醬香型白酒糟醅蒸煮餾酒過(guò)程阻力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

萬(wàn) 波，涂華彬，劉元棚，牟明月，潘 登，朱 彤

（1.貴州茅臺(tái)酒股份有限公司，貴州仁懷564501；2.同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

醬香型白酒的釀造工藝復(fù)雜，工藝流程包括九 次蒸煮、八次發(fā)酵和七次取酒[1-2]，其中蒸煮過(guò)程是制酒的關(guān)鍵步驟之一，主要起到糟醅糊化和餾酒的作用，對(duì)于出酒品質(zhì)和出酒產(chǎn)量具有重要影響[3-5]。糟醅的蒸餾取酒過(guò)程受蒸汽操作參數(shù)、糊化時(shí)間、裝甑技術(shù)、糟醅性狀等多個(gè)因素影響[6]。傳統(tǒng)上，在蒸餾取酒生產(chǎn)流程操作中往往依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)性原則。例如對(duì)于糧醅的蒸煮糊化程度，通過(guò)感官判斷“熟而不爛，內(nèi)無(wú)生芯”；對(duì)于蒸餾過(guò)程的蒸汽量控制，要求“緩汽蒸餾，大汽追尾”；對(duì)于裝甑原則，要求“松、輕、準(zhǔn)、薄、勻、平”[7]；對(duì)于裝甑方法，要求“見(jiàn)汽壓醅”[8]。這些方法在傳統(tǒng)制酒過(guò)程中發(fā)揮了巨大作用，但蒸餾取酒過(guò)程中的關(guān)鍵物質(zhì)——飽和蒸汽的用量卻沒(méi)有定量的描述。酒師操作中往往用進(jìn)入地鍋的過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽壓力來(lái)控制蒸汽用量。然而，這一傳統(tǒng)操作方法缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性。因?yàn)椴煌喆卧悖Z）醅松散程度不同，即孔隙率不同；裝甑高度不同，甑桶直徑不同，且蒸汽管道直徑亦可能不同，這些都將導(dǎo)致相同過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽壓力所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量不同；進(jìn)而導(dǎo)致不同班組蒸煮餾酒操作無(wú)法規(guī)范統(tǒng)一。因此，探索科學(xué)合理、準(zhǔn)確計(jì)量通過(guò)糟醅的飽和蒸汽流量是變革我國(guó)傳統(tǒng)白酒行業(yè)蒸汽操作工藝的關(guān)鍵。

地鍋內(nèi)生成的飽和蒸汽在穿過(guò)糟（糧）醅過(guò)程中，一方面加熱蒸煮糊化糟（糧）醅，另一方面將發(fā)酵后糟醅中的醇類、酯類、酸類等物質(zhì)提取出來(lái)。糟醅上下兩端的壓力差即為蒸汽穿過(guò)糟醅的阻力，是反映蒸汽與糟醅相互作用的一個(gè)宏觀參數(shù)，與蒸汽流量、糟醅高度、糟醅孔隙率、谷殼拌入量等因素有關(guān)，而目前還未見(jiàn)關(guān)于蒸汽穿過(guò)糟醅阻力特性及其影響因素的相關(guān)研究報(bào)道。

隨著糊化進(jìn)程，不同輪次糟（糧）醅的性狀具有較大差異，從下沙、造沙階段幾乎是松散的一粒粒高粱，到第7輪次糟醅的黏稠團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，糟醅的阻力特性發(fā)生了很大的變化。因此，針對(duì)不同輪次開(kāi)展測(cè)試分析十分必要。由于醬香型酒的制作是以年為周期的，為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)研究時(shí)間，分別在生產(chǎn)班組進(jìn)行了第5輪次糟醅、第7輪次糟醅阻力特性研究和在實(shí)驗(yàn)班組開(kāi)展蒸糧實(shí)驗(yàn)研究。所謂“蒸糧實(shí)驗(yàn)”是指和實(shí)際生產(chǎn)流程保持一致的潤(rùn)糧、蒸煮、攤晾等過(guò)程，但沒(méi)有高溫堆積和入窖發(fā)酵流程，連續(xù)進(jìn)行了5 d實(shí)驗(yàn)，模擬潤(rùn)糧、下沙、造沙、第1輪次蒸煮和第2輪次蒸煮過(guò)程。由于缺少高溫堆積和入窖過(guò)程，實(shí)際生產(chǎn)流程糟醅的性狀和模擬過(guò)程會(huì)有差異，但蒸糧實(shí)驗(yàn)可大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，糧醅的性狀與實(shí)際制酒過(guò)程的前期輪次接近，對(duì)于了解糟醅內(nèi)蒸汽流動(dòng)阻力特性具有很好的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

