化学工学

化学工学は、化学プラントの運用と設計、および生産性向上の方法の研究を扱う工学分野です。化学技術者は、原材料を有用な製品に変換する経済的な商業プロセスを開発します。化学工学では、化学、物理学、数学、生物学、経済学の原理を使用して、エネルギーと材料を効率的に使用、生産、設計、輸送、変換します。化学技術者の仕事は、実験室でのナノテクノロジーとナノマテリアルの利用から、化学物質、原材料、生体細胞、微生物、エネルギーを有用な形態や製品に変換する大規模な産業プロセスまで多岐にわたります。化学技術者は、安全性と危険性の評価、プロセス設計と分析、モデリング、制御工学、化学反応工学、原子力工学、生物工学、建設仕様、操作手順など、プラントの設計と運用の多くの側面に関与しています。

化学エンジニアは通常、化学工学またはプロセス工学の学位を取得しています。現役のエンジニアは専門資格を取得したり、専門団体の公認会員になったりすることができます。そのような団体には、化学技術者協会(IChemE) や米国化学技術者協会(AIChE) などがあります。化学工学の学位は、さまざまな程度で他のすべての工学分野と直接結びついています。

1996 年の記事では、硫酸の製造に関する 1839 年の化学工学の記述について、ジェームズ・F・ドネリーが引用している。^[1]しかし、同じ論文では、この用語の造語者はイギリスのコンサルタント、ジョージ・E・デイビスであるとされている。 ^[2]デイビスは化学工学協会の設立も試みたが、代わりに化学産業協会(1881 年) と名付けられ、デイビスが初代事務局長に就任した。^{[3] [4]}『米国科学史百科事典』では、この用語の使用は 1890 年頃とされている。 ^[5]化学産業における機械設備の使用法を表す「化学工学」は、1850 年以降イギリスで一般的な語彙となった。^[6] 1910 年までに、「化学技術者」という職業は、イギリスとアメリカで既に一般的に使用されていた。^[7]

1940年代には、単位操作だけでは化学反応器の開発には不十分であることが明らかになりました。英国と米国の化学工学課程では単位操作が主流であり、1960年代まで続きましたが、輸送現象がより重視されるようになりました。^[8]プロセスシステム工学（PSE）などの他の新しい概念とともに、「第2のパラダイム」が定義されました。^{[9] [10]}輸送現象は化学工学に分析的なアプローチをもたらしましたが、 ^{[11] PSEは}制御システムやプロセス設計などの合成要素に焦点を当てました。^[12]第二次世界大戦前後の化学工学の発展は主に石油化学産業によって引き起こされました。^[13]しかし、他の分野でも進歩がありました。たとえば、1940年代の生化学工学の進歩は製薬業界に応用され、ペニシリンやストレプトマイシンを含むさまざまな抗生物質の大量生産を可能にしました。^[14]一方、 1950年代の高分子科学の進歩は「プラスチックの時代」への道を開いた。^[15]

大規模な化学製造施設の安全性と環境への影響に関する懸念もこの時期に高まった。 1962年に出版された『沈黙の春』は、強力な殺虫剤であるDDTの有害な影響について読者に警告した。^[16] 1974年にイギリスで起きたフリックスバラの惨事では28人が死亡し、化学工場と近隣の3つの村が被害を受けた。^[17] 1984年にインドで起きたボパールの惨事では、約4,000人が死亡した。^{[要出典]これらの事件は、}他の事件とともに、産業安全と環境保護に重点が置かれるにつれて、業界の評判に影響を与えた。 ^[18]これに対応して、IChemEは、1982年以降に認定したすべての学位コースに安全性を組み込むことを義務付けた。1970年代までには、フランス、ドイツ、米国などさまざまな国で法律や監視機関が設立された。^[19]やがて、化学プラントやその他のプロセスプラントへの安全原則の体系的な適用は、プロセス安全として知られる特定の分野として考えられるようになりました。^[20]

