Historia de la Ingeniería Química

Introducción

En septiembre de 1888, el profesor Lewis Mills Norton (1855-1893) del Departamento de Química del Instituto de Tecnología de Massachusetts (M.I.T.) introdujo en el plan de estudios un curso sobre práctica química industrial. Este fue el primer curso estructurado en ingeniería química impartido en una universidad. Diez años después, el sucesor de Norton, Frank H. Thorpe, publicó el primer libro de texto en ingeniería química, titulado "Esquemas de química industrial". Con el paso de los años, la ingeniería química se desarrolló a partir de un simple análisis químico industrial de procesos en un campo maduro.

Los orígenes de la ingeniería química académica

Los orígenes de la ingeniería química pueden vincularse con la revolución industrial de los siglos XVIII y XIX en Europa y los Estados Unidos y los cambios sociopolíticos que siguieron a la revolución de 1848 en Francia y Alemania. Sin duda, uno puede afirmar que la ingeniería química fue practicada incluso por los antiguos griegos y romanos cuando fabricaban jabón o vino, o trataban minerales en Lavrion o Sicilia.

Pero no fue hasta el primer cuarto del siglo XIX, especialmente en Inglaterra y Alemania, que los procesos químicos en la forma de lo que ahora llamamos "operaciones unitarias" se convirtieron en la base de muchas industrias. La producción de jabón y vino, la destilación de licores, la producción de ácido sulfúrico y el tratamiento del carbón son solo algunos de los diversos procesos que se practican en esos días.

A principios del siglo XIX, las condiciones científicas eran tales que la química floreció en Alemania. Destacado entre todos los científicos, Justus von Liebig (1803-1873) puede considerarse una fuerza importante en la química del siglo XIX, no solo por su propia investigación sino también por su gran don como educador. Educado en París bajo Joseph Gay-Lussac (1778-1850) y habiendo recibido un doctorado de la Universidad de Erlangen en 1822, von Liebig estableció en 1825 un pequeño laboratorio de química en la Universidad de Giessen, un pequeño pueblo a 50 km al norte de Frankfurt. En los siguientes treinta años, una gran cantidad de estudiantes, más tarde científicos famosos, serían educados allí, incluidos August von Stradonitz Kekule (1829-1896), August W. von Hoffman (1818-1892), C. Adolph Wurtz (1917-1884 ) y Charles F. Gerhardt (1816-1856).

Lo que hizo a Von Liebig y sus estudiantes "diferentes" de otros químicos fue su esfuerzo por aplicar sus descubrimientos fundamentales al desarrollo de procesos y productos químicos específicos. El proceso de teñido con anilina de Von Hoffman es solo uno de los muchos procesos desarrollados entre 1840 y 1880 en Alemania. Esta tendencia, sin embargo, no continuó más allá del tercer cuarto del siglo XIX. Por ejemplo, Von Liebig se mudó a una "mejor silla" en Munich en 1852, donde se involucró en la química pura y teórica.

Laboratorio de Justus von Liebig - Carl Constantin Steffeck

Cambios industriales

La revolución política de febrero de 1848 en Francia derrocó a la autoridad establecida en Alemania, y coloco en el poder a hombres que habían estado pidiendo un cambio y le dio a Europa central el sabor de la reforma liberal. Uno de los principales resultados de estos cambios fue la mejora de las condiciones de trabajo en los países europeos industrializados. A partir de esto surgió la necesidad de revisar procesos industriales aceptables con mayor énfasis, aunque primitivo, en métodos en aspectos más seguros y más eficientes.

A pesar de estos desarrollos, la educación en estas áreas no se formalizó. En el mejor de los casos, los estudiantes obtuvieron un conocimiento superficial sobre estos procesos en los cursos de química. La operación de columnas de destilación, unidades de filtración, entre otros, se enseñó en escuelas "técnicas", no en universidades.

No fue hasta 1887 que un inspector industrial desconocido de Manchester, Inglaterra, George E. Davis (1850-1906) decidió transferir su vasto conocimiento de sus años de inspección de plantas químicas en la región industrial de Inglaterra al aula. En el otoño de 1887 dio una serie de 12 conferencias, que luego se publicaron en el Chemical Trade Journal. El material era bastante empírico, pero tenía una ventaja definitiva en que, por fin, un individuo había puesto en papel una serie de artículos sobre el funcionamiento de algunos de los procesos químicos importantes de aquellos días.

