使用说明
脱气/汽提塔设计MCP服务器
气提塔设计工具实现了Perry手册与PHREEQC地球化学形态的相关性。
⚠️ 开发状态：该项目正在积极开发中，尚未投入生产。API、接口和功能可能会更改，恕不另行通知。请自行承担风险，仅用于评估和测试目的。不建议用于生产部署。
实施状态
第1层：启发式规模确定（完整）
- 佩里手册相关性（埃克特GPDC、HTU/NTU方法）
- PHREEQC集成用于pH依赖性物种形成
- 填充床的罗宾斯压降相关性
- 鼓风机选型和功率计算
- 佩里表14-13中的9种标准包装
- 执行时间：<1秒
第2层：分段柱模拟（完成✅)
- PHREEQC平衡级计算
- 单相Murphree效率逆流（气相）
- 守恒方程的质量平衡（液相）
- 质量平衡关闭：<5%（VOC、CO2），<25%（H2S）
- N<50个阶段收敛稳定（200次迭代限制，2%容差）
- pH耦合物种形成与水化学整合
- 执行时间：10-30秒
第3级：WaterTAP经济成本（完整）✅)
- 来自上游图书馆的已验证成本相关性
- 鼓风机：QSDsan(
qsdsan.equipments._aeration.Blower) - 容器水TAP(
watertap.costing.unit_models.cstr) - 包装和内部构件：行业标准值
- 鼓风机：QSDsan(
- 经济指标：净现值、LCOW、投资回收期
- CEPCI成本上升至2025年
- 完整的来源文件
- 执行时间：<5秒
技术概述
服务器计算空气汽提应用的填料塔尺寸，考虑pH依赖的水形态。对于弱酸（H₂S, CO₂),只有中性分子形式是可剥离的，而离子物种留在溶液中。
pH依赖性物种
H₂S系统（pKa₁ = 7.0):
- pH 6.0：α₀ = 0.896 （89.6%小时₂S、 10.4%小时⁻)
- pH 7.0：α₀ = 0.500 （50%小时₂S、 50%小时⁻)
- pH 8.0：α₀ = 0.091 （9.1%小时₂S、 90.9%HS⁻)
CO₂ 系统（pKa₁ = 6.35):
- pH 6.0：α₀ = 0.688 （68.8%钴₂,31.2%碳氢化合物₃⁻)
- pH 7.0：α₀ = 0.184 （18.4%）₂,碳氢化合物81.6%₃⁻)
- pH 8.0：α₀ = 0.022 （2.2%钴₂,97.8%碳氢化合物₃⁻)
可剥离分数α₀ 使用PHREEQC平衡模型计算并应用于有效亨利常数。
应用程序
- H₂S移除：地下水处理、气味控制。需要pH<6.5才能有效剥离。
- CO₂ 剥离：反渗透预处理，降低碱度。需要pH<5.5才能实现>90%的转化率。
- VOC去除地下水修复（TCE、PCE）。中性化合物的pH值无关。
快速开始
安装
# Clone repository
cd /mnt/c/Users/hvksh/mcp-servers/degasser-design-mcp
# Activate virtual environment (Python 3.12)
source ../venv312/bin/activate # Linux/WSL
# OR
..\venv312\Scripts\activate # Windows
# Install dependencies
pip install -r requirements.txt
# Run tests
pytest tests/ -v
MCP服务器配置
添加到您的MCP设置中（例如，Claude Desktop配置）：
{
"mcpServers": {
"degasser-design-mcp": {
"command": "/mnt/c/Users/hvksh/mcp-servers/venv312/Scripts/python.exe",
"args": ["-m", "server"],
"cwd": "/mnt/c/Users/hvksh/mcp-servers/degasser-design-mcp",
"env": {}
}
}
}
可用的MCP工具
1. heuristic_sizing -快速塔架设计（<1s）
使用Perry手册的相关性确定填料塔空气汽提塔的尺寸。
输入参数：
{
"application": "H2S", # "H2S", "CO2", "VOC", or "general"
"water_flow_rate_m3_h": 60.0, # m³/h
"inlet_concentration_mg_L": 32.0, # mg/L
"outlet_concentration_mg_L": 0.05,# mg/L
"air_water_ratio": 34.0, # Volumetric ratio
"temperature_c": 25.0, # °C
"water_ph": 6.0, # Required for H2S/CO2
"packing_id": "Plastic_Pall_Rings_25mm" # Optional
}
输出（不包括鼓风机尺寸）：
{
"tower_diameter_m": 2.12,
"tower_height_m": 4.94,
"packing_height_m": 4.44,
"packing_name": "Plastic Pall Rings",
"packing_size_mm": 25.0,
"design_velocity_m_s": 0.161,
