[心得] 蒸餾原理與設備簡介

在講蒸餾設備類型時，要先了解為何可以靠蒸餾將不同物質分離。

首先要澄清的是，兩種不同沸點的物質混合形成的液體，假設A沸點較低，B沸點較高，

若這混合液是理想溶液且兩物質都可揮發(也就是說兩物質不會互相影響對方的蒸氣壓)，

則當加熱到溫度達A的沸點時，不會發生混合液中A開始蒸發而B完全留在液體中的情況。

事實上，如果加熱到溶液剛開始沸騰時，此時蒸發的氣體是A與B混合在一起的氣體。

但這些氣體中A與B的比例會與還未蒸發的液體中A與B的比例不同。

例如將乙醇與水混合至酒精度8%abv的液體拿去蒸餾時，

若在一大氣壓的情況下做蒸餾，大約加熱至94.5度C時會開始沸騰。

在沸騰那瞬間我們會看到產生的極微量蒸汽分子其乙醇:水的濃度比8%abv高，

而我們將這些微量氣體冷凝成蒸餾液時可發現這些蒸餾液酒精度大約是45%abv。

若繼續蒸餾下去，由於乙醇濃度較高的物質被從液體中取走冷凝，所以液體酒精度下降，

之後蒸餾出來的蒸餾液其酒精度也會漸漸下降，因此收到的蒸餾液酒精度越來越低。

理論上我們如果在一大氣壓下將8%abv的酒汁只蒸餾一次，

無論如何其蒸餾液的酒精度無法超過45abv，若要繼續提升只能把這些蒸餾液收集起來，

等蒸餾液收集到一定程度時再拿去蒸餾一次，就可獲得更高酒精度的蒸餾液了。

以上的概念若正確的話，接著討論蒸餾的原理就會比較容易想像了。

蒸餾的原理是利用混合物中各物質在固定溫度下，其蒸氣壓不同而達成的。

假設在某溫度下，兩可揮發物質形成了液態混合物，

則蒸氣壓較高的物質會更傾向於進入氣態中，而另一物質則傾向留在液態中。

舉個例子，在某狀況下觀察到一容器中有液態的A與B兩物質，A的蒸氣壓較高。

此時若A與B在液相中的莫耳數是1:1的話，A在氣相中的莫耳數會比B高。

若此時發現A與B在氣相中的莫耳數比為Ya:Yb，且Ya>Yb，

那我們可以說此狀況下A比B更容易揮發，且A跟B的相對揮發度為Ya/Yb。

如果液相中莫耳數不同，例如A與B在液相中莫耳數為Xa:Xb，

此時相對揮發度則是(Ya/Xa) / (Yb/Xb)，當Xa:Xb是1:1時，相對揮發度即是Ya/Yb。

再舉一例，如果A與B在氣相中的莫耳數是1:1，且A與B在液相中莫耳數是1:2，

那我們可以說A對B的相對揮發度是2，也就是A的揮發程度是B的兩倍。

藉由以上原理，我們可以將混合液加熱使之產生蒸氣，

那麼收集蒸氣後所冷凝出來的蒸餾液，其A:B的莫耳數比便會比原本的液體還高。

因此我們可以說蒸餾後取得的蒸餾液，其相對揮發度較高的物質(A)的濃度被提升了。

實際蒸餾時，使用的設備大概可分成四種：

1.簡單蒸餾 (又稱差分蒸餾、微分蒸餾，屬於批次蒸餾)

簡圖如下 https://imgur.com/a/HiQe25x

這種跟蘇格蘭用於麥芽威士忌蒸餾的壺式蒸餾器差不多，干邑也是用這種類型的設備。

這種設備進料時一次只能放一批，這批蒸完再蒸下一批，所以常被稱為批次蒸餾。

雖然他的名稱是簡單蒸餾，但由於是批次進料，被蒸餾的液體會越來越少，

由於這種方式會用到微分的概念，計算的時候必須要使用到微積分。

2.驟沸蒸餾 (又稱閃蒸、驟餾，屬於連續蒸餾)

