Mühendislik, köprüler, tüneller, yollar, araçlar ve binalar dahil olmak üzere makineler, yapılar ve diğer öğeleri tasarlamak ve inşa etmek için bilimsel ilkelerin kullanılmasıdır. Mühendislik disiplini, her biri uygulamalı matematik, uygulamalı bilim ve uygulama türlerinin belirli alanlarına özel vurgu yapan, geniş bir yelpazede uzmanlaşmış mühendislik alanları’nı kapsar.
Kimya mühendisliği, kimya, matematik, fizik, biyoloji, mikrobiyoloji, biyokimya,ve ekonomi bilimlerini, ham maddelerin ya da kimyasalların daha kullanışlı ve değerli biçimlere dönüştürüldüğü proseslere uygulayan mühendislik dalıdır. Kimya mühendislerinin çalışma alanı nanoteknolojinin ve nanomalzemelerin laboratuvarda kullanımından, kimyasalları, ham maddeleri, canlı hücreleri, mikroorganizmaları ve enerjiyi kullanışlı ürünlere dönüştüren büyük ölçekli endüstriyel işlemlere kadar değişebilir.
Malzeme bilimi, malzemelerin yapı ve özelliklerini inceleyen, yeni malzemelerin üretilmesini veya sentezlenmesini de içine alan disiplinlerarası bir bilim dalıdır.
Kimya mühendisi, kimya endüstrisinde hammaddeleri çeşitli ürünlere çevirme konusunda çalışan, tesis ve ekipmanların tasarımı ve işletimi ile uğraşan ve tüm bunları gerçekleştirirken kimya mühendisliği bilgilerini kullanan kişilerin mesleki unvanıdır. Kısaca, kimya mühendisi kimya mühendisliği ilkelerini ilgili uygulama alanlarında kullanan ve hayata geçiren kişidir. Bu alanlar şu şekilde sıralanabilir:
- Endüstride çeşitli kimyasal proseslere ait tesis ve makinelerinin tasarımı, üretimi ve işletimi.
- Gıda, içecek, kozmetik, temizlik malzemeleri ve ilaç gibi pek çok üründe kullanılan kimyasalların geliştirilmesi.
- Yakıt hücreleri, hidrojen enerjisi ve nanoteknoloji gibi pek çok yeni teknolojinin geliştirilmesi.
- Tamamen ya da kısmen kimya mühendisliğinden türemiş malzeme bilimi, polimer mühendisliği ve biyomedikal mühendisliği gibi alanlar.
Kimya mühendisliğinde ve ilgili alanlarında, ünite operasyonu (veya birim işlem) bir prosesin her bir temel adımına verilen isimdir. Ünite operasyonları ayırma, kristallendirme, buharlaştırma, polimerizasyon, izomerizasyon gibi birçok fiziksel veya kimyasal dönüşümü kapsar. Örneğin sütü işlerken kullanılan homojenizasyon, pastörizasyon ve ambalajlama proseslerinin her biri birer ünite operasyonudur ve hepsi birlikte prosesin bütününü meydana getirirler. Bir proseste, istenilen ürünü başlangıçtaki malzemelerden veya ham maddeden elde etmek için birçok ünite operasyonu gerekebilir. Ünite operasyonları bazı kimyasal değişimleri bünyesinde barındırıyor olsa da, büyük çoğunlukla sadece fiziksel değişimlerin gerçekleştiği durumlar için kullanılan bir ifadedir. Kimyasal dönüşümleri kapsayan süreçlere ise ünite prosesi adı verilir.