"flooding_velocity_m_s": 0.230,
"ntu": 7.96,
"htu_m": 0.465,
"lambda_factor": 13.94,
"removal_efficiency_percent": 99.97,
"air_flow_rate_m3_h": 2040.0
}
输出（带鼓风机尺寸- include_blower_sizing=True):
{
"tower_diameter_m": 2.12,
"tower_height_m": 4.94,
"packing_height_m": 4.44,
"packing_name": "Plastic Pall Rings",
"packing_size_mm": 25.0,
"design_velocity_m_s": 0.161,
"flooding_velocity_m_s": 0.230,
"ntu": 7.96,
"htu_m": 0.465,
"lambda_factor": 13.94,
"removal_efficiency_percent": 99.97,
"air_flow_rate_m3_h": 2040.0,
"blower_specs": {
// Pressure Drop Breakdown
"packed_bed_pressure_drop_pa": 1823.4,
"inlet_distributor_pressure_drop_pa": 249.1,
"outlet_distributor_pressure_drop_pa": 249.1,
"demister_pressure_drop_pa": 373.6,
"momentum_losses_pa": 87.3,
"ductwork_silencer_pressure_drop_pa": 182.3,
"elevation_head_pa": 58.2,
"safety_factor_pa": 362.2,
"total_system_pressure_drop_pa": 3385.2,
"total_system_pressure_drop_inches_h2o": 13.59,
"total_system_pressure_drop_psig": 0.49,
// Blower Selection
"blower_type": "Multistage Centrifugal",
"thermodynamic_model": "Isothermal",
"compression_ratio": 1.033,
"discharge_pressure_pa": 104710.2,
"discharge_pressure_psig": 0.49,
// Temperatures
"inlet_temperature_c": 25.0,
"discharge_temperature_c": 25.0,
// Power Requirements
"shaft_power_kw": 10.2,
"motor_power_kw": 11.1,
"motor_power_hp": 14.9,
// Efficiencies
"blower_efficiency": 0.70,
"motor_efficiency": 0.92
}
}
示例用法：
# Via MCP tool call
result = await mcp__degasser_design_mcp__heuristic_sizing(
application="H2S",
water_flow_rate_m3_h=60.0,
inlet_concentration_mg_L=32.0,
outlet_concentration_mg_L=0.05,
air_water_ratio=34.0,
water_ph=6.0,
packing_id="Plastic_Pall_Rings_25mm"
)
2. combined_simulation_mcp -一级+可选二级+可选三级
运行快速启发式规模计算（第1层），可选择继续进行严格的PHREEQC模拟（第2层），并可选择计算经济成本（第3层）。
输入参数：
{
"application": "H2S",
"water_flow_rate_m3_h": 50.0,
"inlet_concentration_mg_L": 30.0,
"outlet_concentration_mg_L": 0.5,
"air_water_ratio": 40.0,
"temperature_c": 25.0,
"water_ph": 6.0,
"run_tier2": true, # Set to true for Tier 2 simulation
"num_stages_initial": 20, # Fixed stage count (or None for auto-find)
"find_optimal_stages": false, # If true, uses bisection to find optimal N
"run_tier3": true, # Set to true for economic costing
"packing_type": "plastic_pall" # Packing material: plastic_pall, ceramic_raschig, etc.
