(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の触媒区域（１０６）と複数の膜区域（１０５）とを備え、それらをガスが交互に流れるガス流れ通路（３）を備えていて、前記複数の触媒区域（１０６）の各々は、触媒床（６）を備えていて、前記複数の膜区域（１０５）の各々は、所定のガス種を選択的に透過可能である複数の管状のガス膜（７０）を備えていて、複数の管状のガス膜は、ガス流れ通路を通るガス流れに対して交差するように延びている、集積されている触媒及び膜反応器（１）。
【請求項２】
複数の触媒区域（１０６）と複数の膜区域（１０５）とを備え、それらをガスが交互に流れるガス流れ通路（３）を備えていて、前記複数の触媒区域（１０６）の各々は、触媒床（６）を備えていて、前記複数の膜区域（１０５）の各々は、所定のガス種を選択的に透過可能である複数の管状のガス膜（７０）を備えていて、複数の管状のガス膜は、前記複数の膜区域を通るように延出している、集積されている触媒及び膜反応器（１）。
【請求項３】
前記複数の管状のガス膜の大部分は、前記複数の触媒床に物理的に接触していない、請求項１又は２に従っている反応器。
【請求項４】
前記複数の管状のガス膜の全ては、前記複数の触媒床に物理的に接触していない、請求項１又は２に従っている反応器。
【請求項５】
前記複数の膜区域は、複数の膜区域を通るガス流れに対し交差して配置された複数の膜の束を前記複数の管状のガス膜（７０)として備えていて、そして、複数の膜区域の容量の少なくとも２０％が複数の管状の膜の束により占められている、請求項１乃至４のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項６】
前記複数の触媒床は、モノリシック触媒を備えている、請求項１乃至５のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項７】
触媒が、水性ガスシフト反応触媒，蒸気改質触媒，ＣＯ２改質触媒，脱水素化触媒，Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ触媒，そして部分的な酸化触媒から成る群から選択されている、請求項１乃至６のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項８】
前記複数の管状のガス膜は、所定のガス種としての水素を選択的に透過可能である、請求項１乃至７のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項９】
加熱通路をさらに備えており、加熱通路は前記複数の触媒区域に隣接していて、そして、ガス流れ通路の上流に供給通路をさらに備えており、供給通路の少なくとも一部位は複数の触媒区域に隣接している、請求項１乃至８のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１０】
前記供給通路の少なくとも一部位は、前記複数の触媒区域と物理的に接触している、請求項９に従っている反応器。
【請求項１１】
前記触媒床は、改質触媒を備えていて、そして、供給通路の少なくとも一部位が予備改質触媒を備えている、請求項９又は１０に従っている反応器。
【請求項１２】
前記加熱通路は、加熱通路の全長の少なくとも一部位に渡り前記供給通路と物理的に接触している、請求項９乃至１１のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１３】
前記供給通路は、前記加熱通路の全長さの少なくとも一部位を周方向に取り囲んでいる、請求項９乃至１２のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１４】
前記複数の触媒区域のうち隣接している触媒区域相互は、ガス流れ通路内でバッフルにより分離されていて、そして、前記複数の膜区域のうち隣接している膜区域相互は、ガス流れ通路内で複数のバッフルにより分離されている、請求項１乃至１３のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１５】
前記複数の触媒区域は、互いに積み重ねられていて、そして、前記複数の膜区域は、互いに積み重ねられている、請求項１乃至１４のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１６】
前記複数の触媒区域及び前記複数の膜区域は、前記流れ通路中での複数の触媒区域及び複数の膜区域を通る蛇行した流れを許容するように、配置されている、請求項１乃至１５のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１７】
前記複数の触媒区域と複数の膜区域とは、複数の触媒区域が複数の触媒区域と加熱通路との間に配置さるようにして、加熱通路を中心として加熱通路の回りに径方向に配置されている、請求項１５又は１６に従っている反応器。
【請求項１８】