Kimya mühendisliği, 19. yüzyılda "endüstri kimyası" ile uğraşanlar tarafından geliştirilmiş bir disiplindir. Sanayi Devrimi'nin öncesinde, endüstri kimyasalları ve tüketici malları ağırlıklı olarak kesikli üretim yöntemiyle üretiliyordu. Kesikli üretim emek yoğun bir işlemdir. Bunun başlıca sebebi kesikli üretim yöntemi kullanan üretim tesislerinde bulunan pek çok ünite operasyonunun manüel kullanım gerektirmesi ve sonuç olarak iş gücüne ihtiyaç duyulmasıdır. Kesikli üretim boyu gerçekleştirilen fiziksel ve kimyasal işlemlerin sonunda satılabilir bir ürün sağlamak için elde edilen ürün izole edilebilir, saflaştırılabilir ve test edilebilir. Kesikli üretim işlemleri iş ve ekipman kullanımında verimsiz olmasına rağmen bugün hâlâ farmasötikal ara ürünler gibi değerli ürünlerin, parfüm ve boya gibi özel ve formüle edilmiş ürünlerin üretiminde kullanılmakta ve kâr elde edilebilmektedir. Kimya mühendisliği tekniklerinin üretim prosesi geliştirmesi üzerine uygulanması ile kimyasallar artık sürekli bir üretim hattında kimyasal işlemler ile daha büyük miktarlarda imal edilebilmektedir. Sanayi Devrimi, kesikli üretimden sürekli üretime geçişin başladığı dönemde ortaya çıkmıştı. Bugün ticari kimyasallar ve petrokimyasallar büyük çoğunlukla sürekli üretim prosesleri ile imal edilirken, özel kimyasallar, ince kimyasallar ve ilaçlar kesikli üretim yöntemleri ile üretilmektedir.
Bir ''ünite prosesi'', bir üretim sisteminde tanımlanabilen ve diğerlerinden ayrılabilen bir veya birden fazla gruplandırılmış işleme verilen addır. Kimyasal tesislerinde gerçekleştirilen işlemlerdeki kimyasal değişimlerin her birine ünite prosesi adı verilir.
Kütle aktarımı, genellikle buhar, faz, fraksiyon ya da bir bileşen olarak tanımlanan kütlenin bir yerden başka bir yere net hareketidir. Kütle aktarımı absorpsiyon, buharlaşma, kurutma, çökeltme, membran filtrasyonu ve damıtma gibi birçok işlemde gerçekleşmektedir. Kütle aktarımı farklı bilim dalları tarafından farklı işlem ve mekanizmalar için kullanılmaktadır. Kütle aktarımı ifadesi mühendislikte genellikle kimyasal türlerin fiziksel sistemler içinde difüz ve konvektif taşınımını kapsayan fiziksel işlemler için kullanılır.
Kimya mühendisliğinde maddelerin istenilen fiziksel ve kimyasal dönüşümü için ünitelerin seçimi ve sıralanmasına proses tasarımı adı verilir. Proses tasarımı kimya mühendisliğinin esasını oluşturan merkezidir. Bu alanın tüm unsurlarını bir araya getirdiğinden kimya mühendisliğinin zirvesi olarak düşünülebilir.
Biyokimya mühendisliği, biyolojik ve biyokimyasal olaylara dayalı süreç ve ürünleri tasarlamak, geliştirmek veya kullanmak için mühendislik ilkelerinin benimsenerek uygulanmasıdır. Biyoproses mühendisliği olarak da bilinen ve biyolojik olayları kimyasal prensiplerle araştıran, analiz eden bir mühendislik dalıdır. Canlı bir organizmada meydana gelen kimyasal olayların incelenmesi ile başlayan biyokimya araştırmaları günümüzde başta tıp olmak üzere tarım, beslenme ve ilaç endüstrisinde de uygulama alanı bulan bir bilim dalı haline gelmiştir. Biyoloji ve kimya temel bilimlerinin bir çalışma alanı olan biyokimya, temel mühendislik prensipleriyle birçok çalışmanın gelişmesine öncülük etmiştir.