}
输出（第2层和第3层）：
{
"request": {...}, # Echo of input parameters
"result": {...}, # Tier 1 results (tower dimensions, blower)
"tier2": {
"tower_height_m": 22.6,
"theoretical_stages": 20,
"HETP_m": 1.13,
"stage_profiles": {
"liquid_conc_mg_L": [...], # Concentration profile (N+1 points)
"gas_conc_ppm": [...],
"pH": [...], # pH profile showing drift
"alpha_0": [...] # Strippable fraction at each stage
},
"convergence_info": {
"inner_iterations": 98,
"converged": true,
"mass_balance": {
"mass_in_mg_h": 1500000.0,
"mass_out_water_mg_h": 461985.2,
"mass_stripped_mg_h": 1148197.9,
"error_fraction": 0.073, # 7.3% error
"passed": "True"
}
}
},
"tier3": {
"capital_costs": {
"air_blower_system": 150000,
"packed_tower_shell": 13909,
"packing_media": 934,
"tower_internals": 1396
},
"operating_costs": {
"blower_electricity": 261, # USD/year
"packing_replacement": 47 # USD/year
},
"total_capex": 166238, # Total capital expenditure
"total_annual_opex": 307, # Total annual operating cost
"economic_metrics": {
"npv_usd": -169313, # Net present value (30 years)
"lcow_usd_per_m3": 0.086, # Levelized cost of water
"lcow_usd_per_1000gal": 0.325, # Levelized cost per 1000 gallons
"payback_years": 541, # Simple payback period
"annualized_total_cost_usd_per_year": 16920,
"capital_recovery_factor": 0.0999,
"annual_water_production_m3": 197100
},
"cost_breakdown_pct": {
"air_blower_system": 90.2, # Blower dominates CAPEX
"packed_tower_shell": 8.4,
"packing_media": 0.6,
"tower_internals": 0.8
}
}
}
3. list_available_packings -查询包装目录
列出所有可用的包装及其规格。
输出：
{
"packings": [
{
"packing_id": "Plastic_Pall_Rings_25mm",
"name": "Plastic Pall Rings",
"material": "Plastic",
"nominal_size_mm": 25.0,
"packing_factor_m_inv": 180.0,
"surface_area_m2_m3": 206.0,
"void_fraction": 0.90
},
...
],
"count": 9
}
设计方法论
1.形态计算
PHREEQC计算pH依赖系统的平衡形态：
# PHREEQC solution definition
solution = pp.add_solution({'pH': 6.0, 'temp': 25.0, 'S(-2)': 32.0})
# Calculate strippable fraction
α₀ = solution.species_molalities['H2S'] / solution.total_element('S', units='mol')
注： total_element() 需要 units='mol' 以避免单位与物种摩尔数（mol/kgw）不匹配。
2.塔高计算
剥离系数 （佩里方程式14-16）：
λ = H_eff × (G/L) where H_eff = H × α₀
传热单元数 （佩里方程式14-19，科尔伯恩）：
NOG = ln[(Cin/Cout - 1/λ) / (1 - 1/λ)] / ln(λ)
包装高度 （佩里方程式14-15）：
Z = NOG × HOG × 1.2 (20% safety factor)
来自经验相关性或供应商数据的HTU值（典型值：0.3-1.0 m）
3.塔架直径（Eckert GPDC）
洪水流速 （佩里方程式14-142）：
uflood = Csf × √[(ρL - ρG)/ρG] × √(ε/Fp)
其中，基于流量参数FLG=（L/G）√（ρG/ρL）的Eckert图（图14-55）中的Csf
设计条件:
- 运行速度：洪水的70%
- 塔径：D=√（4QG/（π×设计））
4.压降和鼓风机尺寸