El primer plan de estudios de ingeniería química

A finales del siglo XIX, la competencia de Inglaterra, Alemania y Estados Unidos por productos químicos industriales se había vuelto bastante feroz. No fue sorprendente entonces que solo un año después de las conferencias de Davis en Manchester, el profesor Lewis M. Norton (1855-1893) del Departamento de Química del M.I.T. Comenzó a impartir un curso de ingeniería química. Como señala Weber, el material se tomó principalmente de sus notas sobre la práctica química industrial en Alemania, que en ese momento probablemente tenía la industria de procesos químicos más avanzada del mundo.

El profesor de química del M.I.T. Lewis M. Norton creó el Curso X, el primer plan de estudios de ingeniería química de cuatro años del mundo.

Cuando Norton murió en 1893, el profesor Frank H. Thorpe (1864-1932), que había recibido un B.S. grado del M.I.T. Solo cuatro años antes y un doctorado de la Universidad de Heidelberg en 1893, asumió la responsabilidad del curso de Norton y publicó en 1898 lo que podría considerarse el primer libro de texto en ingeniería química, titulado Outlines of Industrial Chemistry. El término "Química industrial" que aparece por primera vez en el libro de Norton para describir ampliamente los procesos industriales aplicados en la producción de productos químicos se asociaría fuertemente con la ingeniería química en los próximos cincuenta años. No hasta el enfoque radical para el análisis de problemas de ingeniería química introducido por, entre otros, R. Neal Amundson y Rutherford Aris a mediados de la década de 1950 en la Universidad de Minnesota, y por B. Robert Bird, Warren E. Stewart y Edwin N. Lightfoot en la Universidad de Wisconsin la "química industrial" estaría claramente separada de los objetivos principales de la "ingeniería química".

Aunque Norton y Thorpe fueron los pioneros del entusiasmo de la ingeniería química en el M.I.T., fueron Arthur A. Noyes y luego William H. Walker (1869-1934) quienes aportaron a esta disciplina el respeto que debería disfrutar dentro del plan de estudios de ingeniería. Después de un M.S. en Química en M.I.T. (1887) y un doctorado en la Universidad de Leipzig con Ostwald (1890), Noyes estableció el Laboratorio de Investigación de Química Física o Fisicoquimica en 1903. William Walker, quien recibió su doctorado en 1892 en la Universidad de Gottingen con Otto Wallach (Premio Nobel 1910), vio la importancia de dicho laboratorio en la investigación química y estableció en 1908 el Laboratorio de Investigación de Química Aplicada.

Durante el mismo período en Inglaterra, Davis procedió a la publicación de su Manual de Ingeniería Química en 1901, que fue revisado y publicado en una segunda edición de más de 1000 páginas en 1904. Davis fue responsable de adoptar la idea de "operaciones unitarias" (especialmente en la segunda edición de su libro) aunque el término fue acuñado por Arthur D. Little en M.I.T. mucho más tarde, en 1915. Esta fue la idea de que todos los procesos químicos pueden analizarse dividiéndolos en operaciones distintas (destilación, extracción, filtración, cristalización, etc.) que se rigen por ciertos principios. Sin embargo, más que nada, Davis fue responsable de acuñar el término ingeniería química para describir esta nueva área de ingeniería que aborda los problemas de la industria química.

Operaciones unitarias.

En los Estados Unidos, el M.I.T. se considera la primera universidad en ofrecer un plan de estudios de cuatro años en ingeniería química (un "curso" X en el lenguaje de M.I.T.), en 1888. Sin embargo, como Departamento, la Ingeniería Química no se hizo independiente hasta 1920. Hasta entonces era la División de Química Aplicada del Departamento de Química. En aquellos primeros días, Walker (para quien se nombra el Premio AIChE más prestigioso) fue la principal fuerza impulsora de la División, asistido por Warren K. "Doc" Lewis (1882-1975, por quien se nombra el prestigioso Premio de Enseñanza AIChE) después de su regreso de la Universidad de Breslau donde había estudiado con Richard Abegg, recibiendo su doctorado en 1908. Abegg era estudiante de A.W. Von Hoffman. Noyes, después de unos años más en M.I.T., se mudaría a Pasadena, California en 1913 para transformar lo que entonces era Throop College en el conocido Instituto de Tecnología de California.