Kimyasal tesisi, genellikle büyük ölçekte kimyasallar üreten bir endüstriyel proses tesisidir. Bir kimyasal tesisinin genel amacı, maddelerin kimyasal veya biyolojik dönüşümü ve birbirlerinden ayrılması yoluyla maddi zenginlik yaratmaktır. Kimyasal tesisleri üretim sürecinde özel ekipmanlar, üniteler ve teknolojiler kullanırlar. Polimer, ilaç, gıda, bazı içecek üretim tesisleri, enerji santralleri, petrol rafinerileri veya diğer rafineri çeşitleri, doğal gaz işleme ve biyokimya tesisleri, su ve atık su arıtım tesisleri, kirlilik kontrol ekipmanları gibi diğer tesis çeşitlerinin hepsi, akışkan sistemleri ve kimyasal reaktör sistemleri gibi kimyasal tesis teknolojilerine benzer teknolojiler kullanmaktadır. Bazı kaynaklar bir petrol rafinerisinin, bir ilaç veya bir polimer üreticisinin de bir kimyasal tesisi olarak kabul etmektedir.
Kimyasal reaksiyon mühendisliği, kimya mühendisliği ve endüstriyel kimya alanında kullanılan kimyasal reaktörler ve tepkime kinetiği ile ilgilenen bir uzmanlık alanıdır. Tepkime kinetiği ve reaktör tasarımını birleştiren kimyasal reaksiyon mühendisliği, birçok endüstriyel kimyasalın üretimi için gerekli temel bir unsurdur. Kimyasal reaksiyon mühendisliği disiplininin günlük hayatta pek çok uygulama alanı bulunur. Kimyasal üretimi, ilaç üretimi ve atık arıtımı faaliyetlerinde reaksiyon mühendisliği kullanılır. Enzim kinetiği, farmakokinetik, ısı etkileri, ani reaksiyonlar ve tesis güvenliği gibi konularda da kimyasal reaksiyon mühendisliği disiplininden faydalanılır. Kimyasal reaksiyon mühendisliği ilk kez 1940'lar ve 1950'lerde hızla büyüyen kimya ve petrokimya sanayisinin ihtiyaçlarını karşılamak için ortaya çıkmış ve günümüze kadar plastiklerin, kimyasalların, ilaçların ve diğer pek çok maddenin üretim süreçlerinde kullanılan bir yöntem olmuştur.
Kimyasal proses modelleme kimya mühendisliği tasarımında kullanılan bir bilgisayar destekli modelleme tekniğidir. Bu teknikte kullanım amacına yönelik hazırlanmış yazılımlar kullanılarak istenilen proses birbirine bağlı üniteler hâlinde tasarlanır ve yazılım yardımıyla simüle edilerek sistemin yatışkın hâl veya dinamik davranışı tahmin edilebilir. Sistemdeki üniteler ve bağlantılar bir proses akış şeması şeklinde gösterilir. Simülasyonlar bir tankta iki maddeyi karıştırmak kadar basit olabileceği gibi, bir biyodizel tesisinin, petrol rafinerisinin, alüminyum oksit rafinerisinin, doğal gaz işleme tesisinin veya bir biyoetanol saflaştırma ünitesinin tasarım ve kontrolü kadar karmaşık olabilir.
Kimyasal reaktörler bir kimyasal reaksiyonun gerçekleştirildiği proses ekipmanlarıdır. Kimya mühendisliğinde proses tasarımı ve analizinde sık kullanılan klasik bir ünite prosesidir. Bir kimyasal reaktörün tasarımı, kimya mühendisliğinin birden fazla unsurunun kullanılmasını gerektirir. Reaktörler proseste ham maddelerin ürünlere dönüştüğü oldukça temel bir ekipman olduğundan proses tasarımı açısından büyük önem arz eder. Kimya mühendisleri bir reaksiyonun net bugünkü değerini en üst düzeye çıkarmak için reaktörler tasarlar. Tasarımcılar satın alma ve işletme maliyetini en düşük seviyelerde tutarken bir yandan da üretilen ürün miktarını en yüksek seviyede tutmak için reaksiyonun ürünler yönünde mümkün olan en yüksek verimle devamlılığını sağlarlar. Enerji girişi, enerji çıkışı, ham madde maliyetleri, işçilik vb. işletme giderlerine örnek olarak verilebilir. Isıtma, soğutma, basıncı artırmak için pompalama, sürtünmeden kaynaklı basınç düşüşü ve çöktürme gibi durumlar da enerji değişimlerine birer örnektir.