簡圖如下 https://imgur.com/a/CkAHBSU

這種比較常用在石油提煉工業。

與第一種不同的是，他在進料時會控制進料的溫度與壓力，通常使進料維持高溫高壓。

當進料通過減壓閥進入蒸餾器主體後，進料會瞬間因壓力改變而產生物質相態的改變。

如果控制好蒸餾器內的溫度與壓力，進料可瞬間分離成為液體與氣體兩相態。

這時氣態的部分，含有比原進料濃度更高的A物質(相對揮發度高)，可從頂部被收集，

液態的部分則含有比原進料濃度更低的A物質(也就是B變多了)，可從底部收集。

這種蒸餾方式是連續進料的，也就是說進料一被送入後馬上變為液氣兩項排出(收集)，

只要單位時間內進入蒸餾器的進料量跟排出量相同，便可連續進料，因此是連續蒸餾。

這種蒸餾方法因為是瞬間達成的，沒有隨時間改變的問題，所以計算比較簡單。

3.有回流的批次蒸餾 (柱式批次蒸餾)

簡圖如下 https://imgur.com/a/AZ10Urd

可能常碰蘇威的酒友會以為只要看到柱式就是連續蒸餾，其實連不連續跟柱式沒有關係。

這種柱式蒸餾器也式進一批料後就開始蒸，必須等蒸完後才能蒸下一批的。

做成柱狀式為了要容納裡面水平擺放的板(或盤)，

經過一層的板就很類似被蒸餾過一次，因此板數越多就類似蒸餾越多次。

因此與簡單蒸餾比起來，這種設備一次就可做出比較乾淨的酒。

在這種蒸餾方式中，每片板上都會有一定量的液態混合物，

當液態混合物的量變多時，就會流到比較下面的板。

而兩板之間的空間則可容納氣態混合物，當氣態的量變多時就會跑到上層的板中。

假設在由上數來第五片板上面有A與B的混合液，莫耳數比為A:B，且A相對揮發度較高，

那在此片板上的空間會產生蒸氣，蒸氣中A的莫耳濃度會比該板液體中的A莫耳濃度高，

這些A莫耳濃度較高氣體會上升到第四片板中並與該板的液體混合，

接著又會產生A莫耳濃度更高的氣體繼續往更上層跑，因此頂層A的莫耳濃度極高。

至於液體則因一直往下層流，所以越下層液體中B的莫耳濃度會越高。

通常往下層流動的液體量與從最上層離開的氣體量(最後會被冷凝成蒸餾液的那些)之比值

會被稱為回流率，回流率越高代表往下流的液體比例越高，這個數值在計算中極為重要。

跟這種有精餾板的設備比起來，簡單蒸餾的設備其回流量算非常少的，

壺式蒸餾的設備中的回流主要是靠蒸氣在蒸餾器銅壁上的凝結與林恩壁的角度來回流，

但壺式蒸餾的那回流效率其實不會比在蒸餾器裡面加一片精餾板還要來得好。

至於這種有回流的批式蒸餾，其計算除了要用到微積分，還會受回流率的影響。

4.柱式連續蒸餾

簡圖如下 https://imgur.com/a/t2yjSyq

這種的原理與蘇格蘭穀物威士忌蒸餾器、美波的beer still、雅瑪邑 alambic相同。

他的運作方式有點像把驟沸蒸餾串在一起的感覺，而且他跟上述第3種一樣有回流。

跟簡單蒸餾的設備比起來，這種設備不但可做出比較乾淨的酒，還可以一直做一直做。

如同驟沸蒸餾，只要這蒸餾器進料量與排出量相同的話，便可穩定的連續進料。

有人可能覺得上述第3種是不是只要讓進料跟排出的量相同就變成第4種了？

事實上上述第3種因為底部沒有可把極高B濃度的液體排出的裝置，

所以最底層的液體其B濃度會一直上升，最後也是無法連續蒸餾的。

而第4種因為B濃度高的液體也被排走，所以最後整個蒸餾器會維持平衡，可連續進料。

這種蒸餾器的進料位置是可變動的，排出口也可以有很多個。

一般在進料板下方(含進料板)的區域被稱為汽提段(stripping section)，

至於上方那段區域則被稱為精餾段(rectifying section)。

最上方的蒸汽產物經冷凝後會有一部分流回最上層作為回流，

最下方的液體廢液也可重新煮沸並將煮沸後的蒸氣排入上層的塔。

這種設備的計算因為是連率的，所以不用用到微積分，只要有回流率就可做運算。

不過通常有用精餾板的設備都還要算每個板的效率跟一些其他數值，所以也是麻煩。

結論就是，別看到批次蒸餾就以為是壺式蒸餾，也別看到連續蒸餾就以為是柱式蒸餾。

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現有的資料是認為這是蒸汽中的硫化物與銅產生的化學反應，這會產生銅綠去除硫化物， 不過也會造成銅壁越來越薄，所以蒸餾器有些部分大約10~15年就要更換一次。 另外銅似乎也能起到催化作用，使乙醇與酸類更快形成乙酯類化合物。