O Engenheiro Químico e o Futuro

Transcrição

Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola de Química
O ENGENHEIRO QUÍMICO
EO
FUTURO
Fernando Luiz Pellegrini Pessoa
www.gipq.com.br
[email protected]
[email protected]
3/20/2015
Grupo de Integração de Processos Químicos
O que é um Engenheiro Químico?
a) Um Engenheiro que manufatura
produtos químicos?
b) Um Químico que trabalha em uma
fábrica?
c) Um Encanador de alto nível?
Nenhuma das respostas anteriores
 Não há uma definição universal aceita do EngQm.
 Entretanto, tem como objetivo desenvolver
processos que transformam compostos químicos de
uma forma para outra mais útil (e muito mais
valiosa), de uma forma econômica, segura e
ambientalmente aceitável.
 Aplicação das ciências básicas (matemática,
química, física & biologia) e princípios da engenharia
para o desenvolvimento, projeto, operação &
manutenção de processos para converter matérias
primas em produtos úteis e melhorar o ambiente
humano.
Onde começamos, onde
estamos, para onde vamos,
o que devemos estudar
????
?????
História da Engenharia Química
Desde Revolução Industrial (Século 18) fez-se
necessário a manufatura de produtos químicos para
sustentar o crescimento.
Ácido sulfurico foi o primeiro entre estes “produtos
químicos industriais”. A nação era dita forte pelo
vigor da indústria deste ácido.
A indústria inglesa gastou muito dinheiro para
melhorar seus processos. Uma pequena melhoria
trazia um grande lucro, pelo grande consumo deste
ácido.
O nitrato era o ingrediente mais caro porque durante
o estágio final do processo, ele era perdido para a
atmosfera (na forma de oxido nítrico).
Em 1859, John Glover resolveu este problema com
uma torre de transferência de massa para
recuperar uma parte do nitrato perdido. Gases
subindo a torre absorviam uma parte do nitrato
que era reusado.
Um processo aperfeiçoado em 1863 pelo químico
Belga, Ernest Solvay, baseado em uma descoberta
mais antiga por J. Fresnel em 1811 que mostrou que
Bicarbonato de Sódio poderia precipitar de uma
solução salina contendo bicarbonato de amônia.
Este processo, embora simples, para ser utilizado em
escala industrial, encontrou vários obstáculos de
engenharia. Foram cerca de 60 anos até Solvay
conseguir fazer o scale-up. A primeira grande
contribuição da Engenharia Química.
Em 1873 um novo processo - Solvay Process – surgiu
para a produção de bicarbonato de sódio.
O termo “engenheiro quimico" andava sendo falado
nos círculos técnicos nos anos 1880's, mas não
tinha uma educação formal para este profissional.
O “engenheiro químico" destes anos era um
engenheiro mecânico que ganhou um certo
conhecimento nos equipamentos do processo
químico, ou um operário com pouca educação mas
muita experiência em plantas químicas, ou um
químico com conhecimento em reações químicas em
larga escala industrial.
1888: George Davis apresentou uma proposta para
uma nova profissão com uma série de 12 palestras
sobre Chemical Engineering em Manchester,
Inglaterra.
1888: The Massachusetts Institute of Technology
começou o "Course X" (dez), o primeiro programa
de 4 anos para o curso de Engenharia Química nos
Estados Unidos. Lewis M. Norton.
1892: Pennsylvania começou o curriculum de
Engenharia Química.
Resposta ao rápido crescimento das indústrias
químicas.
Baseadas na química descritiva industrial, do
sal, potássio, ácido sulfurico, sabão, carvão.
Graduados perdiam conceitos e ferramentas
para resolver novos problemas que surgiam
com as indústrias químicas novas de petróleo
e produtos orgânicos.
1895: Linde desenvolveu o processo para
liquefação do ar.
1899: O primeiro pacote de Aspirina foi
colocado a venda para o público.
1901: George Davis publicou um “Handbook
of Chemical Engineering.”
O Primeiro Paradigma
Arthur Little foi o primeiro a reconhecer o uso das
“Operações Unitárias” para separar engenharia química
das outras profissões.
Como chefe do comitê que visitou o curso de
engenharia química do MIT, escreveu um relatório, em
1908
“Unit Operations should be the foundation of chemical
engineering”
driving a car is driving a car no matter what the
make .
