بحث کاربر:Hamed che85
از ویکیپدیا، دانشنامهٔ آزاد.
تاريخچه
معنی کيميا وکيمياگری بر همگان روشن است. فعاليتهای کيمياگران, تبديل فلزات به طلا, از جمله مهمترين آنها تبديل مس به طلا - ( که ضرب المثل قديمی " از طلا بودن پشيمان گشته ايم, مرحمت فرموده ما را مس کنيد" را تداعی می کند) - را ميتوان مراحل اوليه علم شيمی دانست. اکثر اصطلاحات علمی که امروزه بکار می بريم و مربوط به علوم و فنون (Science & Technology) مدرن است ,علم و تکنولژی آن از غرب به شرق آمده, بنابراين ريشه کلمات و اصطلاحات نيز غربی است. قبل از اينکه شرق به خواب رود انتقال علم و فن از شرق به غرب صورت می گرفت. برای مثال علم شيمی که نام آن به زمان کيمياگری برمی گردد. کيميا, کمی, شيمی,کميستری. کلمات طی گذر از اقليم های مختلف لهجه آن منطقه را کسب کرده غلط مصطلح می شوند؛ از آن جمله است کلمه شيمی که بعد از گذرهای متوالی به زادگاهش با شکلی ديگر باز گذشته؛ و ما آن را شيمی می خوانيم. همانطور که عزيزان آگاهند Ch و يا هر حرف ديگری در مناطق مختلف با صداهای متفاوتی تلفظ و خوانده می شوند.
Chemical شيميايي, کيميايي Chemistry علم شيمی Chemist کيمياگر, شيمی دان, شيميست, کميست Chemical Engineer مهندس شيمی
به هر صورت منظور از مطرح کردن اين موضوع ريشه يابی کلمات و اصطلاحات علمی است. چرا که کمک بسيار خوبی است برای دانشجويان عزيزی که در آغاز راهند. درک و فهم ريشه ای و درست کلمات, اصطلاحات و عناوين مطالب, راهنمای خوبی است برای فهم درست عناوين پروژه ها و ادامه راه. کتاب “Chambers” [1] که در بخش استفاده از منابع علمی معرفی می شود, برای اين مقصود کتابی است بسيار راهگشا.
تعريف مهندسی شيمی
از آنجاييکه هر کلمه در مقطع خاصی از زمان و مکان، - بسته به ميزان رشد کيفی آن جامعه و زير مجموعه های خاص آن جامعه - معانی بخصوص و بعضا متفاوت دارد؛ ريشه کلمات مهندس و شيمی از مراجع متفاوتی در انتهای اين بخش آورده شده است.
Ingenuity: قوه ابتکار, نبوغ, هوش (اختراعی), آمادگی برای اختراع, مهارت, استعداد, صفا. Engine: نقشه کشيدن, تدبير کردن, ذکاوت, آلت و اسباب, موتور, ماشين, ماشين بخار. Engineer: مهندسی کردن, اداره کردن, طرح کردن و ساختن, مهندس.
مهندسی شيمی که ترجمه کامل اسم آن از زبان انگليسی "مهندسی شيميايي" يا به طور مفهوم تر "مهندسی صنايع شيميايي" است, در واقع يکی از رشته های جدا شده از مهندسی مکانيک است وظايف انحصاری که امروزه در دنيا بر عهده مهندسان شيمی گذاشته شده است, در ابتدا بر عهده مهندسان مکانيک بوده است, ولی با پيشرفت وگسترش علم و فناوری به تدريج مشخص شد که در طراحی بعضی دستگاهها که در آنها عمليات جداسازی مخلوط ها يا ترکيب شيميايي مواد صورت می گيرد, مهندسان مکانيک علاوه بر اشراف به دروس پايه و اصلی مرتبط با رشته مهندسی مکانيک از جمله رياضيات, فيزيک, استاتيک و مقاومت مصالح, ترموديناميک, مکانيک سيالات, انتقال حرارت و ديناميک لازم است با دانش شيمی, شيمی فيزيک, مهندسی واکنش ها, ترموديناميک مخلوط ها, انتقال جرم و آنچه امروزه به نام عمليات واحد و طراحی راکتورها ناميده ميشود نيز آشنايی کامل داشته باشند تا بتوانند با تسلط کامل بر فرآيند اتفاق افتاده در داخل راکتور به طراحی بهينه دستگاه مناسب بپردازند.
