Kimya mühendisliği

Etimoloji

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 bahsedilir. 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 mühendisliğinin 1950’li yıllarda AIChE (Amerikan Kimya Mühendisliği Enstitüsü) tarafından yapılan tanımı şöyledir: “Kimya mühendisliği mühendislik mesleğinin bir kolu olup, maddelerin fiziksel ve kimyasal değişimlerinin yer aldığı, üretim işlemlerinin uygulama ve gelişimi ile ilgilenir. Kimya mühendisinin görevi, içlerinde fiziksel ve kimyasal değişimlerin yer aldığı cihazların projelendirme, yapım ve çalıştırılmasından ibarettir.”
1970-1980’li yıllarda tekrar şekillendirilen kimya mühendisliği tanımı şu hale gelmiştir:
“Maddeyi fiziksel ve kimyasal değişimlere uğratan cihazları ve özellikle değişimlerin (bileşim, hal ve enerji değişimleri) kendilerini mühendislik, ekonomi ve insan ilişkileri yönlerinden inceleyen bilim koluna kimya mühendisliği adı verilir.”
2000’li yılların tanımı ise aşağıdaki şekildedir:
“Kimya mühendisliği, malzemelerin kimyasal yapılarının, enerji içeriklerinin veya fiziksel hallerinin değişime uğradığı proseslerin geliştirilmesi ve uygulanması ile ilgilenen engin ve çok yönlü bir mühendislik dalıdır.”
Temel olarak iyi bir kimya mühendisi kimya ilmini, mühendislik disiplini, matematik, fizik, biyoloji ve bilgisayar bilgileri ile birleştirebilmelidir.
Kimya mühendisliği ile ilgili olarak 27 Eylül 2001 tarihinde Avustralya'nın Melbourne kentinde düzenlenen 6. Dünya Kimya Mühendisliği Kongresi'nde kabul edilen bildirgede kimya mühendisliğinin yeni dönemdeki tanımı iyi bir şekilde vurgulanmıştır."

Kimyager ile Kimya Mühendisi arasındaki fark

"Kimyager genelde bileşenlerin davranımları ile ilgilenir ve laboratuvarda az miktarda malzemeler ile çalışır. Kimya mühendisi ise, laboratuvar çalışmalarını yararlı ekonomik ürünlere dönüştürmek için gerekli prosesleri ve fabrikaları tasarlar ve bunu yaparken kimya bilgisini kullanır."

Tarihçe

Kimya mühendisliği, kimya mühendisliği disiplininin temel bir kavramı olan ünite operasyonlarının gelişmesiyle ortaya çıkmıştır. Yazarların çoğu, Davis'in esasen kendisi geliştirmemiş olsa da, ünite operasyonları kavramını 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 almaktaydılar. 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 çağdaştı ve esasen Armstrong'un kursuna benziyordu. Fakat her iki kursta da yapılan ürün tasarımı ile birlikte 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 başlarında, ünite operasyonları MIT'de, diğer ABD üniversitelerinde ve Imperial College London'da kimya mühendisliğinin önemli bir parçası haline gelmişti. 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, 1922 tarihli bir raporda AIChE kimya mühendisliğini "temeli ... ünite operasyonları olan, kendi başına bir bilim dalı" olarak tanımlamıştı ve “talebi karşılayan” kimya mühendisliği dersleri veren bir akademik kurumlar listesi yayınlamıştır. Bu arada, İngiltere’de kimya mühendisliğinin ayrı bir bilim olarak tanıtılması, 1922’de Kimya Mühendisleri Enstitüsü’nün (IChemE) kurulmasının yolunu açmıştır. IChemE de aynı şekilde ünite operasyonlarının bu disiplinin temeli olarak görülmesine yardımcı oldu.

Yeni kavramlar ve gelişmeler

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 fenomeni üzerinde çok daha fazla çalışma gerçekleştirilmeye başlanmıştı. Proses sistemleri mühendisliği (PSE) gibi diğer yeni kavramlarla birlikte, "ikinci bir paradigma" tanımlanmıştı. Taşınım fenomeni kimya mühendisliğine analitik bir yaklaşım sunarken, proses sistemleri 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 teşviği ile gerçekleşmişti ancak diğer alanlarda da gelişmeler kaydedilmiştir. Örneğin, 1940'larda biyokimya mühendisliğindeki gelişmeler, ilaç endüstrisinde uygulama alanı bulmuştur ve penisilin ile streptomisin dahil olmak üzere çeşitli antibiyotiklerin seri üretiminin yolunu açmıştır. Tüm bunlar gerçekleşirken, 1950'lerde polimer bilimindeki ilerlemeler “plastik çağına” giden yolu açtı.

