Моделирование процесса сепарирования молока : теория и практика

П. А. Лисин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
СЕПАРИРОВАНИЯ МОЛОКА

Теория и практика

Учебное пособие

Санкт-Петербург
ГИОРД 
2022

УДК 637.232.14.001
ББК 36.95
 
Л63

Лисин, Пётр Александрович
Л63 
 
Моделирование процесса сепарирования молока : теория и практика : учебное пособие / П. А. Лисин. — Санкт-Петербург : ГИОРД, 2022. — 
160 с. : ил.

ISBN 978-5-98879-222-2

Учебное пособие составлено в соответствии с программами изучения дисциплин «Процессы и аппараты пищевых производств» и «Технологическое 
оборудование молочной отрасли».
В пособии приведены основные теоретические положения и расчетные 
формулы процесса сепарирования, рассмотрены типовые задачи.
Задачи решены с использованием современных компьютерных технологий — математических систем MathCAD Pro и Excel.
В приложении помещены справочные материалы, необходимые для решения задач, технические характеристики сепараторов.
Учебное пособие будет полезным при подготовке бакалавров и магистров, 
аспирантов по направлениям подготовки «Продукты питания животного происхождения», «Биотехнология», «Промышленная экология и биотехнологии». 
Для научных работников и широкого круга специалистов, занимающихся вопросами разработки теории и практики процесса сепарирования.

УДК 637.232.14.001
ББК 36.95

ISBN 978-5-98879-222-2 
© ООО «Издательство „ГИОРД“», 2022

Автор:
Лисин П. А. — профессор кафедры продуктов питания и пищевой
биотехнологии агротехнологического факультета Омского государственного 
аграрного университета имени П. А. Столыпина (ОмГАУ).

Рецензенты:
Дмитрий Михайлович Бородулин — доктор технических наук, профессор, директор Института инженерных технологий ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», г. Кемерово;
Геннадий Фридрихович Вальтер — кандидат технических наук, генеральный 
директор АО «Любинский молочноконсервный комбинат», г. Омск.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Глава 1. История развития сепараторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1. История развития конструкций сепараторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2. Классификация сепараторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Глава 2. Разделение неоднородных систем в гравитационном 
и центробежном полях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1. Физико-химические свойства молока и сливок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. Скорость разделения неоднородных систем 
в гравитационном поле. Формула Стокса  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3. Скорость разделения неоднородных систем в центробежном поле. . . 36

Глава 3. Теоретические основы процесса сепарирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1. Основные положения теории сепарирования Г. И. Бремера . . . . . . . . . 45
3.2. Саморегулирование распределения потока молока 
между тарелками сепаратора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3. Гидродинамическая теория сепарирования Г. А. Кука 
и Е. М. Гольдина  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4. Теоретические положения процесса сепарирования 
профессора А. Н. Фиалкова  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5. Основные положения теории сепарирования профессора 
В. Д. Суркова и профессора Н. Н. Липатова  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.6. Производительность сепаратора-сливкоотделителя. 
Формула Н. Я. Лукьянова  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Глава 4. Факторы, определяющие эффективность процесса сепарирования  . . . . 62
4.1. Степень обезжиривания молока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2. Причины неудовлетворительного обезжиривания молока  . . . . . . . . . . 64

Глава 5. Повышение производительности сепаратора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1. Опыт работы сепаратора-сливкоотделителя «под напором». . . . . . . . . 67
5.2. Опыт работы сепаратора-сливкоотделителя 
согласно авторскому свидетельству А. С. 614816 СССР  . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Оглавление

Глава 6. Устройство сепараторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.1. Устройство сепаратора-сливкоотделителя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.2. Устройство сепаратора для получения высокожирных сливок . . . . . . . 87
6.3. Устройство сепаратора-молокоочистителя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4. Устройство сепаратора-нормализатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5. Устройство сепаратора-кларификсатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Глава 7. Расчет эксплуатационных показателей 
сепаратора-сливкоотделителя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1. Расчет поплавкового регулятора сепаратора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.2. Расчет производительности сепаратора-сливкоотделителя  . . . . . . . . 114
7.3. Расчет времени пребывания молока в межтарелочном 
пространстве барабана сепаратора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.4. Разделяющий фактор тарельчатого сепаратора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.5. Фактор разделяемости молока  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.6. Расчет потребной мощности сепаратора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Глава 8. Правила эксплуатации сепаратора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.1. Пуск сепаратора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.2. Эксплуатация сепаратора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.3. Остановка сепаратора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4. Чистка и мойка сепаратора  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Приложения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Приложение А. Единицы измерения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Приложение Б. Физические свойства жидкостей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Приложение В (справочное). Технические характеристики 
сепараторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Приложение Г. Варианты заданий для расчета 
сепаратора-сливкоотделителя  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

