هندسة كيميائية

الهندسة الكيميائية أو الكيماوية هي علم هندسي يختص بتصميم وتطوير العمليات الصناعية الكيميائية أو التحويلية. وبتصميم وبناء وإدارة المصانع التي تكون العملية الأساسية فيها هي التفاعلات الكيميائية وتندرج تحت هذا التخصص عمليات انتقال المادة والحرارة والكتلة، كما تشمل التفاعلات وعمليات الفصل متعددة المراحل. وتكاد تكون مقابلة لمصطلح هندسة العمليات.

يهتم المهندسون الكيميائيون بتطبيقات المعرفة المكتسبة من العلوم الأساسية والتجارب العملية. كما يهتمون بتصميم العمليات الصناعية وتطويرها وإدارة المصانع بهدف تحويلٍ آمنٍ واقتصادي للمواد الكيميائية الخام إلى منتجات نافعة. الهندسة الكيميائية هي العلم الهندسي ذو القاعدة الأوسع بين علوم الهندسة كلها، ويؤدي هذا إلى أن تكون المؤسسات والشركات في سعي دائم لتوظيف مهندسين كيميائيين في المجالات التقنية المتنوعة وفي مواقع الإشراف في أنواع الصناعات المختلفة. وتصنَّف رواتب الخريجين الحديثين من المهندسين الكيميائيين مع الرواتب العليا التي يتقاضاها خريجو الجامعات الحديثون.

إن المجالات الصناعية التي يشرف عليها المهندسون الكيميائيون واسعة جداً، تعد أهمها الصناعات الكيميائية والنفطية والبتروكيميائية, ,تقنية النانو. ،وتعتبر المملكة العربية السعودية مثلا من أكبر الدول في الإنتاج البتروكيميائي الذي يعتمد بشكل كبير على المهندسيين الكيميائيين.

كما أن الصناعات الغذائية والصيدلية، وهندسات الكيمياء الحيوية والطب الأحيائي هي مجالات تعتمد كثيراً على المهندسين الكيميائيين. ويضاف إلى ذلك التحكم بالتلوث والحد منه، وعلم التآكل البيئي والتحكم البيئي، وعلم الفضاء والمواد النووية، وتقنية الحاسب ومعالجة البيانات.

تعنى الهندسة الكيميائية بدراسة التصاميم الهندسية المتعلقة بالصناعات الكيميائية المختلفة حيث ان التصميم الكيميائي يمثل هدف إنتاجي وتجاري وهو عبارة عن علم تجميع المعلومات للوصول إلى التصميم الأمثل من خلال اختيار العملية الصناعية وظروفها والمواد الكيميائية المستخدمة فيها والأجهزة اللازمة لاتمام العملية الصناعية

وبسبب العدد الكبير للمواد الكيميائية التي يتم التعامل معها فإن التوجه للهندسة الكيميائية هو العمليات التي تتم على هذه المواد مثل: الطحن للمواد الصلبة أو الخلط ورغم تطور عدد كبير من العمليات إلا أن المكانة الأولى لا زالت لعملية التقطير ولعمليات أخرى مثل البلورة والترشيح والتذويب والاستخلاص، وفي أي عملية يكون اهتمام المهندس الكيميائي بالعملية منطلقا من أربع مبادئ أساسية :

1. قانون حفظ المادة : موازنة كمية المواد الداخلة إلى الوحدة والخارجة منها والمتراكمة في الوحدة والمتحولة أثناء التفاعل
2. قانون بقاء الطاقة : موازنة الطاقة المستهلكة في الوحدة والناتجة عنها
3. قانون الاتزان الكيميائي
4. مبدأ التفاعلات الكيمائية

إضافة إلى مسؤولية المهندس الكيميائي في تنظيم ترتيب وتتابع الوحدات بشكل صحيح وحساب الجدوى الاقتصادية لكامل العمليات الداخلة في الإنتاج.

