Ingegneria chimica

Parte di un impianto per il trattamento chimico del petrolio. In particolare sono raffigurate delle colonne di distillazione per il recupero di solvente.

L'ingegneria chimica è un ramo dell'ingegneria che applica principi di fisica, chimica, scienza dei materiali e di altre discipline collegate alla progettazione di sistemi e soluzioni per produrre in serie prodotti chimici, petrolchimici e farmaceutici.

Una parte sostanziale dell'ingegneria chimica ricade all'interno della cosiddetta ingegneria di processo, cioè quella parte delle scienze politecniche che si occupa delle "trasformazioni" delle sostanze e dei materiali. Questi processi di trasformazione sono studiati ed analizzati come premessa alla realizzazione dell'impianto chimico utilizzato per svolgere tali processi, che rappresenta perciò la sintesi finale di tutto lo studio.

L'implementazione di un processo chimico in un impianto richiede la realizzazione di uno schema ordinato di operazioni di trasformazione dove gli elementi sono collegati in serie, in parallelo e con linee di riciclo. Di qui, l'importanza che nell'ingegneria chimica riveste anche la conoscenza informatica, con l'uso di linguaggi di programmazione (MATLAB, Fortran, C++), di simulatori di processo (Aspen, DynSys), software di modellazione molecolare (Amber 8, Gaussian) e programmi per il controllo di processo (LabView, programmi per la gestione dei PLC).

L'ingegneria chimica ha inoltre molti punti in comune con l'ingegneria dei sistemi, in quanto richiede e si avvale di metodologie analitiche per poter esaminare le varie sfaccettature di ogni singola unità e descrivere in termini quantitativi e qualitativi le proprietà e le prestazioni del sistema (processo o impianto) in analisi.

Storia dell'ingegneria chimica

Operatori di fronte ad un pannello di controllo di un impianto chimico (1986).

È possibile distinguere la storia dell'ingegneria chimica, che si sviluppa dalla fine del XIX secolo, in tre epoche:

• La prima, sulla spinta dell'industrializzazione, si rivolse allo studio e all'analisi delle tecnologie di produzione tipiche dei vari processi dell'industria chimica; in altre parole l'ingegneria chimica nasce essenzialmente come risposta alle necessità di sviluppo e controllo delle raffinerie e delle industrie petrolchimiche e chimiche di base.
• La seconda riconobbe che l'enorme varietà di processi dell'industria chimica è, in effetti, solo una combinazione di poche "unità fondamentali" (reattori chimici, scambiatori di calore, apparecchiature di separazione, ecc.). Queste "unità fondamentali" presero il nome di "operazioni unitarie" e nacque l'impiantistica chimica. Tale evoluzione è iniziata nel 1930 negli Stati Uniti e si è poi diffusa in tutto il mondo.
• La terza rivoluzione prese coscienza del fatto che tutti gli impianti si possono comunque ricondurre agli stessi fenomeni basilari: aspetti termodinamici, cinetica chimica, scambio di materia, di energia e fluidodinamica. Il 31 gennaio 1960 con Kramer (Paesi Bassi), Levich (URSS), Bird, Stewart e Lightfoot (USA) nasce l'ingegneria chimica moderna.

Il primo corso di laurea in ingegneria chimica fu attivato nel MIT di Boston negli ultimi anni dell'Ottocento. In Italia, il primo corso di laurea fu istituito agli inizi del Novecento presso il Politecnico di Milano. Il Politecnico si specializzerà negli anni nei settori della termodinamica, cinetica chimica e catalisi industriale e uno dei suoi docenti, Giulio Natta, riceverà il Premio Nobel per la Chimica.

Percorso di studio

Confronto tra chimica e ingegneria chimica

Sebbene i chimici e gli ingegneri chimici abbiano in comune molte conoscenze scientifiche e tecniche di base (tra cui la chimica inorganica, la organica e la biochimica), i rispettivi percorsi di studio e professionali sono profondamente differenti per varie ragioni. In particolare:

• generalmente, lo scopo del chimico è la produzione e analisi di sostanze chimiche in laboratorio, mentre l'ingegnere chimico si rivolge alla produzione di sostanze su scala industriale; dunque il chimico avrà in genere maggiore dimestichezza con apparecchiature di laboratorio, mentre l'ingegnere chimico si dedicherà in genere alla progettazione, controllo e gestione di impianti industriali; nonostante ciò, un chimico può lavorare anche per un'industria chimica (ad esempio per l'analisi di campioni prelevati da un impianto chimico, che però avviene sempre in laboratorio) e un ingegnere chimico può lavorare anche in laboratorio (ad esempio per svolgere prove di laboratorio su apparecchiature di laboratorio che simulano il comportamento delle apparecchiature industriali);
• il chimico è concentrato principalmente allo studio della chimica e delle sue branche, mentre l'ingegnere chimico deve considerare, oltre ai fenomeni chimici, i molteplici aspetti di un processo: dal trasferimento di materia ed energia ai fattori gestionali ed economici, dalle problematiche di sicurezza a quelle di carattere ambientale;
• il chimico ha un approccio più scientifico (cioè svolge calcoli ed esperimenti che servono a validare certe ipotesi, ad esempio sulla natura di una particolare sostanza), mentre l'ingegnere chimico ha un approccio più ingegneristico (cioè svolge una serie di calcoli ed esperimenti che servono alla realizzazione di una particolare opera d'ingegno, che è in genere un impianto chimico o una sua parte, ma non solo).

