L’ingegneria chimica oggi
I principi dell’Ingegneria Chimica sono alla base di tutti i processi di trasformazione della materia e dell’energia. L’Ingegneria Chimica estende quindi il suo campo d’interesse a tutte le tecnologie di trasformazione chimico fisica della materia con la finalità di produrre beni materiali, erogare servizi o ridurre azioni inquinanti. In termini pratici, quali esempi, è possibile citare la produzione di un determinato prodotto chimico a partire da una serie di reagenti; la produzione di un polimero; la produzione di un dispositivo elettronico; il trattamento di un effluente per ridurne il carico di composti inquinanti in esso contenuti. L’ingegnere chimico non opera solo su processi tipici della chimica di base e della petrolchimica, ma anche in tutte quelle realtà in cui sono coinvolti processi industriali di trasformazione come ad esempio nel settore alimentare, cosmetico, farmaceutico, ambientale o energetico. L’ingegnere chimico utilizza le sue conoscenze di chimica, fisica e matematica per descrivere le reazioni chimiche e i processi chimici, trasferendoli dal livello molecolare alla scala industriale. In questo si caratterizza per il suo particolare metodo di lavoro: egli schematizza ogni sistema complesso tramite una sequenza di operazioni più semplici per le quali è possibile trovare una soluzione indipendente. Un qualsiasi processo chimico composto da moltissime unità variamente interconnesse tra di loro, viene prima analizzato focalizzando l’attenzione su ciascuna delle unità presenti e poi sulle interconnessioni esistenti tra tali unità.
L’ingegnere chimico è la figura professionale che sa affrontare le sfide tecnologiche della società moderna attraverso il suo particolare metodo di lavoro. L’ingegnere chimico deve apprendere come condurre una fase di studio preliminare del processo nella quale vengono determinate le caratteristiche che il prodotto deve possedere, vengono definite tutte le materie prime necessarie per la sua produzione, vengono determinate le sequenze di processo necessarie e le condizioni operative di ciascuno degli stadi nei quali il processo produttivo è stato suddiviso. In pratica, viene stabilito quello che tecnicamente è indicato come “diagramma di flusso” del processo. A questo punto, l’ingegnere chimico dovrà sapersi occupare della fase di progettazione di tutte le apparecchiature coinvolte nel processo precedentemente determinato. Una volta progettato il processo produttivo e l’impianto, l’ingegnere chimico passerà ad analizzare e progettare tutte le attività inerenti il controllo di gestione dello stesso, fasi necessarie per controllarne le prestazioni in sicurezza durante il suo esercizio.
Sono molti gli ambiti industriali in cui l’Ingegneria Chimica assume un ruolo centrale:
Ambiente
Una delle grandi sfide del futuro è lo sviluppo sostenibile: coniugare le esigenze dell’economia e dell’industria con le ragioni della salute, dell’ambiente e della qualità della vita.
Grazie all’ingegneria chimica oggi disponiamo di combustibili e motori “puliti”, di dispositivi anti-inquinamento per il controllo delle emissioni gassose delle centrali termoelettriche e degli inceneritori di rifiuti, di strumenti avanzati per il trattamento delle acque e la bonifica dei terreni contaminati.
Depurazione dell’acqua
La contaminazione delle acque e dei suoli è un fenomeno complesso. L’ingegnere chimico, studiando i processi naturali, può favorire e accelerare le reazioni di trasformazione della materia in composti non tossici.
Depurazione dell’aria
L’ingegnere chimico studia i processi di abbattimento ed eliminazione degli inquinanti contenuti in reflui gassosi: ad esempio le marmitte catalitiche sono state progettate e messe a punto da ingegneri chimici. Le marmitte catalitiche eliminano gli idrocarburi incombusti, il CO e gli ossidi di azoto (NOx) contenuti nei gas di scarico degli autoveicoli.
