Nguyên lý chưng cất rượu: vì sao ethanol tách được khỏi nước

Hai điểm sôi khác nhau là điểm xuất phát

Ở áp suất khí quyển, ethanol sôi quanh 78,4 °C, nước sôi ở 100 °C (NIST Chemistry WebBook). Một số giáo trình làm tròn thành 78,5 °C; sai khác này chỉ do bộ dữ liệu, không đổi bản chất.

Từ hai con số đó, nhiều người nghĩ rằng chỉ cần giữ nồi ở 78 °C là ethanol bay hết, nước nằm lại. Thực tế không như vậy. Hỗn hợp ethanol–nước không sôi từng chất một mà sôi ở một nhiệt độ nằm giữa hai điểm sôi, tùy tỷ lệ pha trộn. Theo bảng số liệu của CRC Handbook of Chemistry and Physics (ấn bản 1963, chép lại trên trang dữ liệu ethanol của Wikipedia), dung dịch 10% khối lượng ethanol sôi ở 90 °C, dung dịch 41% sôi ở 82 °C. Khi sôi, cả hai chất cùng bay hơi. Điều tạo nên sự tách là tỷ lệ: trong hơi, ethanol chiếm phần lớn hơn so với trong lỏng.

Gốc rễ nằm ở áp suất hơi. Mỗi chất góp một phần vào tổng áp suất hơi của hỗn hợp; khi tổng ấy bằng áp suất khí quyển thì hỗn hợp sôi. Ethanol dễ bay hơi hơn nước nên đóng góp nhiều hơn so với lượng của nó trong lỏng. Cặp ethanol–nước còn lệch dương khỏi định luật Raoult: lực hút giữa phân tử ethanol và phân tử nước yếu hơn trong từng chất nguyên chất, khiến áp suất hơi của hỗn hợp cao hơn mức tính cho dung dịch lý tưởng (Chemguide). Chính độ lệch này sinh ra điểm đẳng phí.

Cân bằng lỏng–hơi: đọc sơ đồ

Đặt hỗn hợp trong bình kín ở nhiệt độ sôi, sau một lúc thành phần lỏng và hơi thôi thay đổi: phân tử vẫn bay lên và ngưng xuống, nhưng hai chiều cân nhau. Trạng thái ấy gọi là cân bằng lỏng–hơi. Ứng với mỗi nhiệt độ sôi có một cặp thành phần lỏng – hơi đi kèm.

Sơ đồ trên dựng từ bảng CRC. Trục ngang là phần trăm khối lượng ethanol, trục đứng là nhiệt độ. Đường dưới là đường lỏng (lỏng bắt đầu sôi), đường trên là đường hơi (hơi bắt đầu ngưng). Kẻ một đường ngang ở nhiệt độ bất kỳ giữa hai đường, ta đọc được thành phần lỏng và thành phần hơi cân bằng với nó.

Nhiệt độ sôi	Ethanol trong lỏng	Ethanol trong hơi
94,0 °C	5%	44%
90,0 °C	10%	61%
86,0 °C	20%	72%
82,0 °C	41%	79%
78,4 °C	85%	89%
78,2 °C	91%	92%

Số liệu theo % khối lượng, áp suất khí quyển, trích bảng CRC Handbook 1963.

Bảng cho thấy hai quy luật. Ở vùng loãng, hơi giàu lên rất mạnh: dịch 10% cho hơi 61%. Càng lên cao, khoảng cách giữa lỏng và hơi càng hẹp: dịch 91% chỉ cho hơi 92%. Mỗi lần sôi – ngưng sau chỉ nhích thêm một chút.

Lưu ý đơn vị: số liệu cân bằng thường tính theo khối lượng, còn độ rượu ghi trên nhãn tính theo thể tích, đo ở 20 °C. Vì ethanol nhẹ hơn nước, cùng một mẫu sẽ có con số % thể tích cao hơn % khối lượng, nên không so trực tiếp hai thang.

