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.