Branche dell'ingegneria chimica

Nell'ambito dell'ingegneria chimica possono essere identificati i seguenti rami:

• ingegneria chimica di processo
• ingegneria chimica di prodotto
• ingegneria delle reazioni chimiche
• ingegneria biochimica
• ingegneria elettrochimica
• ingegneria chimica e alimentare.

Altre branche dell'ingegneria correlate

Altre branche dell'ingegneria che nel percorso di studi presentano molte affinità con l'ingegneria chimica sono:

• ingegneria dei materiali
• ingegneria del petrolio
• ingegneria di processo
• ingegneria dei sistemi.

Sbocchi professionali

Il laureato in ingegneria chimica ha competenze professionali che riguardano la produzione industriale di sostanze chimiche e nello stesso tempo coprono un ampio campo di tecnologie di trasformazione tipiche di tutta l'industria manifatturiera: dalla trasformazione degli alimenti alla produzione e distribuzione dei combustibili, dall'industria farmaceutica all'abbattimento di inquinanti, per citare solo alcuni esempi. L'ingegnere chimico è dunque un professionista in grado di operare tanto nel settore industriale quanto in quello dei servizi, svolgendo funzioni di natura tecnica, di pianificazione e coordinamento per quanto riguarda la ricerca e sviluppo di nuovi processi, il progetto, la gestione e l'ottimizzazione di un impianto chimico.

Perciò, il laureato in Ingegneria chimica ha opportunità d'impiego a livello dirigenziale presso:

• industrie chimiche e petrolchimiche, di produzione e trasformazione di materie plastiche, siderurgiche, metallurgiche, farmaceutiche, alimentarie, agrarie, produzione di cellulosa e carta, produzione e formulazione di vernici e pigmenti, industrie tessili;
• società d'ingegneria specializzate nel progetto, installazione e avviamento di impianti industriali, analisi di affidabilità, analisi dei rischi industriali e ambientali, analisi del ciclo di vita;
• centri di ricerca avanzati e di innovazione tecnologica;
• società di servizi industriali (ambiente, energia e sicurezza);
• società di distribuzione di gas combustibile;
• enti pubblici e agenzie operanti nel settore ambientale e della valutazione dei rischi;
• società o enti pubblici a carattere medico (azienda sanitaria locale);
• organismi sovranazionali che si occupano di sviluppo tecnologico e del controllo dei rischi associati alla produzione, al trasporto e all'uso di prodotti chimici.

I risultati di indagini svolte su un campione significativo di laureati in Ingegneria chimica negli ultimi anni dimostrano che il titolo offre ottime opportunità nella ricerca di un impiego qualificato: quasi nove laureati su dieci trovano un lavoro con qualifica di ingegnere entro tre mesi dal completamento degli studi. Tra i laureati con un periodo di attività compreso tra uno e due anni, la percentuale di ingegneri chimici inquadrati con un contratto di lavoro a tempo indeterminato è del 70% circa. I dati dimostrano anche un elevato livello di soddisfazione professionale ed economica, oltre a un giudizio largamente positivo sulla qualità della formazione ricevuta.

A volte ci si specializza anche nel campo della sintesi chimica organica.

L'ingegneria per l'ambiente e il territorio e l'ingegneria dei materiali sono le specializzazioni secondarie che presentano i maggiori punti di contatto con questo corso di laurea.

Organizzazioni di ingegneri chimici

Africa

• Nigerian Society of Chemical Engineers, Nigeria
• South African Institution of Chemical Engineers (SAIChE), Sudafrica
• Ethiopian Society of Chemical Engineers (ESChE), Etiopia

Asia

• Pakistan Institute of Chemical Engineers (PIChe), Pakistan
• Iranian Association of Chemical Engineering (IAChE) Iran
• Indian Institute of Chemical Engineers (IIChe), India
• Israel Institute of Chemical Engineers (IIChe), Israele
• Korean Institute of Chemical Engineers (KIChE), Corea
• Philippine Institute of Chemical Engineers (PIChE), Filippine
• The Society of Chemical Engineers, Japan (SCEJ), Giappone
• Thai Institute of Chemical Engineering and Applied Chemistry (TIChE), Thailandia
• Society of Chemical Engineers, Kathmandu, Nepal

Europa

• European Federation of Chemical Engineering (EFCE)
• Institution of Chemical Engineers (IChemE), Regno Unito
• DECHEMA, Germania
• Société Française de Génie des Procédés (SFGP), Francia
• Associazione Italiana Di Ingegneria Chimica (AIDIC): ha sede principale a Milano nel quartiere di Città Studi, a poca distanza dal Politecnico di Milano, ed è inoltre presente in tutto il territorio italiano tramite le sue diverse divisioni sovraregionali.

