Kimya mühendisliği

Kimya mühendisliği, kimya, matematik, fizik, biyoloji, mikrobiyoloji, biyokimya,ve ekonomi bilimlerini, ham maddelerin ya da kimyasalların daha kullanışlı ve değerli biçimlere dönüştürüldüğü proseslere uygulayan mühendislik dalıdır. Kimya mühendislerinin çalışma alanı nanoteknolojinin ve nanomalzemelerin laboratuvarda kullanımından, kimyasalları, ham maddeleri, canlı hücreleri, mikroorganizmaları ve enerjiyi kullanışlı ürünlere dönüştüren büyük ölçekli endüstriyel işlemlere kadar değişebilir.

Kimya mühendisleri, güvenlik ve tehlike değerlendirmeleri, işletme talimatları, yapım tanımlamaları, proses tasarımı ve analizi, ünite operasyonları, modelleme, kontrol mühendisliği, kimyasal reaksiyon mühendisliği, nükleer mühendislik ve biyomühendislik gibi tesis tasarım ve işletmesinin birçok alanında yer almaktadır.

Kimya mühendisleri genellikle "kimya mühendisliği" veya "proses mühendisliği" alanında diploma sahibidir. Kimya mühendisleri uzmanlık sertifikaları alabilir ve profesyonel kuruluşların akredite edilmiş üyeleri olabilirler. Bu kurumlar arasında Kimya Mühendisleri Enstitüsü (IChemE), Amerikan Kimya Mühendisleri Enstitüsü (AIChE) gibi birçok kurum bulunmaktadır. Kimya mühendisliği diploması, diğer tüm mühendislik disiplinleriyle çeşitli kapsamlarda doğrudan bağlantılıdır.

1996 tarihli bir British Journal for the History of Science makalesi, 1839 yılında sülfürik asitin üretimi ile alakalı olarak kimya mühendisliği teriminden bahsetmesi dolayısıyla James F. Donnelly'ye atıfta bulunur. Ancak yine aynı makalede, kimya mühendisliği teriminin ilk olarak bir İngiliz danışman olan George E. Davis tarafından bulunduğu bahsedilmektedir. Davis aynı zamanda bir Kimya Mühendisliği Derneği kurmaya çalışmıştı ancak bunun yerine derneğin ismi Kimya Endüstrisi Derneği olmuştu, kendisi de derneğin ilk sekreteriydi. The History of Science in United States: An Encyclopedia, kimya mühendisliği teriminin ilk kullanımını 1890'lara tarihler. Kimya endüstrisinde mekanik ekipmanların kullanımı olarak tanımlanan "kimya mühendisliği", 1850'den sonra İngiltere'de yaygın olarak kullanılan kelimelerden biri haline geldi. 1910'a gelindiğindeyse, “kimya mühendisi” artık İngiltere ve Amerika'da yaygın olarak kullanılan bir kalıptı.

Kimya mühendisliği, günümüzde bu disiplinin temel bir kavramı olan ünite operasyonlarının gelişmesiyle ortaya çıkmıştır. Yazarların çoğu, Davis'in ünite operasyonları kavramını esasen kendisi geliştirmemiş olsa da, icat ettiğini kabul eder. Davis, kimya mühendisliği konusunda en eskilerden biri olarak kabul edilen Manchester Teknik Okulu'nda (daha sonra Manchester Üniversitesi'nin bir parçası haline gelecekti) 1887'de ünite operasyonları üzerine bir dizi ders verdi. Davis’in derslerinden üç yıl önceyse, Henry Edward Armstrong, City and Guilds of London Institute'te kimya mühendisliği alanında lisans dersi verdi. Armstrong'un kursu başarısız olmuştu, çünkü mezunları işverenlerin ilgisini çeker nitelikte değildi. Zamanın işverenleri, kimyagerleri ve makine mühendislerini işe almayı tercih ediyorlardı. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), İngiltere'deki Owens College ve University College London tarafından sunulan kimya mühendisliği dersleri de benzer koşullar altında mağdur konumdaydılar.