Именной указатель  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Библиографический список  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Учебники, учебные пособия, научные статьи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Литературные источники, рекомендуемые 
для углубленного изучения отдельных вопросов 
процесса сепарирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

ПРЕДИСЛОВИЕ

Значительную роль в развитии молочной промышленности играют 
инженерные расчеты, которые способствуют глубокому пониманию 
изучаемых технологических процессов, создают основу проектирования машин и аппаратов. Базовые знания по расчету процессов и аппаратов будущий инженер должен получить в высшем учебном заведении.
Важное место в подготовке квалифицированных инженеров молочной промышленности занимают курсы «Процессы и аппараты пищевых 
производств» и «Технологическое оборудование молочной отрасли».
Программа курсов предусматривает лекции, лабораторно-практичес кие работы и курсовое проектирование, целью которых является 
закрепление теоретического материала изучаемого процесса и освоение 
методики расчета технологического процесса сепарирования.
Данное учебное пособие включает в себя характеристику и описание 
процесса сепарирования молока, а также примеры решения отдельных 
прикладных задач.
Для анализа процесса, поиска оптимальных режимов сепарирования, 
для оценки правильности выполненного расчета автор учебного пособия использует современные цифровые технологии: математические 
системы MathCAD Pro и Excel. Компьютерные цифровые системы позволят усовершенствовать учебный процесс, повысить уровень образования и качество подготовки специалистов. Данные системы позволяют 
исследовать динамику процесса сепарирования, определять условия 
эффективной работы машин и аппаратов, намечать пути разработки 
перспективных сепараторов.
Учебное пособие будет полезно для студентов как очного, так и заочного отделения при изучении процесса сепарирования, выполнении 
курсового и дипломного проекта, а также для инженерно-технических 
работников молочной промышленности.
В приложении помещены справочные материалы, необходимые 
для решения задач, технические характеристики производственных 
сепараторов.

Предисловие

Рекомендуемый список литературы охватывает историю развития 
теории и практики сепарирования и вопросы программного курса 
по изучению процесса сепарирования. В пособии для более глубокого 
изучения процесса сепарирования приведен дополнительный список рекомендуемой литературы. Кроме того, учебное пособие должно помочь 
бакалавру и магистру и в тех случаях, когда он что-то не успел записать 
на лекции, в чем-то не разобрался при изучении материала на практических занятиях и по учебникам.
Автор надеется, что данное учебное пособие будет способствовать 
более глубокому пониманию студентами и аспирантами изучаемого 
процесса сепарирования. С замечаниями, пожеланиями, вопросами, 
просьбами о консультациях обращайтесь по адресу электронной почты: 
Petrlisin@yandex.ru.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на молочных заводах и комбинатах находятся 
в эксплуатации несколько тысяч различных сепараторов российского 
и зарубежного производства. Как основное технологическое оборудование сепараторы предназначены для получения сливок с массовой долей 
жира от 10 до 45 %, высокожирных сливок жирностью от 65 до 90 %, нормализации, очистки, гомогенизации молока, выделения белка и жира 
из сыворотки, выделения белка при производстве творога, удаления 
микроорганизмов из молока.
Сепаратор должен удовлетворять требованиям наиболее полного разделения молока или его очистки при непрерывном поступлении и выходе фракций из сепаратора при отсутствии пенообразования. Должны быть обеспечены возможность регулирования массовой доли жира 
в сливках, нормализации; непрерывность в работе, легкость хода и бесшумность; соответствие санитарным требованиям — удобства и быстрота разборки, мойки, сборки. Сепаратор — сложная машина, требующая 
технически грамотной эксплуатации.
В связи с широким распространением сепараторов в молочной и пищевой промышленности естественным является изучение процесса 
сепарирования. Разработка путей повышения эффективности работы 
сепараторов, совершенствование их конструкции является актуальным 
и востребованным. Актуальность объясняется и тем, что от качества обработки молока сепарированием в значительной мере зависит техникоэкономическая эффективность переработки молока и производства масла, цельномолочных продуктов, молочных консервов и сыра.
Дальнейшее совершенствование процесса сепарирования позволит 
полнее использовать составные части молока на пищевые цели. Например, снижение содержания жира в обезжиренном молоке, по данным 
Н. Н. Липатова (ст.), только на 0,01 % позволит получить 3000 тонн сливочного масла. В РФ и во многих странах мира проблемами процесса 
сепарирования занимаются специализированные лаборатории НИИ.
В учебном пособии наряду с сепарированием молока, сливок и других молочных продуктов рассмотрены также вопросы нормализации 