وتنقسم العمليات في التصنيع إلى تصنيع متقطع (بالخلطة) أو المستمر حيث أن التصنيع المستمر يعطي كفاءة أعلى ولكن تصميم الخطوط والتحكم بها يكون على درجة أعلى من الصعوبة ولذا كان المهندسين الكيميائين من أول الذين طبقوا أنظمة التحكم الأوتومانيكية في تصميماتهم.

أهم المواد الدراسية للهندسة الكيميائية :ميكانيكا الموائع, حركية التفاعلات الكيميائية,الديناميكا الحرارية ،هندسة التفاعلات الكيمائية, انتقال المادة, انتقال الحرارة, عمليات المواد الصلبة, هندسة التحكم, هندسة التآكل, هندسة البيئة ومعالجة المياه, هندسة البترول والبتروكيماويات, هندسة الكيماء الحيوية, تقنية النانو (المواد متناهية الصغر),تصميم مصانع, تصميم المعدات، صناعات متفرقة, الكيمياء العامة والعضوية والتحليلية ،الفيزياء العامة والرياضيات والمعادلات التفاضلية.

 تاريخ الهندسة الكيميائية

الهندسة الكيميائية ليست قديما جدا مقارنة مع تخصصات العلوم والهندسة الأخرى ويرجع عمرها إلى قبل مئة سنة. قبل الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر كانت المواد الصناعية الكيميائية تنتج بواسطة العمليات المنقطعة أو العمليات الدفعية (Batch Process ). في هذه العمليات, يتم خلط المواد مع بعضها البعض في الخلاط ( Mixer ) ومن بعد ذلك تعّرض للحرارة أو الضغط ومن ثم التصفية لإنتاج المنتج المرغوب بيعه. قادت الثورة الصناعية إلى تطور علم الهندسة الكيميائية لأن الطلب على المنتجات مثل حمض الكبريت والصودا زادت بنسبة عالية متطلبتا أيضا الجودة العالية والكميات الكبيرة. عندها ولدت العمليات المستمرة أو المتواصلة ( ( Continuous Process وهذه الولادة تطلبت أيضا ولادة المصانع الكيميائية الكبيرة المناسبة لهذه العمليات.

بعد تطور وحدة العمليات ( Unit operation ) من خلال الكتاب الذي ألفهGeorge E. Davis وبعد إعطائه محاضرات عدة عنها في مدرسة مانشستر التقنية ( Manchester Technical School ) في 1889 م (الآن جامعة مانشستر) تطور مفهوم الهندسة الكيميائية ولكن لا يزال المهندسون الكيميائيون يعتبرون كيميائيون أو مهندسون ميكانيكيون.

بدأ من عام 1888 م قام Lewis M. Norton بتدريس أول كورس في الهندسة الكيميائية في الولايات المتحدة الأمريكية في معهد ( MIT ) لتقنية. كانت الكورسات التي درسها نورتن تعتمد على علوم الهندسية والكيمياء. في عام 1905 م قام William Walker بتدريس كورس كامل عن Unit operation.

في بداية عام 1920 م أصبحت Unit operation مهمة جدا في الهندسة الكيميائية في أغلب جامعات الولايات المتحدة ولندن. في عام 1920 م أصحبت الهندسة الكيميائية مسار أكاديمي مستقل عن الكيمياء وهندسة الميكانيكا ووضعت له خطة دراسية محددة وافق عليها أغلب الدكاترة في تلك السنة. أسهم إنشاء المعهد الأمريكي للمهندسين الكيميائيين American Institute of Chemical Engineers (AIChE) في عام 1908 م في جعل الهندسة الكيميائية مسار أكاديمي مستقل بذاته.

في عام 1940 م صار واضح تماما أن Unit operation لوحدها لا تقدر على تطوير المفاعلات الكيميائية ( Chemical Reactors ) ولكن مع هذا فإن Unit operation هي الوحيدة المسيطرة على كورسات الهندسة الكيميائية. في عام 1960م صب تركيز مهندسو الكيمياء على فرع جديد من الهندسة وهو ظاهرة الانتقال (Transport Phenomena ).