Enquanto engenheiros mecânicos focam nas
máquinas, e químicos industriais estão focados
nos produtos, e os químicos estudam as reações
individuais, ninguem, antes dos engenheiros
químicos, tinha se concentrado no processo como
um todo, para todos os produtos químicos,
reações e os equipamentos.
Competição entre as empresas foi e é brutal, e
todas buscam ser um “produtor de baixo custo."
Entretanto, para estar à frente das demais tem que
ser otimizada.
Estas “operações unitárias" encontraram seu
caminho na prática industrial e tornaram-se uma
forma conveniente de organizar o conhecimento da
engenharia química.
Adicionalmente, o conhecimento ganho com uma
“operação unitária" leva a um conjunto de
conhecimentos que pode ser aplicado em outras.
Se está destilando alcool a partir do liqour ou
petróleo para produzir gasolina, o princípio é o
mesmo!
Exemplo de Operações Unitárias
filtração, secagem, destilação , cristalização,
sedimentação, combustão, catálise, trocador de
calor, e outros.
1908: The American Institute
Engineers (AIChE) foi fundada
of
Chemical
Primeiro livro Walker-Lewis-McAdams “Principles of
Chemical Engineering” 1923
Segunda Guerra criou novas tecnologias pelos
cientistas sem educação em engenharia: bomba
atômica, radar.
Estudantes de engenharia necessitavam compreender
novos conceitos e ferramentas em química e física.
Operações Unitárias não criaram novos problemas que
eram desafiadores e úteis para indústria que
incentivaram os professores e alunos.
ESTAGNAÇÃO
Segundo Paradigma
Primeiro livro “Transport Phenomena” por BirdStewart-Lightfoot, 1960, baseado na teoria cinética
dos gases
Livro por Amundson
“Mathematical
Methods
in
Chemical Engineering”, (1966).
Um novo campo de atividades
de pesquisa.
Indústria química americana
dominou o mundo, DuPont e
Exxon recrutavam graduados
academicamente educados, e
ensinavam a eles tecnologia.
Engenharia Química
EngQm envolve a especificação de equipamentos,
condições operacionais, instrumentação e controle
de processos para todas estas transformações.
Química
Ar
Matemática
Gas Natural
Carvão
Minerais
Energia
Economia
Física
Biologia
Quais são os campos da EngQm ?
Os tradicionais são:
Processos petroquímico, petróleo e gás natural
plásticos e polímeros
Polpa e papel
Instrumentação e controle de processos
Utilização e conversão de energia
Controle ambiental
Biotecnologia
Biomédica and Bioquímica
Processo de alimentos
Materiais compósitos, corrosão e revestimentos
para proteção
Manufatura de componentes microeletrônicos
Fármacos
Materials Science Computer Science.
Physics
Chemistry.
Biology.
Electrical Eng.
Chem. Eng.
Civil Eng.
Mathematics.
Mechanical Eng..
Engenharia Química está conectada com muitas áreas
O que o Eng. Químico faz?
Não é o que fazemos, mas o que pensamos sobre o mundo,
que faz nossa diferença. Nós usamos tudo que conhecemos
para produzir a melhor solução para um problema (os
problemas normalmente tem mais que uma solução).
Usamos técnicas de Engenharia de Análise Quantitativa para
projetar/sintetisar produtos (materiais, equipamentos), serviços
e processos apesar de ter um entendimento imperfeito dos
fatores químico, físico, biológico ou humanos que afetam eles.
Trabalhamos com as restrições de produzir produtos ou
serviços que são oportunos, competitivos, confiáveis dentro
dos recursos financeiros de suas empresas e que seja
consistente com sua filosofia.
Estamos envolvidos em várias atividades diferentes:
Projeto, desenvolvimento e operação de
plantas de processos
Pesquisa e desenvolvimento
produtos e processos
de
novos
Gestão de operações técnicas e de vendas
O Engenheiro Químico ocupa posições de
chefia:
3M
Du Pont
General Electric
Union Carbide
Texaco
Dow Chemical
Exxon
BASF
Gulf Oil
B.F. Goodrich
Onde o Eng. Químico trabalha?
