¿Qué es la ingeniería química?

Ingeniería Química

Disciplina de la ingeniería que estudia las leyes uniformes de los procesos químicos y físicos llevados a cabo en la producción de la industria química y otras industrias de procesos. Estas industrias incluyen la industria de refinación de petróleo, la industria metalúrgica, la industria de materiales de construcción, la industria alimentaria, la industria papelera, etc. Parten de materias primas básicas como petróleo, carbón, gas natural, sal, piedra caliza, otros minerales y alimentos, madera, agua, aire, etc., y utilizan procesos químicos o físicos para cambiar la composición, propiedades y estado de las sustancias. , convirtiéndolos en productos de diversos valores como fertilizantes, gasolina, lubricantes, fibras sintéticas, caucho sintético, plásticos, sosa cáustica, carbonato de sodio, cemento, vidrio, acero, hierro, aluminio, pulpa, etc. El proceso químico se refiere al proceso de reacción en el que las sustancias sufren cambios químicos. Por ejemplo, la preparación de gasolina de alto octanaje mediante craqueo catalítico de diésel es un proceso de reacción química. Los procesos físicos se refieren a los cambios de composición, propiedades, estado y energía de sustancias que ocurren sin reacciones químicas. Por ejemplo, el petróleo crudo se separa mediante destilación para obtener productos como gasolina, diesel y queroseno. 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 los procesos tienen varias formas, todos pueden descomponerse en los procesos químicos y físicos mencionados anteriormente. De hecho, los procesos químicos suelen ocurrir simultáneamente con los procesos físicos. Por ejemplo, el craqueo catalítico es un proceso químico típico, pero se complementa con calentamiento, enfriamiento y separación, y durante la reacción también debe ir acompañado de flujo, transferencia de calor y transferencia de masa. Todos estos procesos pueden entenderse y explicarse a través de la investigación en ingeniería química y pueden aplicarse al desarrollo, diseño y operación de procesos y dispositivos de producción para optimizar y mejorar la eficiencia.

La misma característica de la producción industrial antes mencionada es que desde el laboratorio hasta la producción industrial, especialmente la producción a gran escala, se debe resolver el problema de la amplificación de un dispositivo. Una forma importante de ampliar la escala de producción y mejorar los beneficios económicos es ampliar el equipo para 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 grandes suelen ser más bajos que los resultados de pruebas pequeñas. La razón es que a medida que se agranda el dispositivo, los factores y condiciones de los procesos físicos, como el flujo de material, 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" en general e incluye la influencia de muchos factores físicos (o factores de ingeniería) identificados o no identificados. Una tarea importante de la ingeniería química es estudiar los efectos de factores relevantes de la ingeniería en procesos y dispositivos, especialmente los efectos en la amplificación, para resolver problemas relacionados con la teoría y los métodos de desarrollo de procesos, diseño y operación de dispositivos. Se basa en los principios de la física, la química y las matemáticas, utiliza ampliamente diversos métodos experimentales y coopera con procesos químicos para resolver problemas de producción industrial.

La ingeniería química incluye operaciones unitarias, ingeniería de reacciones químicas, procesos de transferencia, termodinámica química, ingeniería de sistemas químicos, dinámica y control de procesos, etc.

Los procesos físicos que constituyen la producción de diversos productos químicos en operaciones unitarias se pueden resumir en un número limitado de procesos básicos, como transporte de fluidos, intercambio de calor (calentamiento y enfriamiento), destilación, absorción, evaporación. , extracción y cristalización, secado, etc. Estos procesos básicos se denominan operaciones unitarias. El estudio de las operaciones unitarias arroja resultados decisivos, 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 creó algunos ingenieros químicos que emprendieron nuevas carreras. Estos ingenieros químicos son diferentes de los trabajadores de producción química anteriores. Tienen experiencia en la disciplina especializada de la ingeniería química, por lo que tienen la capacidad de hacer que el diseño, la fabricación y el control de operación de los procesos y equipos de producción química sean más razonables. 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, continúan apareciendo algunas operaciones unitarias nuevas que se enriquecen gradualmente.

Ingeniería de reacciones químicas La reacción química es la parte central de la producción química. Determina el rendimiento de los productos y tiene un impacto importante en los costos de producción. Sin embargo, su complejidad obstaculizó el estudio sistemático en sus inicios. Hasta mediados del siglo XX, con base en los resultados de la investigación de operaciones unitarias y procesos de transferencia, se descubrieron varios problemas fatales en diversos procesos de reacción, como oxidación, reducción, nitración, sulfonación, etc., como el retromezclado, la transferencia de masa. y transferencia de calor dentro de la fase de reacción, transferencia de masa y transferencia de calor fuera de la fase de reacción, estabilidad del reactor, etc.

El estudio de estas cuestiones, así como sus diversos efectos sobre la cinética de reacciones, constituye una nueva rama de la disciplina, la ingeniería de reacciones químicas, enriqueciendo y desarrollando así los contenidos y métodos de la ingeniería química.

