製酒用小型填充塔蒸餾器研究(2/2)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

製酒用小型填充塔蒸餾器研究(2/2)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2214-E-002-010- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學生物產業機電工程學系暨研究所 計畫主持人： 李允中 計畫參與人員： 邱立中 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 94 年 10 月 14 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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製酒用小型填充塔蒸餾器研究

Studies on packed column distiller for small winery

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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號： NSC92-2214-E-002-010

執行期間：91 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日

計劃主持人：李允中 副教授

研究人員：邱立中

執行單位：國立台灣大學農學院生物產業機電工程學系

中 華 民 國 九十四 年 十 月 十四 日

中文摘要 台灣成為 WTO 以後，酒類專賣制度解除，農村釀酒業即將興起。熱帶水果蒸餾酒 即將成為台灣小規模製酒業的一個特色產品。由於規模較小且原料與產品的多樣 性，因而需要發展一個容易調整與控制的蒸餾器。本研究利用 ChemCad 軟體設計 出一套因應此需要的填充塔式蒸餾器，並於第二年度製作與實驗來驗證。 關鍵詞：水果蒸餾酒、蒸餾器、電腦模擬 Abstract

Winery will become an important farm business in the coming years after Taiwan become member of WTO. Brandy made from tropical fruits will be one of the major prominence products. To design a distiller for the purpose is a key of success for the newborn industry. In this study pack column distiller was designed by using of ChemCad software. Ethanol distillation was studied on the distiller by experiments.

一 、 前 言 我 國 加 入 W T O 成 為 全 球 經 濟 的 成 員 ， 這 個 政 策 對 農 業 產 生 很 大 的 衝 擊 ， 為 因 應 這 個 巨 大 的 改 變 ， 農 政 當 為 將 農 業 規 劃 成 多 元 的 產 業 。 又 由 於 菸 酒 公 賣 制 度 的 廢 止 ， 將 逐 年 開 放 民 間 開 設 釀 酒 工 廠 。 台 灣 有 非 常 多 樣 的 農 產 品 資 源 ， 其 中 水 果 更 為 獨 特 ， 水 果 除 鮮 食 外 ， 很 多 的 水 果 也 同 時 是 釀 酒 的 原 料 。 因 此 有 建 立 休 閒 農 業 與 農 家 釀 酒 等 等 政 策 上 的 制 訂 ， 以 構 築 一 個 休 閒 農 莊 酒 場 的 藍 圖 。 在 9 0 年 度 農 業 委 員 會 的 研 究 計 畫 中 於 是 增 加 許 多 的 釀 酒 相 關 研 究 。 除 傳 統 的 穀 類 酒 研 究 如 小 米 酒 、 糯 米 酒 （ 農 業 試 驗 所 ） 之 外 ， 水 果 酒 類 更 是 非 常 多 樣 例 如 ： 番 荔 枝（ 台 東 改 良 場 ）、 文 旦 柚（ 苗 栗 改 良 場 ）、 桑 椹 與 草 莓 （ 苗 栗 改 良 場 ）、 海 梨 與 桶 柑 （ 桃 園 改 良 場 ）、 荔 枝 （ 台 大 食 科 所 ）、 梅 酒 （ 台 大 食 科 所 ）、 葡 萄 與 楊 桃 （ 台 大 農 化 系 ）、 龍 眼 （ 大 葉 大 學 ）， 以 及 蜂 蜜 （ 大 葉 大 學 ）。 在 這 以 前 因 釀 酒 為 公 賣 局 所 控 管 ， 釀 酒 的 研 究 都 侷 限 與 公 賣 局 的 酒 類 研 究 所 ， 該 所 也 曾 經 研 究 鳳 梨 、 梨 子 與 香 蕉 等 蒸 餾 酒 。

二、研究目的 我 國 加 入 W T O 後 農 業 生 產 結 構 將 有 大 規 模 的 改 變 ， 農 村 小 型 製 酒 業 是 農 政 單 位 因 應 此 變 局 的 推 廣 政 策 之 一 。 農 民 可 以 利 用 多 樣 化 的 穀 類 與 水 果 資 源 製 造 品 質 穩 定 的 蒸 餾 酒 。 以 此 少 量 多 樣 的 生 產 方 式 ， 需 要 有 彈 性 較 大 的 蒸 餾 設 備 。 本 計 畫 擬 針 對 此 特 性 ， 蒸 餾 酒 品 質 最 佳 化 為 目 標 ， 以 電 腦 模 擬 、 實 驗 應 證 、 機 械 製 作 、 控 制 系 統 發 展 等 程 序 ， 完 成 此 蒸 餾 器 。

三、文獻探討 水 果 發 酵 釀 造 成 水 果 酒 雖 然 在 民 間 小 量 自 製 已 經 很 普 遍 ， 但 所 製 造 產 品 的 品 質 良 莠 不 齊 。 葡 萄 酒 是 最 常 見 的 水 果 酒 ， 因 葡 萄 的 特 殊 成 分 與 品 質 容 易 釀 成 好 的 水 果 酒 。 其 他 的 水 果 來 釀 造 水 果 酒 則 常 有 酸 度 、 甲 醇 、 雜 醇 與 醛 類 含 量 影 響 品 質 的 問 題 ， 甚 至 為 防 止 發 酵 失 敗 加 硫 而 產 生 硫 化 物 殘 留 ， 而 且 在 發 酵 酒 的 穩 定 性 上 也 常 隱 含 許 多 問 題 ， 但 若 做 成 蒸 餾 酒 則 可 避 免 這 些 問 題 。 法 國 有 名 的 C o g n a c 白 蘭 地 就 是 因 為 當 地 葡 萄 酒 較 酸 而 製 成 蒸 餾 酒 ； 以 香 蕉 為 例 因 其 特 殊 香 味 與 青 味 做 成 釀 造 酒 後 風 味 不 佳 ， 但 是 經 過 蒸 餾 可 做 成 風 味 很 好 的 香 蕉 白 蘭 地 （ 蔡 ， 1 9 8 5 ）。 高 果 膠 含 量 的 水 果 製 成 的 水 果 酒 因 為 果 膠 在 發 酵 中 產 生 甲 醇 ， 因 此 甲 醇 含 量 偏 高 ， 一 般 簡 單 蒸 餾 並 不 能 有 效 的 去 除 甲 醇 ， 因 此 在 水 果 蒸 餾 酒 中 往 往 含 有 較 高 的 甲 醇 。 B e l i t z a n d G r o s c h , （ 1 9 9 9 ）， 指 出 李 子 蒸 餾 酒 與 梨 子 蒸 餾 酒 甲 醇 含 量 約 為 葡 萄 白 蘭 地 的 2 0 倍 ， 櫻 桃 蒸 餾 酒 約 為 葡 萄 白 蘭 地 的 1 0 倍 。 這 些 濃 度 單 然 還 不 至 於 產 生 生 體 上 的 危 害 ， 但 是 還 是 造 成 酒 後 各 種 不 良 症 狀 的 主 要 成 分 。 蒸 餾 酒 的 原 料 資 源 豐 富 ， 不 僅 是 葡 萄 與 少 數 穀 類 ， 在 葡 萄 白 蘭 地 發 達 的 國 家 都 仍 認 為 其 他 水 果 類 與 澱 粉 源 都 還 具 有 潛 力 ， 各 種 水 果 的 特 殊 香 味 與 酒 品 都 是 吸 引 消 費 者 的 重 要 因 素 ( N o w l i n , 1 9 8 5 ) 。 蒸 餾 是 化 工 業 重 要 的 單 元 操 作 ， 尤 其 在 石 化 工 業 。 因 此 在 蒸 餾 方 面 的 研 究 文 獻 非 常 豐 富 ， 但 是 批 式 蒸 餾 在 整 個 蒸 餾 工 業 的 比 例 並 不 大 ， 其 文 獻 所 佔 的 份 量 更 少 ( C a r v a l h o a n d C u r t i s , 2 0 0 0 ) ， 在 蒸 餾 的 專 書 上 也 通 常 只 有 一 個 章 節 ( R o s e , 1 9 8 5 ) 。 一 般 蒸 餾 酒 都 是 專 業 製 造 ， 每 一 酒 廠 製 造 單 一 的 蒸 餾 酒 ， 不 同 的 蒸 餾 酒 使 用 不 同 的 蒸 餾 器 ， 蒸 餾 器 在 不 同 地 區 有 不 同 的 設 計 ， 一 方 面 是 歷 史 的 原 因 ， 也 有 當 地 酒 醪 成 分 特 性 的 影 響 （ 寺 本 ， 1 9 5 8 ）。 最 著 名 的 C o g n a c 白 蘭 地 以 批 式 蒸 餾 器 做 兩 段 蒸 餾 ， 其 蒸 餾 器 稱 為 A l s m b i c ， 分 為 頭 部 ( A l s m b i c ) 與 煮 沸 器 ( b o i l e r ) 兩 部 分 。 蒸 餾 器 利 用 蒸 汽 在 頭 部 冷 凝 產 生 回 流 ， 因 此 過 程 非 單 純 的 簡 單 蒸 餾 ， 而 是 有 類 似 分 餾 時 的 回 流 效 果 構 造 詳 見 L e a u t e ( 1 9 9 0 ) 。 在 蒸 餾 過 程 可 將 酒 精 外 一 起 蒸 餾 出 的 成 分 ( c o g e n e r a t o r s ) 分 為 伍 類 ， 將 蒸 餾 液 一 流 出 時 間 分 酒 頭 、 酒 心 與 酒 尾 三 段 ， 取 酒 心 段 為 產 品 。 五 類 成 分 依 序 為 乙 醛 與 乙 酸 乙 酯 ； 高 沸 點 酯 類 ； 低 級 醇

