Fenske的螺旋

几年前，一位热情的A-level学生告诉我，他们要学习化学工程。毕竟，他对我说，这只是简单的化学，但在更大、更工业的范围内。我提醒他那句轻率的话“化学只是物理的放大”;你需要物理学来理解它，但化学涉及到不同的思维方式。反过来，化学工程则需要另一种思维方式，这种思维方式在20世纪初就发生了变化。

梅雷尔·芬斯克(Merrell Fenske)是促成这一转变的人之一，他是一位出生于美国印第安纳州北部城市密歇根的化学家。他的家人几乎无人知晓，但1919年，他向南旅行了200英里，在迪堡大学(DePauw University)学习化学，这是一所小型私立文科学校。1925年毕业后，他前往波士顿的麻省理工学院(MIT)学习工业化学。

20世纪20年代，麻省理工学院是研究化学工程的地方，沃伦·刘易斯(Warren Lewis)和他的朋友兼同事亚瑟·利特尔(Arthur Little)彻底改变了这门学科。他们没有从化学反应及其细节的角度来考虑工业过程，而是将工业转化分解为“单元过程”:传热、流体流动、燃烧、过滤、蒸馏等。换句话说，只要知道控制特定操作的关键物理参数，化学就无关紧要。

刘易斯让芬斯克与挪威化学家佩尔·弗罗里希(Per Frolich)合作，他与弗罗里希一起研究了合成气催化转化为醇的过程，在两年的时间里发表了六篇论文。1929年，芬斯克毕业后搬到宾夕法尼亚州立大学，在石油工程领域建立了一个新的工业资助实验室。弗罗利希还去了标准石油公司(今天的埃克森美孚公司)，最终成为该公司的研究主管。

当时，汽车工业正在迅速扩张。由于更高的压缩比，汽车发动机变得更快、更强大，但这也带来了一个潜在的问题。发动机内的压力越高，在压缩或“爆震”过程中发生自发爆炸的风险就越高。至少，这引起了一种特殊的砰砰声;在最坏的情况下，它有可能完全摧毁引擎。1922年，通用汽车公司的托马斯·米基雷发现，在汽油中加入四乙基铅，就能在很大程度上消除爆胎的问题。1924年，通用汽车公司和标准石油公司成立了乙基公司来生产这种添加剂(尽管工人铅中毒的报告越来越多)。但是，人们对爆震的原因仍然知之甚少，特别是与燃料成分有关的原因。

宾夕法尼亚仍然是原油的重要产地——原油是一种非常理想的原料，含硫量低——芬斯克决定找到一种方法将其分离成馏分，希望能调查敲击和成分之间的关系。他的第一篇论文显示了他的雄心壮志。他对宾夕法尼亚原油进行了初步的粗略蒸馏，然后将9加仑的产品转移到一个装有电热铁分馏柱的蒸馏器中，该蒸馏器高约11米。柱子上交替填满了一层拉西环(见manbetx手机客户端3.0， 2008年9月，p83)和钢链。在45小时的时间里，他蒸馏了从43˚C沸腾到204˚C的馏分，然后使用乙基公司提供的发动机对每一种馏分作为燃料进行了测试。标准测试包括测量爆震程度与加到一加仑燃料中的四乙基铅体积的关系。

他的分馏柱不是随机选择的。芬斯克正在发展分馏理论，以建立最有效的蒸馏器建造的最佳策略。他推导出了一个方程，建立了在理想条件下通过分馏分离两种挥发性化合物所需的理论板的数量，这个关系在今天被广泛使用。他与一对研究生合作，通过成功分离异丁烯的异构体来验证了这种关系，它们的沸点仅为3.3˚C。

然后，原油的分馏工作开始了。早在色谱法出现之前，Fenske的团队就详细描述了从色谱柱上分离出来的每个馏分的化学成分，并确定了他们分离出的许多碳氢化合物异构体。除了这项工作，他们还详细研究了柱内包装材料的影响，比较了玻璃环、金属链、金属钉、锯齿状段的金属丝、扁平c形环和短长度的螺旋弹簧丝的性能。两种材料之间的差异是巨大的——螺旋在顶部。更好的是，螺旋缠绕得很好，可以在需要的时候很快地打开分馏柱。芬斯克发现，只需使用新的螺旋结构，一个100个理论上的13米高、装有链条的平板分馏塔，就可以缩小到60厘米的玻璃柱。一项简短的专利表明，这种螺旋几乎可以用任何材料制成，这取决于它们所使用的化学环境。

芬斯克从未失去对化学和蒸馏的兴趣，而是将他的方程更广泛地应用于液-液萃取;第二次世界大战期间，他为曼哈顿计划的同位素分离方法的发展做出了贡献。他的螺旋结构从未从化学目录中消失过。

至于A-level的学生呢?令我惊讶的是，几年后我又见到了他，那时他已经获得了一等学位。他对自己的选择非常满意，但他补充道:“在我的整个学习过程中，我没有看到过一个化学方程式。”化学vs工程，你选吧。