في عام 1940م تطورت الأبحاث الخاصة بالهندسة الحيوكيميائية (Biochemical Engineering ) التي عدت ولا تزال تعد فرعا من الهندسة الكيميائية وساهمت في تصنيع عدد مهم من الأدوية كالبنسلين وغيره.

أيضا تطورت الصناعات البتروكيميائية مع اكتشاف النفط قبل الحرب العالمية الثانية كما تطورت صناعة الأسلحة الكيميائية بفضل المهندسين الكيميائيين ولكن للأسف استخدم هذا التطور في قتل الملايين من البشر في الحرب العالمية الثانية. بعد الحرب تحديدا في سنوات 1950 إلى 1960 م تطورت صناعة البلاستيك والمبلمرات وأدخلت في مجال تخصص الهندسة الكيميائية.

في السنوات الحديثة تطور كثيرا علم الهندسة الكيميائية بسبب الطلب الكبير على المنتجات الكيميائية والمبلمرات والمواد البلاستيكية وأنشئت الكثير من المصانع الكيميائية وتوسعت الهندسة الكيميائية وزاد الطلب على المهندسين الكيميائيين. وأيضا تطورت تقنية النانو وأصبحت من المجالات الواعدة للمهندس الكيميائي.

• فروع الهندسة الكيميائية:

 1)ظواهر الانتقال:

- ميكانيكا الموائع (Fluid Mechanics ) هو دراسة خواص السوائل بنوعيها نيوتينية وغير نيوتينية وأنواعها وسلوكها عند تسليط قوة معينة عليها. يضاف إليها دراسة الأنابيب وكيفية تصميمها وتحملها للضغط والحرارة.

- انتقال المادة أو الكتلة ( Mass Transfer): هي عملية انتقال المادة من مكان إلى مكان أخر أو من مكان أعلى تركيز إلى مكان أقل تركيزا. هناك أمثلة كثيرة على هذه العملية مثل: تبخير الماء, تصفية الكليتين, الامتصاص, التجفيف و التقطير. يستخدم هذا المجال كثيرا في الهندسة الكيميائية وله تطبيقات عدة في هندسة التفاعلات, عمليات الفصل وغيرها.

- انتقال الحرارة ( Heat Transfer ): هو انتقال الحرارة من الجسم الأسخن إلى الجسم الأبرد. عندما يكون جسم ما ذو درجة حرارة مختلفة عن عما يحيط به من الأجسام عندها فإنه يحدث انتقال الطاقة الحرارية، ويسمى أيضا بالتدفق الحراري أو التبادل الحراري، يحدث بحيث تصل الأجسام إلى توازن حراري، وهذا يعني أنها ذات درجة حرارة واحدة. ويحدث الانتقال الحراري دائما من الأجسام الأسخن إلى الأجسام الأبرد، وهذا ما يؤكده القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إن انتقال الحرارة بين الأجسام القريبة لا يمكن إيقافه، ولكن يمكن إبطاؤه. وتنتقل الحرارة بثلاثة طرق هي: التوصيل، والحمل، والإشعاع.

 2)الهندسة الحيوكيميائية (Biochemical engineering ): هو فرع من الهندسة الكيميائية أو الهندسة الحيوية الذي يتعامل مع تصميم وإنشاء وحدات معالجة تشمل الجسيمات والأحياء الدقيقة، مثل البكتريا. تدرس الهندسة الحيوكيميائية كإضافة للهندسة الكيميائية أو للهندسة الحيوية بسبب التشابه بين التخصصين. لها عدة تطبيقات مستخدمة في الغذاء ،الصيدلة ،التقنية الحيوية ومعالجة المياه.

 3)الهندسة الحيو جزيئية (Biomolecular engineering ): هو تطبيق أساسيات علم الهندسة الكيميائية على العمليات الحيوية ذات المستوى الجزيئي. تستخدم تطبيقات هذا الفرع في البيئة, الزراعة, الطاقة, الصناعة, تصنيع الأغذية, التقنية الحيوية و الأدوية. المهندس الحيو جزيئي يتعامل كثيرا مع السكريات, البروتينات, الدهون و الحموض الأمينية.