Güvenlik ve tehlikede gelişmeler

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 uyarıyordu. 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, güvenliğin 1982'den sonra akredite edilen tüm lisans programlarına eklenmesi zorunluluğunu getirdi. 1970'lerde Fransa, Almanya ve ABD gibi çeşitli ülkelerde mevzuat ve denetleme acentaları kuruldu.

Yakın zamandaki ilerlemeler

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.

Türkiye'de kimya mühendisliği ve kimya sanayisi

Türkiye'de kimya mühendisliğinin kurulması ve gelişimi 1900'lü yılların başlarına dayanır. 1913-1915 yılları arasında, Darülfünun'daki reform sonucu 1917 yılında Almanya’dan üç profesör getirtilmiştir. Bunlar sırasıyla; Fritz Arndt, Kurt Hoesch ve G. Fester'di. Almanya'dan getirilen profesörler tarafından kurulan Kimya Enstitüsü'nün kuruluş amacı “Endüstri Kimyageri” yetiştirmekti. Bu tarihlerde hem dünyada hem Türkiye'de, kimya mühendisliği henüz bir ana mühendislik dalı olarak esaslı yerini almamıştı.
Kimya mühendisliği, dünya ile beraber Türkiye'de de gelişmiştir ve çeşitli üniversitelerde bölümleri açılmıştır. Üniversite reformu sonrasında kimya mühendisliği bölümü Türkiye'de esaslı yerini almıştır. 1958 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi ve İstanbul Teknik Üniversitesi'nde açılan, 1957 yılında Robert Kolej Mühendislik Yüksek Okulu'nda kurulup 1971'de millileştirilip Boğaziçi Üniversitesi'ne aktarılan kimya mühendisliği bölümleri, Türkiye'de kimya mühendisliğinin gelişmesinde ve bilinmesinde öncü kurumlar olmuşlardır.
Kimya mühendisliğinin Türkiye'de gelişiminde, petrokimya endüstrisinin kurulması büyük rol oynamıştır. 1954 tarihinde, kamu adına hidrokarbon arama, sondaj, üretim, rafineri ve pazarlama faaliyetlerinde bulunmak amacıyla Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı (TPAO) kurulmuştur. TPAO'nun öncülüğünde 1965 yılında PETKİM, 1974 yılında Boru Hatları İle Petrol Taşıma Anonim Şirketi (BOTAŞ), 1983 yılında TÜPRAŞ kurulmuştur. Petrokimya alanındaki yatırımlar ve ilerlemeler kimya mühendisliği istihdamını ve ihtiyacını büyük ölçüde artırmıştır. Bu sektörde yoğun olarak ünite operasyonları, distilasyon ve pek çok proses hakkında bilgi sahibi olan kimya mühendislerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Türkiye'de petrokimya ile hemen hemen aynı tarihlerde gelişen, gıda (yağ ve şeker fabrikaları), ilaç, plastik ve boya sanayileri de yine kimya mühendisliğine ihtiyacı artırmıştır. 1935'te kurulan Türkiye Şeker Fabrikaları, çeşitli tarihlerde yerli ve yabancı özel girişimler ile kurulan yağ ve ilaç fabrikaları da evoporasyon, ekstraksiyon, filtrasyon gibi işlemlerin yoğun kullanıldığı yerler olduğundan kimya mühendisine ihtiyaç duymaktadır.
2000 yılından sonra Türkiye'de devlet eliyle kurulan ve kimya mühendislerinin önemli istihdam merkezlerinin dönemin hükümeti tarafından özelleştirmesi gerçekleştirilmiştir. PETKİM 2008 yılında Azerbaycan devletine ait SOCAR'a, TÜPRAŞ 2006 yılında Koç-Shell konsorsiyumuna devredilmiş, Türkiye Şeker Fabrikaları'nın ise özelleştirme işlemlerinin süresi 2023'e uzatılmıştır.
1954 yılında, TMMOB'a bağlı olarak Kimya Mühendisleri Odası kurulmuştur. 15.07.2008 tarihli KMO yazısına göre odanın amacı: "...ülkenin ve kamunun çıkarlarının gözetilmesinde, yurdun yeraltı ve yerüstü doğal kaynaklarının bulunması, korunması ve işletilmesinde, tarımsal ve sınai üretimin arttırılmasında, ülkenin sosyal, ekonomik, kültürel ve teknolojik kalkınmasında, çevrenin ve tüketicinin korunmasında, kimya mühendisliği mesleğinin gelişmesinde, mesleğin ülke, toplum ve üyelerinin yararları doğrultusunda uygulanması ve geliştirilmesinde, üyelerinin mesleki çıkar, hak ve yetki, onur ve ortak çıkarlarının korunmasında ve emeklerinin değerlendirilmesinde, üyeleri arasında dayanışmanın sağlanmasında, diğer meslek odaları üyeleri ve halkla ilişkilerinde dürüstlüğün ve ahlakın korunmasında, haksız rekabetin önlenmesinde, uzmanlık alanında ülkenin ve üyenin çıkarlarına uygun politikalar üretilmesinde, oda etkinliklerini ilgilendiren yasa, tüzük ve yönetmeliklerin hazırlanması, geliştirilmesi, değerlendirilmesinde, gerekli önlemleri almak, yurt içinde ve yurt dışında üyelerini temsil etmek ve başlıca aşağıdaki amaçların gerçekleştirilmesini sağlamaktır."
Türkiye'deki genel işsizlik sorunu nedeniyle KMO 2015 yılında "Kimya Mühendislerinin İşsizlik Sorunu Çözülmelidir" başlıklı bir basın açıklaması yayınlamış, 2018 yılında da bir "Üniversite Yerleştirme Sonuçları Kimya Mühendisliği Raporu" hazırlamıştır. Bu raporlar ve açıklamalarda kimya mühendislerinin Türkiye'deki işsizlik sebepleri detaylı bir biçimde incelenmiş, çözüm önerileri sunulmuştur. 2014 yılında kimya mühendisliği kontenjanlarının %17.6'sı boş kalmıştır. İzleyen yıllarda kontenjanlar düşürülmüştür. 2018-19 Türkiye döviz ve borç krizi ve ekonomik küçülme ile Türkiye genelinde artan işsizlik kimya sektöründe de etkilerini göstermiştir. Ancak kimya sektörünün firmalarının Türkiye'de hâlâ en büyük ihracatı gerçekleştiren ve cari açığı kapatan firmalar olmaları, kimya mühendislerine geçmişte olduğu gibi şimdi de çeşitli olanaklar ve iş imkânları tanımaktadır.

