本發明涉及化工產品制備領域，具體而言，涉及一種節能環保的福美鈉的生產裝置及其生產方法。

背景技術：

福美鈉(Sodium Dimethyldithiocarbamate，SDD)，固體產品為二水化合物，分子式為(CH₃)₂NC(S)SNa·2H₂O，化學名稱為二甲基二硫代氨基甲酸鈉。福美鈉用途廣泛，如在橡膠行業用作乳聚丁苯橡膠或丁苯膠乳的終止劑、橡膠制品的硫化促進劑；在工業水處理中可用作殺菌滅藻劑和重金屬捕集劑；在石油和造紙工業中用作殺菌滅藻劑；農業中用于生產殺蟲劑如福美雙、福美鋅等；礦業上用作鋅、錳濕法冶煉除雜、銅礦、金銀礦等的選礦藥劑。此外，福美鈉也是一種普遍使用的重金屬沉淀劑，廣泛用于含重金屬的工業污水處理、城市垃圾焚燒飛灰的無害化處理、固體廢物的重金屬穩定化處理、重金屬污染的土壤修復等，因此福美鈉是一種非常重要的硫代氨基甲酸鹽類品種。

目前，福美鈉主要采用如下工藝生產：將CS₂滴加于40％二甲胺(DMA)溶液、30-50％NaOH溶液組成的混合物中進行合成反應得到福美鈉水溶液，主反應：

(CH₃)₂NH+NaOH+CS₂＝(CH₃)₂NC(S)SNa+H₂O (Ⅰ)

此外，還可能發生如下副反應：

2NaOH+CS₂＝Na₂CS₂O+H₂O (Ⅱ)

由上述式Ⅰ和式Ⅱ可知，現有的福美鈉生產工藝中，在通過主反應生成福美鈉的同時，會不可避免地發生CS₂與NaOH之間的副反應，副產物Na₂CS₂O及其分解產物難以與福美鈉分離，會進一步混入至福美鈉的終產品中，導致產品純度低、產品質量不佳。

技術實現要素：

本發明提供了一種節能環保的福美鈉的生產裝置，旨在改善福美鈉生產過程中易發生副產物的問題。

本發明還提供了一種福美鈉的生產方法，旨在降低福美鈉的副產物含量，提高福美鈉的純度。

本發明是這樣實現的：

一種節能環保的福美鈉的生產裝置，包括反應釜和用于將二甲胺和CS₂進行預反應的第一管道反應器，第一管道反應器的出口與反應釜連通，反應釜具有接入NaOH溶液的進料口。

一種福美鈉的生產方法，該生產方法利用上述福美鈉的生產裝置，其包括：將二甲胺與CS₂通入第一管道反應器進行預反應形成第一物料，隨后將第一管道反應器中的第一物料通入反應釜中，并與同時通入反應釜內的NaOH溶液混合進行反應。

本發明的有益效果是：

本發明提供的這種生產方法，共發生兩步反應：

2(CH₃)₂NH+CS₂＝(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂ (Ⅲ)

(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂+NaOH＝(CH₃)₂NC(S)SNa+(CH₃)₂NH+H₂O (Ⅳ)

利用本發明提供的裝置和方法，通過改變三種原料的加入順序，可以非常方便地將上述反應Ⅰ分成反應Ⅲ和反應Ⅳ兩步完成，有效的避免了副反應Ⅱ的發生。

該生產方法將反應Ⅲ和反應Ⅳ場所分開，本發明通過上述設計得到的生產裝置，在反應釜的外邊增設了管道反應器，為上述生產方法的順利進行提供保障，使得反應Ⅲ和反應Ⅳ彼此獨立，即反應Ⅲ是在第一管道反應器中進行，隨后反應Ⅲ生成的中間體(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂進入反應釜中與NaOH進行反應Ⅳ，生成福美鈉。采用這種生產方法，使CS₂不與NaOH溶液直接接觸，避免了CS₂與NaOH溶液之間的副反應發生，使終產品福美鈉中的Na₂CS₂O含量急劇降低，從而提高福美鈉的純度和產品質量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施方式的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本發明實施方式提供的第一種福美鈉的生產裝置的結構示意圖；

