Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa ( Trần Văn Phú, 2001).
Để tạo ra quá trình sấy thăng hoa, vật liệu sấy phải đƣợc làm lạnh dƣới điểm ba thể. Điểm ba thể là điểm mà ở đó nƣớc tồn tại đồng thời ba thể: thể rắn, thể lỏng và thể hơi. Từ đó vật liệu sấy nhận đƣợc nhiệt lƣợng để ẩm từ dạng rắn trực tiếp thăng hoa lên thể khí và thải ra môi trƣờng.
Hình 2.1: Biểu diễn đồ thị chuyển pha của nƣớc trên tọa độ p-t.
Điểm O gọi là điểm ba thể. Nhiệt độ và áp suất của điểm ba thể O tƣơng ứng: t = 0,0098oC và áp suất p = 4,58 mmHg. Trên đồ thị hình 2.1 đƣờng BO biểu diễn ranh giới giữa pha rắn và pha hơi. Tƣơng tự nhƣ vậy đƣờng OA là ranh giới giữa pha rắn và
mmHg 4,58 mmHg Rắn Khí toC 0 Lỏng 0,0098oC O F D A K B E
pha lỏng và cuối cùng đƣờng OK là ranh giới giữa pha lỏng và pha khí. Điểm K gọi là điểm tới hạn, ở đó nhiệt ẩm hóa hơi có thể xem bằng không.
Nếu ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng băng ở điểm F nhƣ trên hình 2.1 chẳng hạn, đƣợc đốt nóng đẳng áp đến nhiệt độ tD tƣơng ứng với điểm D thì nƣớc ở thể rắn sẽ thực hiện quá trình thăng hoa DE. Cũng trên hình 2.1 có thể thấy rằng áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của nƣớc càng bé. Do đó, khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và vật liệu sấy càng tăng. Đứng về mặt truyền nhiệt thì đây là ƣu điểm của sấy thăng hoa so với sấy chân không bình thƣờng.
Quá trình sấy thăng hoa đƣợc chia làm 3 giai đoạn:
Giai đoạn làm lạnh: trong giai đoạn này vật liệu sấy đƣợc làm lạnh từ nhiệt độ môi trƣờng (khoảng 20o
C) xuống đến nhiệt độ -10oC ÷ -15o C (sấy thăng hoa liên tục). Có thể làm lạnh vật liệu trong buồng lạnh riêng (sấy thăng hoa gián đoạn). Trong giai đoạn này không gian của bình thăng hoa đƣợc hút chân không và áp suất trong bình giảm, do đó phân áp suất hơi nƣớc trong không gian bình cũng giảm so với phân áp suất hơi nƣớc trong lòng vật liệu sấy. Điều đó dẫn tới hiện tƣợng thoát ẩm từ vật liệu sấy vào không gian bình thăng hoa. Nhƣ vậy kết thúc giai đoạn làm lạnh nhiệt độ của vật liệu sấy nhỏ hơn nhiệt độ điểm ba thể. Áp suất trong bình thăng hoa cũng nhỏ hơn áp suất của điểm ba thể.
Giai đoạn thăng hoa: trong giai đoạn này, nƣớc trong vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt. Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh và gần nhƣ tuyến tính. Nhƣ vậy giai đoạn thăng hoa có thể xem là giai đoạn có tốc độ sấy không đổi.
Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại: sau giai đoạn thăng hoa, do trạng thái của nƣớc trong vật liệu sấy nằm trên điểm ba thể nên ẩm trong vật liệu sấy trở về dạng lỏng. vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn đƣợc duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục đƣợc gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng từ dạng lỏng lên dạng hơi và đi vào không gian bình thăng hoa. Nhƣ vậy giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình thƣờng.
Quá trình dịch chuyển ẩm trong sấy thăng hoa khác với quá trình dịch chuyển ẩm trong các hệ thống sấy khác làm việc ở áp suất khí quyển. khi thăng hoa, các phân tử nƣớc không va chạm nhau. Nhờ đó mà sấy thăng hoa có một ƣu điểm rất lớn là bảo toàn đƣợc chất lƣợng sinh học của sản phẩm sấy. Nhƣợc điểm lớn nhất của sấy thăng hoa là chi phí sấy của 1 kg sản phẩm rất cao, hệ thống phức tạp, cồng kềnh phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh. Do đó, vận hành phức tạp và đòi hỏi công nhân có trình độ kỹ thuật cao.