Kỹ thuật hóa học ra đời từ đâu và vì sao cần cho sản xuất quy mô lớn?
Một chất mới được tạo ra trong bình thí nghiệm chưa phải là sản phẩm công nghiệp. Để biến phát hiện ấy thành hàng hóa, người ta còn phải tách, lọc, gia nhiệt, kiểm soát phản ứng và lặp lại quy trình với khối lượng lớn. Kỹ thuật hóa học ra đời để giải quyết chính khoảng cách giữa một phản ứng thành công trong phòng thí nghiệm và một dây chuyền có thể vận hành ổn định. Lịch sử ngành này đi từ nền tảng nghiên cứu ở các trường đại học Đức, qua những khóa học đầu tiên tại Anh và Hoa Kỳ, đến sự thành lập American Institute of Chemical Engineers (AIChE) năm 1908. [1]
Một phát hiện hóa học còn thiếu điều gì?
Trong phòng thí nghiệm, nhà hóa học thường tập trung vào việc tạo ra chất mới hoặc xác định phản ứng diễn ra thế nào. Nhà máy phải trả lời thêm nhiều câu hỏi: nguyên liệu đi qua thiết bị ra sao, nhiệt và áp suất được giữ ổn định thế nào, sản phẩm được tách khỏi hỗn hợp bằng cách nào, và toàn bộ quy trình có thể lặp lại hay không. Chưng cất, lọc, chiết xuất và kết tinh là những công đoạn xuất hiện trong nhiều quy trình khác nhau. [1]
Vì vậy, kỹ thuật hóa học không đơn giản là đưa hóa học lên quy mô lớn. Một phản ứng cho kết quả tốt trong bình nhỏ có thể gặp vấn đề khi chuyển sang thiết bị lớn, bởi việc truyền nhiệt, trộn chất và kiểm soát dòng chảy đã thay đổi. Ví dụ minh họa: nấu một nồi nhỏ và vận hành một dây chuyền liên tục đều cần nhiệt, nhưng cách theo dõi và điều chỉnh hai quy mô ấy không giống nhau. Đây là cách hình dung về khác biệt quy mô, không phải một kết quả nghiên cứu riêng. [1]
Các phòng thí nghiệm Đức đặt nền móng ra sao?
Trong thế kỷ XIX, các trường đại học Đức giữ vai trò nổi bật trong sự phát triển của hóa học. Justus von Liebig vừa có ảnh hưởng qua nghiên cứu, vừa đổi mới cách đào tạo. Năm 1825, ông lập một phòng thí nghiệm hóa học tại Đại học Giessen. Trong khoảng ba thập niên tiếp theo, nơi này đào tạo nhiều nhà hóa học, còn các phòng thí nghiệm ở Giessen, Göttingen và Heidelberg tiếp tục đào tạo những thế hệ nhà hóa học mới. [1]
Điểm quan trọng ở Liebig và các học trò là họ quan tâm đến việc đưa nguyên lý cơ bản vào sản phẩm và phương pháp sản xuất cụ thể. Quy trình thuốc nhuộm aniline của August Wilhelm Hofmann là một ví dụ trong làn sóng phát triển quy trình hóa chất ở Đức từ khoảng giữa đến cuối thế kỷ XIX. Những người được đào tạo tại các phòng thí nghiệm này sau đó mở cơ sở nghiên cứu ở nơi khác, trong đó có Hoa Kỳ, qua đó truyền đi cả kiến thức lẫn phương pháp tổ chức nghiên cứu. [1]
Vì sao ngành này cần giáo trình riêng?