برای اولين بار در سال 1891 ميلادی در انستيتو تکنولوژی ماساچوست Massachusetts Institute of Technology (MIT) رشته مهندسی شيمی پايه گذاری شد و در سالهای اول قرن بيستم, مهندسی شيمی به صورت يک حرفه مشخص در آمد. در ايران نيز اولين بخش مهندسی شيمی در دانشکده فنی دانشگاه تهران در سال 1313 هجری شمسی و پس از آن در دانشگاه صنعتی اميرکبير (پلی تکنيک تهران) در سال 1337شکل گرفت. دانشگاه های شيراز و صنعتی شريف به طور همزمان بخش مهندسی شيمی خود را در سال 1345 هجری شمسی شروع کردند.
مردم مهندسان عمران را با پل ها و ساختمان های عظيم, مهندسان برق و الکترونيک را با نيروگاه ها و سيستم های مخابراتی و مهندسان مکانيک را با انواع خودرو و ماشين های پيشرفته مرتبط می دانند. اما مهندسان شيمی هيچ نشانه برجسته ای که بلافاصله اين رشته را در اذهان عمومی مجسم سازد, ندارند. در حالی که محصولاتی که در نتيجه کاربرد تخصص مهندسی شيمی در زندگی روزمره مردم کاربرد دارند, بسيار زياد است. از جمله اين محصولات می توان به انواع شوينده ها, دارو ها, نفت, بنزين, انواع سوختها و فرآورده های نفتی, انواع کودها و آفت کشها و همچنين انواع فرآورده های غذايي و پليمری اشاره کرد. اگر چه اين محصولات به ابهت و شکوه نشانه های ساير رشته های مهندسی نيست, اما هنر توليد با کيفيت و قيمت مناسب اين محصولات همواره می تواند چالشی شوق برانگيز باشد.
حرفه مهندسی شيمی
مهندسی شيمی يک حرفه جهانی است با هدف تبديل مواد اوليه خام به محصولات مورد نياز و مفيد. اين تبديل مواد هم در مقياس بزرگ و هم در مقياس کوچک انجام می گيرد. در تغيير و تبديل مواد, در اين مبحث سه عامل عمده و مهم بايد رعايت شود:
1. حداقل هزينه ممکنه 2. حداقل محصولات جانبی ناخواسته 3. حداقل آلودگی محيط زيست
مهندسی شيمی حرفه و شغلی است فوق العاده و برجسته. مهندسين شيمی با کسب مهارتهای لازم قادر به تجزيه تحليل و حل مشکلات صنايع می باشند ارائه راهکارهای ميانبر و اقتصادی از ويژه گيهای اين حرفه می باشد. بعبارت ديگر نوک پيکان صنايع و حرف؛ و از معدود رشته هايي است که علاوه بر آشنا بودن با ديگر رشته های مهندسی نياز به آشنايي با علوم محض نيز دارد. به همين جهت مهندسی شيمی را رشته ای کامل, جامع و عام دانسته اند؛ در قسمت معرفی دروس مهندسی شيمی به اين قسمت بيشتر پرداخته خواهد شد و طيف وسيع آگاهيهای مورد نياز دانشجويان اين رشته شرح داده خواهد شد.
صنايع بشدت نيازمند مهندسين شيمی می باشند, چه صنايع سنتی و صنعتی مرسوم, و چه صنايع cutting edge مانند ننوتکنولژی و يا Bio-Engineering ؛ که اين بسته به نوع محصول Product , فرآيند Process و تجهيزات و ماشين آلات متفاوت خواهد بود. تاثير گذار بودن مهندسی شيمی بر اکثر صنايع بعلت بنياد, پايه و اساس آن می باشد. يعنی شيمی, فيزيک و رياضيات. با توجه به اين منابع دانشجويان ترکيبی بسيار قوی از دانش ملکولی و تکنيکهای مهندسی را کسب خواهند کرد. همچنين در رابطه با مسائل پيچيده Complex و غير خطی nonlinear , مهارتهای فوق العاده تجزيه و تحليل را بدست خواهند آورد. حصول اين مهارتهای کيفی و کمی برای مهندسين شيمی دستاوردهای زير را, برای مشاغل آتی اين عزيزان به ارمغان خواهد آورد:
ادامه تحصيل در رشته های فنی و علوم محض و طی مدارج بالاتر ( از آنجاييکه اين رشته, رشته ای جامع می باشد هم ميتوان رشته قبلی را ادامه داد و هم اينکه وارد زمينه ديگری شد؛ مانند بيولژی, Biotechnology, Bioengineerin , داروسازی, پليمر . . . ؛ ) . لازم به ياد آوريست که گرايشهای مهندسی شيمی بسيار متنوع بوده و امکان انتخاب برای بعد از دوره کارشناسی گسترده است, از جمله پتروشيمی, صنايع غذايي, پالايش, گاز, محيط زيست, . . .؛ MBA Law؛
• اشتغال بکار در اکثر صنايع و کارخانجات • همکاری و اشتغال در مراکز و پژوهشگاههای تحقيقاتی؛ علاوه بر زمينه فعاليتهای ياد شده در بالا, در زمينه هايی که در ادامه می آيد نيز ميتوان فعاليت داشت: کنترل سيستم ها و فرآيند, کاتاليست و مهندسی واکنش, انرژی و محيط زيست, ترموديناميک, فرآيندهای انتقال, پليمرها, علوم مواد, علوم سطح, ميکرو الکترونيکها و . . . ؛.
