三角形组成图提供了三组分混合物的二维图。每个顶点代表一种纯组分，每个内部点代表一种独特的组成，其三个质量分数之和为1：(x_A+x_B+x_C=1)。在液液萃取中试装置中，该图用于读取组成、判断混合物是单相还是分为萃取相和萃余相，并利用连接线确定平衡相组成。
中心原理是组成映射：三元混合物可以在三角形上表示，因为只有两个组分的分数是独立的。一旦绘制出相边界、连接线和物料平衡点，该图就成为预测相分离和评估萃取性能的图形化工具。
为什么三个组分可以显示在三角形上
组成约束
对于包含组分(A)、(B)和(C)的三组分系统，
[ x_A+x_B+x_C=1 ]
只有两个分数可以独立变化，因为第三个由其他两个决定。这将三维组成问题简化为二维图。
分数可以表示为质量分数、重量分数或摩尔分数，前提是分析过程中自始至终一致地使用所选基准。
顶点的含义
每个顶点代表一种纯组分：
- 顶点(A)：(x_A=1)，(x_B=x_C=0)
- 顶点(B)：(x_B=1)，(x_A=x_C=0)
- 顶点(C)：(x_C=1)，(x_A=x_B=0)
边上的点代表不含该边所对组分的二元混合物。
内部点的含义
三角形内的每个点代表一种独特的三元组成。其位置表示所有三种组分的相对含量。
对于液液萃取系统，组分通常为：
- 溶质：被传递的组分
- 载体或稀释剂：携带原始溶质的液体
- 萃取溶剂：优先溶解溶质的液体
如何图形化读取组成
平行组成线
三角形图使用三组线，每组线平行于三角形的一条边。这些线为读取某一组分的分数提供了标尺。
要确定一个组分的分数，请沿着与该组分相关的网格线找到相应的轴。任何点处的三个读数都必须满足组成方程：
[ x_A+x_B+x_C=1 ]
这种图形构造是该图的基本原理。
等边三角形和直角三角形格式
三元图可以绘制为等边三角形或直角三角形表示。几何形状不同，但组成原理相同：每个点对应一种组成，三个组分分数之和为1。
重要的不是视觉形状，而是组成标尺和平行网格线的正确使用。
由物料平衡得出的混合点
当进料和溶剂流股混合时，其总体组成标绘为混合点。其位置取决于两个流股的组成和流量。
对于流股(F)和(S)，可以通过组分平衡获得总体混合组成：
[ \mathbf{x}_M= \frac{F\mathbf{x}_F+S\mathbf{x}_S}{F+S} ]
在图形上，混合点位于连接进料和溶剂组成点的直线上。其在该线上的位置反映了进料和溶剂的相对数量。
图如何表示液液平衡
双结点曲线或溶解度曲线
在指定温度和压力下，双结点曲线（也称为溶解度曲线或相边界曲线）将两个组成区域分开。
- 两相包络线外部：混合物是单一均匀液相。
- 两相包络线内部：混合物在平衡时分离为两个液相。
该曲线通常呈穹顶状，但其确切形式取决于化学系统和操作条件。
萃取相和萃余相区域
在两相区域内，两个平衡相通常具有不同的组成：
- 萃取相通常富含溶剂和萃取的溶质。
- 萃余相通常富含载体或稀释剂。
这些标签描述了各相的过程角色。实际相组成必须从特定溶剂系统的平衡数据中读取。
连接线
连接线连接双结点曲线上代表共存平衡相的两个点。一个端点给出萃取相组成，另一个端点给出萃余相组成。
因此，连接线回答了关键的平衡问题：
如果总体混合物具有两相区域内的组成，则平衡后分离的液相将具有什么组成？
连接线适用于所述温度和压力。它们不是连接相边界上任意两点的任意线。
临界点
临界点是两个平衡相组成变得相同的点。当系统接近该点时，连接线长度趋于零。
在临界点附近，萃取相和萃余相之间的区别变得不那么明显，液液分离的驱动力变得微弱。
如何使用中试装置数据
标绘测量的相组成
在中试装置运行期间，操作人员或学生可以从萃取相和萃余相出口收集样品。实验室分析提供每相的组成。
将这些组成标绘在三元图上，可以将测量的端点与平衡连接线和已确定的双结点曲线进行比较。
检查平衡性能
如果测量的萃取相和萃余相组成接近同一条预期连接线，则相分离与平衡模型或实验相数据一致。
显著偏差可能表明混合不充分、停留时间不足、温度差异、分析误差、夹带或操作偏离平衡。
评估逐级萃取
对于多级萃取装置，每个混合澄清槽级产生一对萃取相和萃余相。逐级标绘组成有助于显示溶质如何从载体相转移到溶剂相。
因此，该图将相平衡与过程性能联系起来，而不仅仅是显示化学组成。
使用杠杆规则计算相量
总体组成和相端点