Tesis Tasarımı ve İnşası

Kimya mühendisliği tasarımı, pilot tesisler, yeni tesisler veya tesis modifikasyonları için plan, şartname ve ekonomik analiz oluşturmak ile ilgienir. 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 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 dünyadaki en büyük istihdam alanlarından biridir. Türkiye'de ise kimya mühendisleri tesis tasarımı ve inşasından ziyade var olan tesislerin işletilmesi ve geliştirilmesinde rol alırlar.

Proses Tasarımı ve Analizi

Ünite operasyonu, tek bir kimya mühendisliği prosesinin fiziksel bir adımıdır. Ünite operasyonları (kristalleştirme, filtrasyon, kurutma ve buharlaştırma gibi), reaktiflerin hazırlanması, reaksiyon ürünlerinin saflaştırılması ve ayrılması, artan reaktanların geri kazanımı ve reaktörlerde enerji transferinin kontrol edilmesi için kullanılır. Öte yandan bir ünite prosesi, bir ünite operasyonunun kimyasal olarak karşılığıdır. Ünite prosesi, ünite operasyonuyla birlikte birer "proses operasyonu" oluştururlar. Ünite operasyonları (nitrasyon ve oksidasyon gibi) malzemenin biyokimyasal, termokimyasal ve diğer yollarla dönüştürülmesini kapsar. Bunlardan sorumlu kimya mühendislerine proses mühendisleri 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 olayı (fenomeni)

Taşınım olaylarının modellenmesi ve analizi birçok endüstriyel uygulama için birer esastır. Taşınım olaylarının kapsamında, akışkanlar mekaniği, ısı transferi ve kütle aktarımı vardır. Bu sayılan olaylar, esasında momentum transferi, enerji transferi ve kimyasal türlerin taşınması ile yönetilmektedirler. Taşınım modelleri genellikle makroskobik, mikroskobik ve moleküler seviyedeki olaylar için ayrı varsayımlardan oluşur. Bu sebepten ötürü taşınım olaylarının modellenmesi, uygulamalı matematiğin anlaşılmasını gerektirmektedir.

Uygulamalar ve pratik

Kimya mühendisleri, "malzemelerin ve enerjinin kullanımının ekonomik yollarını geliştirir". Kimya mühendisleri, hammaddeleri büyük ölçekli endüstriyel ortamlarda ilaçlara, petrokimyasallara ve plastik gibi kullanılabilir ürünlere dönüştürmek için kimyayı kullanırlar. Ayrıca atık yönetimi ve araştırmalarında da rol oynarlar. Hem uygulamalı hem de araştırma kısmı bilgisayarların yaygın kullanımından büyük fayda sağlayacaktır.
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 kârı en üst düzeye çıkartmak için, optimum üretim yöntemlerini ve tesis ekipmanlarını seçmekte kullanır. Tesis yapımından sonra, kimya mühendisliği proje yöneticileri, ekipman yükseltmelerinde, proses değişikliklerinde, sorun gidermede ve günlük operasyonlarda tam zamanlı olarak çalışabilir veya danışmanlık pozisyonunda görev alabilir.