La ingeniería química es un campo de la ingeniería que se ocupa del estudio del funcionamiento y el diseño de plantas químicas , así como de los métodos para mejorar la producción. Los ingenieros químicos desarrollan procesos comerciales económicos para convertir materias primas en productos útiles. La ingeniería química utiliza principios de la química , la física , las matemáticas , la biología y la economía para utilizar, producir, diseñar, transportar y transformar de manera eficiente la energía y los materiales. El trabajo de los ingenieros químicos puede abarcar desde la utilización de nanotecnología y nanomateriales en el laboratorio hasta procesos industriales a gran escala que convierten sustancias químicas, materias primas, células vivas, microorganismos y energía en formas y productos útiles. Los ingenieros químicos participan en muchos aspectos del diseño y la operación de plantas, incluidas las evaluaciones de seguridad y peligros, el diseño y análisis de procesos , el modelado , la ingeniería de control , la ingeniería de reacciones químicas , la ingeniería nuclear , la ingeniería biológica , las especificaciones de construcción y las instrucciones de funcionamiento.
Los ingenieros químicos suelen tener un título en ingeniería química o ingeniería de procesos . Los ingenieros en ejercicio pueden tener una certificación profesional y ser miembros acreditados de un organismo profesional. Entre estos organismos se incluyen la Institución de Ingenieros Químicos (IChemE) o el Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE). Un título en ingeniería química está directamente vinculado con todas las demás disciplinas de ingeniería, en diversos grados.
Un artículo de 1996 cita a James F. Donnelly por mencionar una referencia de 1839 a la ingeniería química en relación con la producción de ácido sulfúrico . [1] Sin embargo, en el mismo artículo, a George E. Davis , un consultor inglés, se le atribuye haber acuñado el término. [2] Davis también intentó fundar una Sociedad de Ingeniería Química, pero en su lugar, se la denominó Sociedad de la Industria Química (1881), con Davis como su primer secretario. [3] [4] La Historia de la Ciencia en Estados Unidos: una enciclopedia sitúa el uso del término alrededor de 1890. [5] "Ingeniería química", que describe el uso de equipos mecánicos en la industria química, se convirtió en vocabulario común en Inglaterra después de 1850. [6] En 1910, la profesión de "ingeniero químico" ya era de uso común en Gran Bretaña y Estados Unidos. [7]
En la década de 1940, se hizo evidente que las operaciones unitarias por sí solas eran insuficientes para desarrollar reactores químicos . Si bien el predominio de las operaciones unitarias en los cursos de ingeniería química en Gran Bretaña y Estados Unidos continuó hasta la década de 1960, los fenómenos de transporte comenzaron a recibir mayor atención. [8] Junto con otros conceptos novedosos, como la ingeniería de sistemas de procesos (PSE), se definió un "segundo paradigma". [9] [10] Los fenómenos de transporte dieron un enfoque analítico a la ingeniería química [11] mientras que la PSE se centró en sus elementos sintéticos, como los de un sistema de control y el diseño de procesos . [12] Los avances en ingeniería química antes y después de la Segunda Guerra Mundial fueron incitados principalmente por la industria petroquímica ; [13] sin embargo, también se hicieron avances en otros campos. Los avances en ingeniería bioquímica en la década de 1940, por ejemplo, encontraron aplicación en la industria farmacéutica y permitieron la producción en masa de varios antibióticos , incluida la penicilina y la estreptomicina . [14] Mientras tanto, los avances en la ciencia de los polímeros en la década de 1950 allanaron el camino para la "era de los plásticos". [15]
Durante este período también se plantearon preocupaciones sobre la seguridad y el impacto ambiental de las instalaciones de fabricación de productos químicos a gran escala. Primavera silenciosa , publicada en 1962, alertó a sus lectores sobre los efectos nocivos del DDT , un potente insecticida . [16] El desastre de Flixborough de 1974 en el Reino Unido resultó en 28 muertes, así como daños a una planta química y tres aldeas cercanas. [17] El desastre de Bhopal de 1984 en la India resultó en casi 4.000 muertes. [ cita requerida ] Estos incidentes, junto con otros incidentes , afectaron la reputación del oficio a medida que se le daba más atención a la seguridad industrial y la protección del medio ambiente . [18] En respuesta, el IChemE exigió que la seguridad fuera parte de cada curso de grado que acreditara después de 1982. En la década de 1970, se instituyeron leyes y agencias de monitoreo en varios países, como Francia, Alemania y los Estados Unidos. [19] Con el tiempo, la aplicación sistemática de los principios de seguridad a las plantas químicas y de otros procesos comenzó a considerarse una disciplina específica, conocida como seguridad de procesos . [20]
Los avances en informática encontraron aplicaciones para el diseño y la gestión de plantas, simplificando cálculos y dibujos que antes debían realizarse manualmente. La finalización del Proyecto Genoma Humano también se considera un avance importante, no solo en el campo de la ingeniería química, sino también en el de la ingeniería genética y la genómica . [21] Los principios de la ingeniería química se utilizaron para producir secuencias de ADN en grandes cantidades. [22]
La ingeniería química implica la aplicación de varios principios. A continuación se presentan los conceptos clave.