Otras universidades siguieron los ejemplos de M.I.T., La Universidad de Pensilvania (1894), la Universidad de Tulane (1894), la Universidad de Michigan (1898) y la Universidad de Tufts (1898) crearon programas de cuatro años en Ingeniería Química, pero siempre como parte de su Departamento de Química.

Primeros cursos de Ingeniería Química

La formación de ingenieros químicos fue un tema de mucho debate en los primeros años del siglo XX. Milton C. Whitaker, profesor de Ingeniería Química en la Universidad de Columbia y colaborador importante de la literatura y las causas sociales de ChE expresó sus puntos de vista sobre la capacitación de ingenieros químicos de la siguiente manera: "El ingeniero químico trabaja en la organización, operación y gestión de procesos existentes o propuestos con miras a construir una industria manufacturera exitosa ... Su formación fundamental en química, física, matemáticas, etc., debe ser exhaustiva y debe combinarse con una inclinación natural de la ingeniería y un conocimiento adquirido de ingeniería métodos y electrodomésticos". Continuó dando una descripción de los tipos de cursos que deberían enseñarse, que clasificó como cursos de "capacitación fundamental" (química, física, matemáticas), "capacitación asociada" (ingeniería eléctrica, mecánica, civil y general, y economía) y "formación complementaria" (cursos de laboratorio y administración).

Las opiniones de Whitaker se presentan aquí con cierto énfasis porque fue el educador e investigador más influyente, uno de los primeros miembros de AIChE y su presidente en 1914. Whitaker (Ph.D., equivalente al titulo de doctorado), que había estudiado Química con Franz Sachs (un estudiante de Siegmund Gabriel en la Universidad de Heidelberg) y recibió la medalla Perkins en 1923, fue uno de los primeros "verdaderos" ingenieros químicos, que creía en la rápida separación de la "química industrial" de la "ingeniería química". Sus puntos de vista afectaron a sus estudiantes de posgrado, entre los cuales destacaba Eugene E. Leslie (Ph.D. en la Universidad de Columbia), quien enseñó en la Universidad de Michigan. Leslie junto con sus alumnos George G. Brown (Ph.D.) y Warren L. McCabe (Ph.D.) crearon un excelente Departamento de Ingeniería Química.

El establecimiento del Instituto Americano de Ingenieros Químicos (AIChE) en 1908 dio forma a los sueños de los "químicos convertidos" que se hacían llamar "ingenieros químicos", aunque con grandes obstáculos. Por ejemplo, Hugo Schweitzer declaró en una reunión de la ACS de 1904: "Estoy absolutamente en contra de la introducción de la ingeniería química en la educación de los químicos". En la misma reunión, M.T. Bogert, más tarde un colega de Whitaker, que no se unió a Columbia hasta 1907, estuvo de acuerdo con Schweitzer diciendo que los investigadores sin capacitación en ingeniería lograron avances en la "química técnica" en los laboratorios de investigación. En la misma reunión, Whitaker se convirtió en el apologista de la ingeniería química al afirmar que un químico "generalmente no era el hombre capaz de transmitir de un laboratorio a una fábrica las ideas que había desarrollado" porque no estaba educado "en las ramas de ingeniería". Con tales debates, cuando se formó AIChE en 1908, solo tenía 40 miembros (de los posibles 500 ingenieros químicos). El número aumentó a 214 en 1914 cuando Whitaker fue presidente, pero no fue hasta 1926 que AIChE se convirtió realmente en una sociedad representativa de ingenieros químicos.