如 甲 醇、丙 醇、丁 醇 等；醋 酸 與 高 沸 點 醇 類；糠 醛 類 ( L e a u t e , 1 9 9 0 ) 。 威 士 忌 酒 的 蒸 餾 以 批 式 蒸 餾 者 也 是 用 兩 段 的 鵝 頸 式 蒸 餾 器 ， 頭 部 構 造 與 白 蘭 地 蒸 餾 器 不 同 ( P i g g o t t e t . a l . 1 9 8 9 ) ， 原 理 與 白 蘭 地 蒸 餾 器 相 似 ， 也 採 取 酒 心 為 產 品 。 在 美 國 則 大 都 採 用 三 段 的 連 續 蒸 餾 製 造 威 士 忌 ， 蒸 餾 塔 大 多 為 泡 罩 塔 ， 塔 高 約 十 餘 公 尺 ， 溫 度 與 回 流 比 控 制 正 確 ， 成 分 品 質 固 定 ， 這 種 蒸 餾 方 式 與 酒 精 生 產 相 似 ( P i g g o t t e t . a l . 1 9 8 9 ) 。 這 些 蒸 餾 器 大 多 已 經 是 成 熟 的 設 計 ， 近 年 來 較 少 有 研 究 文 獻 。 蒸 餾 的 製 造 在 各 國 法 令 上 同 的 規 定 ， 因 此 有 關 小 規 模 蒸 餾 設 備 的 圖 書 通 常 在 網 路 上 流 通 ， 例 如 ： M a k i n g G i n & V o d k a , b y J o h n S t o n e ; M a k i n g P u r e C o r n W h i s k e y , b y I a n S m i l e y ; T h e C a r r i a g e S t i l l , b y J o h n S t o n e ; H o m e D i s t i l l a t i o n H a n d b o o k b y N o r m a n , O . 以 及 h t t p : / / w w w . m o o n s h i n e - s t i l l . c o m 網 頁 上 的 B u i l d i n g a H o m e D i s t i l l a t i o n A p p a r a t u s 。 這 些 文 獻 上 都 建 議 使 用 小 型 的 填 充 塔 式 批 式 蒸 餾 器 ， 塔 高 約 一 公 尺 多 。 二 成 分 的 批 式 蒸 餾 器 設 計 在 一 般 化 學 單 元 操 作 的 課 本 上 大 多 有 詳 細 的 介 紹 ， 例 如 ： C o u l s o n t e t . a l . 1 9 9 1 。 h t t p : / / h o m e d i s t i l l e r . o r g 提 供 含 有 填 充 蒸 餾 塔 的 的 批 式 蒸 餾 器 設 計 的 基 本 方 法 ， 其 中 包 括 塔 高 、 塔 徑 、 H E T P （ 理 論 板 數 相 當 高 度 ） 的 計 算 方 法 ， 以 及 溫 度 、 回 流 比 等 控 制 因 素 對 酒 精 濃 度 的 影 響 。 依 據 網 路 上 使 用 者 的 迴 響 ， 該 蒸 餾 器 的 設 計 效 果 很 好 ， 但 還 缺 乏 較 嚴 密 的 研 究 報 告 。 真 空 蒸 餾 可 以 用 比 較 低 溫 蒸 餾 ， 可 以 保 留 較 多 的 香 味 成 分 ( A m e r i n e , a n d B e r g , 1 9 8 0 ) ， 但 是 設 備 較 為 昂 貴 ， 且 蒸 餾 出 的 成 分 比 與 法 國 法 規 規 定 的 不 同 ， 而 少 採 用 。 但 是 在 日 本 真 空 蒸 餾 普 遍 的 應 用 在 燒 耐 的 製 造 上 （ 黃 ， 1 9 9 8 ； 宮 田 ， 1 9 8 6 ）， 可 以 有 效 減 少 高 沸 點 雜 質 ， 其 品 質 可 為 消 費 者 接 受 。 控 制 蒸 餾 過 程 以 降 低 不 要 成 分 ， 一 直 都 是 蒸 餾 酒 工 業 的 挑 戰 ， 傳 統 蒸 餾 模 擬 分 析 大 多 以 二 成 分 分 析 法 ， 但 隨 著 電 腦 計 算 能 力 的 大 幅 發 展 ， 多 成 分 分 析 也 普 遍 的 被 採 用 ( H o l l a n d , 1 9 8 1 ) 。 電 腦 模 擬 是 近 年 來 分 析 單 元 操 作 的 一 個 工 具 ， 使 用 電 腦 模 擬 分 析 蒸 餾 製 程 的 文 獻 不 勝 枚 舉 ， 但 是 以 電 腦 模 擬 分 析 蒸 餾 酒 製 程 的 文 獻 還 並 不 多 。 G a i s e r e t . a l . ( 2 0 0 2 ) 以 商 用 軟 體 A s p e n P l u s ， 分 析 多 成 分 的 蒸 餾 製 程 ， 他 們 將 威 士 忌 酒 蒸 餾 成 分 分 成 E t h a n o l , n - p r o p a n o l , i s o - b u t a n o l , i s o a m y l a l c o h o l , a c e t a l d e h y d e 進 行 模 擬 。 並 將 結 果 與 P y k e ( 1 9 6 5 ) 的 實 驗 值 比 較 。 由 於 商 用 軟 體 的 普 遍 A s p e r n 、

C h e m C a d 、 P R O / I I 等 商 用 軟 體 已 經 大 量 被 工 業 界 與 化 工 教 學 上 採 用 。 C a r v a l h o a n d C u r t i s ( 2 0 0 0 ) 是 一 份 較 新 的 小 型 蒸 餾 器 設 計 資 料 ， 文 中 包 括 作 業 原 理 、 設 計 程 序 、 操 作 方 法 與 最 佳 化 設 計 。 蒸 餾 是 一 個 時 間 長 達 數 個 小 時 的 過 程 ， 在 操 作 上 常 有 固 定 迴 流 或 固 定 成 分 等 不 同 操 作 方 式 ， 加 熱 程 序 、 迴 流 量 控 制 常 需 依 據 程 序 執 行 。 以 電 腦 回 饋 做 定 成 分 控 制 控 制 ， 較 為 簡 單 易 行 （ 黃 ， 1 9 8 3 ； 蔡 1 9 8 4 ）。 酒 精 水 二 成 分 的 蒸 餾 過 程 因 實 驗 容 易 也 常 被 拿 來 作 為 批 式 蒸 餾 控 制 的 探 討 （ 王 ， 1 9 9 1 ； 張 1 9 9 3 ）。 酒 精 的 連 續 蒸 餾 ， 更 是 常 被 研 究 ， 在 8 0 年 代 因 能 源 危 機 後 的 衝 擊 ， 美 國 政 府 鼓 勵 農 民 以 穀 類 發 酵 ， 蒸 餾 生 產 酒 精 L a d i s h ( 1 9 7 9 ) 、 A N O N ( 1 9 8 2 ) 、 B e r g l a n d ( 1 9 8 2 ) 、 K v a a l e n ( 1 9 8 4 ) 、 W e s t b y ( 1 9 8 2 ) ， 因 而 有 許 多 酒 精 連 續 蒸 餾 相 關 的 研 究 ， 其 中 與 操 作 及 控 制 相 關 的 也 很 多 例 如 ： R e i n , e t . a l . ( 1 9 8 3 ) ; S t e p h e n s o n a n d S c h a h b a z i ( 1 9 8 3 ) , S u l l i v a n , e t . a l . ( 1 9 8 3 ) ; B a d g e r , e t . a l . ( 1 9 8 4 ) ; Q u a n d t , ( 1 9 8 8 ) 。 酒 是 一 個 成 分 很 複 雜 的 物 質 ， 酒 的 分 析 在 分 析 化 學 上 是 一 再 被 探 討 的 問 題 。 蒸 餾 酒 一 般 成 分 分 析 包 括 ： 酒 精 度 、 總 酸 、 總 酯 、 總 醛 、 雜 醇 油 等 其 分 析 方 法 大 多 依 據 A O A C 或 菸 酒 公 賣 局 的 作 業 手 冊 ( 江 ， 1 9 8 0 ) 。 以 G C 一 次 分 析 的 方 法 一 再 地 被 提 出 討 論 ( M a s a h i r o , e t a l . 1 9 8 5 ) 。 G C 作 為 蒸 餾 酒 精 細 的 成 分 分 析 不 可 或 缺 的 工 具 ， 其 前 處 理 方 法 與 分 析 能 力 ， M a c N a m a r a a n d H o f f m a n n ( 1 9 9 8 ) 曾 做 詳 盡 的 文 獻 回 顧 。 香 味 是 各 種 蒸 餾 酒 的 特 性 ， 也 是 蒸 餾 酒 研 究 最 大 的 課 題 ， 蒸 餾 酒 的 香 味 成 分 析 與 蒸 餾 程 序 的 香 味 在 P i g g g o t t a n d P a t e r s o n ( 1 9 8 8 ) 所 編 輯 的 書 上 收 有 數 十 篇 的 論 著 。 如 何 經 過 蒸 餾 保 留 更 多 的 好 成 分 是 蒸 餾 酒 蒸 餾 的 一 個 很 大 的 挑 戰 ( N o w l i n , 1 9 8 5 ) 。

四 、 研 究 方 法 本 研 究 以 工 程 分 析 為 目 的 ， 為 了 控 制 實 驗 的 再 現 性 ， 以 人 工 混 合 的 模 擬 酒 醪 為 蒸 餾 材 料 ， 分 兩 年 進 行 試 驗 研 究 ， 用 蒸 餾 酒 品 質 最 佳 化 為 目 標 ， 以 電 腦 模 擬 、 實 驗 應 證 、 機 械 製 作 、 控 制 系 統 發 展 等 程 序 ， 完 成 此 蒸 餾 器 。 蒸 餾 器 的 雛 形 為 小 型 的 低 壓 與 常 壓 兩 用 的 填 充 塔 蒸 餾 器 ， 因 為 此 型 的 蒸 餾 器 製 作 容 易 ， 而 且 可 以 設 計 調 整 與 改 變 的 控 制 條 件 多 ， 適 合 多 元 的 應 用 ， 將 來 比 較 能 符 合 農 家 需 求 。 1 . 雛 形 蒸 餾 器 設 計 利 用 文 獻 上 各 種 水 果 酒 醪 成 分 分 析 ， 擬 定 一 種 人 工 混 合 的 模 擬 酒 醪 。 依 據 此 酒 醪 的 成 分 以 現 有 文 獻 上 批 式 填 充 塔 蒸 餾 器 設 計 資 料 ， 完 成 常 壓 與 真 空 兩 用 雛 形 蒸 餾 器 設 計 。 2 . 蒸 餾 器 製 作 依 據 第 一 年 度 實 驗 模 擬 所 得 結 果 ， 完 成 一 個 1 0 0 公 斤 容 量 的 小 型 蒸 餾 器 。 此 蒸 餾 器 將 購 置 所 需 材 料 ， 於 本 系 實 習 工 廠 自 行 製 作 。 並 進 行 楊 桃 酒 醪 蒸 餾 試 驗 ， 完 成 蒸 餾 操 作 程 序 研 究 。 3 . 蒸 餾 過 程 電 腦 模 擬 運 用 C h e m C a d B a t c h D i s t i l l a t i o n 軟 體 ， 模 擬 典 型 酒 精 以 及 主 要 酸 、 酯 、 醛 、 雜 醇 油 等 多 成 分 ， 在 各 種 蒸 餾 條 件 下 的 成 分 變 化 ， 以 尋 求 一 些 品 質 最 佳 的 操 作 條 件 。 並 以 模 擬 結 果 改 良 雛 形 蒸 餾 器 設 計 。 4 . 控 制 系 統 利 用 第 一 年 度 模 擬 所 得 與 上 述 實 機 操 作 結 果 ， 完 成 以 個 人 電 腦 為 基 礎 的 控 制 系 統 ， 並 實 際 裝 置 ， 進 行 試 驗 。