圖2是本發明實施方式提供的第二種福美鈉的生產裝置的結構示意圖；

圖3是本發明實施方式提供的第三種福美鈉的生產裝置的結構示意圖；

圖4是本發明實施方式提供的第四種福美鈉的生產裝置的結構示意圖。

圖標：100-生產裝置；110-反應釜；111-進料口；112-出料口；113-攪拌部件；114-氮氣接入口；120-第一管道反應器；121-第一進料管；122-第一接入口；123-第二接入口；124-溫度計；130-換熱器；140-合成料收集罐；150-輸送泵；160-閥體；200-生產裝置；230-第二管道反應器；231-第二進料管；232-第三接入口；233-第四接入口；300-生產裝置；340-尾氣處理系統；341-尾氣吸收罐；342-攪拌器；343-放空管；344-排氣管；345-氣體分布器；400-生產裝置；450-母液儲液罐；460-二甲胺儲液罐；470-CS2儲液罐；480-NaOH儲液罐；490-流量計。

具體實施方式

為使本發明實施方式的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施方式的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。

此外，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

第一實施例，參照圖1至圖4所示，

本實施例提供一種節能環保的福美鈉的生產裝置100，該生產裝置100用來將二甲胺、CS₂、以及NaOH溶液這三大原料投入反應，以得到副產物少、純度高的福美鈉。該生產裝置100在生產福美鈉的過程中為帶壓運行，整個生產裝置100處于密閉狀態。

如圖1所示，這種生產裝置100包括反應釜110和第一管道反應器120，第一管道反應器120與反應釜110通過管道連接，即第一管道反應器120的出口與反應釜110連通。反應釜110是生成福美鈉的場所，生產裝置100將傳統工藝中的敞開式攪拌反應釜改為密閉式壓力釜，從而避免CS₂等反應氣體外泄到空氣中，造成空氣污染。為了提高反應的安全性，反應釜110設置有氮氣接入口114，用氮氣置換生產裝置100中的空氣。

反應釜110體積可設計在10m³～50m³之間。當反應釜110的體積在15m³以下時，無需安裝攪拌部件113；當該體積大于15m³時，為了使反應釜110中的物料快速的混合均勻，縮短反應時間，可在壓力釜內安裝攪拌部件113。

第一管道反應器120是二甲胺和CS₂進行預反應的場所，因此，第一管道反應器120的入口處設置有第一進料管121，第一進料管121用于將二甲胺和CS₂接入第一管道反應器120中。

第一進料管121的形式有多種，在本實施例中，第一進料管121類似于一個三通管，即第一進料管121具有第一接入口122和第二接入口123，第一接入口122用于接入二甲胺，第二接入口123用于接入CS₂。第一進料管121的出口與第一管道反應器120的入口連接。二甲胺與CS₂在第一進料管121內開始接觸，并在管道內壓力的作用下迅速進入第一管道反應器120中進行預反應。在本發明的其他實施例中，第一進料管121可以是兩根相互獨立的管道，其中一根管道用于通入二甲胺，另一根管道用于通入CS₂，二甲胺與CS₂在第一管道反應器120內開始接觸。第一管道反應器120內安裝有溫度計124，用于實時監測第一管道反應器120內的溫度。

優選地，該生產裝置100還包括合成料收集罐140。合成料收集罐140的入口與反應釜110的出料口112相連通。待反應完成后，將反應釜110中的混合料通入合成料收集罐140中，接著對混合料進行冷卻結晶，通過固液分離得到福美鈉固體產品和結晶母液。