•علاوه بر موارد مذکور مهندسين شيمی بدليل توانايي و محيط بودن به کل طراحی فرآيند Process design معمولا علاوه بر شغل اصلی خود بعنوان مشاور نيز در صنايع فعاليت می کنند.
وظايف مهندس شيمی
برای بيشتر روشن شدن مبحث مهندسی شيمی و وظايف مهندس شيمی مثالی آورده می شود. فرض يک محقق شيميست (شيمی دان, شخصی که علم شيمی محض را می داند, Pure Chemistry) , در مدت زمان معينی با صرف هزينه مشخصی موفق به کشف يا ساخت مقدار محدودی از ماده ای می شود؛ که اين خود بسيار مهم و ارزشمند است. تا اين مرحله, - حصول ماده مورد نظر - وظيفه شيميست می باشد. در صورت نياز به توليد انبوه Mass Production دستاورد عالم شيمی, وظيفه مهندس شيمی شروع ميشود. بدين معنی که چندی و چونی عرضه محصول به بازار وظيفه مهندس شيمی است.
در تحقيق, تفحص و پژوهش زمان, هزينه و ميزان ماده توليد شده خيلی مهم نيست, مهم نتيجه است (گاهن نتيجه منفی است که اين خود نيز يک نتيجه است, بعدا در اين مورد صحبت خواهد شد). محقق سالها وقت صرف کرده, مبالغی گزاف هزينه شده تا محصولی اندک بدست آيد. مرحله دوم کار وظيفه مهندس شيمی است, توليد و عرضه محصول در اشل بزرگ به بازار. بعبارت ديگر توليد انبوه Mass Production .کارخانه طراحی شده توسط مهندس شيمی بايد عوامل زير را لحاظ کند:
1.کمترين زمان
2.کمترين هزينه
3. بيشترين محصول (لازم به يادآوريست که صرف کميت محصول مورد نظر نيست, کيفيت نيز مورد توجه بوده, بايد نقطه بهينه Optimum را در نظر گرفت).
برآيند سه پارامتر بالا سوددهی کارخانه می باشد. اگر کارخانه ای سوددهی نداشته باشد دليلي برای ادامه فعاليت ندارد مگر در موارد خاص (مانند پروژه های پزشکی, نظامی, فضايی), که البته در اين موارد نيز سود دهی بلند مدت مورد نظر است.
مهندسين شيمی علاوه بر محيط بودن بر اصول طراحی Design که بعدا به تفصيل مورد بحث قرار خواهد گرفت, بايد از علم شيمی نيز آگاهی داشته باشند. برای مثال در طراحی پالايشگاههای نفت , نقش اول را مهندسين شيمی ايفا می کنند., يعنی همانطور که بايد اصول طراحی را بدانند لازم است از فعل و انفعالات درون راکتور نيز مطلع باشند. راکتور ممکن است برج تقطير نفت خام باشد و يا راکتور توليد مواد غذايي, دارويي, پليمری و ديگر محصولات باشد. بنابراين لازم است مهندسين شيمی با شيمی محض نيز آشنايي داشته باشند تا احاطه کامل بر مجموعه فرآيند داشته باشند.