糟醅的蒸煮餾酒設(shè)備包括地鍋、甑桶、導(dǎo)出管、冷卻器。甑桶為倒立的錐臺(tái)形狀，甑桶底部直徑為1.4 m，甑桶上部直徑為1.6 m，甑桶高度為0.8 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試的參數(shù)包括：通入地鍋的蒸汽流量、溫度和壓力，上甑和蒸煮過(guò)程中地鍋內(nèi)飽和蒸汽的壓力，上甑糟醅的總質(zhì)量。采用的測(cè)量?jī)x器包括：孔板流量計(jì)、Pt100熱電阻、擴(kuò)散硅壓力變送器、test 480壓力表和吊稱。甑桶、地鍋結(jié)構(gòu)和測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 糟醅蒸煮餾酒過(guò)程分析

糟醅蒸煮餾酒過(guò)程按流程分為3個(gè)過(guò)程：（1）過(guò)熱蒸汽或飽和蒸汽通過(guò)盤腸進(jìn)入地鍋，與地鍋內(nèi)的水進(jìn)行混合，產(chǎn)生飽和蒸汽；（2）地鍋上部的飽和蒸汽進(jìn)入甑桶，與糟醅進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，起到餾酒和糊化的作用；（3）提取了糟醅中醇類、酯類、醛類等成分的混合蒸汽在冷卻器中冷凝、流酒。其中，地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽與糟醅（糧醅）直接發(fā)生作用，飽和蒸汽流量直接影響蒸煮餾酒的效果。然而，無(wú)法直接測(cè)量飽和蒸汽流量，為此，本文首先對(duì)飽和蒸汽流量的計(jì)量問(wèn)題展開(kāi)了研究。

1.2.1 飽和蒸汽量計(jì)算

由于地鍋采取了保溫措施，且比表面積較小，忽略地鍋壁面向周圍土壤的散熱。以地鍋內(nèi)飽和水為對(duì)象，應(yīng)用熱力學(xué)理論，建立能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，如式（1）和式（2）所示。通過(guò)簡(jiǎn)單推導(dǎo)可得到產(chǎn)生的飽和蒸汽量與過(guò)熱蒸汽量之間的關(guān)系，見(jiàn)式（3）。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試系統(tǒng)示意圖

式中，h0表示地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽的比焓（是溫度或壓力的函數(shù)），kJ/kg；h1表示通入地鍋內(nèi)的過(guò)熱蒸汽比焓（是溫度、壓力的函數(shù)），kJ/kg；h2表示地鍋內(nèi)飽和水的比焓（是溫度或壓力的函數(shù)），kJ/kg；?0表示地鍋內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；?1表示通入地鍋內(nèi)的過(guò)熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；?2表示地鍋內(nèi)飽和水蒸發(fā)質(zhì)量流量，kg/s。

這樣，根據(jù)安裝在過(guò)熱蒸汽管道上的孔板流量計(jì)、溫度傳感器和壓力傳感器，就可以獲得?1和h1值；而根據(jù)地鍋內(nèi)飽和水的溫度就可以確定飽和水蒸氣的比焓h0和飽和水的比焓h2。相比傳統(tǒng)僅在蒸汽管道上安裝壓力表，增加了孔板流量計(jì)和溫度計(jì)，盡管生產(chǎn)投入增加，但可以準(zhǔn)確計(jì)量飽和蒸汽量，為規(guī)范統(tǒng)一蒸汽參數(shù)的操作奠定了基礎(chǔ)，為整理分析我國(guó)傳統(tǒng)白酒行業(yè)科學(xué)、規(guī)范的蒸汽操作參數(shù)提供了準(zhǔn)確計(jì)量方法。

1.2.2 單位質(zhì)量糟醅阻力系數(shù)計(jì)算

在甑桶幾何參數(shù)確定的情況下，糟醅下部和上部空間的壓力差值與通過(guò)糟醅的蒸汽平均流速、蒸汽密度有關(guān)。根據(jù)流動(dòng)阻力計(jì)算公式，上述差值滿足關(guān)系式（4）：

式中，P1表示地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力（表壓），Pa；P2表示糟醅上表面蒸汽壓力（表壓），Pa；ζ表示糟醅內(nèi)蒸汽流動(dòng)局部阻力系數(shù)，與糟醅的質(zhì)量、孔隙率、厚度和甑桶形狀等因素有關(guān)；u表示甑桶入口飽和蒸汽流速，m/s；ρ表示甑桶入口飽和蒸汽密度，kg/m3。

糟醅上部蒸汽壓力等于蒸汽經(jīng)過(guò)導(dǎo)氣管、冷卻器的阻力，由于蒸汽在冷卻器中冷凝，故冷卻器具有一定的抽吸能力，因此糟醅上部的蒸汽壓力值較小，接近大氣壓力，相對(duì)于地鍋內(nèi)蒸汽壓力可忽略，這樣，式（4）可簡(jiǎn)化為式（5）。