El proceso de transferencia es la base común para las operaciones unitarias y 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, operación de distribución de flujo de gas en el reactor basado en transferencia de calor, eliminación de calor de polimerización en el reactor de polimerización, operación de absorción basada en transferencia de masa, reactivos y productos en difusión dentro del catalizador; etc. En algunos procesos coexisten dos o más fenómenos de transferencia, como aumento de gas o disminución de humedad, etc. Como rama de la ingeniería química, el proceso de transferencia se centra en el estudio de las tasas y las interrelaciones de las tres transferencias anteriores y conecta algunos fenómenos que son esencialmente similares pero que tienen manifestaciones diferentes.

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, las ramas temáticas de la ingeniería química también se pueden dividir en dos niveles: las operaciones unitarias y la ingeniería de reacciones están más directamente orientadas a la práctica industrial, mientras que los procesos de transferencia y la termodinámica química están más desde una perspectiva de investigación básica y apoyan las dos primeras ramas. 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, cuestiones que antes no parecían muy importantes se han vuelto gradualmente prominentes. Por ejemplo, las cuestiones de utilización de energía y las cuestiones de optimización del diseño y la operación son muy importantes en la producción a gran escala. Dado que varias unidades de proceso en el proceso químico interactúan y se restringen entre sí, es necesario considerar el proceso químico como un sistema integral y establecer el concepto de optimización general. Como resultado, 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 las dos ramas disciplinarias de operaciones unitarias e 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: ①La complejidad del proceso en sí: tanto químico como físico, y los dos suelen ocurrir al mismo tiempo y se influyen mutuamente. ② Complejidad del sistema físico: hay fluidos (gases y líquidos) y sólidos, y a menudo existen múltiples fases. Las propiedades de los fluidos pueden variar mucho, como baja viscosidad y alta viscosidad, newtonianas y no newtonianas, etc. A veces, hay cambios significativos en las propiedades físicas durante el proceso, como la transición del sistema reactivo de baja viscosidad a alta viscosidad durante la polimerización. ③Complejidad de los límites cuando fluye el sistema de material: dado que la geometría del equipo (como bandejas, paletas agitadoras, deflectores, etc.) es cambiante, las formas de los rellenos (como catalizadores, rellenos, etc.) también son cambiables. Haciendo el flujo Los límites son complejos y difíciles de identificar 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. También formó sus propios métodos de investigación (métodos de investigación en ingeniería química), algunos de los cuales no son originales sino trasplantados de otros campos.

Métodos de investigación tempranos El método principal en los primeros días de la ingeniería química era la amplificación de experiencias, a través de experimentos paso a paso y de múltiples niveles, para explorar las leyes de la amplificación. Este método empírico es caro, requiere mucho tiempo e ineficaz. La gente se ha esforzado por solucionar esta situación. Pero hasta el día de hoy, para algunos procesos especialmente complejos y aún poco comprendidos, todavía tenemos que recurrir a este método, total o parcialmente.

Los métodos de investigación más populares a principios del siglo XX fueron la teoría de la similitud y el análisis dimensional, que se caracterizan por reducir muchas variables que afectan el proceso a un número menor de números adimensionales mediante la transformación de similitud o análisis dimensional (adimensional ) forma de grupo y luego diseña experimentos modelo para encontrar la relación entre estos grupos. Es muy eficaz resumir los resultados experimentales utilizando estos dos métodos.

Para el proceso de reacción se utiliza desde hace tiempo el método empírico paso a paso. Dado que es imposible satisfacer las condiciones de similitud química y al mismo tiempo satisfacer la similitud geométrica y la similitud de cantidades físicas, la idea de utilizar grupos adimensionales para correlacionar resultados experimentales para obtener las reglas del proceso de reacción no es válida.

Métodos de investigación después de la década de 1950 No fue hasta la década de 1950 que los métodos de modelos matemáticos se utilizaron ampliamente en el campo de la ingeniería de reacciones químicas.

La influencia de este método se extendió a otras ramas de la ingeniería química, dando lugar a una innovación en los métodos de investigación. Pero incluso si se adopta este método, el trabajo experimental sigue desempeñando un papel importante. Los datos básicos deben medirse experimentalmente, los modelos deben identificarse mediante experimentos, los parámetros del modelo deben obtenerse experimentalmente y la confiabilidad del modelo debe verificarse experimentalmente.

La base de varios 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 efectivo, confiable, simple y factible. El propósito de diversas teorías, métodos y aplicaciones informáticas es hacer 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 del proceso (descomponer un proceso complejo en dos o más procesos más simples), la simplificación del proceso (un proceso más complejo ignora los factores secundarios y se simplifica como un proceso más simple) y el proceso se reflejan en muchos aspectos. idea de síntesis (después de procesar los procesos descompuestos por separado y luego sintetizar estos procesos en uno).

Papel importante

La escala de la producción industrial moderna a menudo requiere que la producción anual de un conjunto de equipos alcance cientos de miles de toneladas o más. Estos dispositivos seguramente enfrentarán una gran cantidad de problemas de ingeniería y una ligera caída en los indicadores causará grandes pérdidas económicas.