Введение

и очистки молока, приведены способы интенсификации процесса сепарирования. Подробно описаны условия, обеспечивающие высокую 
эффективность исследуемого процесса, причины, вызывающие потери 
молочного жира, и вопросы оценки качества сепарирования.
Однако за последние два десятилетия учебной литературы и научных 
статей, в которой были бы обобщены достижения науки и практики 
процесса сепарирования молока и молочных продуктов, наблюдается 
крайне мало, что само по себе характеризует негативную сторону научной и педагогической деятельности специалистов.
Предлагаемое учебное пособие должно восполнить имеющийся пробел. В ней обобщен отечественный и иностранный опыт, рассмотрены 
вопросы, связанные с технологией сепарирования и эксплуатацией 
сепаратора.
Значительное место в пособии отведено моделированию процесса 
сепарирования на основе использования современных цифровых технологий — систем MathCAD и Excel.
Автор выражает благодарность доктору технических наук, профессору Кемеровского государственного университета Дмитрию Михайловичу Бородулину и генеральному директору Любинского молочноконсервного комбината, кандидату технических наук Геннадию Фридриховичу 
Вальтеру за помощь, оказанную при подготовке учебного пособия.

ГЛАВА 1. 
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СЕПАРАТОРОВ

1.1. История развития конструкций сепараторов

До появления сепараторов (1877 г.) сливки получали в процессе отстаивания молока в течение 10–30 ч. С изобретением сепаратора продолжительность отделения сливок сведена до 4–5 с.
Главная заслуга в изобретении и создании сепаратора для молока 
принадлежит шведскому ученому Густаву Лавалю (1845–1913).
В 1877 г. Густав Лаваль предложил для разделения молока центрифугу, которую назвал сепаратором. Первый сепаратор Лаваля был периодического действия. На рис. 1.1 приведены барабаны сепараторов 
в хронологической последовательности их появления. Первый барабан, 
изображенный на рис. 1.1, а (1877), с перегородкой внутри, имел частоту вращения 6000–7000 об/мин. После разгона в барабан вливали через 
воронку порцию молока, заполняющую нижнюю часть барабана, после 
минутного вращения туда добавляли еще порцию молока, вследствие 
чего выделившиеся к тому времени сливки переливались через перегородку в верхнюю часть барабана. После остановки обезжиренное молоко выпускали через отверстие в дне барабана, а затем сливали сливки. 
Процесс выделения сливок сократили с 10–30 ч до 1 мин.
В 1878 г. появился непрерывно действующий сепаратор (рис. 1.1, б). 
Молоко непрерывно подавалось в центральную трубку вращающегося барабана и выходило из нее у дна барабана. Обезжиренное молоко отходило к стенкам барабана и выводилось через изогнутую трубку в приемник. Сливки скапливались у центральной трубки барабана и выходили 
в верхний приемник через кольцевой паз между центральной трубкой 
и втулкой. Эти сепараторы не имели вставок в барабане и амортизаторов 
у горловых подшипников.
В 1889 г. Бехтольсгейм предложил конические тарельчатые вставки, 
что позволило интенсифицировать сепарирование, повысить производительность сепаратора и значительно улучшить качество обезжиривания [10]. 

Глава 1. История развития сепараторов 

Рис. 1.1. Барабаны сепараторов:

а — первая конструкция барабана сепаратора; б — сепаратор Лаваля; в — барабан сепаратора; 
г — современный барабан сепаратора: 1 — барабан; 2 — перегородка; 3 — приемник сливок; 4 — 
привод; 5 — приемник обезжиренного молока; 6 — трубка для обезжиренного молока; 7 — вертикальный вал (веретено); 8 — камера очистки; 9 — пакет тарелок; 10 — гайка; 11 — разделительная 
тарелка; 12 — тарелкодержатель; 13 — дно с центральной трубкой