Olaf A. Hougen de la Universidad de Wisconsin, por ejemplo, señala que "solo fue de 1888 a 1923 que la química industrial fue la principal oferta de todos los departamentos de ingeniería química ...", y continúa "en estos cursos , se describieron las secuencias de pasos en la fabricación de productos químicos. El enfoque no permitió mucho tiempo para discutir en profundidad los principios científicos involucrados". Hougen también señala que la introducción de las operaciones unitarias por parte de Walker, Lewis y McAdams del M.I.T. durante la década de 1920 "marcó el comienzo del distintivo sistema estadounidense de educación en ingeniería química". Hougen concluye que las siguientes tres décadas (1920-50) en el desarrollo de la ciencia de la ingeniería química "vinieron con la aplicación de la química física a los equilibrios de materiales y energía, a la termodinámica y a las tasas de reacciones químicas en los procesos industriales".

Robert L. Pigford, de la Universidad de Delaware, un profundo pensador y analista del progreso de la ingeniería química en el siglo XX, quien en los últimos años ha sido uno de los principales partidarios de un aumento en los cursos de química para ingenieros químicos de pregrado, señala que "una contribución igualmente importante al papel de la fisicoquímica aplicada en la ingeniería química ocurrió en 1936 con el libro Industrial Chemical Calculations" de Hougen y Watson. "Sus libros de texto tuvieron un profundo efecto en los estudiantes de los años cuarenta y cincuenta y, por lo tanto, en muchos ingenieros en ejercicio en la actualidad".

Mientras tanto, los primeros grados de doctorado en ingeniería química fueron otorgados a C.H. Herty y J.L. Keats del M.I.T. en 1924. Poco después, las universidades de Michigan y Wisconsin, Columbia y la Universidad de Pennsylvania dieron su primer grado de doctorado en la misma área.

Desarrollo de ciencias de la Ingeniería Química

El desarrollo del campo de operaciones unitarias y la posterior introducción de la termodinámica y la cinética química condujeron a nuevos desarrollos en el campo de la ingeniería química.

El año 1955 marcó un cambio importante en la educación en ingeniería en los Estados Unidos. En mayo de 1952 S.C. Hollister, presidente de la Sociedad Estadounidense de Educación en Ingeniería (ASEE), nombró un Comité de Evaluación de Educación en Ingeniería con el objetivo de evaluar la educación en ingeniería y sugerir nuevos enfoques para la enseñanza de la ingeniería. Cuando se publicó el informe de este comité el 15 de junio de 1955, terminó un largo capítulo en la historia de la educación en ingeniería.

El informe tenía solo treinta y seis páginas. Era cortés con la tradición más antigua pero firme en sus recomendaciones a la nueva generación. Enunciaba lo siguiente:

El objetivo en los planes de estudio de ingeniería no se logrará mediante el trabajo de adaptación y la reparación de los programas de química. Requiere reconstrucción completa de los planes de estudio.

Es necesaria cierta atención al arte y la práctica de la ingeniería, pero su gran propósito es iluminar la ciencia, el análisis o el diseño de la ingeniería, en lugar de enseñar el arte como metodología de ingeniería.

Es responsabilidad del ingeniero reconocer los nuevos desarrollos en ciencia y tecnología que tienen potencialidades significativas en ingeniería. Además, la velocidad a la que los nuevos conocimientos científicos se traducirán en prácticas de ingeniería depende, en gran medida, de la capacidad del ingeniero para comprender la nueva ciencia a medida que se desarrolla.

Afortunadamente, algunas cosas no cambian. Todavía ocurrirán reacciones, tensiones y desviaciones, y deberán calcularse. Las corrientes y los campos eléctricos seguirán leyes inmutables. La transformación de energía, la termodinámica y el flujo de calor serán tan importantes para la próxima generación de ingenieros como para la actual. Se seguirán manipulando sólidos, fluidos y gases, y se deberá entender su dinámica y comportamiento químico. Las propiedades especiales de los materiales que dependen de su estructura interna serán aún más importantes para los ingenieros de una generación de lo que son hoy. Estos estudios abarcan la base sólida e inmutable de la ciencia de la ingeniería sobre la cual se puede construir el plan de estudios de ingeniería con seguridad y convicción.

Poco a poco, el comité construyó el marco de un plan de estudios con orientación científica. Según su recomendación, el plan de estudios debe consistir en estudios humanísticos y sociales (un quinto), matemáticas y ciencias básicas (un cuarto), ciencias de la ingeniería (un cuarto), análisis y diseño de ingeniería (un cuarto) y cursos electivos (un décimo).