五 、 結果與討論 5-1 填充塔蒸餾器理論設計 製 作 充 填 塔 時 必 須 依 原 料 的 初 始 狀 態 與 預 期 蒸 餾 液 的 濃 度 決 定 段 數 ， 再 計 算 出 塔 高 與 塔 徑 。 本 研 究 規 劃 設 計 可 蒸 餾 原 液 5 0 公 升 的 充 填 塔 ， 原 料 的 初 始 條 件 與 預 計 蒸 餾 液 濃 度 如 表 5 - 1 所 示 。 假 設 原 液 內 為 水 與 酒 精 之 二 成 份 組 成 的 溶 液 ， 容 積 5 0 公 升 的 溶 液 換 算 成 重 量 為 4 9 k g ， 但 在 設 計 分 析 中 為 了 計 算 上 的 方 便 ， 假 設 原 液 為 5 0 k g 。 表 3-1 原料的初始條件與蒸餾液預計的濃度 重量分率(﹪) 莫耳分率(﹪) 進料 F 10 4.16 餾出液 D 80 61 殘液 W 1.75 0.69 理 論 段 數 以 M c C a b e - T h i e l e 圖 解 法 （ B e n i t e z ， 2 0 0 2 ） 計 算 。 最 小 理 論 段 數 為 回 流 比 為 無 限 大 （ R = ∞ ） 時 ， 及 蒸 餾 液 全 部 回 流 到 蒸 餾 塔 頂 所 需 的 段 數 。 利 用 階 梯 作 圖 法 可 得 最 小 理 論 段 數 如 圖 5 - 1 。 因 為 在 實 際 操 作 無 法 使 每 一 段 都 達 到 完 全 平 衡 ， 因 此 將 理 論 段 數 乘 以 一 個 大 於 l 的 數 值 ， 所 得 的 段 數 稱 為 經 驗 理 論 段 數 （ N ）， 取 l = 1 . 5 得 N = 1 . 5 × N T = 4 . 5 段 。 計 算 數 據 時 ， 因 加 熱 部 可 當 成 一 段 ， 因 此 設 定 為 段 數 N = 4 段 做 計 算 。 改 變 回 流 比 R ， 可 在 汽 液 平 衡 圖 上 可 以 得 到 不 同 濃 縮 段 的 操 作 線 。 濃 縮 段 操 作 線 公 式 為 ： 1 1 D x R Y X R R = + + + ( 5 - 1 ) 將 R = 1 . 5 ~ 1 0 代 入 濃 縮 段 操 作 線 公 式 ， 可 求 的 各 回 流 比 濃 縮 操 作 線 方 程 式 的 斜 率 m 、 截 距 A 和 X W 。 表 3 - 2 為 相 同 的 蒸 餾 濃 度 在 N = 4 時 ， 不 同 回 流 比 所 能 操 作 所 能 容 許 的 最 低 原 液 濃 度 。 圖 5 - 2 及 圖 5 - 3 為 以 階 梯 做 圖 法 在 N = 4 時 ， 不 同 回 流 比 所 得 的 操 作 線 ， 由 線 上 可 以 判 斷 出 最 低 原 液 濃 度 。 W X W X

R=∞時,所需NT=3段 0 50 100 0 50 100 液相中的乙醇莫耳分率,% 氣相中的乙 醇莫耳分率 ,% 平衡曲線 斜線 XdXw兩點連線 標線1 標線2 全迴流段數 圖 5-1 R=∞時，所需的最小理論段數NT 表 5-2 N=4 時，不同回流比所得的原液濃度XW XD R 斜率 m 截距 A Xw 61 1.5 0.6 24.4 4.13(=XF) 61 2 0.666 20.33 3 61 3 0.75 15.25 2 61 4 0.8 12.2 1.6 61 6 0.857 8.71 1.2 61 10 0.909 5.54 0.6(≒XW)

0 50 100 0 50 100 液相中的乙醇莫耳分率,% 氣相中的乙醇莫耳分率 ,% 平衡曲 線 斜線 XdXw兩 點連線 標線1 標線2 全迴流 段數 r=3 r=3段數 r=1 5 圖 5-2 N=4 時，不同回流比所得的XW。 (R=1.5~4) 0 50 100 0 50 100 液相中的乙醇莫耳分率,% 氣相 中的乙醇莫耳分率 ,% 平衡曲 線 斜線 XdXw兩 點連線 標線1 標線2 全迴流 段數 r=6 圖 5-3 N=4 時，不同回流比所得的XW。 (R=6~10) 設 D 莫 耳 為 餾 出 液 的 全 量 、 W 莫 耳 為 殘 液 的 全 量 、 F 莫 耳 為 蒸 餾 初 始 的 原 液 量 。 利 用 下 列 批 次 蒸 餾 公 式 ， 可 求 的 蒸 汽 全 莫 耳 量 V 。 由 蒸 餾 的 物 質 質 量 平 衡 公 式 得 F = + ( 3 - 2 ) D W FxF =DxD+WxW ( 3 - 3 )

由 質 量 平 衡 公 式 ， 可 推 得 蒸 汽 全 莫 耳 量 V 公 式 ： 2 ( ) ( ) (1 1 F W x W D F _x D W dx V F x x ) R x x R = − − − +

∫

( 3 - 4 ) 設 定 原 液 為 5 0 k g， 則 F = 5 0 k g / M F ( 平 均 分 子 量 ) = 2 . 6 0 7 k m o l 。 利 用 以 上 公 式 ， 在 x F 到 x W 間 作 圖 積 分 ， 求 得 蒸 氣 全 莫 耳 量 為 6 8 7 . 3 4 m o l 。 填 充 塔 不 像 泡 罩 塔 可 以 明 確 的 分 出 段 數 ， 在 設 計 分 析 時 常 定 義 質 量 移 動 單 位 數 來 作 為 段 數 。 質 量 移 動 單 位 數 （ N T U ） 可 此 公 式 ( 3 - 5 ) 求 得 ：

∫

₋ = 2 1 * y y y y dy NTU ( 3 - 5 ) 其 中 ( x * , y * ) 與 ( x , y ) 兩 點 連 線 斜 率 為 −K_x K_y， 、 分 別 為 為 液 態 與 氣 態 時 總 括 質 量 傳 導 係 數 ( k m o l / h . m 2 ) 。 假 設 K x = 1 × 1 0 - 4 k m o l / s . m 2 與 K y = 1 × 1 0 - 6 k m o l / s . m 2 ， 由 此 兩 數 據 所 得 的 斜 率 約 接 近 9 0 度 ， 可 假 設 平 衡 線 上 的 ( x * , y * ) 與 濃 縮 操 作 線 的 ( x , y ) 兩 點 連 線 為 垂 直 水 平 線 。 圖 6 - 4 為 R = 1 . 5 時 ， ( x * , y * ) 與 ( x , y ) 兩 點 對 應 圖 。 由 圖 回 流 比 R = 1 . 5 時 ， 利 用 數 值 積 分 ， 所 得 的 N T U = 4 . 6 8 。 x K K_y R=1.5時,所需理論段數 0 50 100 0 50 100 液相中的乙醇莫耳分率,% 氣相中的乙醇莫耳分率 ,% 平衡曲線 斜線 XdXw兩 點連線 標線1 標線2 r=1.5 r=1.5段數 x=0.61 x=0.50 x=0.40 x=0.30 圖 5-4 R=1.5 時，(x*,y*)與(x,y)兩點對應圖

在 填 充 塔 內 每 一 個 質 量 移 動 單 位 的 高 度 稱 為 質 量 移 動 單 位 高 度 （ H T U ）。 塔 內 的 蒸 汽 全 莫 耳 量 V = 6 8 7 . 3 4 m o l， γ 為 填 充 塔 內 流 過 的 蒸 汽 莫 耳 速 度 ， ο 為 填 充 塔 內 流 過 的 液 體 莫 耳 速 度 。 把 γ 、 ο乘 上 蒸 餾 液 的 平 均 分 子 量 M d 可 求 得 v 、 l ， v 為 填 充 塔 內 流 過 的 蒸 汽 質 量 速 度 ， 流 過 填 充 塔 液 體 的 質 量 速 率 。 由 濃 縮 操 作 線 斜 率 l

(

+1

)

= =l v R R m 可 求 得 l， 所 得 的 值 如 表 5 - 3 ： 表 5-3 不同蒸餾時數蒸餾塔內的液體與汽體質量速率 蒸餾時數(h)

γ

_(kmol/h)

ο

_(kmol/h) v(kg/h) _l(kg/h) 7 0.0981 0.0892 3.4445 3.1314 8 0.0859 0.0781 3.0139 2.7399 9 0.0763 0.0694 2.6790 2.4355 10 0.0687 0.0624 2.4111 2.1919 11 0.0624 0.0568 2.1919 1.9927 12 0.0572 0.0520 2.0093 1.8266 13 0.0528 0.0480 1.8547 1.6861 14 0.0490 0.0446 1.7222 1.5657 15 0.0458 0.0416 1.6074 1.4613 (※Mf=19.167、Md=35.085，

γ

、

ο

(kmol/h)×Md= v, (kg/h))

l

利 用 充 填 塔 壓 力 損 失 公 式 L e v a 計 演 算 法 ( 河 , 1 9 9 1 ) ， 可 求 塔 斷 面 積 A ( m 2 ) 。 L e v a 公 式 如 下 ：

( )

₆

( )

/ 2

10

10

L L G

P

g

Z

β ρ

α

ρ

−

⎛

⎞

=

_⎜

_⎟

⎝

⎠

⎡⎣mmH2O m/ ⎤⎦ (5-6) α,β ： 取 決 於 充 填 物 種 類 和 大 小 的 常 數 L , g ： 單 位 時 間 通 過 塔 單 位 段 面 積 的 液 體 及 蒸 汽 的 質 量 ( k g / m 2 . h ) ρ_G,ρ_L： 液 體 及 汽 體 的 密 度 ( k g / m 3 ) 把 L = A l _{、g =} v A代入(3-6)，可變成：

( )

₆

( )

/ 2 2

10

10

A L G

P

v

Z

A

β ρ

α

ρ

−

⎛

⎞

=

_⎜

_⎟

⎝

⎠

l (5-7) 假 設 R a s c h i g 環 ( 陶 瓷 ) 為 1 / 2 吋 時 ,α= 1 4 . 9 5 、 β = 0 . 0 2 3 6 ， 設 定 每 公 尺 容 許 壓 力 降 為 4 0 m m H g ， 已 知 ρL= 1 0 0 0 k g / m 3 、 G ρ _{= 0 . 7 3 4 k g / m 3，蒸 餾 時 間 為 十 小 時，v = 2 . 4 1 1 k g / h、l= 2 . 1 9 2} k g / h 。 令 K = P Z _{、 U =}

( )