在生產裝置100和方法中，整個生產裝置100的運行是帶壓運行，通過多個輸送泵150將管道中的物料輸送至下一級的處理單元中，各個管道的打開或阻斷是通過閥體160來實現的，本領域技術人員可以根據實際需求靈活選擇安裝輸送泵150和閥體160的位置，也可以靈活對管道的形式進行設置，比如適應性的將管道進行并聯或串聯。

采用這種生產裝置100來生產福美鈉的方法為：

將二甲胺與CS₂通入第一管道反應器120進行預反應形成第一物料，隨后將第一管道反應器120中的第一物料通入反應釜110中，并與同時通入反應釜110的NaOH溶液混合進行反應。

具體地，所進行的反應為：

2(CH₃)₂NH+CS₂＝(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂ (Ⅲ)

(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂+NaOH＝(CH₃)₂NC(S)SNa+(CH₃)₂NH+H₂O (Ⅳ)

采用這種生產裝置100來生產福美鈉時，為了提高中間產物(CH₃)₂NC(S)SH·NH(CH₃)₂的流動性，使反應順利進行，采用質量分數為40～50％的二甲胺水溶液。同時，接入反應釜110的NaOH溶液中NaOH的質量分數為50％。

由于反應Ⅲ為劇烈的放熱反應，在反應過程中會產生大量的熱量。在本實施例中，在第一管道反應器120的出口的位置設置有換熱器130，反應熱通過換熱器130及時移出，有利于控制反應在恒定的溫度下進行，即將反應溫度控制在40-95℃范圍內，優選地，將溫度控制在75-90℃。同時，利用換熱器130將反應熱迅速移除也能大幅度的縮短反應時間。當然，也可以通過將第一管道反應器120與反應釜110之間的管道設計的足夠長來進行散熱處理。

換熱器130可采用板式換熱器或者列管式換熱器，也可用其他形式的換熱器，比如將換熱器設置于管道反應器的內部。可以將這種換熱器130設計成有足夠大的換熱面積，以滿足溫度控制的需要。利用該換熱器130將反應產生的熱量用于給冷卻水加熱，所得到的熱水溫度可達到85-90℃，可用作生活熱水或冬季采暖，節能效果顯著。

傳統的合成工藝中采用一步反應法，即通過反應Ⅰ來直接生成福美鈉。使用這種工藝的設備通常在反應釜110內通過攪拌以及設置昂貴的制冷系統來進行降溫，這種方式的能耗大，且降溫效果不佳，從而反應時間長。這主要是由于低溫時，高濃度的福美鈉的粘度很大，流動性差，很難通過攪拌來散熱。而本實施例提供的這種生產裝置100，將反應Ⅲ的進行場所設置在反應釜110外，通過改變三種原料的加入順序，將傳統的一步反應改為反應Ⅲ和反應Ⅳ兩步完成，不但有效的避免了副反應Ⅱ的發生，也能降低整個反應的能耗。

在傳統的生產工藝中，合成反應溫度必須低于35℃，這主要是由于二甲胺和CS₂的沸點低、易燃易爆、且二者之間的反應為劇烈放熱反應，若使用傳統工藝中的常壓敞開式反應釜，當溫度超過35℃時，極易引發安全事故。同時，傳統工藝反應后所得到的福美鈉水溶液中福美鈉二水化合物的質量分數通常低于60％，如若福美鈉二水化合物的質量分數高于60％，則在反應過程中將會有大量的福美鈉晶體析出，一方面析出的晶體懸浮于反應體系中，使反應混合物變為濃稠的漿狀物，不利于反應的順利進行；另一方面，析出的晶體附著于換熱表面，使傳熱效果變差，甚至使反應無法進行。而在本生產裝置100和工藝中，將第一管道反應器120中的溫度控制在40-95℃，能夠很好的避免反應過程中大量晶體析出帶來的問題，也能降低制冷的能耗，即本發明中，冷卻介質由低溫冷凍鹽水改為常溫冷卻水，取消冷凍機制冷的過程。平均生產每噸福美鈉產品節約冷凍機的電耗150度，且生產每噸福美鈉產品可產生4m³溫度可達85℃的熱水，節能效果顯著。