A maioria trabalha coletivamente em negócios conhecidos
como Indústria de Processos Químicos
Químicos,
Óleo e Gás (upstream and downstream)
Polpa e Papel,
Borracha e Plásticos,
Alimentos e Bebidas,
Textil,
Eletrônicos/TI
Metais, processamento de minérios
Eletronicos e microeletronicos
Indústrias Químicas Agronegócios
Cosméticos/Fármacos
Biotecnologia/Biomédica
Consultoria em negócios, técnologia e meio ambiente
Também trabalham em empresas de suprimentos, consultoria e
governamental relacionadas às Ind. Proc. Quím. Com a
manufatura de equipamentos, projeto de plantas, consultoria,
serviços analíticos e desenvolvimentos padrões.
Ocupam posição de lider em empresas governamentais
e industrias sobre proteção ambiental desde problemas
ambientais são normalmente complexos e necessitam
conhecimentos em Ciências Sociais, Física, Biologia,
Mathemática e Química para a sua solução.
Engenheiros Químicos são referidos
“engenheiro universal.”
como
um
Other
Business services
ES: Environmental
ES: Research
ES: Design&Construction
Pulp & Paper
Biotech/Pharma
Materials
Food/Consumer
Fuels
Electronics
Chemical
0
5
10
15
20
Percent Industrial Employment of BS CHEs
AICHE Career Services
25
Realizações da Engenharia Química
Produção de Fertilizantes e Amônia,
Produção de petroquímicos,
Produção em escala comercial de antibioticos (biotecnologia/
fármacos),
Organização/Criação da indústria de plásticos,
Organização/Criação da indústria de fibras sintéticas,
Organização/Criação da indústria de borrachas sintéticas,
Produção eletrolítica de Alumínio,
Produção de Energia e o desenvolviemto de novas fontes de
energia,
Produção de isotopes-fissão,
Produção de produtos TI (armazenamento de dados,
microeletronicos, ambiente ultralimpos),
Orgãos Artificiais e equipam,entos biomédicos,
Processamento de alimentos,
Ferramentas para Simulação de Processos.
Currículo Graduação
• Pensado para fornecer aos estudantes um conhecimento
abrangente nas ciências básicas de Química, Física e
Matemática.
• Conhecimento detalhado dos princípios e práticas em
engenharia, com conhecimentos nos fatores sociais e
econômicos
• Envolvimento em técnicas laboratoriais é um importante
componente
– Desenvolver habilidades de trabalhar em grupo,
– Desenvolvimento de habilidade de identificação e
solução de problemas.
• Estressar a preparação do estudante para o trabalho
independente
e
desenvolvimento
de
habilidades
interpessoais necessárias para o engenheiro.
Currículo Graduação
• Disciplinas Eletivas fornecem uma oportunidade
para obter um treinamento adicional em áreas
com ênfase:
– Ambiente
– Computadores e Controle de Processos
– Energia
– Biotecnologia
– Petróleo
– Pesquisa & Desenvolvimento
Currículo
• Ciências Básicas
– Matemática, Física, (Bio) Química
• Ciências da Engenharia
– Termodinâmica (Calor, trabalho, equilíbrio de
fases, equilíbrio químico)
– Fenômenos de Transporte (transferência de
calor, de massa e quantidade de movimento)
– Análise Numérica
• Projeto em Engenharia
– Computer-Aided Design (CAD)
– Engenharia da Reação Química
– Processos de Separação
– Controle de Processos
– Engenharia de Processos
Habilidades Necessárias
• Habilidades Técnicas são vitais.
– Mas todos os empregados terão um alto nível de
competência técnica (senão, não ficam
empregados muito tempo).
•
“Habilidades Soft” avançam carreiras
– Liderança (motivado),
– Habilidade para trabalhar em grupos,
– Comunicação
Com estes conhecimentos, o EngQm está bem
preparado para resolver problemas envolvendo
todos os tipos de mudanças de estado de materiais,
seja físico, químico e/ou biológico.
Novas direções?
Áreas - Hoje
• Biotecnologia surgindo como uma
atividade comercial “real”
• Equipamentos biomédicos estão
surgindo no mercado
• Equipamentos
MEMS
estão
comerciais
• Nano
tecnologia……procurando
aplicações
• Materias avançados: materiais bi
funcionais, polímeros condutores,
bio materiais (e.g., engenharia de
tecido) tem um desenvolvimento
contínuo
para
aplicações
generalizadas.