El progreso de la ciencia y la tecnología está creando nuevos productos y nuevos procesos todo el tiempo. Sin embargo, estos nuevos productos deben depender de medios de ingeniería para lograr la producción industrial, y los nuevos procesos deben ser económica y técnicamente racionales para reemplazar los procesos originales.

Los problemas antes mencionados de equipos a gran escala 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, es necesario eliminar componentes nocivos como los óxidos de azufre y nitrógeno de una gran cantidad de gases de combustión antes de emitirlos. Una vez cumplidos los requisitos en el laboratorio, es necesario purificar una gran cantidad. de gases de combustión a escala industrial Al considerar la economía y la viabilidad de la purificación a gran escala, el enfoque es muy diferente al de la investigación de laboratorio.

Otro ejemplo es la producción química, que requiere productos muy puros como materia prima. Por ejemplo, la industria química de polímeros a menudo 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 y los pequeños experimentos no requieren indicadores económicos refinados. Sin embargo, 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 depende del estudio de operaciones unitarias. Si se determinan la temperatura, la concentración y el tiempo de reacción preferidos en el reactor experimental, se obtienen resultados satisfactorios. 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 óptimo. Debido al efecto del calor de reacción, la desigualdad de temperatura en dispositivos grandes debido a limitaciones de transferencia de calor hace que la temperatura de reacción se desvíe de la temperatura óptima. La temperatura desigual conducirá inevitablemente a una concentración desigual. Estos efectos provocan una disminución de la eficiencia en dispositivos de gran tamaño, un aumento de los costes del producto e incluso pueden provocar que el dispositivo pierda su valor industrial y se vuelva inadecuado para la producción. Este ejemplo ilustra el papel y la importancia de la investigación en ingeniería de reacciones químicas.

Otro ejemplo es que en la producción industrial, para satisfacer las necesidades de diversos procesos, a veces se necesita calefacción y refrigeración. Los indicadores de consumo de energía no son importantes en el laboratorio, pero en la producción a gran escala, se debe considerar el uso racional del calor y se debe combinar la calefacción y la refrigeración tanto como sea posible, y se debe utilizar la mayor cantidad de energía térmica de bajo nivel. . Cómo utilizar racionalmente el calor y cómo organizar racionalmente numerosos equipos no se puede resolver mediante métodos experimentales, pero se puede resolver mediante 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 podido resolver 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 significado original.

La ingeniería química se está desarrollando en dos direcciones: por un lado, a medida que la disciplina madura, continúa desarrollándose en profundidad, por otro lado, continúa penetrando en nuevos campos, investigando y resolviendo nuevos problemas; en nuevos campos pregunta.

La profundidad del tema: Para comprender profundamente las leyes del proceso, llevamos a cabo una investigación profunda y sistemática sobre las leyes de transferencia de sistemas multifásicos, fluidos de alta viscosidad y no newtonianos. Fluidos que se encuentran a menudo en ingeniería química.

Estos estudios no sólo ayudan a resolver problemas en los campos de investigación tradicionales, sino que también ayudan a comprender temas emergentes como el flujo sanguíneo en el cuerpo humano. El estudio de múltiples problemas de estado estacionario en el proceso de reacción no es sólo una necesidad para el diseño y operación del reactor, sino también una contribución al estudio de los problemas de estabilidad de sistemas no lineales desde otro aspecto. Para hacer que el diseño de dispositivos a gran escala sea más rápido y confiable, se estudiaron diversos parámetros de propiedades físicas, parámetros termodinámicos y parámetros termoquímicos, así como datos de equilibrio de fases y equilibrio químico, lo que promovió una mayor integración de la investigación termodinámica de la ingeniería química con la práctica. .

En términos de métodos de investigación, los métodos de modelos matemáticos se mejoran constantemente. Además, métodos como el diseño experimental, el procesamiento de datos, la selección e identificación de modelos y la estimación de parámetros del modelo se basan en la teoría estadística. 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, se han establecido bibliotecas de modelos y bases de datos, y se han desarrollado desde la simulación estacionaria hasta la simulación dinámica requerida para el control de procesos.

La penetración en nuevos campos es una necesidad objetiva y el motor para el desarrollo de la disciplina. Históricamente, la ingeniería química se ha desarrollado mediante el desarrollo y la optimización de varios procesos nuevos, impulsados ​​por el aumento de tamaño de los equipos químicos y petroquímicos inorgánicos, como los grandes reactores radiales de lecho fijo y los reactores de lecho fluidizado para la tecnología de desarrollo de craqueo catalítico. El enfoque de la cinética agrupada se desarrolló para abordar sistemas reactivos multicomponentes en el procesamiento del petróleo, que a su vez pueden usarse para abordar procesos de reacción biológica. En el proceso de penetración en la industria de materiales, ha surgido la ingeniería de reacciones de polimerización que aplica principios de ingeniería de reacciones químicas al proceso de polimerización, y el estudio de las características de transferencia de sistemas de alta viscosidad se ha convertido en un tema de aplicación práctica. Con el avance de la biotecnología, ha surgido la ingeniería bioquímica para resolver problemas como los biorreactores y la separación de preparaciones biológicas, 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 han surgido nuevos intercambiadores 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 eso surgió una nueva tecnología de separación?%B