 4)التفاعلات الكيميائية وتصميم المفاعلات الكيميائية ( Chemical reactions & Reactors design ). هو فرع من الهندسة الكيميائية يتعامل مع التفاعلات والمفاعلات الكيميائية وكيفية تصميمها معتمدا على قوانين التفاعل والحركية الكيميائية. هذا الفرع مهم جدا في الصناعة حيث يقابل المهندس الكيميائي في المصنع العديد من المفاعلات لأغراض مختلفة. فالتمكن من هذا العلم يسمح للمهندس الكيميائي معرفة وكيفية التعامل مع الأنواع العديدة من المفاعلات.

 5)هندسة التآكل (Corrosion engineering ): هندسة التآكل هى فرع متخصص يعني بتطبيق المعرفة العلمية والقوانين الطبيعية والموارد المادية من أجل تصميم وتنفيذ المواد والإنشاءات والأجهزة والأنظمة والإجراءات التي تهدف إلى التعامل مع الظاهرة الطبيعية المعروفة باسم التآكل. بوجه عام، ترتبط هندسة التآكل بالتعدين، كما ترتبط أيضًا باللافلزات بما في ذلك السيراميك. غالبًا ما تتعامل هندسة التآكل مع عمليات أخرى لا تتعلق بالتآكل بشكل تام، ومن بينها (على سبيل المثال لا الحصر) تصدع وتهشم الهياكل والتشقق والتآكل والتعرية وغير ذلك.

 6)هندسة التكاليف (Cost estimation ): هو تخصص يعنى بدراسة تكاليف المشاريع والمصانع الكيميائية وتقديرها والتحكم بها بالإضافة إلى تحليل الفوائد الناتجة منها باستخدام أساليب علمية وهندسية. تعد هندسة التكاليف من أكثر الفروع أهمية وانتشارا خصوصا في مجالات سوق العمل حيث تهدف إلى دراسة التكاليف بصورة دقيقة نظرا إلى استخدام العلوم الرياضية والهندسية بشكل واسع. فالتطور المستمر في مجالات الصناعة والتقنية وتوسع الشركات والتعامل مع مبالغ مالية ضخمة وغيرها من العوامل زادت من أهمية هذا التخصص حيث أن الدقة في النتائج أصبح يشكل فرقا كبيرا في قرارات الكثير من إدارات الشركات والمنظمات.

 7)الهندسة البيئية (Environmental engineering ) : الهندسة البيئية هي مجال يقوم على استعمال التطبيقات الهندسية والعلمية لخدمة البيئة وحمايتها ويشمل مجال واسع من المشاريع ذات العلاقة. يعمل مهندسو البيئة في القطاعات الصناعية والبحثية لانجاز حلول تهدف للتحكم بالتلوث بالإضافة لتنويع مصادر الطاقة وزيادتها إلى أكبر حد ممكن. كما تشمل اهتمامات مهندس البيئة مواضيع أخرى مثل قطاع المياه وإدارة الملوثات والتحكم بنوعية الهواء.

 8)الحوافز الصناعية (Industrial catalysts ): هو العلم الذي يدرس خواص وعمل المواد الحافزة وكيفية تصميمها وجدوى تبديل المواد الكيميائية السامة بها. هناك ارتباط وثيق بينها وبين هندسة التفاعلات والمفاعلات الكيميائية. اقتصاديا علم الحوافز الصناعية يدرس إبدال المواد الكيميائية الباهظة إلى مواد حافزة رخيصة.

 9)عمليات التعدين (Mineral processing ): هو الفرع الذي يدرس عمليات فصل المعادن ذات القيمة التجارية من خاماتها. الفصل يتم بطريقتين: الطريقة الأولى هي الطريقة الإلكتروستاتيكية والطريقة الثانية هي الطريقة المغناطيسية. ويمكن للمهندس الكيميائي أن يعمل في هذا المجال لأنه يتطلب وحدة العمليات ويتطلب أيضا الفصل بين المواد.