_{、 Y =} 6 10 α − L β ρl_{、 T =} 2 G v ρ _{， 公 式 ( 3 - 7 ) 變 成 ：} 2

10

Y A

KA

UT

=

_{( 5 - 8 )} 再 令 K h UT = ， 公 式 ( 3 - 9 ) 變 成 ： log hA2 =YA−1 ( 5 - 9 ) 利 用 圖 解 法 ( 令 y 1 =log hA2、 y 2 =YA−1_{兩 線 的 交 點 為 所 求 的 A ) ，} 可 求 得 塔 斷 面 積 A ， 蒸 餾 時 間 1 0 小 時 ， 所 求 的 塔 斷 面 積 A = 0 . 0 0 1 7 8 m 2 。 利 用 上 面 的 方 法 ， 可 求 不 同 蒸 餾 時 數 的 填 充 塔 斷 面 積 A 與 塔 徑 d ( 如 表 3 - 6 ) 。 因 為 所 求 出 的 塔 斷 面 積 A 為 填 充 塔 理 論 上 所 需 的 最 小 塔 斷 面 積 ， 但 實 際 設 計 時 ， 不 需 要 使 用 最 小 理 論 上 的 塔 斷 面 積 A 。 所 以 我 假 設 A 乘 1 0 0 倍 ， 而 填 充 塔 徑 d 相 對 會 大 1 0 倍 ， 依 此 數 據 繼 續 計 算 結 果 。 填 充 塔 理 論 高 度 Z ， 可 由 下 列 公 式 導 出 ： 2 1 * y y y

G

dy

z

K a

y

y

=

−

∫

( 5 - 1 0 ) G ： 單 位 時 間 通 過 塔 單 位 段 面 積 的 蒸 汽 莫 耳 量 ( k m o l / h . m 2 )

K y ： 汽 態 時 總 括 物 質 移 動 係 數 ( k m o l / h . m 2 ) a ： 單 位 充 填 容 積 的 接 觸 面 積 ( m 2 / m 3 ) 假 設 a = 7 7 0 m 2 / m 3 、 K y = 0 . 0 0 3 6 k m o l / h . m 2 ， 而 G=γ A ( k m o l / h . m 2 ) ， 代 入 公 式 ( 5 - 1 0 ) ， 可 求 填 充 塔 理 論 高 度 Z 。 所 求 的 填 充 塔 理 論 高 度 Z 結 果 如 表 5 - 5 。 因 銅 製 浪 形 金 屬 片 較 易 取 得 ， 填 充 物 更 改 為 使 用 此 金 屬 片 ， 並 根 據 上 述 的 計 算 結 果 為 基 準 設 計 ， 設 計 小 型 填 充 式 蒸 餾 塔 。 表 5-4 不同蒸餾時數的塔斷面積 A 與塔徑 d 蒸餾時數(h) A(m2 ) d(m) A(m2 )*100 d(m)*10 7 0.00255 0.05696 0.255 0.5696 8 0.00222 0.05320 0.222 0.5320 9 0.00198 0.05019 0.198 0.5019 10 0.00178 0.04759 0.178 0.4759 11 0.00162 0.04540 0.162 0.4540 12 0.00148 0.04339 0.148 0.4339 13 0.00137 0.0417 0.137 0.4175 14 0.00127 0.04019 0.127 0.4019 15 0.00119 0.03891 0.119 0.3891 表 5-5 不同蒸餾時數之理論高度 (h) G(kmol/h.m2 ) a(m2 /m3

) Ky(kmol/h.m2) HTU(m) NTU 理論高度 Z(m)

7 0.3850 770 0.0036 0.1389 4.68 0.6501 8 0.3861 770 0.0036 0.1393 4.68 0.6519 9 0.3857 770 0.0036 0.1391 4.68 0.6512 10 0.3861 770 0.0036 0.1393 4.68 0.6519 11 0.3857 770 0.0036 0.1391 4.68 0.6512 12 0.3870 770 0.0036 0.1396 4.68 0.6534 13 0.3859 770 0.0036 0.1392 4.68 0.6515 14 0.3865 770 0.0036 0.1394 4.68 0.6526 15 0.3850 770 0.0036 0.1389 4.68 0.6501

5-2 製酒用批次蒸餾器構造 本 計 畫 所 設 計 的 製 酒 用 批 次 蒸 餾 器 構 造 說 明 。 蒸 餾 塔 的 設 計 根 據 上 述 我 們 所 推 算 出 的 蒸 餾 塔 的 塔 高 、 塔 徑 與 理 論 段 數 為 基 準 參 數 ， 設 計 出 適 合 酒 類 蒸 餾 的 批 次 蒸 餾 器 。 圖 5 - 5 為 製 酒 用 小 型 批 次 蒸 餾 器 的 示 意 圖 。 本 蒸 餾 塔 可 進 行 常 壓 或 減 壓 蒸 餾 ， 蒸 餾 塔 的 段 數 為 4 段 ( 包 含 加 熱 槽 ) 。 蒸 餾 塔 形 式 為 填 充 塔 ， 充 填 物 為 波 浪 形 銅 板 ， 並 可 依 蒸 餾 需 要 進 行 調 整 填 充 高 度 與 數 量。加 熱 裝 置 為 為 電 熱 器，共 有 3 k W 功 率 。 充 填 塔 各 段 具 有 保 溫 層 。 有 兩 個 水 冷 式 冷 凝 器 ， 可 加 強 蒸 餾 液 的 冷 凝 效 果 ， 圖 5 - 6 為 本 蒸 餾 器 的 正 視 與 側 視 照 片。 TE＝熱電組感溫棒 PI ＝壓力表 圖 5-5 製酒用小型批次蒸餾器示意圖

側面 正面 圖 5-6 製酒用小型批次減壓蒸餾器 此 製 酒 用 小 型 批 次 減 壓 蒸 餾 器 的 長 寬 高 為 9 5 × 6 0 × 1 8 5 c m ， 蒸 餾 塔 高 為 1 3 2 c m 。 加 熱 槽 總 容 量 為 5 0 公 升 。 加 熱 槽 正 面 左 上 角 ， 有 一 個 壓 力 表 ， 可 顯 示 蒸 餾 塔 內 部 壓 力 值 。 在 加 熱 槽 正 面 右 上 角 ， 有 一 進 料 閥 ， 進 料 由 此 填 入 加 熱 槽 。 正 面 中 央 具 有 一 個 俯 視 及 一 個 前 視 的 圓 形 窗 口 ， 可 觀 察 加 熱 槽 內 狀 態 。 背 面 具 有 壓 力 安 全 閥 ， 當 加 熱 槽 內 部 壓 力 過 大 時 ， 蒸 汽 會 從 此 噴 出 降 壓 。 加 熱 裝 置 為 電 熱 器 ， 由 3 隻 電 熱 管 組 成 ， 每 支 電 功 率 為 1 k W 。 塔 底 有 閥 門 開 關 ， 可 讓 蒸 餾 後 殘 液 排 出 。 加 熱 槽 有 一 個 熱 電 阻 ( R T D , P T 1 0 0 Ω ) 感 溫 棒 ， 可 顯 示 加 熱 槽 溫 度 狀 態 。 圖 5 - 7 為 塔 底 加 熱 槽 構 造 圖 。

圖 5-7 塔底加熱槽構造圖 圖 5 - 8 為 填 充 塔 的 外 觀 圖 。 填 充 塔 是 提 供 塔 內 汽 - 液 平 衡 的 場 所 ， 圖 5 - 9 為 填 充 塔 內 部 構 造 圖 。 填 充 塔 共 有 三 段 要 填 入 填 充 物 ， 每 段 1 3 c m 高 、 直 徑 為 2 5 c m ， 現 階 段 以 銅 製 浪 形 金 屬 片 為 填 充 物 ( 如 圖 5 - 1 0 )， 可 依 蒸 餾 需 要 選 擇 不 同 的 填 充 物 。 填 充 塔 各 段 具 有 內 外 層 ， 中 間 通 溫 水 保 溫 ， 減 低 塔 壁 熱 損 失 。 塔 頂 有 回 流 閥 ， 進 行 回 流 。 填 充 塔 的 各 段 皆 有 一 隻 熱 電 阻 感 溫 棒 ， 可 顯 示 各 段 溫 度 。 冷 凝 器 如 圖 5 - 1 1 是 由 兩 個 高 9 5 c m 、 直 徑 1 4 c m 的 直 立 水 冷 式 冷 凝 器 組 成 。 蒸 餾 塔 塔 頂 的 沸 騰 蒸 汽 流 入 第 一 個 冷 凝 器 進 行 凝 結 成 液 體 ， 通 過 第 一 個 冷 凝 器 未 凝 結 的 蒸 汽 流 到 第 二 個 冷 凝 器 再 冷 凝 。 第 二 個 冷 凝 器 頂 部 有 閥 門 開 關 ， 連 接 管 線 到 真 空 泵 ， 可 進 行 減 壓 蒸 餾 。 蒸 餾 液 出 口 在 冷 凝 器 底 部 ， 出 口 有 一 個 溫 度 計 ， 可 顯 示 出 料 溫 度 。

圖 5-8 填充塔外觀圖

圖 5-9 填充塔內部

圖 5-11 冷凝器構造圖 填 充 塔 各 段 與 加 熱 槽 各 設 有 一 隻 熱 電 阻 感 溫 棒 測 量 蒸 餾 塔 內 溫 度 ， 因 熱 電 阻 感 溫 棒 是 傳 出 電 阻 訊 號 顯 示 出 溫 度 變 化 ， 所 以 須 設 計 一 個 電 路 ( 如 圖 5 - 1 2 ) 使 電 阻 變 化 轉 成 電 壓 訊 號 。 圖 5 - 1 3 為 溫 度 監 控 與 加 熱 控 制 流 程 圖 ， 使 用 N I - P C I - 6 0 3 6 E 訊 號 擷 取 卡 量 測 電 路 傳 出 的 電 壓 訊 號 傳 入 電 腦 ， 再 利 用 L a b v i e w 7 . 0 設 計 出 溫 度 監 測 與 P I D 加 熱 控 制 器 程 式 與 人 機 介 面 ( 如 圖 5 - 1 4 )，來 顯 示 各 段 與 加 熱 槽 溫 度。P I D 控 制 模 組 會 根 據 塔 頂 溫 度 來 改 變 輸 出 電 壓 ， 進 而 控 制 加 熱 裝 置 。

圖 5-12 電阻變化訊號轉電壓訊號電路圖

熱電阻感溫棒

電熱器

SSR

PID溫度監測

與加熱控制器

Labveiw7.0

DAQ卡

(NI-PCI-6036E)

自製電路

(電阻轉電壓訊號)