前記ガス流れ通路は、少なくとも１０の前記触媒区域を備えている、請求項１乃至１７のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項１９】
前記ガス流れ通路は、少なくとも１５の前記触媒区域を備えている、請求項１８に従っている反応器。
【請求項２０】
前記膜区域と前記触媒区域との間の界面での触媒床の界面面積は、膜区域に備えられている複数の膜の表面積よりも小さい、請求項１乃至１９のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項２１】
前記複数の管状のガス膜は、前記複数の膜区域を貫通している、請求項１乃至２０のいずれか１項に従っている反応器。
【請求項２２】
反応器中で交互に配置されている複数の触媒区域と複数の膜区域とを有しているガス流れ通路を、供給ガスが通過されることを備えている製品ガスの製造の為の方法であって、前記触媒区域の各々は、触媒床を備えていて、前記複数の膜区域の各々は、複数のガス膜を備えていて、前記複数のガス膜は、前記ガス流れ通路を通るガス流れに対し交差するように延びており、複数のガス膜は、所定のガス種を選択的に透過可能である、方法。
【請求項２３】
前記製品ガスは、水素である、請求項２２に従っている方法。
【請求項２４】
前記供給ガスは、飽和炭化水素と、ＣＯ２，Ｈ２Ｏ，そしてＯ２の１つ又はそれ以上とである、請求項２２又は２３に従っている方法。
【請求項２５】
前記供給ガスは、飽和炭化水素と、蒸気又はＣＯ２とであり、前記触媒床は、改質触媒を備えている、請求項２２又は２３に従っている方法。
【請求項２６】
前記飽和炭化水素は、メタンである請求項２５に従っている方法。
【請求項２７】
請求項１乃至２１のいずれか１項に従っている反応器が適用されている、請求項２２乃至２６のいずれか１項に従っている方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜反応器及びこのような反応器によるH2の製造の為のプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜反応器は、当該技術分野において知られている。例えば、ＷＯ２０１０／０８６６３５は反応器を開示していて、ここにおいては合成ガスが水性ガスシフト反応にさらされ、そして二酸化炭素が転換（shift）されたガス混合物からＣＯ２−選択膜により分離されていて、それにより水素に富んだガス混合物が生成される。
【０００３】
ＷＯ２００４／０２２４８０は、蒸気改質（reforming）による高純度の水素の製造の為のプロセス及び装置を記載している。この装置は、Ｈ２流れ中における最小のＣＯでＨ２及びＣＯ２を製造する為の、炭化水素の蒸気改質の為の集積された反応器である。反応器は、複数の炎無し分散燃焼（flameless distributed combustion: FDC）室及び複数の水素‐選択，水素‐透過可能，膜管を含んでいる。供給及び反応ガスが反応器を半径方向又は中心軸線方向を通って流れる。この文献はまた、触媒床中の触媒との反応ガスの接触を増加させる為に、複数の管状のＦＤＣ加熱された中心軸線流れの膜蒸気改質反応器中で採用されて良い複数のバッフル（baffle）の異なった構成を記載している。バッフル構成は、ワッシャー（washer）形状のバッフル及びその中に配置されているか又は交互に配置されている円板形状のバッフルを備えている。このバッフル配置は、供給及び反応ガスがワッシャー（washer）形状のバッフル中の孔を通って流れるようにするとともに円板形状のバッフルによりそらされるようにし、それにより、複数のバッフル間の領域中に詰め込まれている触媒との反応ガスの接触を強化している。もう１つのバッフル配置は、反応器中に交互に置かれている（切り欠き左及び切り欠き右）複数の切り欠かれている円板（truncated disk）を備えていて、これにより、供給及び反応ガスが複数のバッフル間の領域中に詰め込まれている触媒を通る時に「ジグザグ（zigzag）」にさせている。複数のバッフルは、それらを通してＦＤＣ管及び膜管が通過することを許容する複数の開口を有する。垂直な一直線状に配置されている複数のスクリーン（screen）もまた、複数のバッフルを支持するよう、及び幾つかの場合では、より良いガス流れ分配の為に外殻壁から又は外殻の中心から触媒を遠ざけて保持するよう、使用されて良い。
【０００４】
従来の膜反応器設計においては、ＷＯ２００４／０２２４８０中に記載されている如く、触媒及び膜が充分に集積されている。即ち、触媒は複数の膜を取り囲んでいる押し固められている床（packed bed）である又は触媒は膜上に被覆されている。
【０００５】