Kiến thức về hóa chất công nghiệp ban đầu chưa được chuẩn hóa trong đại học. Sinh viên hóa học có thể nắm các nguyên lý nhưng chỉ biết sơ lược cách vận hành cột chưng cất, thiết bị lọc và những đơn vị sản xuất tương tự. Các trường kỹ thuật dạy phần thực hành này, song địa vị của chúng trong hệ thống đại học vẫn gây tranh luận. Khoảng cách giữa hóa học hàn lâm và hoạt động nhà máy vì thế ngày càng rõ. [1]
Tại Anh, George E. Davis đưa kinh nghiệm kiểm tra các nhà máy hóa chất vào lớp học qua một loạt bài giảng năm 1887. Năm sau, Lewis M. Norton mở khóa học kỹ thuật hóa học tại MIT, dựa nhiều vào ghi chép về thực hành công nghiệp ở Đức. Sau khi Norton qua đời, Frank H. Thorpe tiếp quản khóa học và xuất bản Outlines of Industrial Chemistry năm 1898. Những bước này cho thấy kỹ thuật hóa học hình thành từ nhu cầu giải quyết quy trình, chứ không chỉ từ việc đặt tên cho một nhánh hóa học. [1]
Unit operations giúp nhìn nhà máy như thế nào?
Một ý tưởng có sức tổ chức lớn là phân tích quy trình thành các “unit operations”, có thể hiểu là tác vụ đơn vị. Thay vì xem mỗi sản phẩm là một bí quyết hoàn toàn riêng biệt, kỹ sư nhận diện những công đoạn chung như chưng cất, chiết xuất, lọc và kết tinh. Mỗi công đoạn chịu sự chi phối của những nguyên lý nhất định; hiểu các nguyên lý ấy giúp kiến thức được chuyển từ quy trình này sang quy trình khác. [1]
Davis đã trình bày ý tưởng này trong các sách đầu thế kỷ XX, còn Arthur D. Little tại MIT đặt tên “unit operations” vào năm 1915. Giá trị của khái niệm nằm ở một ngôn ngữ chung: nhà hóa học mô tả chất và phản ứng, trong khi kỹ sư có thêm cách mô tả dòng vật chất, thiết bị và trình tự vận hành. Câu hỏi vì thế mở rộng từ “làm ra chất này thế nào?” thành “làm ra ổn định và lặp lại ở quy mô nhà máy thế nào?”. [1]
AIChE năm 1908 thay đổi nghề nghiệp ra sao?
Cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, Anh, Đức và Hoa Kỳ cạnh tranh mạnh trong ngành hóa chất. Các doanh nghiệp cần người có thể nối phòng thí nghiệm với nhà máy, nhưng kỹ thuật hóa học vẫn chưa có bản sắc nghề nghiệp và tiêu chuẩn đào tạo thống nhất. Tại Hoa Kỳ, MIT mở chương trình kỹ thuật hóa học bốn năm từ năm 1888; các trường khác sau đó làm theo, dù những chương trình này vẫn nằm trong các khoa hóa học. [1]
Tranh luận về ranh giới giữa nhà hóa học công nghiệp và kỹ sư hóa học thúc đẩy việc lập một tổ chức riêng. Ngày 22 tháng 6 năm 1908, cuộc họp đầu tiên của AIChE diễn ra tại Philadelphia. Một trong những mục tiêu ban đầu là nâng vị thế nghề nghiệp của các kỹ sư hóa học đang làm việc trong nhà máy. Về sau, việc đào tạo kỹ sư hóa học được thảo luận tại các cuộc họp AIChE, với quan điểm rằng chương trình cần kết hợp hóa học, vật lý, toán học, các ngành kỹ thuật, thực hành phòng thí nghiệm và quản lý. [1]
Về sau, ngành học mở rộng từ unit operations sang nhiệt động học ứng dụng, kỹ thuật phản ứng, toán ứng dụng và khoa học máy tính. Từ giữa thế kỷ XX, kỹ sư hóa học còn tham gia vật liệu, công nghệ sinh học, y sinh và điện tử. Sự ra đời của AIChE đánh dấu quá trình xây dựng có hệ thống năng lực biến tri thức hóa học thành quy trình có thể mở rộng. [1]