傳送電壓 輸出電壓 圖 5-13 溫度監測與加熱控制流程圖

圖 5-14 PID 溫度監測與加熱控制器人機介面 5-3 實驗結果與討論 蒸 餾 實 驗 結 果 以 蒸 餾 過 程 溫 度 、 濃 度 、 及 平 均 蒸 餾 速 度 等 方 面 來 探 討 ， 並 討 論 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 與 塔 頂 溫 度 的 關 係 。 5-3-1 蒸餾過程溫度變化 蒸 餾 開 始 後 ， 每 五 分 鐘 記 錄 一 次 塔 頂 溫 度 與 加 熱 槽 溫 度 。 圖 5 - 1 5 為 實 驗 一 ， 蒸 餾 塔 的 蒸 餾 過 程 溫 度 變 化 。 圖 5 - 1 6 為 實 驗 二 ， 蒸 餾 塔 的 蒸 餾 過 程 溫 度 變 化 。 當 冷 擬 器 出 口 開 始 流 出 蒸 餾 液 時 ， 每 次 收 集 蒸 餾 液 2 0 0 c . c ， 實 驗 一 總 共 收 集 2 5 次 。 因 蒸 餾 到 快 結 束 時 ， 蒸 餾 液 餾 出 速 度 較 快 ， 但 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 較 低 ， 故 收 集 量 增 多 ， 因 此 第 2 3 與 2 4 次 收 集 5 0 0 c . c。 蒸 餾 過 程 的 塔 頂 溫 度 、 加 熱 槽 溫 度 與 出 口 溫 度 如 圖 5 - 1 5 。 實 驗 二 總 共 收 集 2 8 次 ， 每 次 2 0 0 c . c 。 並 記 錄 每 次 收 集 蒸 餾 液 蒸 餾 過 程 的 塔 頂 溫 度 、 加 熱 槽 溫 度 與 出 口 溫 度 如 圖 5 - 1 6。 收 集 點 是 表 示 在 蒸 餾 過 程 的 溫 度 變 化 中 ， 記 錄 每 次 收 集 剛 開 始 時 之 塔 頂 溫 度 、 加 槽 溫 度 ， 並 同 時 記 錄 蒸 餾 液 出 口 溫 度 。 實 驗 一 在 蒸 餾 1 5 2 分 後 ， 開 始 有 蒸 餾 液 流 出 ， 當 時 塔 頂 溫 度 為 7 0 ℃ 。 實 驗 二 在 蒸 餾 9 5 分

後 ， 開 始 有 蒸 餾 液 流 出 ， 當 時 塔 頂 溫 度 為 7 1 ℃ 。 剛 開 始 蒸 餾 液 的 餾 出 速 度 非 常 慢 ， 當 塔 頂 溫 度 到 達 8 5 ℃ 之 後 ， 蒸 餾 液 餾 出 速 度 較 快 許 多 。 而 後 蒸 餾 速 度 會 隨 著 塔 頂 溫 度 增 加 而 加 快 。 而 在 蒸 餾 器 升 溫 過 程 中 ， 蒸 餾 剛 開 始 加 熱 槽 的 升 溫 速 度 較 快 ， 當 加 熱 槽 溫 度 到 達 6 5 度 以 上 時 ， 塔 頂 溫 度 才 可 始 增 加 。 但 塔 頂 溫 度 到 達 9 2 ℃ 後 ， 就 維 持 此 溫 度 ， 等 到 塔 頂 溫 度 到 達 相 同 溫 度 後 ， 溫 度 就 一 起 上 升 到 蒸 餾 結 束 。 在 蒸 餾 過 程 中 ， 蒸 氣 經 過 冷 凝 器 冷 凝 成 蒸 餾 液 ， 蒸 餾 液 出 口 溫 度 都 維 持 一 定 。 在 下 面 幾 節 顯 示 的 圖 表 ， 其 時 間 座 標 是 以 扣 除 掉 預 熱 時 間 為 原 點 。 即 當 蒸 餾 液 開 始 餾 出 時 為 時 間 起 點 表 示 。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 600 時間(min) 溫度 ( 0 C) T1(塔頂) T2(塔底) 出口溫度 收集點 收集點 165分到達800C 設定800 C 152 分酒精開始流出 維持21℃ 圖 5-15 蒸餾過程的溫度變化(實驗一)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 600 時間(min) 溫度 ( 0 C) T1(塔頂) T2(塔底) 出口溫度 收集點 收集點 設定800 C 125分到達800C 95 分酒精開始流出 維持23℃ 圖 5-16 蒸餾過程的溫度變化(實驗二) 5-3-2 蒸餾液濃度變化 所 收 集 的 蒸 餾 液 ， 利 用 酒 精 比 重 計 測 量 出 所 收 集 的 比 重 ， 經 過 換 算 求 出 每 次 收 集 的 蒸 餾 液 之 重 量 分 率 ( w / w ) 與 容 積 分 率 ( v / v ) 。 圖 5 - 1 7 為 兩 次 實 驗 ， 蒸 餾 液 的 濃 度 變 化 。 每 次 實 驗 總 蒸 餾 出 5 . 6 公 升 的 蒸 餾 液 ， 一 般 酒 類 蒸 餾 在 回 收 產 量 時 ， 會 去 除 掉 含 較 多 微 量 成 份 的 酒 頭 ， 與 酒 精 濃 度 較 低 的 酒 尾 。 當 酒 精 濃 度 7 0 ﹪ w / w 時 開 始 回 收 ， 在 酒 精 濃 度 低 於 2 0 ﹪ w / w 時 停 止 ， 依 照 此 收 集 蒸 餾 液 範 圍 ， 每 次 實 驗 約 可 收 集 4 公 升 左 右 的 產 量 。 由 圖 5 - 1 7 中 ， 其 濃 度 曲 線 得 起 伏 ， 與 塔 頂 溫 度 、 平 均 蒸 餾 速 度 有 關 。 酒 精 濃 度 與 塔 底 溫 度 成 反 比 ， 而 與 平 均 蒸 餾 速 度 也 成 反 比 。 當 濃 度 降 低 時 ， 代 表 塔 頂 溫 度 提 高 、 平 均 蒸 餾 速 度 增 加 。 當 濃 度 維 持 固 定 時 ， 代 表 塔 頂 溫 度 及 平 均 蒸 餾 速 度 維 持 一 定 。 當 濃 度 增 加 時 ， 代 表 塔 頂 溫 度 降 低 、 平 均 蒸 餾 速 度 變 慢 。 把 蒸 餾 液 的 酒 精 濃 度 ( v / v ) 換 算 出 酒 精 所 佔 的 容 積 ， 實 驗 一 蒸 餾 總 共 收 得 2 2 1 5 c . c ， 累 積 酒 精 收 率 接 近 9 0 ﹪ 。 實 驗 二 蒸 餾 總 共 收 得 2 1 6 6 c . c ， 累 積 酒 精 收 率 接 近 8 7 ﹪ 。 圖 4 - 4 為 兩 次 實 驗 ， 累 積 的 酒 精 收 率 的 變 化 圖 。 這 兩 次 實 驗 ， 累 積 的 酒 精 收 率 變 化 很 相 似 ， 只 有 每 次 收 集 所 花 的 蒸 餾 時 間 差 異 較 大 。 兩 次 實 驗 都 在 收 集 第 8 次 時 ， 達 到 累 積 的 酒 精 收 率 5 0 ﹪ 以 上 。

0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 100 200 300 400 500 總蒸餾時間(min) 濃度 (%)

實驗一

(v/v)

實驗一

(w/w)

實驗二

(v/v)

實驗二

(w/w)

圖 5-17 蒸餾液的濃度變化 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 200 400 600 時間(min) 累積酒精收率﹪ 實驗一 實驗二 圖 5-18 累積酒精收率的變化圖

5 - 3 - 3 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 與 塔 頂 溫 度 的 關 係 從 蒸 餾 液 的 酒 精 濃 度 與 蒸 餾 塔 塔 頂 溫 度 的 關 係 圖 ( 如 圖 5 - 1 9 ) ， 可 看 出 兩 種 參 數 之 間 的 關 係 。 兩 次 實 驗 結 果 ， 酒 精 濃 度 與 塔 頂 溫 度 的 關 係 非 常 一 致 。 當 塔 頂 溫 度 到 達 8 0 ℃ 以 上 時 ， 冷 凝 器 出 口 開 始 流 出 濃 度 較 高 的 蒸 餾 液 ， 隨 著 塔 頂 溫 度 增 加 ， 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 慢 慢 下 降 。 當 塔 頂 溫 度 到 達 9 5 ℃ 以 上 時 ， 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 低 於 4 0 ﹪ v / v 以 下 。 當 塔 頂 溫 度 到 達 9 7 ℃ 以 上 時 ， 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 低 於 2 0 ﹪ v / v 以 下 。 而 塔 頂 溫 度 到 達 9 9 ℃ 時 ， 表 示 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 已 經 在 1 0 ﹪ 以 下 ， 可 以 停 止 蒸 餾 。 可 以 從 塔 頂 溫 度 與 濃 度 的 關 係 ， 推 斷 是 否 要 進 行 回 流 量 控 制 。 建 議 當 塔 頂 溫 度 到 達 9 5 ℃ 時 ， 蒸 餾 塔 開 始 回 流 。 到 達 9 7 ℃ 時 ， 可 以 加 大 回 流 量 。 當 塔 頂 溫 度 到 達 9 9 ℃ 以 上 時 ， 代 表 蒸 餾 可 以 停 止 。 5 - 3 - 4 平 均 蒸 餾 速 度 的 變 化 把 每 次 蒸 餾 量 除 以 所 花 的 蒸 餾 時 間 所 得 為 平 均 蒸 餾 速 度 。 圖 5 - 1 9 為 兩 次 實 驗 ， 平 均 蒸 餾 速 度 的 變 化 。 從 圖 中 可 以 看 出 ， 蒸 餾 液 剛 開 始 餾 出 時 ， 平 均 蒸 餾 速 度 較 低 。 蒸 餾 中 段 ， 平 均 蒸 餾 速 度 增 加 。 蒸 餾 後 段 ， 平 均 蒸 餾 速 度 提 高 很 多 。 因 為 蒸 餾 到 後 段 ， 蒸 餾 液 大 部 份 都 是 水 ， 且 塔 頂 溫 度 高 ， 所 以 蒸 餾 速 度 加 快 。 在 圖 4 - 6 中 ， 可 看 到 平 均 蒸 餾 速 度 的 曲 線 有 上 下 起 伏 的 變 化 ， 這 是 因 為 當 調 整 提 高 塔 頂 設 定 溫 度 時 ， 控 制 電 熱 器 加 熱 ， 塔 頂 溫 度 增 加 ， 而 平 均 蒸 餾 速 度 增 加 ， 相 對 的 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 也 會 降 低 。 當 塔 頂 溫 度 到 達 設 定 溫 度 時 ， 電 熱 器 延 緩 加 熱 ， 塔 頂 溫 度 為 維 持 一 定 ， 而 平 均 蒸 餾 速 度 會 隨 著 時 間 增 加 而 降 低 速 度 ， 但 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 會 維 持 一 定 。 而 實 驗 二 的 平 均 蒸 餾 速 度 曲 線 較 實 驗 一 平 滑 ， 但 平 均 蒸 餾 速 度 在 蒸 餾 過 程 前 中 段 較 實 驗 一 低 。 由 實 驗 結 果 ， 可 看 出 實 驗 二 所 花 的 蒸 餾 時 間 較 多 ， 因 為 實 驗 二 是 當 到 達 塔 頂 溫 度 ， 一 定 要 維 持 固 定 時 間 。 當 塔 頂 溫 度 在 7 1 ~ 8 5 ℃ 之 間 溫 度 時 ， 因 這 段 區 段 蒸 餾 液 平 均 蒸 餾 速 度 原 本 就 不 快 ， 蒸 餾 液 的 餾 出 量 還 不 到 1 5 0 C . C ， 卻 花 較 多 時 間 。 而 實 驗 一 剛 開 始 時 就 設 定 塔 頂 溫 度 要 到 8 0 ℃ ， 直 接 加 熱 到 塔 頂 8 0 ℃ ， 且 不 用 等 待 一 段 時 間 後 才 調 整 溫 度 ， 所 以 蒸 餾 時 間 會 較 少 。