即地鍋和甑桶幾何形狀一定時(shí)，地鍋內(nèi)部的蒸汽壓力主要由蒸汽流速、糟醅（糧醅）阻力系數(shù)決定。

由于不同實(shí)驗(yàn)工況下甑桶內(nèi)糟醅質(zhì)量不完全相同，直接影響了糟醅在甑桶內(nèi)的高度，也影響甑桶內(nèi)糟醅的孔隙率。假設(shè)甑桶內(nèi)糟醅的孔隙率分布均勻，可采用單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)與地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力關(guān)系，來(lái)反映不同工況下糟醅的孔隙率，見(jiàn)式（6）。

式中，A表示甑桶下底面面積，m2；m表示上甑糟醅質(zhì)量，kg；其他符號(hào)含義同上。實(shí)際上，上甑的糟醅質(zhì)量與蒸煮餾酒過(guò)程中的糟醅質(zhì)量不相等，這里統(tǒng)一采用上甑糟醅質(zhì)量作為計(jì)算基準(zhǔn)，以便對(duì)不同工況進(jìn)行對(duì)比分析。后續(xù)分析均以1000 kg糟醅作為基準(zhǔn)。注意：ζ和ζ1的單位不一樣，前者為無(wú)因次量，后者則為1/(m2·kg)。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)閥門控制地鍋入口的過(guò)熱蒸汽流量，由孔板流量計(jì)、溫度傳感器和壓力表等示值，通過(guò)式（3）計(jì)算得到地鍋內(nèi)實(shí)際產(chǎn)生的飽和蒸汽流量。第5輪次設(shè)置了4組對(duì)照實(shí)驗(yàn)工況，第7輪次設(shè)置6組對(duì)照實(shí)驗(yàn)工況，蒸糧實(shí)驗(yàn)中，每輪次設(shè)置3組對(duì)照實(shí)驗(yàn)工況。

2 結(jié)果與分析

2.1 從上甑到蒸煮結(jié)束地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時(shí)間的變化

在生產(chǎn)班組的蒸煮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸煮時(shí)間依據(jù)各工況的出酒情況進(jìn)行了調(diào)整，為了便于不同工況之間的比較，將時(shí)間無(wú)量綱化。當(dāng)前采樣時(shí)刻與蒸煮整個(gè)過(guò)程的總時(shí)間的比值即為無(wú)量綱時(shí)間。

第5輪次、第7輪次糟醅從上甑開(kāi)始到蒸煮結(jié)束開(kāi)甑桶蓋過(guò)程中，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2、圖3。上甑剛開(kāi)始階段，甑桶內(nèi)的糟醅量較少，同時(shí)糟醅的溫度較低，飽和蒸汽在糟醅內(nèi)冷凝，導(dǎo)致地鍋內(nèi)的壓力較低，壓力與大氣壓力接近或?yàn)槲⒇?fù)壓狀態(tài)；隨著裝甑的進(jìn)行，甑桶內(nèi)的糟醅量增加，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽壓力逐漸增加；上甑結(jié)束蓋上甑桶蓋后的糊化階段，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽壓力相對(duì)穩(wěn)定，受蒸汽管道蒸汽壓力波動(dòng)，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力亦會(huì)有波動(dòng)。

2.2 糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽流量之間的關(guān)系

通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析，得到了不同輪次糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽流量的關(guān)系，第5輪次和第7輪次糟醅糊化過(guò)程地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽流量關(guān)系分別見(jiàn)圖4和圖5。兩個(gè)輪次糟醅在糊化階段，地鍋內(nèi)的飽和蒸汽平均壓力隨飽和蒸汽流量的增加而增加。第5輪次糟醅，飽和蒸汽平均流量由2.007 kg/min增加到2.363 kg/min，糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力由50.96 hPa增加到57.25 hPa；第7輪次糟醅，糊化階段飽和蒸汽平均流量由1.753 kg/min增加到2.816 kg/min，地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力由40.44 hPa增加到56.02 hPa。

圖2 第5輪次糟醅不同工況下地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時(shí)間變化

圖3 第7輪次糟醅不同工況下地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力隨時(shí)間變化

圖4 第5輪次糟醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽量關(guān)系

圖5 第7輪次糟醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽量關(guān)系

蒸糧實(shí)驗(yàn)各輪次糧醅糊化階段地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力與飽和蒸汽平均流量關(guān)系見(jiàn)圖6，均呈現(xiàn)隨著飽和蒸汽流量增加，地鍋內(nèi)蒸汽壓力上升。不過(guò)，隨著輪次推進(jìn)（從下沙—造沙—第1輪次—第2輪次），在糊化階段飽和蒸汽平均流量接近的條件下，地鍋內(nèi)飽和蒸汽的壓力逐漸升高。對(duì)于3組飽和蒸汽流量接近的對(duì)應(yīng)工況，第2輪次糟醅相對(duì)于下沙糧醅，地鍋內(nèi)飽和蒸汽平均壓力分別升高12.04倍、6.76倍和8.7倍。這是由于下沙、造沙蒸煮過(guò)程中，糧醅仍然以剛剛破皮的高粱粒為主，呈現(xiàn)松散的顆粒狀。而隨著反復(fù)蒸煮糊化，糧醅的破皮率顯著提高，高粱粒表面裹覆一些淀粉類物質(zhì)，使得部分顆粒團(tuán)聚在一起，因而蒸汽穿行的阻力增加較多。