در طراحی يک فرآيند شيميايي Process design وظيفه اصلی طراحی بر عهده مهندسين شيمي است, در عين حال انجام پروژه يک فعاليت تيمی بوده نياز به بهره مندی از ديگر تخصص ها دارد تا پروژه نهايتا به انجام برسد. در طراحی هر فرآيند شيميايي قلب کارخانه راکتور توليد محصول می باشد. همانطور که ذکر شد اين راکتور ممکن است برج تقطير يا راکتور توليد هر فرآورده ديگری باشد. طراحی کارخانه بر اساس راکتور ساخت و توليد Center of point انجام می گيرد. باقی تجهيزات و ماشين آلات در خدمت و سرويس مرکز اصلی يعنی راکتور می باشند.
بيش از %80 فرآيندهای صنايع شيميايي در مهندسی شيمی, فرآيند های جداسازی Separation processes است. پروسسهای جداسازی نياز به يک سری تجهيزات و ماشين آلات جهت انجام فرآيند جداسازی دارند, که اين تجهيزات برای فرآيندهای اصلی – جداسازی – می باشد. علاوه بر اين تجهيزات و ماشين آلات سرويس دهنده ديگری مورد نياز می باشد که در اين جا به چند مورد اشاره می شود.ماشين آلات جهت:
-
- آماده سازی مواد اوليه و خام هنگام ورود به راکتور
-
- خالص سازی محصول توليدی
-
- آماده سازی جهت نگهداری
-
- حمل از کارخانه و عرضه به بازار
طراحی, سازماندهی و سرپرستی تيم در کليه امور وظيفه مهندسين شيمی می باشد.
فصل دوم
"تجهيزات و ماشين آلات فرآيندهای اصلی " "Main processes and equipments"
مقدمه
تعداد قابل توجهی از عمليات واحدها Unit Operations در مهندسی شيمی اساسا تغيير در ترکيب محلولها و مخلوطها می باشد. اين متد ها و عمليات الزاما با واکنشهای شيميايي در گير و همراه نيستند. معمولا اين عمليات طوری هدايت و جهت دار شده اند که ورودی – ماده اوليه خام Raw material – به اجزا تشکيل دهنده اش تبديل شود - جدا شود - . برای مخلوطها امکان دارد چنين جداسازی تماما مکانيکی باشد. بعنوان مثال صاف کردن Filtration يک جامد از يک سوسپانسيون - دوغاب - Suspension (جامد معلق موجود در مايع), طبقه بندی يک جامد به اجزا آن با اندازه های مختلف توسط غربال کردن, يا جداسازی ذرات از جامد مبنا, با توجه به دانسيته آنها. از طرفی اگر در حين عمليات تغييری در ترکيب محلولها صورت گيرد, اين عمليات, عمليات انتقال جرم Mass-transfer Operations شناخته ميشوند.
اهميت اين عمليات بسيار قابل توجه می باشد, چرا که بندرت می توان فرآيند شيميايی يافت که نياز به خالص سازی مقدماتی ماده خام اوليه و يا جداسازی نهايی محصول از محصولات جانبی By-products نداشته باشد. به همين خاطر است که عمليات انتقال جرم Mass-transfer Operations اکثرا مورد استفاده قرار می گيرند. اکثر اوقات بيشترين هزينه مربوط به فرآيندهای جداسازی می باشد. هزينه جداسازيها و يا خالص سازيها مستقيما بستگی به نسبت غلظت مواد نهايی جدا شده به غلظت مواد اوليه دارد, و اگر اين نسبت بزرگ باشد قيمت محصول بالا خواهد رفت. بنابراين اسيد سولفوريک نسبتا محصول ارزانی است چون سولفور بطور طبيعی نسبتا خالص می باشد. در حاليکه اورانيم بخاطر غلظت بسيار کمی که در حالت طبيعی دارد قيمت بسيار بالايي دارد.
عمليات انتقال جرم Mass-transfer Operations توسط انتقال يک ماده از ماده ای ديگر در اشل ملکولی تعريف و مشخص می شود. برای مثال وقتی که آب از استخری به جريان هوای جاری روی سطح آب تبخير می شود, ملکولهای بخار آب از ميان ملکولهای هوای روی سطح آب نفوذ کرده به جريان اصلی هوا وارد می شوند, از اين طريق از محيط حمل و خارج می شوند. اين تغيير مکان به صورت انبوه و توده ای Bulk بخاطر اختلاف فشار انجام نمی گيرد, مثل پمپ کردن مايع در لوله. انتقال جرم نتيجه تفاوت غلظت, يا Gradient ** می باشد, ماده نفوذ کننده از محل با غلظت بالا به محل با غلظت کم حرکت می کند.