0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 濃度(v/v,%) 塔 頂 溫 度 (0C) 實驗一 實驗二 圖 5-19 塔頂溫度與蒸餾液濃度的關係圖 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 400 600 時間(min) 平均蒸餾速度 (ml/mim) 實驗一 實驗二 圖 5-20 平均蒸餾速度的變化

5-1 模凝結果與討論 本 節 介 紹 利 用 C h e m c a d 5 . 3 . 1 進 行 批 次 蒸 餾 模 擬 ， 模 擬 蒸 餾 酒 酒 醪 中 的 成 份，並 進 行 蒸 餾 模 擬。根 據 M . G a i s e r ( 2 0 0 2 ) 等 人 ， 發 表 的 軟 體 模 擬 於 連 續 蒸 餾 威 士 忌 酒 ， 所 提 供 的 威 士 忌 酒 醪 成 份 ( W h i t b y , B . R . , 1 9 9 2 ) ， 在 加 上 一 些 酒 中 常 見 的 構 成 香 味 之 化 合 物 ， 與 微 量 的 有 害 物 ( 例 ： 甲 醇 ) 。 目 的 是 完 整 模 擬 酒 中 微 量 成 份 的 變 化 ， 利 用 蒸 餾 除 去 釀 造 過 程 中 ， 低 沸 點 的 甲 醇 與 高 沸 點 的 雜 醇 油 等 不 好 的 有 機 物 ， 並 探 討 不 同 蒸 餾 操 作 方 式 如 回 流 控 制 與 減 壓 蒸 餾 的 影 響 。 5-1 模凝酒蒸餾 利 用 C h e m c a d 5 . 3 . 1 軟 體 模 擬 酒 蒸 餾 ， 以 威 士 忌 酒 中 成 份 為 主 。 設 定 酒 醪 成 份 ， 假 設 酒 醪 成 份 裡 ， 乙 醇 占 1 0 ﹪ w / w 、 構 成 香 氣 的 微 量 成 份 約 占 0 . 2 0 4 ﹪ 和 0 . 0 1 ﹪ 的 甲 醇 。 表 5 - 1 為 模 擬 酒 醪 成 份 。 表 5-6 設定的模擬酒醪成份與濃度 Name Concentration. ﹪w/w Water 89.786 Ethanol 10 Acetaldehyde 0.001 N-Propanol 0.05 Methanol 0.01 3-Mth-1-Butanol 0.1 Isobutanol 0.05 Acetic Acid 0.001 Ethyl Acetate 0.001 Phenol 0.001 5-4-2 模擬蒸餾設備 圖 5 - 2 1 為 C h e m c a d 5 . 3 所 繪 出 批 次 蒸 餾 塔 模 擬 設 計 圖 。 由 蒸 餾 塔 、 冷 凝 器 、 時 間 分 配 器 及 收 集 罐 所 構 成 。

圖 5-21 批次蒸餾設備流程圖 5-4-3 蒸餾參數設定 此 模 擬 蒸 餾 塔 假 設 為 穩 態 ， 在 產 量 回 收 前 進 行 全 回 流 。 使 用 S i m u l t a n e o u s C o r r e c t i o n 方 法 進 行 模 擬 。 C h e m c a d 5 . 3 . 1 可 預 估 所 適 合 的 熱 力 學 模 式 ， K - v a l u e m o d e l 表 示 有 關 蒸 餾 的 汽 - 液 相 之 汽 液 平 衡 ( V a p o r l i q u i d e q u i l i b r i u m , V L E ) 關 係 ， 只 要 輸 入 蒸 餾 過 程 中 ， 溫 度 與 壓 力 改 變 的 範 圍 就 可 預 測 出 所 需 得 K - v a l u e m o d e l 。 溫 度 範 圍 0 ~ 1 0 0 ℃ 、 壓 力 0 ~ 3 b a r ， 所 預 估 的 K - v a l u e m o d e l 為 N R T L 。 N R T L ( N o n R a n d o m T w o L i q u i d ) 公 式 為 酒 類 常 用 的 氣 液 平 衡 的 方 程 式 ， N R T L 使 用 三 個 B i n a r y i n t e r a c t i o n p a r a m e t e r s ( B I P s ) ， C h e m c a d 5 . 3 . 1 可 計 算 各 成 份 相 互 的 B I P s 的 值 。 接 下 來 設 定 蒸 餾 所 需 的 參 數 設 定 ： 酒 醪 供 給 溫 度 T = 2 5 ℃ 。 酒 醪 原 液 量 5 0 公 升 。 理 論 段 數 5 段 ( 在 軟 體 模 擬 裡 ， 加 熱 槽 與 冷 凝 器 各 算 一 段 ) 。 冷 凝 器 型 式 為 全 部 冷 凝 型 。 設 定 蒸 餾 時 間 ， 假 設 蒸 餾 流 出 液 中 酒 精 濃 度 降 低 到 1 ﹪ 為 止 。 當 開 始 回 收 產 量 時 ， 可 以 控 制 回 流 比 來 增 加 蒸 餾 液 的 酒 精 濃 度 。 回 流 比 控 制 可 分 為 固 定 回 流 比 與 可 變 回 流 比 兩 種 方 式 。 固 定 回 流 比 是 將 回 流 比 R 分 別 設 定 為 1、 1 . 5 和 2， 進 行 模 擬 。 比 較 不 同 的 固 定 回 流 比 與 可 變 回 流 比 對 整 個 生 產 周 期 內 各 種 變 數 動 態 的 影 響 。 設 定 壓 力 為 1 0 0 m m H g ( = 0 . 1 3 3 2 2 5 b a r ) 的 減 壓 蒸 餾 ， 即 蒸

餾 管 線 內 壓 力 設 定 在 1 大 氣 壓 ( = 7 6 0 m m H g = 1 . 0 1 3 2 5 b a r ) 以 下 之 蒸 餾 壓 力 。 利 用 真 空 泵 進 行 減 壓 操 作 ， 而 C h e m c a d 5 . 3 . 1 上 只 要 設 定 冷 凝 器 壓 力 ( C o n d p r e s s u r e ) 就 可 模 擬 減 壓 蒸 餾 。 另 外 ， 再 進 行 R = 2 時 的 7 6 0 m m H g 常 壓 與 3 0 0 m m H g 減 壓 蒸 餾 ， 與 1 0 0 m m H g 減 壓 蒸 餾 進 行 比 較 。 有 關 蒸 餾 產 量 的 控 制 ， 設 定 蒸 餾 液 出 料 質 量 速 率 ( D i s t m a s s r a t e ) 為 5 k g / h ， 其 電 熱 器 ( o r 再 沸 器 ) 加 熱 功 率 會 隨 所 要 求 的 出 料 質 量 速 率 改 變 ， 是 屬 於 非 固 定 加 熱 量 的 操 作 。 另 外 ， 再 進 行 R = 2 的 常 壓 蒸 餾 ， 以 固 定 加 熱 量 操 作 ， 設 定 電 熱 器 功 率 ( R e b o i l e d u t y ) 為 5 k W ， 模 擬 結 果 與 非 固 定 加 熱 量 做 比 較 ， 探 討 固 定 加 熱 量 與 非 固 定 加 熱 量 之 差 異 。 其 他 未 設 定 的 蒸 餾 參 數 ， 例 如 冷 凝 器 壓 力 降 （ C o n d e n s e r p r e s s u r e d r o p ）、 蒸 餾 塔 壓 力 降 （ C o l u m n p r e s s u r e d r o p ）、 及 冷 凝 水 溫 度 等 參 數 。 C h e m c a d 5 . 3 . 1 會 自 行 推 算 這 些 參 數 進 行 模 擬 ， 且 有 些 參 數 可 以 忽 略 ( 例 ： H o l d u p ) 。 5-4 模擬結果 C h e m c a d 5 . 3 . 1 模 凝 結 果 以 不 同 回 流 比 、 蒸 餾 壓 力 及 加 熱 量 控 制 等 三 方 面 進 行 討 論 。 比 較 不 同 操 作 參 數 對 蒸 餾 液 餾 出 物 成 份 濃 度 之 影 響 。 5 - 4 - 1 不 同 回 流 比 對 蒸 餾 液 濃 度 影 響 當 開 始 回 收 產 量 時 ， 回 流 比 R 設 定 為 1 、 1 . 5 和 2 ， 進 行 1 0 0 m m H g 減 壓 蒸 餾 模 擬 。 圖 5 - 2 為 回 流 比 R = 1 ~ 2 ， 乙 醇 ( E t h a n o l ) 成 份 濃 度 變 化 。 由 圖 中 可 以 看 出 回 流 比 R = 2 時 ， 乙 醇 ( E t h a n o l ) 酒 精 濃 度 最 高 可 到 達 約 8 5 ﹪ ， 較 R = 1 時 高 5 ﹪ ， 所 以 回 流 比 R 越 高 ， 乙 醇 可 達 到 的 濃 度 越 高 。 且 維 持 高 醇 度 的 時 間 越 長 。 在 圖 5 - 2 2 裡 ， 不 能 觀 察 蒸 餾 酒 中 的 成 份 變 化 。 欲 觀 察 微 量 成 份 的 變 化 ， 我 們 對 Y 軸 ( M a s s f r a c t i o n s ) 取 l o g ， 可 看 出 微 量 成 份 的 變 化 ( 圖 5 - 2 3 ~ 5 - 2 5 ) 。 由 圖 中 ， 可 觀 察 蒸 餾 酒 中 微 量 成 份 的 變 化 。 E t h y l A c e t a t e 與 A c e t a l d e h y d e 最 先 被 蒸 餾 出 來 ， 但 在 蒸 餾 中 段 含 量 極 低 。 N - P r o p a n o l 、 3 - M t h - 1 - B u t a n o l 及 I s o b u t a n o l 等 高 級 醇 ， 在 蒸 餾 中 段 時 被 蒸 餾 出 來 。 A c e t i c A c i d 及 P h e n o l 蒸 餾 出 來 的 含 量 最 低 ， 較 不 易 揮 發 ， 在 蒸 餾 後 段 含 量 才 稍 微 加 。 M e t h a n o l 在 蒸 餾 剛 開 始 含 量 較 高 ， 之 後 含 量 下 降 。