Điểm đẳng phí: giới hạn của chưng cất

Đẳng phí là thành phần mà hơi bay lên giống hệt chất lỏng sinh ra nó. Với ethanol–nước ở áp suất thường, Chemguide ghi điểm này ở 95,6% khối lượng ethanol, sôi ở 78,2 °C; Wikipedia ghi 95,63%. Bảng CRC 1963 ghi 95,5% ở 78,1 °C. Đây là nhiệt độ sôi thấp nhất của mọi hỗn hợp ethanol–nước.

Chưng cất tách được hai chất nhờ hơi khác lỏng. Tại điểm đẳng phí, khác biệt ấy bằng không, nên sôi rồi ngưng bao nhiêu lần thành phần vẫn đứng yên. Ngành hóa chất muốn có ethanol khan phải dùng biện pháp khác, như thêm chất lôi cuốn để tạo hỗn hợp ba cấu tử; riêng việc đổi áp suất không đủ hiệu quả với cặp này (Wikipedia, mục Azeotrope). Các kỹ thuật đó thuộc ngành cồn công nghiệp, không phải nghề nấu rượu.

Với rượu uống, trần đẳng phí hiếm khi là giới hạn thực tế. Độ rượu ra do mục tiêu hương vị và quy chuẩn của từng loại rượu quyết định.

Vì sao một lần chưng không đủ

Ba yếu tố chồng lên nhau:

1. Mỗi lần sôi – ngưng chỉ là một bậc cân bằng. Dịch 10% cho hơi khoảng 61%; muốn cao hơn phải cho phần ngưng đó sôi lại. Các bậc ngắn dần khi tiến gần điểm đẳng phí. Một bậc như vậy gọi là tầng lý thuyết.
2. Nồi chạy theo mẻ nghèo ethanol dần. Hơi giàu ethanol bay đi, phần lỏng còn lại loãng hơn, nhiệt độ sôi tăng và dòng rượu về sau yếu dần. Với nồi kiểu pot still, rượu sau lần chưng đầu thường chỉ khoảng 25–35% thể tích (Wikipedia, mục Pot still).
3. Có trần đẳng phí như đã nêu.

Thiết bị thật tạo thêm bậc tách bằng cách cho một phần hơi ngưng lại rồi chảy ngược gặp dòng hơi đi lên, gọi là hồi lưu; cơ chế này có ở bài hồi lưu trong chưng cất. Tháp có nhiều đĩa xếp chồng nhiều bậc cân bằng trong một thiết bị, vì đĩa thật không đạt hiệu quả của tầng lý thuyết nên cần nhiều đĩa hơn số tầng tính ra (Wikipedia, mục Fractional distillation). Chi tiết ở bài tháp chưng cất nhiều tầng.

Mô hình hai cấu tử chỉ giúp nắm nguyên lý. Dịch lên men thật còn nhiều hợp chất bay hơi khác tạo hương; chúng ra theo từng phần của mẻ, vì thế người vận hành phải cắt phần đầu và phần đuôi, giữ phần giữa.

Khi nào nên dựa vào nguyên lý này để chọn thiết bị / không nên

Nên dùng nguyên lý cân bằng lỏng–hơi khi:

• So sánh thiết bị theo số bậc tách: số lần chưng, số đĩa, có bộ hồi lưu hay không.
• Đọc thông số độ rượu ra: hỏi rõ đo theo thể tích hay khối lượng, đo ở đầu mẻ hay trung bình cả mẻ.
• Quyết định giữa nồi đơn (ít bậc, giữ hương) và tháp chưng cất rượu nhiều đĩa (nhiều bậc, độ cao hơn sau một lượt đun).

Không nên dùng nó để:

• Tin vào lời giới thiệu rằng thiết bị chưng cất thông thường cho rượu vượt điểm đẳng phí — điều này trái nguyên lý vật lý.
• Suy ra điểm cắt đầu – đuôi bằng một con số nhiệt độ chung; điểm cắt phụ thuộc nguyên liệu, men và cách vận hành.
• Thay cho xét nghiệm: chất lượng rượu thành phẩm chỉ xác định bằng kiểm độ và gửi mẫu phân tích.

Nếu bạn đang cân nhắc cấu hình theo nguyên liệu và sản lượng, hãy gửi số kg mỗi mẻ cho ThietBiNauRuou.vn để được tư vấn.