Lewis M. Norton, 1888'den itibaren MIT'de ABD'deki ilk kimya mühendisliği dersini vermeye başladı. Norton'un verdiği kurs günceldi ve esasen Armstrong'un kursuna benziyordu. Fakat her iki kursta da yapılan, ürün tasarımı ile kimya ve mühendislik konularını birleştirmekten ibaretti. “İlk kimya mühendisleri, diğer mühendisleri kendilerinin de birer mühendis olduğu konusunda; kimyagerleri ise sadece birer kimyager olmadıkları konusunda ikna etmekte zorlanmışlardı." Ünite operasyonları 1905 yılında ilk kez William Hultz Walker tarafından kimya mühendisliği eğitimine eklendi. 1920'lerin başlarındaysa ünite operasyonları MIT'de, diğer ABD üniversitelerinde ve Imperial College London'da kimya mühendisliğinin önemli bir parçası hâline geldi. 1908 yılında kurulan Amerikan Kimya Mühendisleri Enstitüsü (AIChE), kimya mühendisliğinin bağımsız bir bilim dalı olarak değerlendirilmesinde ve kimya mühendisliğinin merkezine ünite operasyonlarının yerleştirilmesinde kilit rol oynadı. Örneğin Amerikan Kimya Mühendisleri Enstitüsü, 1922 tarihli bir raporunda kimya mühendisliğini "temeli ... ünite operasyonları olan, kendi başına bir mühendislik dalı" olarak tanımlamıştı ve “talebi karşılayan” kimya mühendisliği dersleri veren bir akademik kurumlar listesi yayınlamıştı. Bu sırada İngiltere’de kimya mühendisliğinin ayrı bir mühendislik dalı olarak tanıtılması, 1922’de Kimya Mühendisleri Enstitüsü’nün (IChemE) kurulmasının yolunu açmıştı. Kimya Mühendisleri Enstitüsü de, aynı şekilde ünite operasyonlarının bu disiplinin bir temeli olarak görülmesinde yardımcı oldu.

1940'larda, kimyasal reaktörlerin geliştirilmesinde tek başına ünite operasyonlarının yetersiz kaldığı ortaya çıkmıştı. İngiltere ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki kimya mühendisliği derslerinde ünite operasyonlarının baskınlığı 1960'lara kadar devam etmiş olsa da, taşınım olayı üzerinde çok daha fazla çalışma gerçekleştirilmeye başlanmıştı. Taşınım olayları, proses mühendisliği gibi diğer yeni kavramlarla birlikte "ikinci bir paradigma" olarak ortaya konulmuştu. Taşınım olayları kimya mühendisliğine analitik bir yaklaşım sunarken, proses mühendisliği, kontrol sistemi ve proses tasarımı gibi kimya mühendisliğinin daha suni unsurlarına odaklandı. II. Dünya Savaşı öncesi ve sonrasında kimya mühendisliğindeki gelişmeler temel olarak petrokimya endüstrisinin teşviki ile gerçekleşmiştir ancak diğer alanlarda da gelişmeler kaydedilmiştir. 1940'larda biyokimya mühendisliğindeki gelişmelerin ilaç endüstrisinde uygulama alanı bulması ve bu gelişmelerin penisilin, streptomisin gibi birçok antibiyotiğin seri üretiminin yolunu açması diğer alanlardaki gelişmelere örnek olarak gösterilebilir. Tüm bunlar gerçekleşirken, 1950'lerde polimer bilimindeki ilerlemeler de “plastik çağına” giden yolu açtı.

Bu dönemde, büyük ölçekli kimyasal üretim tesislerinin güvenliği ve çevresel etkileri ile ilgili kaygılar da dile getiriliyordu. 1962'de yayınlanan ve o dönem ses getiren Rachel Carson'ın kaleme aldığı Sessiz Bahar adlı kitap, okuyucularını güçlü bir böcek ilacı olan DDT'nin zararlı etkilerine karşı uyarmaktaydı. Birleşik Krallık'ta gerçekleşen 1974 tarihli Flixborough felaketi, 28 ölüme sebep olmuştu, bunun yanı sıra bir kimyasal tesisi ile yakınlardaki üç köyde büyük hasar meydana gelmişti. 1984 yılında, Hindistan'da gerçekleşen Bhopal felaketi, neredeyse 4.000 ölümle sonuçlanmıştı. Gerçekleşen bu kazalar, diğer olaylarla birlikte yapılan işin itibarını lekelediğinden endüstriyel güvenliğe ve çevrenin korunmasına daha fazla odaklanılmaya başlandı. Buna cevaben IChemE, güvenlikle ilgili derslerin 1982'den sonra akredite edilen tüm lisans programlarına eklenmesi zorunluluğunu getirdi. 1970'lerde Fransa, Almanya ve ABD gibi çeşitli ülkelerde mevzuat ve denetleme acenteleri kuruldu.

Bilgisayar bilimindeki gelişmeler, tesislerin tasarımı ve yönetimi konusunda uygulama alanı buldu. Önceden elle yapılan çizimler ve hesaplamaları kolaylaştırdı. İnsan Genom Projesi'nin tamamlanması, sadece kimya mühendisliğinin gelişimi ile değil, aynı zamanda genetik mühendisliği ve genom biliminin de son dönemlerdeki gelişiminin sonucu olarak görülmektedir. Projede DNA dizilerini büyük oranlarda üretmek için kimya mühendisliğinin ilkeleri kullanıldı.

Kimya mühendisliği tasarımı, pilot tesisler, yeni tesisler veya tesis modifikasyonları için plan, şartname ve ekonomik analiz oluşturmak ile ilgilenir. Tasarım mühendisleri genellikle müşterilerin ihtiyaçlarını karşılayacak tesisler tasarladıkları danışmanlık rolünde çalışırlar. Bir tesisin tasarımı finansman, devlet düzenlemeleri ve güvenlik standartları gibi birçok faktörle sınırlanır. Bu kısıtlamalar bir tesisin proses, malzeme ve ekipman seçimini belirler.