Nord America

• American Institute of Chemical Engineers (AIChE)
• Canadian Society for Chemical Engineering (CSChE)
• National Organization for the Professional Advancement of Black Chemists and Chemical Engineers (NOBCChE)
• Mexican Institute of Chemical Engineers (IMIQ), Messico

Oceania

• Society of Chemical Engineers New Zealand, Nuova Zelanda

Sud America

• Argentinian Association for Chemical Engineers, Argentina
• Brazilian Association of Chemical Engineering, Brasile
• Colombian Association of Chemical Engineering, Colombia
• Association of Chemical Engineers of Uruguay, Uruguay

Bibliografia

Di seguito viene riportato un elenco di testi relativi all'ambito dell'ingegneria chimica, suddivisi per argomento trattato.

Termodinamica

• Brandani Vincenzo, Termodinamica dell'ingegneria chimica, Libreria Univ. Benedetti (2007), ISBN 978-88-87182-19-4;
• Renato Rota, Fondamenti di Termodinamica dell'Ingegneria Chimica, Pitagora Editrice Bologna (2004), ISBN 88-371-1472-9;
• (EN) J. M. Smith, H.C.Van Ness; M. M. Abbot, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6ª ed., McGraw-Hill, 2000, ISBN 0-07-240296-2.
• K. G. Denbigh, I principi dell'equilibrio chimico, Milano, Casa Editrice Ambrosiana, 1971, ISBN 88-408-0099-9.

Cinetica chimica

• J.I. Steinfeld, J.S. Francisco and W.L. Hase, Chemical Kinetics and Dynamics, Prentice Hall, (1989), ISBN 0-13-129479-2
• J.E. House, Principles of Chemical Kinetics, Academic Press, (2007), ISBN 0-12-356787-4

Fenomeni di trasporto

• (EN) R. Byron Bird, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2ª ed., New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4.
• Roberto Mauri; Elementi di fenomeni di trasporto, 2005, Edizioni plus - Pisa University Press. ISBN 88-8492-305-0;
• (EN) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª ed., Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0.

Impianti chimici e operazioni unitarie

• (EN) Robert Perry, Don W. Green, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 8ª ed., McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3.
• (EN) D. Q. Kern Process Heat Transfer, 1982.
• (EN) J. M. Coulson, J. F. Richardson, Coulson & Richardson's Chemical Engineering, volume 1, 5ª ed., 1996, ISBN 0-7506-2557-0.
• (EN) Warren L. McCabe, Julian Smith; Peter Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7ª ed., McGraw-Hill Education (ISE Editions), 2005, ISBN 0-07-124710-6.
• Alan S. Foust, Leonard A.Wenzel; Curtis W. Clump; Luis Maus; L. Bryce Andersen, I principi delle operazioni unitarie, Ambrosiana, 1967, ISBN 88-408-0117-0.
• M.S. Ray and M.G. Sneesby, Chemical Engineering Design Project: A Case Study Approach, 2nd Edition, Gordan and Breach Science Publishers, 1998, ISBN 90-5699-136-1.

Reattori chimici

• (EN) Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, 3ª ed., Wiley, 1998, ISBN 0-471-25424-X.

Chimica industriale

• Raymond E. Kirk and Donald F. Othmer, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th Edition, Wiley-Interscience, 2001, ISBN 0-471-41961-3.
• R. Turton, R.C. Bailie, W.B. Whiting and J.S. Shaeiwitz, Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 2nd Edition, Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-064792-6.
• Giorgio Zerboni, Fasi della realizzazione degli impianti chimici, Roma, Edizioni Efesto, 2015, ISBN 9788899104375.
• Fritz Ullmann, Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th Edition, Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-30385-5.

Voci correlate

• Apparecchiature chimiche
• Chimica industriale
• Controllo industriale
• Fenomeni di trasporto
• Impianto chimico
• Industria petrolchimica
• Ingegneria biochimica
• Ingegneria elettrochimica
• Ingegneria petrolchimica
• Operazione unitaria
• Scienza della sicurezza
• Simulazione di processo
• Storia dell'industria chimica
• Strumentazione di controllo
• UNICHIM

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN) Carl Hanson, chemical engineering, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN, FR) Ingegneria chimica, su Enciclopedia canadese.
• Associazione Italiana degli Ingegneri Chimici (AIDIC), su aidic.it.
• Gruppo dei Ricercatori di Ingegneria Chimica dell'Università (GRICU), su gricu.it.
• Giulio Natta, su minerva.unito.it. URL consultato il 1º agosto 2008 (archiviato dall'url originale il 30 ottobre 2007).
• (EN) "When chemical reactors were admitted and earlier roots of chemical engineering" (cenni storici sull'ingegneria chimica) (PDF), su chbmeng.ohio-state.edu. URL consultato il 22 giugno 2009 (archiviato dall'url originale il 13 giugno 2010).