“Química fina e de Petróleo
“Tradicional”– indústrias
maduras. Atividades
estabelecidas.
Novas direções?
Áreas - Futuro?
• Biotecnologia – desenvolvimento
maior
• Equipamentos
biomédicos
incluindo nano equipamentos, chip
com fármacos irão surgir
no
mercado
• Equipamentos
NEMS
estarão
comerciais
• Materias avançados: materiais bi
funcionais, polímeros condutores,
bio materiais (e.g., engenharia de
tecido)
em
desenvolvimento
contínuo
para
aplicações
específicas.
Bio-MEMs e Bio-NEMS surgem
com sucesso comercial
Nova “onda” tecnológica?
• Mundo integrado – internet
• Disponibilidade
de
energia
continuará a ser uma preocupação
• Competição em todos os setores
tornam-se globais
• China torna-se uma
industrial dominante
potência
• India torna-se o fornecedor de
serviços técnicos dominante
O que precisamos?
• Necessidades:
“Um
equipamento
ou
sistema
não
deveria
utilizar energia, ter um
pequeno volume e massa”
• Nova ênfase:
Adicionalmente um sistema /
equipamento deve ser sustentável.
Isto é, ser auto-sustentável e auto –
reparação.
Necessita
ter
a
habilidade de tomar conta dele
mesmo e viver no ambiente
existente.
{ Nano/Microtecnologia
INOVAÇÃO
{ Sistemas Biológicos
Síntese: Plataforma Integrada Biológica/Física
Indústria Química e Ensino de Engenharia
Química no Brasil
• 1900 -1950: empresas privadas de pequeno porte
– 1925: Primeiro curso de EQ: EPUSP
• 1950-1960: criação da Petrobrás;início da implantação
da petroquímica
– 1952 (2 cursos), 1953 e 1954: 4 novos cursos
• 1960-1980: expansão da petroquímica, diversificação
do parque químico
- 1963: criação da Petroquisa e do PEQCOPPE/UFRJ (consolidação da pós-graduação)
Faturamento IQ
Formandos EQ
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
41
Evolução histórica: entrada/formandos em
EQ no Brasil
4000
3000
Vagas
oferecidas
2000
Vagas
preenchidas
1000
Formandos
0
93 94 95 96 97 98
42
Formação do engenheiro químico tradicional:
• Básica (Química, Física: entendimento dos fenômenos
envolvidos nos processos químicos + (Matemática,
Computação, cálculo, álgebra linear, métodos numéricos):
modelagem, simulação, análise de processos
• Profissionalizante (Balanços; FT; Termodinâmica
Aplicada; Op. Unit.; Reatores; Controle; “Engenharia
de Processos” - Análise, Síntese e Otimização;
informações sobre principais Processos Químicos
Industriais): necessárias p/ projeto dos equipamentos e do
processo
• Complementar (economia, humanas): necessárias
para formar o engenheiro enquanto cidadão; incentivos ao autoaprendizado (“aprender a aprender”), ao trabalho em equipe, à
iniciativa devem perpassar várias disciplinas
43
A IQ e a mudança da Natureza:
benefícios e problemas
Base petróleo não sustentável
PREÇO/ESGOTAMENTO DAS RESERVAS DE ENERGIA
FÓSSIL
RESERVAS (otimistas) ~ 2 trilhões de barris de petróleo
- metade já consumida (150 anos)
- velocidade de consumo aumenta
- China: de exportadora, hoje consome o dobro
do que produz (segundo maior consumidor mundial)
Limites desse sistema:
-interno: econômico e político
-externo: ecológico (colapso do ecossistema) e energético (final
das reservas de combustível fóssil)
-antes de se atingir os limites físicos – externos, são atingidos os
internos:
Petróleo se torna demasiado caro antes de
realmente se esgotar
44
Novas Fronteiras na engenharia química :
Biomassa (biorefinaria)
Nanotecnologia
Economia do hidrogênio, recuperação da
natureza, etc...
NECESSIDADE DE AMPLIAR A FORMAÇÃO do Engenheiro Químico
45
Análise SWOT
Forças (Strengths) ……
 EngQm tem um grande conhecimento matemático e tem
uma base consolidada em ciência para ocupar uma posição de
liderança
 EngQm tem conhecimento em transporte
 EngQm tem conhecimento em projeto
EngQm tem a habilidade em liderar e contribuir em grupos
interdisciplinares
 EngQm, no passado, mostrou sua habilidade de adaptação
EngQm tem conhecimento de processos em escala micro e
macrocroscópica permitindo trabalhar nas áreas tecnológicas
mais empolgantes.