El diseño de ingeniería química se ocupa de la creación de planes, especificaciones y análisis económicos para plantas piloto , nuevas plantas o modificaciones de plantas. Los ingenieros de diseño suelen trabajar en un rol de consultoría, diseñando plantas para satisfacer las necesidades de los clientes. El diseño está limitado por varios factores, incluidos la financiación, las regulaciones gubernamentales y las normas de seguridad. Estas restricciones dictan la elección de procesos, materiales y equipos de una planta. [23]
La construcción de plantas está coordinada por ingenieros de proyecto y gerentes de proyecto, [24] dependiendo del tamaño de la inversión. Un ingeniero químico puede hacer el trabajo de ingeniero de proyecto a tiempo completo o parte del tiempo, lo que requiere capacitación y habilidades laborales adicionales o actuar como consultor del grupo de proyecto. En los EE. UU., la educación de los graduados en ingeniería química de los programas de Bachillerato acreditados por ABET no suele enfatizar la educación en ingeniería de proyectos, que puede obtenerse mediante capacitación especializada, como optativas o de programas de posgrado . Los trabajos de ingeniería de proyectos son algunos de los empleadores más importantes para los ingenieros químicos. [25]
Una operación unitaria es un paso físico en un proceso de ingeniería química individual. Las operaciones unitarias (como la cristalización , la filtración , el secado y la evaporación ) se utilizan para preparar reactivos, purificar y separar sus productos, reciclar reactivos no gastados y controlar la transferencia de energía en los reactores. [26] Por otro lado, un proceso unitario es el equivalente químico de una operación unitaria. Junto con las operaciones unitarias, los procesos unitarios constituyen una operación de proceso. Los procesos unitarios (como la nitración , la hidrogenación y la oxidación) implican la conversión de materiales por medios bioquímicos , termoquímicos y otros. Los ingenieros químicos responsables de estos se denominan ingenieros de procesos . [27]
El diseño de procesos requiere la definición de los tipos y tamaños de los equipos, así como de cómo se conectan y los materiales de construcción. Los detalles suelen imprimirse en un diagrama de flujo de procesos que se utiliza para controlar la capacidad y la fiabilidad de una fábrica de productos químicos nueva o existente.
La formación de los ingenieros químicos en los tres o cuatro años de estudio de la primera carrera universitaria hace hincapié en los principios y prácticas del diseño de procesos. Las mismas habilidades se utilizan en las plantas químicas existentes para evaluar la eficiencia y hacer recomendaciones para realizar mejoras.
El modelado y análisis de los fenómenos de transporte es esencial para muchas aplicaciones industriales. Los fenómenos de transporte involucran dinámica de fluidos , transferencia de calor y transferencia de masa , que se rigen principalmente por la transferencia de momento , la transferencia de energía y el transporte de especies químicas , respectivamente. Los modelos a menudo implican consideraciones separadas para fenómenos de nivel macroscópico , microscópico y molecular . Por lo tanto, el modelado de los fenómenos de transporte requiere una comprensión de las matemáticas aplicadas. [28]
Los ingenieros químicos desarrollan formas económicas de utilizar materiales y energía. [30] Los ingenieros químicos utilizan la química y la ingeniería para convertir materias primas en productos utilizables, como medicamentos, productos petroquímicos y plásticos en un entorno industrial a gran escala. También participan en la gestión de residuos y la investigación. [31] [32] Tanto las facetas aplicadas como las de investigación podrían hacer un uso extensivo de las computadoras. [29]
Los ingenieros químicos pueden participar en investigaciones industriales o universitarias, donde se les asigna la tarea de diseñar y realizar experimentos, ampliando la escala de las reacciones químicas teóricas, para crear métodos mejores y más seguros para la producción, el control de la contaminación y la conservación de los recursos. Pueden participar en el diseño y la construcción de plantas como ingenieros de proyectos . Los ingenieros químicos que se desempeñan como ingenieros de proyectos utilizan sus conocimientos para seleccionar métodos de producción óptimos y equipos de planta para minimizar los costos y maximizar la seguridad y la rentabilidad. Después de la construcción de la planta, los gerentes de proyectos de ingeniería química pueden participar en actualizaciones de equipos, resolución de problemas y operaciones diarias, ya sea en funciones de tiempo completo o de consultoría. [33]