進一步的，為了更好的提升反應Ⅲ的反應速率，縮短反應時間，并使該生產裝置100形成循環反應系統。發明人通過進一步的改進，研發了生產裝置200。

如圖2所示，該生產裝置200增設了第二管道反應器230。第二管道反應器230的出口與第一接入口122連接，第二管道反應器230的入口處設置有第二進料管231。第二進料管231具有第三接入口232和第四接入口233，第三接入口232用于接入二甲胺，第四接入口233與反應釜110的出料口112連接。第二進料管231的結構和設置方式與第一進料管121類似。第二管道反應器230內安裝有溫度計124，用于檢測第二管道反應器230內的溫度。

第二管道反應器230既是混合器，又是反應器。第二管道反應器230用于將二甲胺和反應釜110中包含有福美鈉的混合料混合均勻，并使混合料中微量的CS₂與二甲胺迅速反應。第二管道反應器230的剪切力強，混合效率高，二甲胺與混合料經過第二管道反應器230被迅速混合并反應完全。由于福美鈉合成反應受傳質過程控制，第二管道反應器230的設置為大幅度縮短反應時間提供了保障。

在本實施例中通過反應釜110、第一管道反應器120和第二管道反應器230之間的管道連接，形成一個相對密閉的循環反應系統，即在反應開始時，由二甲胺通過第二管道反應器230后與CS₂在第一管道反應器120中混合進行反應Ⅲ，生成第一物料；隨后第一管道反應器120中的第一物料進入反應釜110中，與接入反應釜110中的NaOH溶液混合進行反應Ⅳ，生成福美鈉，反應釜110中生成的福美鈉與殘留的二甲胺或CS₂形成混合料；反應釜110中的混合料通過第四接入口233重新通入第二管道反應器230，并與通過第三接入口232通入第二管道反應器230的二甲胺混合形成第二物料，隨后第二物料通過第一接入口122通入第一管道反應器120，以此形成循環反應系統。

待循環反應系統中的反應完成后，將反應釜110中的混合料通入合成料收集罐140中，接著對混合料進行冷卻結晶，通過固液分離得到福美鈉固體和結晶母液。通過冷卻結晶得到的福美鈉固體中福美鈉的純度高達96％以上，可直接作為福美鈉固體產品；而所得到的結晶母液中福美鈉的純度達到60％左右，可以直接用去離子水調配成含有40-43％的福美鈉的水劑產品。

這種循環反應系統，能夠確保物料在循環過程中進行充分反應，使物料的利用率達到98％以上。通過循環反應，可得到質量分數高達70～73％的福美鈉二水化合物。這種高濃度的福美鈉二水化合物可以直接通過冷卻結晶即可得到高質量的福美鈉固體產品，工藝簡單，無需像傳統工藝那樣通過蒸發濃縮來得到福美鈉固體產品。

進一步的，為了解決福美鈉生產中的環境污染問題，實現零排放。發明人對該生產裝置200進行了更進一步的優化，研發得到生產裝置300。

如圖3所示，生產裝置300增設了尾氣處理系統340，尾氣處理系統340包括尾氣吸收罐341和排氣管344。尾氣吸收罐341具有放空管343，放空管343使得尾氣吸收罐341與外界大氣相連通，尾氣吸收罐341中裝有尾氣吸收液。排氣管344的入口端與反應釜110相連通，排氣管344的出口端與尾氣吸收罐341連通，即尾氣吸收罐341通過排氣管344與反應釜110相連通。

待循環反應完成，混合料通入合成料收集罐140后，打開排氣管344上的閥體160，使反應釜110中的殘留氣體通入尾氣吸收液中進行尾氣處理，直至反應釜110中的表壓降至0.01MPa以下，說明反應釜110內尾氣已排完。