L’ingegnere chimico ha anche ideato e messo a punto i processi per l’abbattimento e l’eliminazione degli inquinanti contenuti nei reflui gassosi delle centrali termoelettriche e degli inceneritori di rifiuti: ad esempio nel processo SCR (Selective Catalytic Reduction) gli ossidi di azoto (NOx) contenuti nei fumi di combustione sono purificati per reazione catalitica con ammoniaca (NH3) e trasformati in azoto e vapore.
L’ingegnere chimico è anche coinvolto nella progettazione di veicoli a bassa emissione: ad esempio studia nuovi combustibili “puliti” e le tecnologie per la produzione di idrogeno on board per gli autoveicoli dotati di celle a combustibile.
Bonifica dei siti contaminati
L’ambiente nelle sue diverse forme è un tutto unico con meccanismi di scambio, distribuzione e trasformazione molto complessi.
Ogni attività produce delle alterazioni più o meno estese, più o meno gravi nell’ambiente circostante: in città il traffico veicolare, il deflusso delle acque urbane, meteoriche e fognarie, lo smaltimento dei rifiuti; in agricoltura lo spargimento dei fertilizzanti e l’utilizzo dei pesticidi; nell’industria la produzione di energia e di beni per la collettività.
L’ingegnere chimico possiede le conoscenze per intervenire sia nella prevenzione dell’inquinamento sia nel recupero delle acque e delle aree contaminate.
Petrolchimico
Circa due terzi della produzione energetica mondiale provengono dal petrolio e dal gas naturale: si pensi ai carburanti per veicoli o ai combustibili che da essi derivano e dei quali la nostra società non può fare a meno.
Il petrolio è inoltre una preziosa fonte di materia prima per gran parte dell’industria chimica. Attualmente, circa trentamila sostanze chimiche derivano dal petrolio, talvolta attraverso svariate reazioni chimiche successive. Esempi sono gli oli lubrificanti, i detergenti, materie plastiche quali il polipropilene, ma anche farmaci e aromi.
La raffinazione e la trasformazione del petrolio e dei suoi derivati costituiscono uno dei maggiori settori di impiego degli ingegneri chimici.
Energia
L’energia è parte integrante della nostra esistenza: si pensi che il nostro stesso corpo produce e consuma energia. La fonte primaria mondiale di energia è a tutt’oggi costituita dai combustibili fossili. La trasformazione di questi in energia comporta l’utilizzo di processi industriali in cui l’ingegnere chimico è fortemente coinvolto a partire dalla raffinazione del greggio.
L’ingegnere chimico è anche qualificato per la risoluzione dei problemi che la trasformazione del combustibile in energia implica. L’ottimizzazione delle condizioni operative, la minimizzazione del rilascio di sottoprodotti inquinanti, richiedono un attento studio dei processi chimici e fisici della combustione. La comprensione dei complessi meccanismi di reazione e della fluidodinamica di questi processi sono competenze tipiche dell’ingegnere chimico.
Le applicazioni di queste conoscenze si estendono a diversi settori industriali sia tradizionali che innovativi, dove l’ingegnere chimico è chiamato a svolgere un ruolo di primaria importanza: dalle centrali termoelettriche di grande potenza ai piccoli impianti domestici, dai termoutilizzatori per il trattamento dei rifiuti ai motori per autotrazione (diesel e benzina), dalla produzione di materiali (fibre ottiche) alla sintesi di fullereni e nanotubi. L’ingegnere chimico inoltre si occupa delle fonti alternative quali pannelli solari e pile a combustibile.
Sicurezza
La sicurezza è stata sempre connaturata al mondo industriale chimico e di processo a causa della pericolosità delle sostanze impiegate o prodotte e delle condizioni di temperatura e pressione. L’attenzione dell’opinione pubblica, richiamata da eventi di forte impatto, ha messo in moto una razionalizzazione dell’approccio ai problemi di sicurezza su basi scientifiche e quindi quantitative.
