الهندسة الكيميائية تحكم قوانين الكيمياء الفيزيائية قابلية و كفاءة عملياتها. تُعتبر تغييرات الطاقة، المستمدة من الاعتبارات الديناميكية الحرارية، مهمة بشكل خاص. الرياضيات هي أداة أساسية في التحسين و النمذجة. يعني التحسين ترتيب المواد و المرافق و الطاقة لإنتاج عملية منتجة و اقتصادية قدر الإمكان. النمذجة هي بناء نموذجات رياضية نظرية لأنظمة العمليات المعقدة، عادةً بمساعدة أجهزة الحاسوب.

تاريخ ظهور الهندسة الكيميائية

الهندسة الكيميائية قديمة قدم الصناعات التحويلية. يعود تراثها إلى عمليات التخمير و التبخر التي كانت تديرها الحضارات المبكرة.

ظهرت الهندسة الكيميائية الحديثة مع تطور عمليات التصنيع الكيميائي على نطاق واسع في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. خلال تطورها كنظام مستقل، تم توجيه الهندسة الكيميائية نحو  حل مشكلات تصميم و تشغيل مصانع كبيرة للإنتاج المستمر.

كان تصنيع المواد الكيميائية في منتصف القرن التاسع عشر يتألف من عمليات حرفية متواضعة. أدت الزيادة في الطلب و القلق العام بشأن انبعاث النفايات السائلة الضارة والمنافسة بين العمليات المتنافسة إلى توفير حوافز لزيادة الكفاءة. أدى ذلك إلى ظهور مجموعات مع موارد لعمليات أكبر و تسبب في الانتقال من صناعة حرفية إلى صناعة قائمة على العلم.

كانت النتيجة طلبًا على الكيميائيين ذوي المعرفة بعمليات التصنيع، و المعروفين باسم الكيميائيين الصناعيين أو التقنيين الكيميائيين. كان مصطلح مهندس كيميائي شائع الاستخدام بحلول عام 1900 تقريبًا.

مع أنّ ظهورها في صناعة المواد الكيميائية التقليدية، فإنه بواسطة دورها في تطوير صناعة البِترول، أصبحت الهندسة الكيميائية راسخة باعتبارها تخصصًا فريدًا، كان الطلب على المصانع القادرة على تشغيل عمليات الفصل المادي بشكل مستمر بمستويات عالية من الكفاءة تحديًا لا يمكن أن يواجهه الكيميائي التقليدي أو المهندس الميكانيكي، كان أحد المعالم البارزة في تطوير الهندسة الكيميائية هو نشر أول كتاب مدرسي حول هذا الموضوع في عام 1901، بواسطة جورج إي دي فيز، مستشار كيميائي بريطاني. ركز هذا على تصميم عناصر المصنع لعمليات محددة.

أدى مفهوم مصنع المعالجة التي تشمل عددًا من العمليات، مثل الخلط و التبخر و الترشيح، و أن تكون هذه العمليات متشابهة بشكل أساسي، بغض النظر عن المنتج، إلى مفهوم عمليات الوحدة.

الإعلان

تم الإعلان عن هذا أول مرة من قبل المهندس الكيميائي الأمريكي آرثر دي ليتل في عام 1915 و الأساس لتصنيف الهندسة الكيميائية التي سيطرة على الموضوع على مدار الأربعين عامًا القادمة. عدد عمليات الوحدة – اللبنات الأساسية لمصنع كيميائي – ليس كبيرًا. ينشأ التعقيد من تنوع الظروف التي تجري في ظلها عمليات الوحدة.

بنفس الطريقة التي يمكن بها تقسيم المصنع المعقد إلى عمليات وحدة أساسية، لذلك يمكن تصنيف التفاعلات الكيميائية المتضمنة في صناعات العملية إلى مجموعات معينة، أو عمليات وحدة (على سبيل المثال، البلمرة، و الأسترات، و النترات)، التي لها خصائص مشتركة. أدى هذا التصنيف إلى عمليات الوحدة إلى ترشيد دراسة هندسة العمليات.

عانى نهج الوحدة من العيب المتأصل في مثل هذه التصنيفات: النَّظْرَة مقيدة على أساس الممارسة الحالية. منذ الحرب العالمية الثانية، أظهر الفحص الدقيق للظواهر الأساسية التي تنطوي عليها عمليات الوحدات المختلفة أنها تعتمد على القوانين الأساسية لانتقال الكتلة و نقل الحرارة و تدفق السوائل. 