為了提高尾氣的吸收效率，尾氣吸收罐341內設置有攪拌器342和氣體分布器345。優選地，尾氣吸收罐341為一個裝有攪拌器342的不銹鋼反應釜110，尾氣吸收罐341裝有放空管343和排氣管344入口，內部裝有氣體分布器345。在打開排氣管344前，先將攪拌器342和氣體分布器345打開，以使反應釜110內的殘留氣體中的CS₂和揮發的二甲胺氣體快速的溶解在尾氣吸收液中，提高尾氣處理效率。通過這種尾氣處理系統340，能夠避免循環反應系統中的揮發的二甲胺和CS₂等有毒氣體排入空氣中，實現零排放，解決了困擾福美鈉生產中的環境污染問題。

進一步的，為了使用純度高達99.8％的二甲胺，并使該循環反應系統中的初始反應進行的更加順利，且進一步的提高原料CS₂和二甲胺的利用率，同時也能充分的利用循環反應系統中產生的結晶母液，發明人對該生產裝置300進行了更進一步的優化，研發得到了生產裝置400。

如圖4所示，生產裝置400還包括母液儲液罐450，母液儲液罐450分別與反應釜110和尾氣吸收罐341相連通，母液儲液罐450中裝有結晶母液，即合成料收集罐140中的物料經過冷卻結晶后收集的結晶母液。

在反應開始前，即在將二甲胺與CS₂通入第一管道反應器120之前，先將一部分的結晶母液通入反應釜110中，作為反應初始的混合料參與循環反應系統，再將另一部分的結晶母液通入尾氣吸收罐341中作為尾氣吸收液使用。

結晶母液重新進入反應釜110中參與反應，結晶母液中混合的二甲胺和少量的CS₂可作為反應物重新參與反應，由此提高CS₂和二甲胺的利用率，避免資源浪費。

更為優化的，尾氣吸收罐341的排料口與母液儲液罐450相連通，由此可實現尾氣吸收罐341與母液儲液罐450內的液體置換。即在反應開始前，將母液儲液罐450中的結晶母液排至尾氣吸收罐341中，作為尾氣吸收液來吸收尾氣中的CS₂和二甲胺；待反應釜110中的表壓降至0.01MPa以下，則說明反應釜110中的尾氣已基本排空，此時再將尾氣吸收罐341中的結晶母液排入母液儲液罐450內，母液儲液罐450內的結晶母液便可進入下一批次的循環反應系統，從而將尾氣中的CS₂和二甲胺也重新引入反應釜110中進行循環反應。

為了便于控制CS₂、二甲胺以及NaOH這三種物料進入循環反應系統的量和速度，該生產裝置400還包括二甲胺儲液罐460、CS₂儲液罐470和NaOH儲液罐480。其中，二甲胺儲液罐460與第三接入口232相連通，通過第三接入口232進入第二管道反應器230中；CS₂儲液罐470與第二接入口123相連通，通過第二接入口123進入第一管道反應器120中；NaOH儲液罐480與進料口111相連通，通過進料口111進入反應釜110中，進行反應。

二甲胺儲液罐460、CS₂儲液罐470和NaOH儲液罐480這三個儲液罐都可以為計量罐，為了更加精確的控制流量，這三個儲液罐中均安裝有液位計。優選地，這三種物料的排出管道中均安裝有流量計490，可以為質量流量計或體積流量計，通過流量計490來調控二甲胺、CS₂和NaOH的加入量和加料速度，以此來控制反應速度。

這種生產裝置400可以非常安全和方便地使用純度99.8％的二甲胺作為原料，而傳統工藝中為了減少二甲胺的揮發、保障反應的安全性，只能用質量分數為40％的二甲胺水溶液來進行反應。使用質量分數為99.8％的二甲胺與使用質量分數為40％二甲胺水溶液比，一方面，大幅度降低了二甲胺的運輸成本；另一方面，反應體系中由于沒有隨二甲胺溶液帶來的大量的水，生產福美鈉固體產品時不需要蒸發濃縮，可直接冷卻結晶得到福美鈉固體產品。生產每噸福美鈉固體產品可節約0.7噸蒸汽，折合標準煤68Kg，節能效果顯著。此外，由于沒有蒸發冷凝水的產生，解決了困擾福美鈉生產中的污水處理問題。