Il bagaglio metodologico acquisito è progressivamente entrato nel complesso di conoscenze e competenze dell’ingegnere chimico. A queste sono associate quelle in campo ambientale. La figura professionale specifica che ne è derivata è molto richiesta nell’industria di processo e in molti altri settori.
Innovazione
L’ingegneria chimica, in collaborazione con altre discipline scientifiche, ha un ruolo decisivo nello sviluppo di nuove tecnologie e prodotti.
Fra i molti settori di innovazione hanno particolare rilevanza la modellazione al calcolatore, basata sullo studio dei fenomeni chimico-fisici che avvengono nei processi, e la progettazione di reattori per la produzione di materiali avanzati.
Altri settori innovativi in cui l’ingegnere chimico ha competenze sono quelli dei laser e delle celle solari. Le tecniche di microfabbricazione e la concezione di microreattori sono un altro settore di avanguardia.
Le applicazioni riguardano l’analisi e la sintesi chimica, con i relativi studi di cinetica e sviluppo di processo (si pensi per esempio alla produzione dei componenti elettronici).
Uso del calcolatore nella modellazione di processo
La diffusione di computer potenti, aventi capacità di calcolo impensabili fino a pochi anni orsono, ha permesso attraverso la progettazione e la simulazione di ottimizzare o addirittura concepire nuove apparecchiature e processi.
Lo studio dettagliato dei fenomeni che hanno luogo in un processo industriale e la sua trasformazione in modello matematico consente nella maggior parte dei casi di individuare possibilità di miglioramento del processo stesso, per esempio dal punto di vista dei risparmi energetici, dell’impatto ambientale o dell’aumento e miglioramento qualitativo della produzione.
La fluidodinamica, i fenomeni di trasporto di materia e di calore, la cinetica di sistemi di reazione complessi, l’evoluzione temporale di un’unità produttiva sono solo alcuni degli argomenti alla portata dei computer oggi a disposizione.
Creando o utilizzando programmi di calcolo ed interfacce grafiche intuitive, l’ingegnere chimico viene a contatto con l’affascinante campo del software di simulazione e dei supercalcolatori.
Pertanto diviene esperto nell’uso delle più avanzate tecnologie informatiche.
Materiali
I materiali impiegati nei diversi settori dell’ingegneria devono soddisfare esigenze che diventano sempre più stringenti.
Questi vincoli si ripercuotono sui processi di produzione, che devono garantire un controllo sempre più stretto sui difetti contenuti nel materiale e devono essere progettati nel rispetto delle normative inerenti al rilascio di sostanze nocive.
Questi processi realizzano la trasformazione delle materie prime oppure costituiscono l’ultimo stadio del riciclo del materiale e conferiscono ad esso le caratteristiche necessarie per creare un manufatto nuovo.
In questa fase di produzione del materiale, l’ingegnere chimico ha un ruolo importante, che deriva dalle conoscenze generali e specifiche che può acquisire sui processi di trasformazione coinvolti in questo rilevante settore dell’ingegneria.
Il Circuito Integrato
Un circuito integrato è un prodotto ad altissimo contenuto tecnologico: per la sua realizzazione sono necessari numerosi processi che richiedono l’intervento dell’ingegnere chimico.
Il silicio può essere prodotto utilizzando come materia prima la silice, che in natura è contenuta nella sabbia. E’ necessario effettuare un processo di riduzione chimica per ottenere il silicio elementare, ma questo non è sufficiente!
Affinché il circuito integrato possa funzionare, il silicio deve avere una densità di difetti incredibilmente bassa: questo requisito impone di eseguire un trattamento di purificazione e di crescere un cristallo singolo, controllando la solidificazione in modo estremamente accurato.
La successiva fabbricazione del circuito integrato necessita di effettuare operazioni di ossidazione, dissoluzione selettiva e deposizione chimica, che consentono di modificare localmente le proprietà di conduzione del materiale.