填充床 （罗宾斯相关性，佩里方程14-145）：
ΔP_packed = Robbins(L, G, rhol, rhog, mul, H, Fpd) # fluids library
系统组件:
- 填充床（占总数的50-60%）
- 分配器：1.0英寸高₂O每个（入口/出口）
- 除雾器：1.5英寸高₂O
- 动量损失、管道系统、高程水头
- 总系统ΔP×1.12安全系数
鼓风机选择:
| β | 压力 | 类型 | 型号 | η |
|---|---|---|---|---|
| ≤1.2 | ≤3psig | 离心 | 等温 | 70% |
| 1.2-1.5 | 3-7psig | 旋转叶片 | 多变性 | 65% |
| >1.5 | >7 psig | 压缩机 | 绝热 | 75% |
功率计算:
- 等温（β≤1.2）：W=P₁Q·ln（P₂/P₁)/η
- 多变性（1.2<β≤1.5）：从效率角度使用多变性指数n
- 绝热（β>1.5）：γ=1.4的标准绝热压缩
电机尺寸包括92%的电机效率。供应商数据应用于最终设计。
设计工具选择
第1层：启发式规模确定
用于：初步设计，筛选备选方案 局限性:
- 假设整个塔的pH值恒定
- pH值大于7.0时，H可能会低估身高50-200%₂S/CO₂
- 不适合投标准备
发出警告时:
- H的pH值≥7.0₂S或CO₂ 应用
- 空气/水比<15（驱动力弱）
- 碱度>500 mg/L碳酸钙₃
第2层：分阶段模拟（完成✅)
用于：pH值影响显著时的最终设计 特性:
- 逐级pH值和浓度分布
- 具有自适应Murphree效率的逆流流动
- PHREEQC各阶段平衡
- 水化学集成（RO MCP兼容）
演出:
- VOC：质量平衡误差<10%（生产就绪）
- 二氧化碳：质量平衡误差<5%（支持pH 4-8）
- H2S：质量平衡误差<25%（工程设计可接受）
- 收敛稳定到50个阶段，迭代限制为200次
- 所有应用都验证了正确的剥离方向
第3级：经济成本（完整）✅)
用于：成本估算、包装比较、经济优化 特性:
- 设备资本支出：鼓风机系统、塔壳、填料、内部构件
- 年度运营成本：电力、包装更换
- 经济指标：净现值、LCOW、投资回收期
- 验证了与完整来源的成本相关性
- CEPCI成本上涨至2025美元
成本相关性:
- 鼓风机：QSDsan(
qsdsan.equipments._aeration.Blower)-三层尺寸 - 船舶：WaterTAP(
watertap.costing.unit_models.cstr.cost_cstr) - 包装：行业标准值，CEPCI升级
- 内部：分配器、除雾器、支撑格栅
包装目录
佩里手册表14-13中的9种标准包装：
| 包装 | 材料 | 尺寸（mm） | Fp（m⁻¹） | 表面积（m²/m³） | 空隙率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 塑料鲍尔环 | 塑料 | 25 | 180 | 206 | 0.90 |
| 塑料鲍尔环 | 塑料 | 50 | 85 | 102 | 0.92 |
| 金属鲍尔环 | 金属 | 25 | 220 | 220 | 0.75 |
| 金属鲍尔环 | 金属 | 38 | 164 | 164 | 0.78 |
| 金属鲍尔环 | 金属 | 50 | 121 | 121 | 0.78 |
| 陶瓷Intalox鞍座 | 陶瓷 | 25 | 256 | 302 | 0.73 |
| 陶瓷Intalox鞍座 | 陶瓷 | 50 | 118 | 131 | 0.76 |
| 陶瓷拉西环 | 陶瓷 | 25 | 190 | 587 | 0.74 |
| 陶瓷拉西环 | 陶瓷 | 50 | 92 | 213 | 0.74 |
选择指南：
- H₂S/CO₂：使用塑料或陶瓷（耐腐蚀）
- 挥发性有机化合物：通常首选塑料包装
- 较小的填料（25mm）：HTU更低（效率更高），直径更大，成本更高
- 更大的包装（50mm）：HTU更高，直径更小，成本更低
验证
测试覆盖率：58项测试通过
- Perry的TCE基准（38→0.00151 mg/L）：在手册的5%以内
- H的PHREEQC物种形成₂S和CO₂:在pH 5-9范围内验证
- 罗宾斯压降：与流体库相比误差<1%
- 鼓风机功率计算：根据热力学模型进行验证
- 所有应用的二级质量平衡和物理验证
- 三层（小型/中型/大型）鼓风机成本验证
建筑
三层设计:
- 第1级：Perry与PHREEQC物种形成的相关性（完整✅)
- 第2层：平衡阶段模拟（完成✅)
- 第3层：WaterTAP经济成本计算（完整✅)
目录结构
degasser-design-mcp/
├── .mcp.json # MCP server configuration
├── README.md # This file
├── REMAINING_IMPLEMENTATION_PLAN.md # Detailed roadmap for Phases 2-3
├── server.py # FastMCP server implementation ✓
├── requirements.txt # Python dependencies ✓
├── .env.example # Environment variable template ✓
├── .gitignore # Git ignore rules ✓
├── tools/ # MCP tool implementations
│ ├── __init__.py # ✓
│ ├── heuristic_sizing.py # Tier 1 heuristic sizing ✓
│ ├── simulation_sizing.py # Tier 2 PHREEQC staged simulation ✓