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 Time(hr) Mass fractions R=2 R=1.5 R=1 圖 5-22 回流比 R=1~2，乙醇(Ethanol)成份濃度變化 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Time(hr) M ass F ra ctions Acetaldehyde N-Propanol Methanol 3-Mth-1-Butanol Isobutanol Acetic Acid Ethyl Acetate Phenol 圖 5-23 回流比 R=1，蒸餾液各成份的濃度變化(對 Y 軸取 log)

0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Time(hr) M ass F ra ctions Acetaldehyde N-Propanol Methanol 3-Mth-1-Butanol Isobutanol Acetic Acid Ethyl Acetate Phenol 圖 5-24 回流比 R=1.5，蒸餾液各成份的濃度變化(對 Y 軸取 log) 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time(hr) M ass F ra ct io ns Acetaldehyde N-Propanol Methanol 3-Mth-1-Butanol Isobutanol Acetic Acid Ethyl Acetate Phenol 圖 5-25 回流比 R=2，蒸餾液各成份的濃度變化(對 Y 軸取 log)

另 外 ， 由 圖 5 - 2 6 ~ 5 - 2 8 中 ， 可 以 觀 察 不 同 回 流 比 對 蒸 餾 液 中 微 量 成 份 的 影 響 。 E t h y l A c e t a t e 忽 略 不 看 ， 因 為 E t h y l A c e t a t e 只 有 在 蒸 餾 初 期 含 量 較 大 。 當 回 流 比 越 高 ， 高 級 醇 濃 度 也 越 高 ， 尤 其 以 3 - M t h - 1 - B u t a n o l 影 響 最 大 。 但 回 流 比 越 高 對 其 他 微 量 成 份 濃 度 影 響 不 大 。 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac ti on s 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol Acetaldehyde 圖 5-26 回流比 R=1，蒸餾液裡微量成份的濃度變化 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M as s f ra ctio n s 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol Acetaldehyde 圖 5-27 回流比 R=1.5，蒸餾液裡微量成份的濃度變化

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M as s fr ac ti ons 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol 圖 5-28 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化 5 - 4 - 2 可 變 回 流 比 對 蒸 餾 液 的 影 響 探 討 可 變 回 流 比 對 蒸 餾 液 酒 精 濃 度 的 影 響 。 操 作 條 件 為 ： 設 定 蒸 餾 液 出 料 質 量 速 率 ( D i s t m a s s r a t e ) 為 3 k g / h 。 蒸 餾 時 間 為 3 . 5 小 時 ， 蒸 餾 剛 開 始 回 流 比 R = 1 ， 前 一 個 半 小 時 中 ， 每 半 小 時 回 流 比 R 增 加 0 . 5 。 後 兩 個 小 時 ， 每 一 小 時 回 流 比 R 增 加 1 。 忽 視 為 其 他 的 微 量 成 份 的 變 化 ， 討 論 可 變 回 流 比 對 酒 精 濃 度 的 變 化 ， 並 與 固 定 回 流 比 R = 1 蒸 餾 操 作 做 比 較 。 由 圖 5 - 2 9 ~ 5 - 3 0 中 ， 可 發 現 可 變 回 流 比 ， 在 酒 精 濃 度 6 0 ﹪ 以 上 的 時 間 約 為 1 . 8 小 時 ， 而 固 定 回 流 比 酒 精 濃 度 6 0 ﹪ 以 上 的 時 間 約 為 1 . 3 小 時 ， 由 此 可 知 ， 經 由 調 整 回 流 比 可 維 持 較 高 的 酒 精 濃 度 ， 如 果 我 們 固 定 收 集 前 2 小 時 的 蒸 餾 酒 ， 可 變 回 流 比 會 比 固 定 回 流 比 收 得 酒 精 濃 度 較 高 的 蒸 餾 酒 。 5-4-3 不同壓力對蒸餾液的影響 探 討 不 同 壓 力 的 蒸 餾 對 蒸 餾 液 微 量 成 份 濃 度 的 影 響 。 設 定 蒸 餾 塔 內 壓 力 為 1 0 0 m m H g 、 3 0 0 m m H g 、 7 6 0 m m H g ( 常 壓 ) 三 種 參 數 進 行 比 較 ， 探 討 在 固 定 回 流 比 ( R = 2 ) 下 ， 不 同 壓 力 對 蒸 餾 液 各 成 份 的 變 化 。 由 圖 5 - 3 1 ， 可 看 出 不 同 壓 力 對 E t h a n o l 濃 度 ( w / w ) 之 影 響 ， 當 蒸 餾 塔 內 壓 力 越 低 ， 酒 精 濃 度 維 持 高

純 度 的 時 間 越 長 ， 酒 精 的 收 益 也 越 好 。 另 外 ， 由 圖 5 - 3 2 中 ， 可 觀 察 微 量 成 份 E t h y l A c e t a t e ， 不 同 壓 力 對 E t h y l A c e t a t e 濃 度 ( w / w ) 有 差 異 ， 壓 力 越 小 對 E t h y l A c e t a t e 蒸 餾 初 期 濃 度 就 越 高 。 欲 觀 察 其 他 微 量 成 份 的 變 化 ， 由 圖 5 - 3 3 ~ 5 - 3 5 中 ， 可 看 出 不 同 壓 力 對 微 量 成 份 的 影 響 。 當 蒸 餾 塔 內 壓 力 越 低 ， 各 微 量 成 份 所 能 到 達 的 濃 度 就 越 高 。 尤 其 對 高 極 醇 ( 3 - M t h - 1 - B u t a n o l 、 N - P r o p a n o l 及 I s o b u t a n o l ) 影 響 最 大 ， 在 圖 中 可 以 看 出 蒸 餾 塔 內 壓 力 越 小 會 延 後 高 級 醇 被 蒸 餾 出 來 的 時 間 ， 且 對 蒸 餾 酒 內 ， 各 微 量 成 份 含 量 會 有 差 異 。 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 時間h m ass fa ct io ns water ethanol R=1.5 R=3 R=2 R=1 R=4 圖 5-29 可變回流比，蒸餾液各成份的濃度變化 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 5 Time(hr) M ass fr ac ti o ns Water Ethanol 圖 5-30 固定回流比 R=1，蒸餾液各成份的濃度變化

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac tio n s 100mmHg 300mmHg 常壓 圖 5- 31 回流比 R=2，不同壓力對乙醇(Ethanol)濃度變化 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0 0 Time(hr) Mass f ract ions .2 100mmHg 300mmHg 常壓 圖 5- 32 回流比 R=2，不同壓力對 Ethyl Acetate 成份的濃度變化

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac tio n s 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol Acetaldehyde 圖 5-33 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化(常壓蒸餾) 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac tio n s 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol Acetaldehyde 圖 5-34 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化(300mmHg 減壓)

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) Mass fractions 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol 圖 5-35 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化(100mmHg 減壓) 從 塔 頂 餾 出 液 的 溫 度 可 推 測 蒸 餾 塔 內 的 能 量 消 耗 。 當 塔 頂 餾 出 液 的 溫 度 越 高 ， 則 塔 內 的 能 量 消 耗 越 大 。 由 圖 5 - 3 6 中 ， 可 看 出 常 壓 蒸 餾 塔 頂 餾 出 液 的 溫 度 較 高 ， 塔 頂 餾 出 液 的 溫 度 隨 著 蒸 餾 時 間 的 增 加 ， 溫 度 也 增 加 。 當 塔 內 壓 力 越 低 ， 塔 頂 餾 出 溫 度 也 會 下 降 ， 表 示 減 壓 蒸 餾 所 需 的 能 量 消 耗 較 少 ， 但 要 注 意 減 壓 蒸 餾 設 定 的 壓 力 不 能 太 低 。 因 為 如 果 太 低 ， 冷 凝 器 所 需 的 冷 凝 水 溫 度 會 過 低 ， 需 外 接 冰 水 機 ， 反 而 會 浪 費 資 源 。 0 20 40 60 80 100 120 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time(hr) 100mmHg 300mmHg 常壓 圖 5-36 回流比 R=2，塔頂餾出液的溫度變化 (常壓蒸餾)

5-4-4 加熱量對蒸餾液的影響 探 討 固 定 加 熱 量 與 非 固 定 加 熱 量 在 1 0 0 m m H g 減 壓 下 對 蒸 餾 液 的 影 響 。 加 熱 量 是 由 電 熱 器 ( 或 再 沸 器 ) 功 率 控 制 ， 固 定 加 熱 量 為 設 定 電 熱 器 功 率 為 5 k W 。 非 固 定 加 熱 量 是 設 定 蒸 餾 液 出 料 質 量 速 率 ( d i s t m a s s r a t e ) 為 5 k g / h ， 其 電 熱 器 功 率 是 隨 蒸 餾 時 間 而 增 加 ( 如 圖 5 - 3 7 ) ， 因 為 蒸 餾 後 段 水 濃 度 較 高 ， 消 耗 功 率 較 大 。 由 圖 5 - 3 8 ~ 5 - 4 1 中 ， 可 看 出 固 定 與 非 固 定 加 熱 量 對 蒸 餾 液 各 成 份 的 濃 度 變 化 不 大 。 但 固 定 加 熱 量 蒸 餾 時 間 會 增 加 ， 這 與 設 定 的 電 熱 器 功 率 有 關 ， 加 大 電 熱 器 功 率 蒸 餾 時 間 也 會 減 少 。 由 圖 5 - 4 2 ~ 5 - 4 3 中 ， 可 看 出 固 定 加 熱 量 的 酒 精 產 量 ， 在 蒸 餾 前 段 產 量 較 非 固 定 加 熱 量 高 。 但 在 蒸 餾 中 段 產 量 就 沒 有 比 非 固 定 加 熱 量 高 ， 且 非 固 定 加 熱 量 一 直 維 持 穩 定 的 蒸 餾 液 產 量 ， 所 以 在 收 集 蒸 餾 酒 的 產 量 會 比 固 定 加 熱 量 多 。 0 2 4 6 8 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time(hr) kW 電功率 圖 5-37 回流比 R=2 時，塔底電熱器加熱功率(非固定加熱量)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 1 2 3 4 Time(hr) M as s f ra ctio n s Water Ethanol Ethyl Acetate 圖 5-38 回流比 R=2，蒸餾液各成份的濃度變化(固定加熱量) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 Time(hr) M ass fr ac tio n s Water Ethanol Ethyl Acetate 圖 5-39 回流比 R=2，蒸餾液各成份的濃度變化(非固定加熱量)