コンピュータサイエンスの進歩は、植物の設計と管理に応用され、以前は手作業で行わなければならなかった計算と描画を簡素化しました。ヒトゲノムプロジェクトの完了も大きな進歩と見なされており、化学工学だけでなく遺伝子工学とゲノミクスも進歩させました。^{[21]化学工学の原理は、} DNA配列を大量に生産するために使用されました。 ^[22]

化学工学にはいくつかの原理の応用が含まれます。主要な概念を以下に示します。

化学工学設計は、パイロットプラント、新プラント、またはプラントの改造のための計画、仕様、および経済分析の作成に関係します。設計エンジニアは、クライアントのニーズを満たすプラントを設計するコンサルタントとして働くことがよくあります。設計は、資金、政府規制、安全基準など、いくつかの要因によって制限されます。これらの制約により、プラントのプロセス、材料、および機器の選択が決まります。^[23]

プラント建設は、投資規模に応じてプロジェクトエンジニアとプロジェクトマネージャーによって調整されます。 ^[24]化学エンジニアは、プロジェクトエンジニアの仕事をフルタイムまたはパートタイムで行う場合があります。これには追加のトレーニングと職務スキルが必要です。または、プロジェクトグループのコンサルタントとして活動します。米国では、ABETによって認定された学士課程の化学工学卒業生の教育では、通常、プロジェクトエンジニアリング教育は重視されません。プロジェクトエンジニアリング教育は、専門トレーニング、選択科目、または大学院プログラムで取得できます。プロジェクトエンジニアリングの仕事は、化学エンジニアにとって最大の雇用主の1つです。^[25]

単位操作は、個々の化学工学プロセスにおける物理的なステップです。単位操作（結晶化、ろ過、乾燥、蒸発など）は、反応物の準備、その生成物の精製と分離、未使用の反応物のリサイクル、および反応器内のエネルギー移動の制御に使用されます。^[26]一方、単位プロセスは単位操作の化学的同等物です。単位プロセスは、単位操作とともにプロセス操作を構成します。単位プロセス（硝化、水素化、酸化など）は、生化学的、熱化学的、およびその他の手段による物質の変換を伴います。これらを担当する化学技術者はプロセスエンジニアと呼ばれます。^[27]

プロセス設計では、機器の種類とサイズ、接続方法、構成材料の定義が必要です。詳細は、新規または既存の化学工場の容量と信頼性を制御するために使用される プロセス フロー図に印刷されることがよくあります。

大学 1 年生の化学エンジニア向けの 3 年または 4 年間の教育では、プロセス設計の原則と実践に重点が置かれます。既存の化学プラントで効率を評価し、改善を提案するために、同じスキルが使用されます。

輸送現象のモデル化と解析は、多くの産業用途に不可欠です。輸送現象には、流体力学、熱伝達、質量移動が含まれ、それぞれ主に運動量移動、エネルギー移動、化学種の輸送によって支配されます。モデルでは、マクロレベル、ミクロレベル、分子レベルの現象を個別に考慮することがよくあります。したがって、輸送現象のモデル化には応用数学の理解が必要です。^[28]

化学技術者は、材料とエネルギーを経済的に使用する方法を開発します。^{[30]化学技術者は、}化学と工学を利用して、原材料を大規模な産業環境で医薬品、石油化学製品、プラスチックなどの使用可能な製品に変換します。また、廃棄物の管理と研究にも携わっています。^{[31] [32]}応用面と研究面の両方で、コンピューターを広範に活用することができます。^[29]

化学エンジニアは、理論上の化学反応を拡大して実験を設計および実行し、生産、汚染制御、および資源保全のためのより優れた安全な方法を生み出すという任務を負う産業界または大学の研究に携わる場合があります。プロジェクトエンジニアとしてプラントの設計と建設に携わることもあります。プロジェクトエンジニアとして働く化学エンジニアは、コストを最小限に抑え、安全性と収益性を最大化するために、最適な生産方法とプラント機器を選択する際に知識を活用します。プラント建設後、化学工学プロジェクトマネージャーは、フルタイムまたはコンサルタントとして、機器のアップグレード、トラブルシューティング、および日常業務に携わる場合があります。^[33]