このような従来技術の膜反応器設計においては、触媒が膜に沿い多少均等に分散されていて、そして触媒を通る供給の流れ長さは膜長さと同じ寸法である。吸熱反応の場合においては、反応の為に要求されている熱は、例えば、複数の膜との繰り返しの構成要素として配置されている複数のバーナー（burner）又は複数の熱交換構成要素を通して提供されている。他方、発熱反応の場合には、作られた熱は複数の熱交換構成要素を通して除去されて良い。結果として、触媒の量，熱交換面積，そして膜面積は、設計において独立して選択されることが出来ない。或る触媒の量においてそれが生成されることが出来る割合に比べて、所定の膜面積を通して除去されるべき反応に付属した低フラックス（flux）又は副生成物、例えば水素、及び反応が反応生成物を生成することが出来る為に要求されている熱フラックス（flux）が与えられた時、触媒の量，熱交換面積，そして膜面積間のミスマッチがある。
【０００６】
触媒の容量及び膜面積の関連を切り離す為の選択肢（option）は、分離及び反応プロセスを連続的に（反応と分離を交互に）行うことである。
【０００７】
ＷＯ２００９／１５０６７８は、分離の為の複数の膜を格納している複数の容器及び反応の為の触媒を格納している複数の容器を独立して連続的に使用しており（膜‐触媒‐膜‐触媒‐膜‐触媒，その他）、これにより複数の反応器及び分離ユニットそして触媒は独立して寸法決めされることが出来る。しかしながら、実際的な観点からは、これは制限された数の工程が必要であるプロセスの為のみに適切である。蒸気改質の為の計算（複数の例を参照）は、例えば５又はそれ以下の連続した工程の制限されている数，達成されることが出来る供給の転換率，そして従って経済的に魅力のあるものが制限されていることが示されていた。さらに、それは、複数の容器を連続して連結する為の大量の配管及び制御システムを要求する。
【０００８】
膜反応プロセスは高圧及び高温で動作するので、封じ込め、即ち複数の膜／触媒組立体を格納している圧力容器、が非常に高い費用になる。もっとも重要な理由は、複数の膜（フラックス（flux））を通した流量が低いと思われることである。この発明は、複数の膜の集合した組み合わせ，反応器を設計する為のよりコンパクトな技術を許容する。
【０００９】
さらには、大量の移行は複数の詰め込まれている膜反応器における問題である。大量移行は、（ＷＯ２００４／０２２４８０中に記載されている如く）例えば管‐中‐管（tube-in-tube）概念中において、複数の膜反応器の性能に不都合に影響することが知られている（Ｆ．Ｇａｌｌｕｃｉ  ｅｔ  ａｌ．（２０１０），Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  ｐａｃｋｅｄ  ｂｅｄ  ａｎｄ  ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ  ｂｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｒｅａｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  ｍｅｔｈａｎｅ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊ．  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  ３５／１３，  ｐｐ．７１４２−７１５０）。管‐中‐管（tube-in-tube）概念として記載されている複数の概念は速度を独立して選択するという自由の程度が不足しているので、大量の移行はガス速度を増加させることにより増大されることが出来ない。
【００１０】
従って、従来技術の不都合は、複雑な解決策（solution），非コンパクトな解決策（solution），そして触媒の副次的に最善な使用（さらなる触媒が必要以上に使用されると思われる）である。
【発明の概要】
【００１１】
従って、この発明の概念は、１つ又はそれ以上の上記の欠点を回避する、交互の反応器及び交互のプロセスを提供することである。
この発明は、複数の膜が全体の組立体の最大のコンパクトさで離間出来るように単一の容器に複数の膜，複数の触媒，そして熱交換面積／バーナー（burner）を集積させる方法を提供する。
【００１２】
膜反応器においては、反応の平衡をシフト（shift）させる為に、複数の膜が、複数の反応生成物の１つ（例えば、水素）を除去するよう使用されている。この発明においては、分離及び反応の要求されている集積が、供給ガス（例えば、蒸気及び天然ガス）を触媒床を通し複数の（密に詰め込まれた束の如き）膜に沿い連続的に通過させることにより達成される。複数のバッフル（baffle）が、反応及び分離の所望の数の連続した工程を通してガスを案内し、そして複数の通路の連続を創出することに使用されて良い。さらには、反応器中における圧力損失を減少させるよう構成されている触媒を使用することが提供されている。これは、速度が従来の設計のものよりも早くなるので、この膜反応器構成では好適である。
【００１３】