طبقه بندی عمليات انتقال جرم
طبقه بندی کردن عمليات انتقال جرم بسيار مفيد بوده و ذکر مثالی در مورد هر کدام دور نمايي کلی از اين بخش کتاب به دست خواهد داد. همچنين وسيله و کمکی خواهد بود برای تعريف و معنی عبارات و اصطلاحاتی (ترمهايي Terms ) که در اين کتاب بکار خواهند رفت. تماس مستقيم دو فاز مخلوط نشدنی
Direct Contact of Two Immiscible Phases
اين مقوله يا بعبارتی اين مجموعه مهمترين بخش بوده و قسمت عمده عمليات انتقال جرم را در بر می گيرد. در اين جا از اين واقعيت بهره می گيريم که, در يک سيستم دو فازی حاوی اجزا تشکيل دهنده متعدد در حالت تعادل, باستثنا مواردی اندک, ترکيب, نسبت و ساخت فازها متفاوت است. بعبارت ديگر اجزا ترکيب دهنده مختلفی, بطور متفاوتی بين دو فاز توزيع شده اند.
در بعضی موارد, جداسازی منجر به تهيه سريع و خالص ماده می شود, زيرا يکی از فازهای در حالت تعادل تنها شامل يک سازنده می باشد. برای مثال بخار تعادلی ی در تماس با يک مايع آبکی محلول نمک, صرفنظر از غلظت مايع, هيچ ذره ای از نمک را نخواهد داشت. بطور مشابه اين مورد برای جامد تعادلی در تماس با چنين مايع نمک محلولی چه آب خالص و چه نمک خالص, صادق است
تقطير:
عبارت است از طريقه اي به منظور جداكردن اجزا تشكيل دهنده يك محلول و با توزيع مواد بين فاز گاز و مايع ارتباط دارد؛
و در مواردي كاربرد دارد كه تمام اجزا در هر دو فاز حضور داشته باشند. به جاي وارد كردن ماده جديد به مخلوط جهت ايجاد فاز دوم؛
همان طور كه در gas absorption or desorption(reverse process to adsorption, out gassing) معمول است؛ فاز دوم در اين جا توسط محلول اصلي اوليه بواسطه تبخير يا ميعان ايجاد مي گردد
به منظور تشخيص بين تقطير و تبخير چند مثال ذكر مي گردد:
در جدا سازي محلول آب نمك معمولي ، آب بطور كامل از محلول تبخير ميشود بدون اينكه نمك به فاز بخار منتقل شود براي فرايندهاي غير فرار اين روش در شرايط معمولي بسيار عملي و راحت ميباشد. در اين عمليات فرايند تبخير انجام ميگيرد. به عبارت ديگر تقطير، نوعي از جداسازي شناخته ميشود كه تمام اجزا سازنده آن بطور محسوس فرار هستند.
- تبخير
هدف از عمليات تبخير تغليظ كردن محلولي( (solution است كه شامل يك جسم غير فرار حل شده در محلول (solute) و يك حلال (solvent) فرار مي باشد. در اكثر عمليات تبخير حلال آب ميباشد. در عمليات تبخير قسمتي از حلال تبخير ميشود تا محلول تغليظ شده و يا thick liquor (مايع بسيار غليظ گل مانند) حاصل شود.
تبخير با خشك كردن تفاوت دارد زيرا: باقيمانده يا پسماند مايع است – گاهي اوقات نوع بسيار غليظ (ويسكوز) آن – تا جامد. تبخير (باقيمانده مايع غليظ) خشك كردن (باقيمانده جامد).
تبخير با تقطير تفاوت دارد زيرا: در تبخير معمولا فاز بخارتك سازنده اي ميباشد؛ و حتي اگر بخار مخلوطي از چند سازنده باشد، سعي و كوششي نميشود تا اجزا سازنده فاز بخار از هم جدا شوند.
تبخير با تبلور تفاوت دارد زيرا: در تبخير تاكيد بر تغليظ يك محلول است تا ساخت وتشكيل كريستال. در مواقع خاص، براي مثال در تبخير آب نمك جهت توليد نمك معمولي، مرز بين تبخير و تبلور بسيار كم است. گاهي اوقات در عمليات تبخير مايعي غليظ (slurry) حاوي بلورها در مايع اشباع مادر تشكيل ميشود.
بطور معمول، در تبخير thick liquor مايع غليظ محصول ارزشمند و مورد نظر ميباشد و بخار ميعان شده دور ريخته ميشود.