10) تقنية النانو (Nanotechnology ): هي العلم الذي يهتم بدراسة معالجة المادة على المقياس الذري والجزيئي. تهتم تقنية النانو بابتكار تقنيات ووسائل جديدة تقاس أبعادها بالنانومتر وهو جزء من الألف من الميكرومتر أي جزء من المليون من الميليمتر. عادة تتعامل تقنية النانو مع قياسات بين 0.1 إلى 100 نانومتر أي تتعامل مع تجمعات ذرية تتراوح بين خمس ذرات إلى ألف ذرة. وهي أبعاد أقل كثيرا من أبعاد البكتيريا والخلية الحية. علوم النانو وتقنية النانو إحدى مجالات علوم المواد واتصالات هذه العلوم مع الفيزياء، الهندسة الميكانيكية والهندسة الحيوية والهندسة الكيميائية تشكل تفرعات واختصاصات فرعية متعددة ضمن هذه العلوم وجميعها يتعلق ببحث خواص المادة على هذا المستوى الصغير.

 11)عمليات معالجة الغاز الطبيعي (Natural gas processing ): معالجة الغاز الطبيعي هي مجموعة من العمليات الإنتاجية يتم فيها تنقية الغاز الطبيعي الخام بعد استخراجه من آبار الغاز ودفعه للسطح بواسطة الزيوت. بعد معالجته يكوّن غاز الميثان جلّ محتوى الغاز الطبيعي والذي تصبح خصائصه عند ذلك مختلفة إلى حد كبير عن خصائص الغاز الخام. يستخدم الغاز الطبيعي المعالج كوقود للاستهلاك السكاني والتجاري والصناعي.

 12) عمليات إنتاج الغاز الصناعي ( Industrial gas production ): إنتاج الغاز الصناعي هو جزء من الصناعات الكيميائية التي يتم فيها إنتاج الغازات المختلفة من نيتروجين, أكسجين, هيدروجين, كلورين وغيرها من الغازات المختلفة. التحكم في الإنتاج وتحسين المنتجات وعدم الإضرار بالبيئية هي وظيفة المهندس الكيميائي في هذه المصانع.

 13) بحث وتكرير النفط (Oil exploration & refinery ): تكرير النفط هو العمليات الضرورية التي يمكن من خلالها معالجة الزيت الخام، بتكسيره إلى مكوناته الأصلية وإعادة ترتيبها وتصنيعها إلى منتجات صالحة للاستعمال. وبما أن العملية تتطلب أبراج الفصل والتسخين لدرجات الحرارة تصل إلى 800 م فإن للمهندس الكيميائية فرص عمل كبيرة في هذا المجال. أيضا يمكن للمهندس الكيميائي أن يعمل في البحث والتنقيب عن النفط إذا تطلب الأمر ذلك.

 14) هندسة الصيدلة وإنتاج الأدوية (Pharmaceutical engineering ): الهندسة الصيدلانية هو فرع من فروع العلوم الصيدلانية والتكنولوجيا التي تنطوي على تطوير وتصنيع المنتجات، والعمليات، والمكونات في صناعة الأدوية (أي العقاقير والمستحضرات البيولوجية). تطوير المنتجات الصيدلانية تعتمد على كثير من التخصصات المترابطة (مثل الكيمياء الطبية، الكيمياء التحليلية، الأطباء / الصيادلة، المهندسين الكيميائيين الخ).

 15) هندسة البلاستيك ( plastic engineering):

البلاستيك أو ما يعرف باللدائن هي مادة سهلة التشكيل بصور مختلفة تتكون أساسا من سلاسل تدعى البوليمرات. منذ أن عرف العالم الثورة الصناعية، لا تزال المجتمعات تشهد التطور فمن عصر الفحم الحجري إلى عصر الذهب الأسود (البترول)، والذي ساهم في ظهور صناعات جديدة وكثيرة تطورت بمرور الأيام. ظهرت الصناعة البلاستيكية وازدهرت وأصبحت اليوم تحتل الصدارة بالنسبة للصناعات الحالية نظرا لاستخداماتها العديدة في الحياة اليومية وذلك لأنها تدخل في تركيب الأشياء والأدوات المحيطة بنا.