Las recomendaciones del informe Hollister crearon mucha discusión en todo el país. La generación anterior de instructores se les opuso con vehemencia. La generación más joven los aceptó. Por primera vez, la palabra ciencia de la ingeniería (engineering science) aparecía en un documento oficial sobre educación en ingeniería.

En los primeros días de la ingeniería química, la enseñanza y la investigación en química industrial era el tema central. Alrededor de 1920, las operaciones unitarias se convirtieron en el foco principal de la investigación y educación en ingeniería química y lo fueron hasta la guerra. En la década de 1930, la termodinámica aplicada también se convirtió en un componente importante de la ingeniería química académica.

Durante 1950-70, una segunda gran revolución educativa estaba ocurriendo en la Universidad de Wisconsin. Los profesores Bird, Stewart y Lightfoot, conocidos colectivamente por las futuras generaciones de estudiantes como BSL, prepararon un conjunto de notas (en 1957) y eventualmente un libro (en 1960) titulado Transport Phenomena, que ofrecía un nuevo enfoque para el análisis de la unidad de ingeniería química. problemas. La principal lección de BSL es que existe una estructura principal unificadora para las operaciones unitarias aparentemente diferentes en el marco de las ecuaciones de transporte continuas. La necesidad de analizar operaciones o procesos individuales no desaparece, pero el volumen diferencial y las ecuaciones de equilibrio se convierten en el tema central de este enfoque.

Los fenómenos estudiados en ingeniería química se clasifican en dos grupos:

1. fenómenos definidos que pueden expresarse mediante fórmulas como ecuaciones diferenciales,
2. fenómenos que solo pueden expresarse mediante términos de probabilidad.

En la década de 1960, la tendencia de seleccionar problemas más comunes y básicos en las operaciones unitarias estableció la nueva ingeniería química. Este movimiento dio como resultado conceptos tales como fenómenos de transporte y tecnología de polvo. En la segunda mitad de la década de 1960, la ingeniería de procesos, la ingeniería de sistemas de procesos, entre otras, se introdujeron sucesivamente para tratar el proceso general. Luego, en la década de 1970, el enfoque de la ingeniería química cambió a la ingeniería total. En ingeniería química, los procesos se consideran como el sistema independientemente de los objetos, y tiene métodos para expresar sistemas como una combinación de varios factores.

Ya después, el AIChE Journal ha enumerado las siguientes nueve áreas temáticas principales en la instrucción para contribuyentes:

1. mecánica de fluidos y fenómenos de transporte;
2. tecnología de partículas y fluidización;
3. separaciones;
4. ingeniería de sistemas de procesos;
5. reactores, cinética y catálisis;
6. materiales, interfaces y fenómenos electroquímicos;
7. termodinámica;
8. bioingeniería, alimentos y productos naturales;
9. ingeniería energética y ambiental.

Dicha clasificación en áreas temáticas depende de la revista y se puede decir que habrá tantas clasificaciones de áreas temáticas como el número de revistas. En tal caso, es difícil establecer áreas independientes para la experiencia humana o fenómenos que puedan expresarse mediante términos de probabilidad de los que se dan en la mayoría de las revistas de ingeniería química.

Expectativas para futuros ingenieros químicos

Se espera que los futuros ingenieros químicos cultiven un punto de vista global de considerar todo estudiando mucho más allá de un área tradicional. La ingeniería química debe crear no solo especialistas con un profundo conocimiento de un área específica, sino también ingenieros que puedan evaluar y diseñar los sistemas desde un punto de vista global. El punto de vista global implica la capacidad de armonizar no solo una parte sino también desde una perspectiva más amplia que incluye a la humanidad.

Referencias

• NIKOLAOS A. PEPPAS. (1989). One Hundred Years of Chemical Engineering: From Lewis M. Norton (M.IT. 1888) to Present. KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS. DOl: 10.1 007/978-94-009-2307-2
•  Departament of Chemical Engineering M.I.T. (Sin fecha). History. MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY. https://cheme.mit.edu/about/history/
• Kohei Ogawa. (2007). Chemical Engineering. A New Perspective. Elsevier Science.