│ ├── watertap_costing.py # Tier 3 WaterTAP economic costing ✓
│ └── schemas.py # Pydantic validation models ✓
├── utils/ # Utility modules
│ ├── __init__.py # ✓
│ ├── tower_design.py # Perry's correlations (diameter, height) ✓
│ ├── packing_properties.py # Packing catalog interface ✓
│ ├── speciation.py # PHREEQC pH-dependent speciation ✓
│ ├── henry_constants.py # Henry's law database ✓
│ ├── helpers.py # Eckert GPDC, HTU/NTU methods ✓
│ ├── pressure_drop.py # Robbins correlation & accessory ΔP ✓
│ ├── blower_sizing.py # Power calculations (fluids.compressible) ✓
│ ├── water_chemistry.py # RO MCP-compatible water chemistry ✓
│ ├── economic_defaults.py # CEPCI escalation, QSDsan imports ✓
│ ├── costing_parameters.py # WaterTAP parameter blocks ✓
│ ├── degasser_costing_methods.py # Equipment costing methods ✓
│ ├── import_helpers.py # Dependency detection ✓
│ ├── job_manager.py # Background job management for Tier 2/3 ✓
│ ├── tier2_cli.py # CLI runner for Tier 2 PHREEQC simulation ✓
│ └── tier3_cli.py # CLI runner for Tier 3 WaterTAP costing ✓
├── databases/ # Design databases
│ ├── pack.json # Packing specifications ✓
│ ├── henrys_law.db # VOC Henry's constants ✓
│ ├── voc_phases.dat # PHREEQC custom phases ✓
│ └── voc_properties.json # VOC properties ✓
└── tests/ # Unit and integration tests
├── test_tower_design.py # Perry's benchmark validation ✓
├── test_voc_phases.py # PHREEQC integration tests ✓
├── test_simulation_sizing.py # Tier 2 simulation tests ✓
├── test_blower_sizing.py # Blower sizing and pressure drop tests ✓
└── test_blower_costing_validation.py # Blower costing validation ✓
示例用法
# H₂S stripping at pH 6.0
result = await heuristic_sizing(
application="H2S",
water_flow_rate_m3_h=60.0,
inlet_concentration_mg_L=32.0,
outlet_concentration_mg_L=0.05,
air_water_ratio=34.0,
water_ph=6.0
)
# Results
# Tower: 2.12 m dia × 4.94 m height
# Packing: 4.44 m depth
# Air flow: 2,040 m³/h
# Strippable fraction at pH 6.0: 89.6%
注：在pH 6.0时，10.4%的硫化物仍为不可剥离的HS⁻. 将pH值降至5.5，去除率>95%。
参考文献
设计相关性
- 佩里化学工程师手册，第8版，第14节
- PHREEQC第3版（Parkhurst&Appelo，2013），美国地质调查局
- 热力学和压降流体库（CalebBell/流体）
- 罗宾斯，洛杉矶（1991），《化学工程进展》，87（5），87-91
经济成本核算
- QSDsan v1.4.2+-鼓风机设备成本-https://github.com/QSD-Group/QSDsan
- WaterTAP v0.15.0+-船舶成本计算框架-https://github.com/watertap-org/watertap
- BioSTEAM v2.x-CEPCI成本上涨指数-https://github.com/BioSTEAMDevelopmentGroup/biosteam
有关完整的成本来源文件，请参阅COSTING_REFERENCES.md
许可证
MIT许可证
联系
github：https://github.com/puran-water/degasser-design-mcp