Membran biyoreaktör (MBR) sistemi, biyolojik arıtım metotlarından biri olan aktif çamur prosesini membran ayırma prosesiyle birleştiren arıtım teknolojisidir.
Bu liste kimyasal proses tesislerinin kütle ve enerji dengelerini simüle etmek için kullanılan yazılımların bir listesidir. Bu simülasyon yazılımları ile yapılabilen uygulamalar arasında tasarım çalışmaları, mühendislik çalışmaları, tasarım denetimleri, darboğaz giderme çalışmaları, kontrol sistemi doğrulanması, proses tasarımı, proses modelleme, proses simülasyonu, dinamik simülasyon, operatör eğitim simülatörleri, boru hattı yönetim sistemleri, üretim yönetim sistemleri ve dijital ikizler gibi çeşitli çalışmalar bulunmaktadır.
Sürdürülebilir kimya olarak da adlandırılan yeşil kimya, tehlikeli maddelerin kullanımını ve üretimini en aza indirecek veya ortadan kaldıracak ürün ve süreçlerin tasarımına odaklanan bir kimya ve kimya mühendisliği alanıdır. Çevre kimyası kirletici kimyasalların doğa üzerindeki etkilerine odaklanırken, yeşil kimya yenilenemeyen kaynakların tüketimini azaltma yollarını araştırır, kirliliği önlemek için teknolojik yaklaşımlar geliştirir ve kimyanın çevresel etkisine odaklanır.
Endüstriyel süreç, genellikle büyük ölçeklerde gerçekleştirilen, bir malın veya malların üretimini sağlamak için kimyasal, fiziksel, elektriksel veya mekanik adımlardan oluşan işlemlerdir. Endüstriyel süreçler, ağır sanayinin temel bileşenleridir.
Proses akış şeması, bir endüstriyel süreçteki kütle ve enerji dengelerinin görselleştirilmiş halidir. Proses akış şemaları, çeşitli endüstriyel süreçlerin madde ve enerji akımlarını, bu akımların ekipmanlar arasındaki bağlantılarını, akım debilerini ve kimyasal bileşimlerini göstermekle beraber, süreçte kulanılan ekipmanların operasyon koşullarını da gösterir. ISO 10628 gibi uluslararası standartlara göre çizilen proses akış şemaları, ekipmanları ve akımları gösteren semboller ve çizimlerden oluşur.
Süreç mühendisliği, insanların hammaddeleri ve enerjiyi endüstriyel düzeyde toplum için yararlı ürünlere dönüştürmesini sağlayan temel ilkelerin ve doğa kanunlarının anlaşılması ve uygulanmasıdır. Süreç mühendisleri, basınç, sıcaklık ve derişim gradyanları gibi doğadaki itici güçlerden ve kütlenin korunumu yasasından yararlanarak, istenilen kimyasal ürünleri büyük miktarlarda sentezlemek ve saflaştırmak için yöntemler geliştirebilirler. Süreç mühendisliği, kimyasal, fiziksel ve biyolojik süreçlerin tasarımı, işletimi, kontrolü, optimizasyonu ve yoğunlaştırılmasına odaklanır. Süreç mühendisliği, tarım, otomotiv, biyoteknik, kimya, gıda, malzeme geliştirme, madencilik, nükleer, petrokimya, ilaç ve yazılım geliştirme gibi çok çeşitli endüstrileri kapsamaktadır. Sistematik bilgisayar tabanlı yöntemlerin süreç mühendisliğine uygulanmasına "süreç sistemleri mühendisliği" adı verilir.