2.3 糊化階段糟醅的阻力系數(shù)與飽和蒸汽量的關(guān)系

聯(lián)合各輪次糟醅測(cè)試得到的飽和蒸汽平均流量、地鍋內(nèi)飽和蒸汽的平均壓力，根據(jù)式（6）可計(jì)算得到各輪次糟醅糊化階段單位重量的平均阻力系數(shù)。第5輪次、第7輪次、蒸糧實(shí)驗(yàn)各輪次糟醅糊化階段單位重量的平均阻力系數(shù)隨飽和蒸汽平均流量的變化見(jiàn)圖7—圖9。第5輪次糟醅、第7輪次糟醅和蒸糧實(shí)驗(yàn)第2輪次糟醅的單位質(zhì)量糟醅阻力系數(shù)均隨飽和蒸汽流量的增加而降低。蒸糧實(shí)驗(yàn)其他輪次糟醅單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)隨飽和蒸汽量的增加有降低趨勢(shì)。

單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)主要與糟醅的孔隙率即糟醅的疏松程度相關(guān)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，單位重量糟醅的阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，飽和蒸汽在糟醅內(nèi)部流動(dòng)中對(duì)糟醅的“托舉”作用不可忽略，直接影響糟醅的疏松程度，飽和蒸汽流量越大，蒸汽對(duì)糟醅的“托舉”作用越大，糟醅孔隙率越高，阻力系數(shù)越小。蒸糧實(shí)驗(yàn)中，飽和蒸汽流量接近時(shí)，不同輪次糟醅的單位質(zhì)量糟醅的阻力系數(shù)隨輪次的推進(jìn)而升高，使得地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力升高。這是因?yàn)殡S著輪次的推進(jìn)，糟醅團(tuán)聚效應(yīng)逐步增加，孔隙率相對(duì)減少所致。

圖6 蒸糧實(shí)驗(yàn)不同輪次地鍋飽和蒸汽壓力與飽和蒸汽平均流量關(guān)系

圖7 第5輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

3 結(jié)論

圖8 第7輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

圖9 蒸糧實(shí)驗(yàn)不同輪次糟醅單位質(zhì)量阻力系數(shù)與飽和蒸汽流量關(guān)系

應(yīng)用熱力學(xué)理論知識(shí)，推導(dǎo)得到了地鍋產(chǎn)飽和蒸汽流量的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了生產(chǎn)班組的第5輪次、第7輪次糟醅和蒸糧模擬實(shí)驗(yàn)的4個(gè)輪次的飽和蒸汽流量與地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力，分析了糟醅的阻力特性與飽和蒸汽流量之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

（1）在蒸汽管道上安裝孔板流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器，根據(jù)本文推導(dǎo)得到的飽和蒸汽流量計(jì)算公式，可以獲得準(zhǔn)確的地鍋產(chǎn)飽和蒸汽流量，為科學(xué)、規(guī)范蒸汽操作參數(shù)提供了依據(jù)，改變了傳統(tǒng)白酒行業(yè)以蒸汽壓力值反映蒸汽量的操作模式。

（2）對(duì)于醬香型白酒不同輪次糟（糧）醅來(lái)說(shuō)，其松散程度不同，隨著蒸煮糊化進(jìn)程的不斷深入，糟（糧）醅由下沙階段的一粒粒松散狀，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轲こ淼膱F(tuán)聚狀；在相同飽和蒸汽流量下，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力由幾百Pa增加到5500多Pa，阻力系數(shù)亦不斷提高。

（3）在同一輪次，隨著飽和蒸汽流量增加，飽和蒸汽對(duì)糟醅的“托舉”作用不斷增加，即糟醅的孔隙率不斷增大，地鍋內(nèi)飽和蒸汽壓力上升，但阻力系數(shù)逐步減小。

上述糟醅的阻力特性研究成果為后續(xù)開(kāi)展蒸汽與糟醅的傳熱傳質(zhì)研究提供了基礎(chǔ)，為科學(xué)、規(guī)范、統(tǒng)一蒸汽操作提供了計(jì)量方法，對(duì)提高蒸煮餾酒的品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要的意義。