, se debe considerar la utilización razonable del calor, igualando la calefacción y la refrigeración tanto como sea posible y utilizando energía térmica de bajo nivel tanto como sea posible. Cómo utilizar racionalmente el calor y cómo disponer racionalmente una gran cantidad de equipos son problemas que no pueden resolverse mediante métodos experimentales y sólo pueden depender de la investigación de la ingeniería de sistemas químicos.
Los ejemplos anteriores ilustran la necesidad urgente de conocimientos de ingeniería química después de la producción a gran escala. Los logros de la ingeniería química han resuelto estos problemas en gran medida.
Dirección del desarrollo
La ingeniería química se enfrenta a nuevos desafíos y nuevos temas. El proceso de resolución de estos nuevos temas conducirá inevitablemente al desarrollo de la disciplina de la ingeniería química. Su alcance de investigación y perspectivas de aplicación han superado con creces su importancia original.
La ingeniería química se está desarrollando en dos direcciones: por un lado, continúa desarrollándose en profundidad a medida que la disciplina madura, por otro lado, continúa penetrando en nuevos campos para estudiar y resolver nuevos problemas; nuevos campos.
Para comprender en profundidad las reglas del proceso, se realizó un estudio profundo y sistemático sobre las reglas de transferencia de sistemas multifásicos, fluidos de alta viscosidad y fluidos no newtonianos que se encuentran a menudo en la industria química. industria. Estos estudios no sólo ayudan a resolver problemas en áreas de investigación tradicionales, sino que también ayudan a comprender temas emergentes como el flujo sanguíneo en el cuerpo humano. El estudio de múltiples aspectos del estado estacionario durante el proceso de reacción no es sólo una necesidad para el diseño y operación del reactor, sino también una contribución a la investigación de la estabilidad de sistemas no lineales desde otro aspecto. Para hacer que el diseño de equipos grandes sea más rápido y confiable, se estudiaron los parámetros físicos, los parámetros termodinámicos y los parámetros termoquímicos, los datos de equilibrio de fases y equilibrio químico de varios sistemas, promoviendo una mayor integración de la investigación y la práctica de la termodinámica química.
En términos de métodos de investigación, los métodos de modelos matemáticos se han mejorado continuamente, respaldando métodos como el diseño experimental, el procesamiento de datos, la selección e identificación de modelos y la estimación de parámetros de modelos basados en la teoría estadística y la teoría de la información. Para llevar a cabo la simulación de procesos y cálculos de esquemas múltiples, se han desarrollado una variedad de sistemas de simulación por computadora y se han establecido bibliotecas de modelos y bases de datos para desarrollar desde la simulación de estado estacionario hasta la simulación dinámica requerida para el control de procesos.
Penetrar en nuevos campos es una necesidad objetiva y el motor para el desarrollo de la disciplina. Históricamente, la ingeniería química surgió del desarrollo y la optimización de varios procesos nuevos, impulsados por plantas petroquímicas y químicas inorgánicas a gran escala, como los grandes reactores radiales de lecho fijo para el craqueo catalítico y la tecnología de desarrollo de reactores de lecho fluidizado. Para resolver el problema de tratar con sistemas reactivos de múltiples componentes en el procesamiento de petróleo, se desarrolló el método de tratamiento cinético concentrado, que puede usarse para tratar procesos de reacción biológica. En el proceso de penetración en la industria de materiales, ha surgido la ingeniería de polimerización que aplica principios de ingeniería de reacciones químicas al proceso de polimerización, y han surgido temas de aplicaciones prácticas en el estudio de las características de transferencia de sistemas de alta viscosidad. Con el desarrollo de la biotecnología, ha surgido la ingeniería bioquímica para resolver los problemas de separación de biorreactores y preparados biológicos, como la tecnología de ultrafiltración. La escasez de energía ha hecho que la gente preste atención al uso de fuentes de calor de baja temperatura y ha surgido un nuevo tipo de intercambiador de calor. Para proteger el medio ambiente y desarrollar los recursos marinos es necesario estudiar la tecnología de separación de mezclas de baja concentración, por lo que han surgido nuevas tecnologías de separación, como la separación por membranas y la separación de espumas. El uso de las perspectivas y métodos de la ingeniería química para estudiar procesos fisiológicos en el cuerpo humano, como la difusión de fármacos en el cuerpo humano y el estudio de órganos artificiales, ha formado un nuevo campo de investigación en ingeniería biomédica. Para explorar las leyes del proceso bajo la acción de campos de fuerza centrífuga, campos eléctricos y campos magnéticos, surgió la ingeniería química de campo. Incluso se utilizan principios de ingeniería química para estudiar la preparación de dispositivos electrónicos de alta pureza, la tecnología de inyección de aire y más. En otras palabras, fuera del campo de la producción química, la industria química se puede encontrar en casi cualquier situación en la que exista un proceso de reacción o de transferencia, y es digno de atención. Esta comprensión refleja el panorama actual de la ingeniería química.