板式塔设计核心：负荷性能图
在我们对一个板式塔进行设计的时候，设计的塔结构（塔径、阀孔数、板间距等）将决定这个塔的操作性能以及操作弹性是否达标。那我们通过什么指标来判断塔的设计参数是否满足要求呢？20世纪60年代，沈复教授等人在国内首次推出了浮阀塔板和固舌塔板负荷性能图分析方法，将塔板自身结构性能所产生的适宜操作范围与工艺负荷有机结合起来，成为我国精馏塔设计与操作分析的主流方法。
上图是板式塔的主要操作结构及状态，液体自上而下，水平穿过塔板；气体自下而上，通过泡罩穿过塔板，气液在塔板上充分接触，塔板上方会有一定的液沫（雾沫）区域（气体夹带液滴）。
而一个塔如果设计不合理，会出现一些非正常操作工况，负荷性能图就是针对这些工况来为塔的适宜操作区域划定边界，负荷性能图以液相负荷和气相负荷为横坐标及纵坐标，下面我们就把非正常工况和负荷性能图二者结合起来为大家讲解。
（1）雾沫夹带线（2）液泛线（3）漏液线
（4）液相负荷上限线（5）液相负荷下限线
（R）操作线（P）操作点
（1）雾沫夹带线。在雾沫夹带线上方，气相负荷较大，此时气速更大，气体从塔板下方穿过塔板时就会夹带更多的液滴，且雾沫高度会更高，当雾沫高度达到上一层塔板时，少部分液体会被气体直接带到上一层塔板，这样就造成了液相的返混，塔板效率就会下降。所以雾沫夹带线下方为正常操作区域。
（2）液泛线（淹塔线）。由于全塔自上而下压力上升，液体要从上往下流动，同时克服降液管阻力以及在塔板上横向流动时的阻力，降液管内的液面一定比塔板液层液面要高，当降液管内液面高到与上一块板堰口齐平时，造成降液管液泛（淹塔）现象，塔板效率急剧下降。所以液泛线左下方为正常操作区域。
（3）漏液线。漏液线下方，气相负荷过小，气体通过塔板的气速也就小，这样如果上升的气体托不住塔板上方的液体，液体就会由于重力通过阀孔直接往下漏，形成漏液。这样部分液体没有经过很好的接触就进入下层塔板，传质效果下降。所以漏液线的上方为正常操作区域。
板式塔的一些非正常操作工况
（4）液相负荷上限线（降液管超负荷线）。液相负荷上限线右侧，液相负荷过大，那么液体在降液管的流速就会变快（停留时间就会变短），上层塔板液体在进入降液管时是夹带有气泡的状态，如果在降液管停留时间过短，气泡没法破裂让气体往上走，则会被夹带到下一层塔板，造成气相的返混，俗称气泡夹带（和雾沫夹带类似），塔板效率也会下降。所以，液相负荷上限线左侧为正常操作区域。
（5）液相负荷下限线。液相负荷下限线左侧，液相负荷过小，液层在塔板上的分布则更容易不均匀，这样气体在上升的过程中更倾向于往阻力小的塔板区域通过，而阻力大的地方，液层更厚，但是气速更小，易造成局部漏液。所以液相负荷下限线右侧为正常操作区域。
依据以上五条线，围成的区域就是正常的塔操作区域，但是，为了保证塔拥有更好的操作弹性（可承受进料波动等），图中P点为较优的操作点，操作线在R1和R2之间较优。
负荷性能图技术的发展
负荷性能图的基础理论讲解已经完成了，那么这项20世纪60年代提出的理论到现在有什么发展呢？我们将选出其中一种——全指标全塔负荷性能图分析技术进行简要介绍。
当前我们所接触的板式塔负荷性能图分析，针对的是一个塔的单块塔板进行分析，或者是由于精馏塔精馏段和提馏段的操作条件差距较大，分别在精馏段和提馏段选取一块塔板（主要选择进料板、第一块板、最后一块板这些操作负荷较大的塔板）进行分析。
但是，一个塔的操作瓶颈不一定会在你所分析的塔板，所以单板负荷性能图分析虽然简便快捷，但是局限性较大。随着目前计算机辅助设计技术的飞速发展，一次性分析所有塔板的各个水力学数据是否满足要求也成为可能，中国石油大学（北京）开发出全指标精馏塔全塔负荷性能图分析技术用以分析塔的操作瓶颈。通过编程化处理一次性绘制出所有塔板的各项水力学数据，包括：阀孔动能因数、降液管出口入口液速、降液管停留时间、液泛线、湿板压降、雾沫夹带、漏液线。该技术不仅在塔设备设计时能迅速查出操作瓶颈，在进行工业塔设备问题检查的过程当中也能很准确地找到出问题塔板和可能导致问题出现的原因，工业应用效果显著。
写在最后
负荷性能图的计算较为复杂，那么在我们实际设计一个塔的过程中，有什么软件可以帮助我们呢？公众号在接下来将会对CUP-TOWER板式塔校核软件及Sulcol（Sulpak）填料塔校核软件进行介绍和讲解！敬请期待~
参考文献：
[1]刘艳升,沈复.全指标精馏塔全塔负荷性能图分析新方法[J].化学工程,2004(06):1-5.
[2]曹睿,刘艳升,马君涵.化工原理课程设计的新方法——单指标全塔负荷性能图技术和流程模拟的应用[J].化工高等教育,2015,32(03):71-77.
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本期编辑：叶 阳
本期排版：伍青林