Tesis inşası, yatırımın büyüklüğüne bağlı olarak proje mühendisleri ve proje müdürleri tarafından koordine edilmektedir. Bir kimya mühendisi, tam zamanlı veya yarı zamanlı olarak proje mühendisliği yapabilir fakat bunu yapabilmek için yeterli ek eğitim ve iş becerilerine sahip olması ya da bir proje grubunda danışman olarak önceden rol almış olması gerekir. ABD'de ABET tarafından onaylanmış lisans programlarından mezun kimya mühendislerinin eğitiminde proje mühendisliği eğitimi genellikle zorunlu değildir. Proje mühendisliği eğitimi özel eğitim programlarıyla, seçmeli derslerle veya yüksek lisansla edinilebilir. Proje mühendisliği işi, kimya mühendisleri için dünya çapında en büyük istihdam alanlarından biridir.

Ünite operasyonu, bir kimya mühendisliği prosesinin fiziksel bir adımıdır. Ünite operasyonları (kristalleştirme, filtrasyon, kurutma ve buharlaştırma gibi), reaktanların hazırlanması, reaksiyon ürünlerinin saflaştırılması ve ayrılması, artan reaktanların geri kazanımı ve reaktörlerde enerji aktarımının kontrol edilmesi gibi fiziksel işlemler için kullanılan bir terimdir. Ünite prosesleri ise kimyasal değişim içeren süreçler için kullanılan bir terimdir. Materyallerin biyokimyasal, termokimyasal ve çeşitli diğer kimyasal yollarla işlenmesi, ünite prosesleri kapsamına girer. Ünite prosesleri, ünite operasyonlarıyla birlikte bir "kimyasal proses" oluştururlar. Tüm bunlardan sorumlu kimya mühendislerine proses mühendisi adı verilir.

Proses tasarımı, kullanılacak ekipman tiplerinin ve boyutlarının tanımlanmasının yanı sıra bunların birbirlerine nasıl bağlanacaklarının ve inşasında kullanılacak malzemelerinin de belirlenmesini gerektirir. Detaylar genellikle yeni veya modifiye edilmiş bir kimya fabrikasının kapasitesini ve güvenilirliğini kontrol etmek için kullanılan bir proses akış şemasında gösterilir.

Kimya mühendisliği eğitiminin lisans programları, proses tasarımı ilke ve uygulamalarını zorunlu kılar. Bu beceriler, mevcut kimyasal tesislerinde verimliliği değerlendirmek ve iyileştirmeler için önerilerde bulunmak için kullanılır.

Taşınım olaylarının modellenmesi ve analizi birçok endüstriyel uygulama için birer esastır. Akışkanlar mekaniği, ısı aktarımı ve kütle aktarımı gibi dallar taşınım olayları kapsamına girer. Bu sayılan olaylar esas olarak momentum aktarımı, enerji transferi ve kimyasal türlerin taşınımı ile gerçekleşirler. Taşınım modelleri genellikle makroskobik, mikroskobik ve moleküler seviyedeki olaylar için farklı varsayımlardan oluşur. Bu sebepten ötürü taşınım olaylarının modellenmesi, uygulamalı matematiğin anlaşılmasını gerektirmektedir.

Kimya mühendisleri, "malzemelerin ve enerjinin kullanımının ekonomik yollarını geliştirir". Kimya mühendisleri, ham maddeleri büyük ölçekli endüstriyel ortamlarda ilaçlara, petrokimyasallara ve plastik gibi kullanılabilir ürünlere dönüştürmek için kimyayı kullanırlar. Ayrıca atık yönetimi ve araştırmalarında da rol oynarlar. Hem araştırmalarda hem de uygulamalarda bilgisayarlar oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kimya mühendisleri, daha iyi ve güvenli üretim yöntemleri, çevre kirliliği kontrolü ve kaynakları koruma amacıyla tasarım yapacakları ve deneyler gerçekleştirecekleri endüstri kollarında veya üniversite araştırmalarında rol alabilirler. Bir proje mühendisi olarak tesislerin tasarlanması ve inşasında yer alabilirler. Proje mühendisleri olarak çalışan kimya mühendisleri, bilgilerini maliyetleri en aza indirmek, güvenlik ve ekonomik kârı en üst düzeye çıkartmak için optimum üretim yöntemlerini ve tesis ekipmanlarını seçmekte kullanır. Tesis yapımından sonra, kimya mühendisliği proje yöneticileri, ekipmanların geliştirilmesinde, proses değişikliklerinde, sorun gidermede ve günlük operasyonlarda tam zamanlı olarak çalışabilir veya danışmanlık pozisyonunda görev alabilir.