 16) البوليمرات (Polymer ): البوليمر هو مركب ذو وزن جزيئي مرتفع مكون من وحدات جزئية مكررة. قد تكون هذه المواد عضوية أو غير عضوية أو عضوية معدنية، وقد تكون طبيعية أو اصطناعية في أصلها.أصبحت البوليمرات تلعب دورا أساسيا وكلّيا في استخدامات الحياة اليومية وذلك بسبب مجموعة خواصها الفريدة. فهي مواد أساسية في القطاعات الصناعية اليومية مثل المواد اللاصقة ومواد البناء والورق والملابس والألياف واللدائن والسيراميك والخرسانة.

 17)التحكم في العمليات الصناعية ( Process control ): التحكم في العمليات الصناعية هي فرع من العلوم الهندسية التي تتعامل مع البنى والآليات والخوارزميات للحفاظ على الناتج من عملية محددة ضمن النطاق المطلوب. حيث يمكن للمهندس الكيميائي أن يتحكم في حرارة أو ضغط مفاعل ما ليزيد أو ليتحكم في كمية الإنتاج المطلوبة.

 18) تصميم العمليات الكيميائية ( Chemical process design ): في الهندسة الكيميائية, تصميم العملية هو تصميم للعمليات الفيزيائية أو الكيميائية وطريقة انتقال المواد الأولية فيها. تصميم العمليات ممكن أن يكون لعملية جديدة أو تعديلا لعمليات قديمة.

 19) عمليات الفصل ( Separation Processes): تستخدم عملية الفصل في الهندسة الكيميائية لتحويل مزيج أو خليط من مواد إلى منتجات مميزة. قد تختلف المواد المفصولة في خواصها الكيميائية أو الفيزيائية كالشكل, التشكل البلوري أو أي فصل إلى مكونات متنوعة. باستثناء حالات بسيطة, يمكن القول بأن كل عنصر أو مركب كيميائي يوجد في الطبيعة في صورة غير نقية وتستدعي الحاجة عادة إلى فصله إلى مكوناته الأولية ويعتبر النفط الخام خير مثال على ذلك.

 20) تحليه ومعالجة المياه (Desalination and Water Treatment ):

تحلية المياه هي أي عملية تجرى لإزالة كل أو جزء من الأملاح الزائدة والمعادن من المياه. وقد يستخدم هذا المصطلح إلى إزالة الأملاح والمعادن الذائبة في الماء. ويتم تحليه المياه ليصبح من الممكن استخدامها في الحياة العملية كالزراعة والشرب والصناعة والأدوية.

معالجة المياه مصطلح لوصف العمليات المستعملة في جعل المياه صالحة لغرض معين. يتضمن هذا استخدامها كمياه للشرب, العمليات الصناعية, الطبية, والاستخدامات الأخرى. بشكل عام الغرض الرئيس من معالجة المياه هو إزالة أو تقليل أي عوالق أو ملوثات حتى تصبح هذه المياه مناسبة للغرض المستخدمة فيه.

 21) التحكم في التلوث ( pollution control ): هي التحكم والسيطرة على التلوث هو مصطلح يستخدم في الإدارة البيئية. وهو ما يعني التحكم في الانبعاثات والنفايات السائلة في الهواء أو الماء أو التربة.وأيضا السيطرة على التلوث، والنفايات والمنتجات من الاستهلاك، والتدفئة، والزراعة، والتعدين، والصناعة التحويلية والنقل وغيرها من الأنشطة البشرية التي تؤدي إلى تدهور البيئة.

اقرأ أيضا

• تقطير
• تقطير جزئي
• عمود تجزئة
• تقطير بالبخار
• معادلة فينسك
• تصنيع أجهزة أشباه الموصلات

المراجع

بوابة الهندسة التطبيقية، لتصفح مقالات ويكيبيديا المتعلقة بالهندسة.