Medicina
La comprensione dei meccanismi di funzionamento del corpo umano è da sempre stata una sfida difficile e affascinante, sia per il medico sia per lo scienziato. Lo scopo finale è dei più nobili: il miglioramento della qualità e delle aspettative di vita.
L’ingegnere chimico partecipa alla ricerca biomedica grazie alla sua conoscenza della fluidodinamica e dei fenomeni di trasporto, che definiscono le leggi di moto dei fluidi e della diffusione di composti nell’organismo (ad esempio il rilascio dei farmaci e il trasporto dell’ossigeno nel sangue).
Diviene in questo modo possibile comprendere in profondità i principi di funzionamento degli organi. Sulla base di tali conoscenze è possibile progettare e realizzare nuovi e più efficienti organi artificiali quali il cuore e i reni.
Farmacia
Fin dai tempi più antichi si sono sviluppate le conoscenze per utilizzare nel modo migliore gli estratti delle piante per alleviare dolori e curare malattie. Pur non conoscendo la chimica e le sue leggi, l’uomo fu in grado di modificare empiricamente, a suo beneficio, i prodotti della natura.
Successivamente i chimici furono in grado di estrarre i principi attivi, identificarli e sintetizzare prodotti analoghi più efficienti. I medici determinarono le dosi corrette per una migliore efficacia e i farmacisti provvidero al dosaggio e a un opportuno confezionamento. Così furono disponibili i farmaci per l’uomo, per gli animali e per la protezione delle piante, più in generale prodotti che migliorano la salute e la qualità della vita.
Quando però fu necessario produrre farmaci in grandi quantità e a prezzi contenuti si sviluppò l’industria farmaceutica e l’Ingegneria Chimica contribuì in modo determinante con:
– la progettazione e lo sviluppo dei processi
– la progettazione degli impianti
– lo studio e la progettazione del rilascio del farmaco all’interno del corpo
– la progettazione dei sistemi per la verifica e la qualità della produzione
– la progettazione dei sistemi di confezionamento.
Oggi l’ingegnere chimico per svolgere questo lavoro si avvale di strumenti che spaziano dalla modellazione computerizzata all’individuazione e all’uso di materiali innovativi.
Industria alimentare
Le previsioni di crescita di popolazione mondiale (8 miliardi di persone nel 2025), insieme all’impossibilità di incrementare i terreni coltivabili, porta all’irrinunciabile necessità di sfruttare al meglio le risorse disponibili.
Il ruolo dell’ingegnere chimico è di fondamentale importanza in questo settore. Grazie alle sue competenze egli progetta, sviluppa e ottimizza gli impianti per la produzione dei fertilizzanti per ridurne l’impatto ambientale. Grazie agli ingegneri chimici si rendono disponibili i mezzi necessari per sostenere lo sviluppo mondiale.
La disponibilità sul mercato di alimenti con caratteristiche igieniche ben definite, la conservazione dei cibi (si pensi per esempio ai processi di sterilizzazione e pastorizzazione) si avvalgono di processi industriali la cui conoscenza fa parte del bagaglio culturale dell’ingegnere chimico.
Le competenze che egli matura durante il corso di studi gli consentono di applicare le proprie conoscenze anche al vasto campo dell’industria alimentare.
Cosmesi
Per avere un’idea di quanto sia importante il contributo dell’ingegneria chimica nella vita quotidiana, basti pensare che in ogni casa del mondo occidentale e nella maggior parte delle case del resto del mondo si usano saponi, detersivi, decalcificanti, brillantanti, disossidanti, sbiancanti, ammorbidenti, cere, siliconi, deodoranti, essenze, profumi, cosmetici, creme di ogni tipo eccetera.
L’ingegneria chimica, anche in questo caso, ha permesso sia una produzione così vasta da avere costi estremamente contenuti, sia un’innovazione tesa allo sviluppo di processi ecocompatibili.