Fraquezas (Weakness) …….
 EngQm necessitará estabelecer-se como líder nesta área
ambiente/ bio/ Nano)
(ao invés de
 EngQm necessita refazer seu CV para posições estratégicas que envolvem
mudanças e inovações
 EngQm e Conselhos necessitam permitir flexibilidade e mudanças de
trabalho
 EngQm deve olhar o projeto com novas formas (ex., fábricas em um chip,
nano “remédios” específicos)
 EngQm necessita reestabelecer o domínio na inovação
 Enquanto a prática está evoluindo dramaticamente, o currrículo tem tido
menores mudanças nos últimos 40 anos.
Oportunidades (Opportunities) …
 EngQm torna-se o primeiro “engenheiro molecular e projeto de
moléculas”
 EngQm mantem sua larga base de conhecimento..bastante ampla!
 Mercado de trabalho para o EngQm estalibiliza e amplia
 EngQm estará novamente na vanguarda e não seguindo ou sendo mais
um na multidão
 EngQm dirigirá as atividades comerciais enquanto desenvolve
projetos, processos e estratégias para produtos sustentáveis
Para manter os alunos empolgados, fornecer versáteis “solvers” de
problemas, base forte em fundamentos e ferramentas para síntese e
análise de processos, ilustrados por exemplos industriais ou práticos
Biologia tornou-se uma ciência mais quantitativa e molecular
Existem novos métodos de incorparação de novas tecnologias para
educação.
Ameaças (Threats)…….
 Paralisia pela análise
 Má vontade para mudanças
 Falta de aceite pelos Conselhos e aceite de maneira
oportuna
 Direção não está correta
 Outras áreas avançam mais rapidamente e EngQm
estão novamente correndo atrás
 Arrogância disciplinar
RESUMO
Tendências da Indústria Química - IQ
– A IQ é cíclica.
– A IQ está crescendo globalmente.
– Fusão de empresas e linhas de produtos estão
ocorrendo frequentemente.
– Companhias químicas estão se tornando
companhias da ciência da vida e unidades
químicas no suporte.
– Companhias
virtuais
fornecem
serviços
terceirizados incluindo pesquisa.
– Tempo para colocar novo produto no mercado
diminuiu dramaticamente.
– Nova força de trabalho EngQm pode esperar
para ter múltiplos trabalhos em sua carreira.
Questões sobre Mão-de-Obra
– Percepção pública de “química” é negativa.
– Estudantes em potencial não conhecem o papel e
contribuições dos EngQm nas tecnologias emergentes
(biotecn., nanotecn., infotecn.)
– Recrutamento é pequeno em relação a outras áreas.
– Recrutamento é cíclico.
– Oportunidades de emprego são diversas.
– Outras áreas
molecular.
estão
aderindo
à
engenharia
Oportunidades para Novo Currículo
• EngQm está posicionado na interface entre
a engenharia e as ciências moleculares. Isto
pode contribuir de forma significativa para
as tecnologias emergentes:
– Energia renovável/alternativa.
– Saúde melhor.
– Segurança nacional.
– Melhoria no ambiente.
Elementos do Novo Currículo
• As ciências básicas:
– Química, Biologia, Física e Matemática
• Princípios da Eng. Química:
– Transformações moleculares
– Análise Multi-escala
– Abordagem do ponto de vista de sistemas
para solução de problemas
• Projeto na Eng. Química:
– Engenharia de Processos
– Engenharia de Produtos
Engenharia de Produto:
um terceiro paradigma?
• Engenharia de produtos é inovação e projeto de
produtos úteis que a população deseja
1. Definir um produto, estudar as necessidades &
clientes (demanda & mercado)
2. Entender a estrutura – propriedade
3. Projetar e inovar o produto
OBRIGADO!
CHEE 2404:Industrial Chemistry
Al Sacco, Jr.
Esin Gulari
Raquel de Lima Camargo Giordano
www.gipq.com.br
[email protected]
[email protected]

O Engenheiro Químico e o Futuro

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