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac tio n s 3-Mth-1-_Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol Acetaldehyde 圖 5-40 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化(固定加熱量) 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0 1 2 3 Time(hr) M ass fr ac tio n s 3-Mth-1-Butanol N-Propanol Isobutanol Methanol 圖 5-41 回流比 R=2，蒸餾液裡微量成份的濃度變化(非固定加熱量)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 1 2 3 4 Time(hr) kg/ h r _Water Ethanol 圖 5-42 回流比 R=2，塔頂的餾出液各成份的產量 (固定加熱量) 0 1 2 3 4 5 6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time(hr) kg/ hr Water Ethanol 圖 5-43 回流比 R=2，塔頂的餾出液各成份的產量(非固定加熱量)

5-4-5 模擬結果綜合討論 由 上 述 的 模 擬 可 以 看 出 ， 在 蒸 餾 過 程 影 響 酒 精 濃 度 的 最 重 要 因 素 為 回 流 比 ， 藉 著 增 加 回 流 比 ， 可 以 增 加 酒 精 的 純 度 ， 而 延 長 高 純 度 狀 態 的 時 間 。 蒸 餾 剛 開 始 時 ， 最 易 揮 發 性 的 成 份 ， 最 先 蒸 餾 出 來 。 隨 著 蒸 餾 時 間 增 加 ， 中 間 物 質 相 繼 蒸 餾 出 來 。 由 模 擬 結 果 可 知 微 量 成 份 A c e t a l d e h y d e 與 E t h y l A c e t a t e 為 最 易 揮 發 性 的 成 份 ， 最 先 被 蒸 餾 出 來 ， 但 到 達 蒸 餾 中 段 ， 成 份 濃 度 極 低 。 酒 中 的 甲 醇 含 量 過 高 會 對 人 體 有 害 ， 而 不 好 的 發 酵 過 程 ， 會 增 加 酒 醪 中 甲 醇 的 含 量 。 由 模 擬 結 果 可 知 ， 甲 醇 在 剛 開 始 蒸 餾 含 量 較 高 ， 可 以 藉 著 去 除 酒 頭 而 排 除 。 酯 類 ( E s t e r s ) 是 構 成 烈 酒 香 味 中 ， 較 溫 和 舒 服 的 香 味 。 其 中 以 E t h y l A c e t a t e 為 主 要 成 份 ， 酯 類 在 烈 酒 中 含 量 都 很 微 小 。 由 模 擬 結 果 可 知 ， 酯 類 主 要 在 蒸 餾 剛 開 始 時 大 量 蒸 餾 出 來 ， 在 蒸 餾 尾 段 含 量 極 低 。 高 極 醇 ( h i g h a l c o h o l s ) 是 酒 類 微 量 成 份 中 最 大 的 族 群 。 主 要 成 份 有 I s o - a m y l - a l c o h o l s ( 3 - M e t h y l - 1 - B u t a n o l 和 2 - M e t h y l - 1 - B u t a n o l ) 及 I s o b u t a n o l ( 2 - M e t h y l - 1 - P r o p a n o l ) ， 尤 其 以 I s o - a m y l - a l c o h o l s 佔 大 多 數 。 高 極 醇 構 成 的 香 味 較 濃 鬱 、 較 刺 鼻 ， 是 構 成 烈 酒 的 獨 特 香 味 來 源 。 由 模 擬 結 果 可 知 ， 高 極 醇 主 要 在 蒸 餾 中 段 時 被 蒸 餾 出 來 ， 蒸 餾 塔 內 壓 力 越 低 或 回 流 比 越 高 ， 對 高 級 醇 含 量 也 會 提 高 。 乙 醛 ( A c e t a l d e h y d e ) 是 屬 於 羰 基 化 合 物 ， 多 具 有 強 烈 刺 激 的 氣 味 。 由 模 擬 結 果 可 知 ， A c e t a l d e h y d e 在 蒸 餾 初 期 先 被 蒸 餾 出 來 ， 中 、 後 段 含 量 極 少 。 P h e n o l 是 屬 於 酚 類 化 合 物 ， 威 士 卡 中 常 見 的 酚 類 。 P h e n o l 揮 發 度 較 低 ， 由 模 擬 結 果 可 知 ， P h e n o l 在 蒸 餾 中 後 段 才 蒸 餾 出 來 。 醋 酸 ( A c e t i c A c i d ) 是 屬 於 脂 肪 酸 ( F a t t y a c i d s ) ， 約 佔 總 酸 的 7 5 ~ 8 0 ﹪ 。 由 模 擬 結 果 可 知 ， A c e t i c A c i d 在 蒸 餾 中 後 段 含 量 較 高 ， 與 P h e n o l 一 樣 ， 但 蒸 餾 出 來 的 含 量 都 很 微 少 。

六、結論 台灣農家的釀酒產業生產出多元的酒類產品，由於其成分差異大在蒸餾上 不容易控制品質的均勻。本研究設計一填充床式蒸餾塔，藉著蒸餾塔可以作較為 嚴密的溫度控制可進而生產出品質較為均勻的產品。同時研究中以商用軟體模擬 蒸餾控制對蒸餾酒成分的變化，這種分析方法有可能推廣於實際的應用，以便蒸 餾出高品質的蒸餾酒。

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E n g i n e e r i n g P r o g r e s s , A u g u s t p p . 6 0 - 6 7 . P i g g o t , J . R . a n d P a t e r s o n , A . , 1 9 8 8 , D i s t i l l e d b e v e r a g e f l a v o u r , V C H , W e i n h e i m . Q u a n d t , J . A . P a u l s e n , M . R . a n d R e d d s , E . D . , 1 9 8 8 , M i c r o c o m p u t e r c o n t r o l o f a s m a l l - s c a l e e t h a n o l d i s t i l l a t i o n s y s t e m . T r a n s , A S A E . 3 1 ( 4 ) : 1 2 9 5 - 1 3 0 1 . C a r v a l h o , M . A . P . ; W . R . C u r t i s . " D i s t i l l a t i o n : P i l o t P l a n t B a t c h D i s t i l l a t i o n " , I n : E n c y c l o p e d i a o f S e p a r a t i o n S c i e n c e ( C o o k e , M . ; P o o l e , C . , e d s . ) A c a d e m i c P r e s s , L o n d o n , U K , p p . 1 0 9 8 - 1 1 1 3 ( 2 0 0 0 ) . C o u l s o n t , J . M . R i c h a r d s o n , J . F . B a c k h u r s t , J . R . H a r k e r , J . H . , 1 9 9 1 , C h e m i c a l E n g i n e e r i n g , V o l 2 . 4 t h e d . P e r g a m o n , P r e s s , O x f o r d . E r i c K v a a l e n , P h i l i p C . W a n k a t , B r u c e A . M c K e n z i e , 1 9 8 4 , A l c o h o l d i s t i l l a t i o n : b a s i c p r i n c i p l e s , e q u i p m e n t , p e r f o r m a n c e r e l a t i o n s h i p s , a n d s a f e t y . A E - 1 1 7 , P u r d u e U n i v e r s i t y C o o p e r a t i v e E x t e n s i o n S e r v i c e , W e s t L a f a y e t t e , I N 4 7 9 0 7 G a i s e r , M . , B e l l , G . M . , L i m , A . W . , R o b e r t s , N . A . , T a r a d y , D . B . F . , S c h u l z , R . A . a n d G r o b , R . , 2 0 0 2 , C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f a c o n t i n u o u s w h i s k y s t i l l . J . F d . E n g . 5 1 : 2 7 - 3 1 . H o l l a n d , C . D . 1 9 8 1 , F u n d a m e n t a l s o f m u l t i c o m p o n e n t d i s t i l l a t i o n . M c G r a w - H i l l , N e w Y o r k . L a d i s c h , M . R . a n d K . D y c k . 1 9 7 9 , " D e h y d r a t i o n o f E t h a n o l : N e w A p p r o a c h G i v e s P o s i t i v e E n e r g y B a l a n c e , " S c i e n c e , v o l . 2 0 5 , n o . 4 4 0 9 , A u g u s t p p . 8 9 8 - 9 0 0 . L e a u t e , R . , 1 9 9 0 , D i s t i l l a t i o n i n A l a m b i c . A m . J . E n o l . V i t i c . 4 1 ( 1 ) : 9 1 - 1 0 3 . M a c N a m a r a , K . M . a n d H o f f m a n n , A . , 1 9 9 8 , G a s c h r o m a t o g r a p h i c t e c h n o l o g y i n a n a l y s i s o f d i s t i l l e d s p i r i t s . I n “ I n s t r u m e n t a l M e t h o d s i m F o o d a n d B e v e r a g e A n a l y s i s ＂ , W e t z e l , D . a n d C h a r a l a m b o u s , G . e d . E l s e v i e r S c i . A m s t e r d a m . N o r w l i n , R . L . , 1 9 8 5 , D i s t i l l e d b e v e r a g e s : a c h a l l e n g e f o r t o m o r r o w . A m . J . E n o l . V i t i c . 3 6 ( 1 ) : 1 1 - 1 4 . P i g g o t t , J . R . , S h a r p , R . a n d D u n c a n , R . E . B . , 1 9 8 9 ,

T h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f s h i s k i e s . L o n g m a n S c i , T e c h . E s s e x . R e i n , B . K , e t . a l . , 1 9 8 3 , A l c o h o l d i s t i l l a t i o n s y s t e m p e r f o r m a n c e t e s t p r o c e d u r e s . A S A E p a p e r 8 3 - 3 0 6 3 . R o s e , L . M . , 1 9 8 5 , D i s t i l l a t i o n D e s i g n i n P r a c t i c e . E l s e v i e r , A m s t e r d a m . P y k e , M . , 1 9 6 5 , T h e m a n u f a c t i r e o f s c o t c h g r a i n w h i s k y . J . I n s . B r e w . 7 1 , 2 0 9 - 2 1 8 . S t e p h e n s o n , K . q . a n d S h a h b a z i , A . , 1 9 8 3 , O p t i m u m d i s t i l l a t i o n c o l u m n o p e r a t i o n . A S A E p a p e r 8 3 - 3 0 6 1 . S u l i v a n , N . W . R e i n , R . K . a n d B a s h f o r d , L E . , 1 9 8 3 , A l c o h o l d i s t i l l a t i o n p r o c e s s c o n t r o l p a r a m e t e r . A S A E p a p e r 8 3 - 3 0 6 2 . W e s t b y , C . A . a n d W . D . G i b b o n s , 1 9 8 2 , " F a r m - S c a l e P r o d u c t i o n o f F u e l E t h a n o l a n d W e t G r a i n f r o m C o r n i n a B a t c h P r o c e s s " , B i o t e c h n o l o g y a n d B i o e n g i n e e r i n g , v o l . 2 4 , J u l y p p . 1 6 8 1 - 1 6 9 9 .