وقد أعطى هذه وحدة لعمليات الوحدة المتنوعة و أدى إلى تطوير علوم الهندسة الكيميائية في حد ذاته؛ نتيجة لذلك، تم العثور على العديد من التطبيقات في مجالات خارج الصناعة الكيميائية التقليدية.

استلزمت دراسة الظواهر الأساسية التي تقوم عليها الهندسة الكيميائية وصفها في شكل رياضي و أدت إلى تقنيات رياضية أكثر تعقيدًا. سمح ظهور أجهزة الحاسوب الرقمية بإجراء حسابات تصميم شاقة بسرعة، مما فتح الطريق أمام تحسين صارم للعمليات الصناعية. يمكن التنبؤ بالاختلافات الناتجة عن معلمات مختلفة، مثل مصدر الطاقة المستخدم و تخطيط المصنع و العوامل البيئية، بدقة و بسرعة بحيث يمكن اختيار أفضل مجموعة.

الهندسة الكيميائية و وظائفها و فروعها

يقوم المهندسون الكيميائيون بتصميم و تطوير العمليات و مكونات المصنع. في كل حالة، غالبًا ما يتعين الحصول على البيانات و التنبؤات أو تأكيدها بواسطة التجارِب التجريبية. أصبح تشغيل المصنع و التحكم فيه بشكل متزايد مجالًا للمهندس الكيميائي بدلاً من الكيميائي. توفر الهندسة الكيميائية خلفية مثالية للتقييم الاقتصادي للمشاريع الجديدة و للتسويق في قطاع إنشاء المصانع.

تكمن المبادئ الأساسية للهندسة الكيميائية في أساس تشغيل العمليات التي تمتد إلى ما هو أبعد من حدود الصناعة الكيميائية، و يعمل المهندسون الكيميائيون في مجموعة من العمليات خارج المناطق التقليدية. يعاني البلاستيك و البولي مرات و الألياف الصناعية من مشكلات هندسة تفاعل كيميائي في تصنيعها، حيث تهيمن اعتبارات تدفق السوائل و نقل الحرارة على تصنيعها.

صباغة الألياف مشكلة نقل جماعي. تتضمن صناعة اللب و الورق اعتبارات تدفق السوائل و نقل الحرارة. في حين أن الحجم و المواد مختلفة، توجد هذه مرة أخرى في الإنتاج المستمر الحديث للمواد الغذائية.

تطرح صناعة الأدوية مشكلات الهندسة الكيميائية، التي كانت حلولها ضرورية لتوافر الأدوية الحديثة. تفرض الصناعة النووية مطالب مماثلة على المهندس الكيميائي، لا سيما لتصنيع الوقود و إعادة معالجته. يشارك المهندسون الكيميائيون في العديد من قطاعات صناعة معالجة المعادن، بدءًا من صناعة الصُّلْب و حتى فصل المعادن النادرة.

تم العثور على مزيد من تطبيقات الهندسة الكيميائية في صناعات الوقود. في النصف الثاني من القرن العشرين، شارك عدد كبير من المهندسين الكيميائيين في استكشاف الفضاء، من تصميم خلايا الوقود إلى تصنيع الوقود الدافع. بالنظر إلى المستقبل، من المحتمل أن توفر الحل لمشكلتين في الأقل من المشاكل الرئيسية في العالم: توفير المياه العذبة الكافية في جميع المناطق بواسطة تحلية مياه البحر و التحكم البيئي من خلال منع التلوث.

في الختام

نجد أن الهندسة الكيميائية تمثل مجالاً مهماً و حيوياً في عالمنا المعاصر. فهي تجمع بين مبادئ الهندسة و الكيمياء لتطوير و تحسين العمليات الصناعية و تصميم المواد التي تلبي احتياجاتنا اليومية.

من خلال التقنيات و التطورات في مجال الهندسة الكيميائية، نشهد تحولات هائلة في الصناعات المختلفة، سواء كان ذلك في إنتاج الطاقة، أو تصنيع المواد البلاستيكية و الأدوية، أو حتى في تنقية المياه و الهواء.

و مع تزايد التحديات البيئية و الاقتصادية التي نواجهها، يعمل المهندسون الكيميائيون على تطوير حلول مستدامة و فعالة لهذه التحديات، مما يسهم في بناء مستقبل أكثر استدامة و صحة للبشرية و الكوكب.

لذا، يجب أن نقدر دور الهندسة الكيميائية و ندعم البحث و الابتكار في هذا المجال، حتى نستطيع تحقيق التقدم و الازدهار لمجتمعاتنا و للعالم بأسره.