本發明還提供了一種福美鈉的生產系統，生產系統包括自動化控制系統和上述生產裝置100、200、300、400。通過自動化控制系統，利用三臺流量計490準確計量二甲胺、CS₂和NaOH的加入量和加料速度，以此來控制循環反應系統中的反應速度。此外，自動化控制系統也可以來調控反應溫度和壓力等參數。

利用生產裝置400來生產福美鈉的方法如下：

a.將一定量的前一批福美鈉生產得到的結晶母液分別輸送至反應釜110和尾氣吸收罐341中。

b.通過流量計490設定好二甲胺、CS₂和NaOH溶液的單批投料量；其中，二甲胺、CS₂和NaOH溶液的摩爾比為1:1:1。

c.用氮氣置換循環反應系統中的空氣。

d.使反應釜110中的結晶母液通過輸送泵150加壓后，進入第二管道反應器230，與同時進入第二管道反應器230中的二甲胺混合形成第二物料，隨后第二物料進入第一管道反應器120中，與同時進入第一管道反應器120中的CS₂發生反應Ⅲ形成第一物料，第一物料經換熱器130降溫至40～95℃后進入反應釜110中，與同時進入反應釜110中的NaOH溶液混合進行反應Ⅳ，生成福美鈉和二甲胺，共同形成混合料。

e.混合料循環至第二管道反應器230中，與新加入的二甲胺混合，再與CS₂在第一管道反應器120中反應，如此循環，直至設定量的二甲胺、CS₂和NaOH溶液加完。

f.繼續循環反應20-40min，待反應釜110的壓力不再下降時，反應結束。此時反應釜110壓力為0.2～0.3MPa，整體反應時間共為1.5～3小時。

g.將反應釜110中的混合料輸送至合成出料罐中，進行冷卻結晶，得到福美鈉固體產品和結晶母液，用結晶母液調配福美鈉液體制劑，或者將結晶母液輸送至母液儲液罐450中，用于下批次的合成反應。

h.物料輸送完畢后，開啟尾氣吸收罐341的攪拌器342，打開排氣管344，將反應釜110放空至表壓低于0.01MPa。隨后，將尾氣吸收罐341中的結晶母液輸送至母液儲液罐450中，用于下批次的合成反應。

相比于現有技術，這種生產裝置和該工藝方法的優點有：

1.整個反應過程在氮氣保護下進行，操作平穩安全。

2.帶壓操作，循環反應過程中生產裝置處于密閉狀態，易揮發的二甲胺和二硫化碳不會因反應溫度高而揮發溢出，合成反應基本上定量進行，收率高達99％以上。

3.反應溫度可達95℃，不需要冷凍機制冷，只要常溫自來水或循環水即可進行換熱處理。且由于反應溫度高，福美鈉的質量分數高達70％以上也不會有晶體析出，反應仍可順利進行，從而避免管道堵塞引發的安全問題。

4.最后所得到的合成物料中，福美鈉的質量分數高達70％以上，高濃度的反應產物不需要蒸發濃縮，可直接冷卻結晶，與傳統工藝比，無需進行蒸發濃縮，沒有濃縮冷凝水，整個工藝實現了零排放。

5.該工藝巧妙地將反應Ⅰ分成反應Ⅲ和反應Ⅳ兩步進行，整個反應過程中NaOH沒有機會與CS₂直接接觸，避免了副反應Ⅱ的發生，得到的福美鈉的產品質量比現有工藝產品質量高。此外反應加料速度快，反應時間短，每批次反應可在1.5-3小時內完成。

以上所述僅為本發明的優選實施方式而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。