假设总体混合组成为(M)，平衡萃取相和萃余相组成分别为(E)和(R)。这三个点位于同一条连接线上，且(M)在(E)和(R)之间。
该图确定了相组成，而杠杆规则确定了两个相的相对量。
图形化相比
相量与相对的线段长度成反比：
[ \frac{m_E}{m_R}=\frac{MR}{ME} ]
等价地，如果总混合量为(M_{\text{total}})，
[ m_E=M_{\text{total}}\frac{MR}{ER} ]
[ m_R=M_{\text{total}}\frac{ME}{ER} ]
具体符号可能因教科书而异，但原理是恒定的：靠近总体混合点的相所占比例较小。
物料平衡验证
杠杆规则的结果可以与测量的萃取相和萃余相流量进行比较。这提供了对总体物料平衡的图形化检查，并有助于识别实验不一致之处。
该规则不能替代组分平衡；当平衡端点和总体组成已知时，它是该平衡的几何表达。
将图应用于萃取设计
选择溶剂与进料比
进料和溶剂组成定义了一条线，总体混合物沿该线移动，随着溶剂与进料比的变化而变化。
这使工程师能够检查所选的溶剂用量是否将混合物置于两相区域内，并估计由此产生的相比。
估算溶剂需求量
该图有助于确定进入两相区域所需的大致溶剂量。这在确定开始相分离所需的最小溶剂用量时特别有用。
然而，实际溶剂需求量还必须考虑所需回收率、级效率、溶剂损失、相分离和下游溶剂回收。
预测萃取相和萃余相质量
一旦已知混合点和相关连接线，该图就提供萃取相和萃余相的预期平衡组成。
这些组成支持分配系数、溶剂选择性、所需级数和预期分离性能的计算。
理解权衡
图的可靠性取决于其平衡数据
基于不准确或不合适的相平衡数据的三元图可能产生误导性的过程预测。双结点曲线和连接线必须对应于相关的温度、压力、化学纯度和组成基准。
中试装置测量很有价值，因为它们可以验证或修正从文献或热力学模型中获得的数据。
平衡并不保证高效操作
连接线描述达到平衡后的组成。实际的混合澄清槽或萃取塔可能由于接触时间有限、分散不充分、混合不良或相分离困难而无法达到平衡。
因此，该图预测的是热力学目标，而不是自动预测实际出口组成。
相识别可能取决于系统
萃取相并不总是溶剂分数最大的相，萃余相也不总是由单一的普遍组成特征来定义。应根据过程配置和组分分布来指定相名称。
图形精度有限
从打印或手动构建的图中读取数值会引入不确定性。间隔紧密的连接线、弯曲的相边界和靠近临界点的组成可能难以精确解释。
对于设计计算，图形结果应辅以数值物料平衡，并在适当情况下使用经过验证的平衡关联式。
温度变化可能使图无效
相边界和连接线可能随温度变化而变化。在实验室温度下创建的图不应不加批判地应用于温度显著不同的中试运行。
如何将其应用于您的项目
最有效的工作流程是将三角形图与测量的组成、流量和组分平衡相结合。
- 如果您的重点是读取混合组成：将三种组分标绘在适当比例的三元图上，并使用三组平行网格线获得(x_A)、(x_B)和(x_C)。
- 如果您的重点是确定是否发生分离：标绘总体混合物，并检查其是否位于双结点曲线的两相区域内。
- 如果您的重点是预测萃取相和萃余相组成：绘制或识别穿过总体混合点的连接线，并读取其两个双结点端点。
- 如果您的重点是计算相量：沿相关连接线应用杠杆规则，然后用组分和总流量平衡验证结果。
- 如果您的重点是评估中试装置：将测量的出口组成和流量与图的平衡预测进行比较，同时考虑非平衡操作和实验不确定性。
- 如果您的重点是优化溶剂使用：检查溶剂与进料比如何移动混合点并影响相分离、溶质回收率和萃取相组成。
三元组成图将组成、相平衡和相分离的耦合问题转化为可视化的物料平衡框架，可以直接根据中试装置性能进行测试。
汇总表：
| 元素 | 在液液萃取中的用途 |
|---|---|
| 三角形顶点 | 代表三种纯组分：溶质、载体和溶剂 |
| 内部点 | 显示独特的三元组成，其中所有质量或摩尔分数之和为1 |
| 平行网格线 | 允许图形化读取每个组分分数 |
| 混合点 | 基于流量表示进料和溶剂的组合组成 |
| 双结点曲线 | 分离单相和两相区域 |
| 连接线 | 确定平衡萃取相和萃余相组成 |
| 杠杆规则 | 计算两个平衡相的相对量 |
| 中试装置比较 | 根据测量的组成、流量和过程性能验证平衡预测 |
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