この発明は、第１に、特に（コンパクトな）膜管束により、流れが交差流（cross-flow）であるとともに、流れが触媒床を通しそして（膜束の如き）複数の膜に沿い交互に通過する（膜→触媒→膜→触媒→その他）反応器設計を提供する。従って、ここでは用語「交互（alternating）」は、複数の膜区域と複数の触媒区域とが互いに交互であり、そして、これらの区域が反応器内に配置されていることを指摘している。従って、この発明の交差流（cross-flow）構造は、図面を参照することにより、以下にさらに説明される如く、１つの膜区域から次の膜区域へと複数の膜管が延出していることを意味する。これは、熱交換を可能にするとともに触媒の量を提供するよう現在の膜反応器設計の為に要求されている長い距離を避ける、コンパクトな手法でこの発明に従い達成される。
【００１４】
従って、提案されている膜構造の第１の利点は、それが膜反応器のよりさらなるコンパクトな構造を許容することである。
【００１５】
発明が向けられている第２の問題は、標準的な膜反応器設計におけるガスの低い速度である。提案されているシステムの利点は、それが、触媒床及び膜表面と触媒との間における及びこれらの間の量及び熱交換を強化するようバッフル（baffle）システムを設計又は寸法付けすることにより膜を通した複数の反応生成物の１つの抽出の割合から独立して、供給ガスの速度を選択することを許容することである。
【００１６】
第３の問題は、膜動作温度からの異なった反応温度が（即ち、高度な転化率を達成する為に）熱力学的に有利にされることが出来、そして複数の膜が最適な動作温度を有することが出来ることである。蒸気改質反応の例において、膜は好ましくは寿命を増大させる為にはより低い温度で動作されることが好ましい。この発明は、高い効率及びコンパクトである間に、比較的低い温度を使用することを許容する。
【００１７】
従って、第１の概念においては、この発明は、ガス流れ通路を備えていて集積されている触媒及び膜反応器（「反応器（reactor）」を提供し、ここにおいてはガス流れ通路は複数の交互の触媒区域及び複数の膜区域を備えていて、ここにおいては個々の触媒区域が触媒床を備えていて、ここにおいては個々の膜区域が、複数の管状の膜の如き、複数の膜を備えていて、ここにおいては複数の膜が好ましくはガス流れ通路を通る（供給ガスの）ガスの流れに対する交差流れ配置（cross-flow arrangement）に構成されていて、そしてここにおいては複数の膜が所定のガス種（predetermined gaseous species）（ここでは「所定のガス（predetermined gas）」としても指摘されている）の為に選択的に透過可能である。さらには、複数の（管状）膜が、ガス流れ通路に対し交差流れ配置（cross-flow arrangement）に構成されていて良い。
【００１８】
次にこの発明は、複数の交互の触媒区域及び複数の膜区域を有しているガス流れ通路を備えている集積されている触媒及び膜反応器を提供し、ここにおいては個々の触媒区域が触媒床を備えているとともに個々の膜区域が複数の膜を通って延出している複数の選択的に透過可能な膜を備えている。好ましくは、複数の膜区域は積み重ね（stack）られていて、複数の（管状の）膜が損失空間無しで連続している複数の膜区域を通って直接的に延出することを許容している。好適な実施形態においては、複数の膜区域と複数の触媒区域の両方が積み重ねられている。積み重ねられている構成においては、供給ガスは交互のモードにある複数の触媒区域と複数の膜区域を通ってジグザグ（zigzag）に流れる。
【００１９】
さらなる概念においては、この発明は、所定のガス種、この実施形態においては水素ガス、の製造の為の方法を提供し、この方法は：（ｉ）所定のガス種の触媒形成の為に適した供給ガス（１つ又はそれ以上の出発成分を含んでいる）を、（１つの反応器内の）複数の交互に配置されている触媒区域及び複数の膜区域を通して流すことを備えていて、ここにおいては個々の触媒区域が、（供給ガスを所定のガス種及び任意には他の（ガス）種へと転化させる為に適している）触媒床を備えていて、ここにおいては個々の膜区域が、所定のガス種の為に選択的に透過可能な、複数の管状のガス膜の如き、複数のガス膜を備えている。所定のガス種は次に、複数の連続している膜区域を通って延出している複数の膜の透過側で（特に、複数の管状の膜の内側で）運び去られる。複数の膜、特に複数の管状のガス膜、が好ましくは、ガス流れ通路を通るガス流れに対して交差流れ（cross-flow）配置に構成されていて、そしてこの方法は好ましくはこの発明に従っている反応器に適用する。
【００２０】
特に、この発明の方法は、触媒により水素へと転化されることが出来る１つ又はそれ以上の成分を含んでいる供給ガスを、反応容器中に交互に配置されている複数の触媒区域及び複数の膜区域を通って供給することを備えていて、ここにおいては複数の膜区域が水素ガスの為に選択的に透過可能である複数の（管状の）膜を備えている。触媒区域は供給ガスの関連する成分を水素へと転化することが出来る触媒を備えている。交互の配置は好ましくは複数の積み重ねられている触媒区域及び複数の積み重ねられている膜区域により構成されていて、そこを通って供給ガスが次に流れる。
【００２１】
このような方法は（ｉｉ）供給ガスの少なくとも一部位を所定のガス種、特に水素、へと（触媒区域において）転化すること、及び（ｉｉｉ）複数の（管状の）膜から（即ち、複数の（管状の）膜の透過側から）所定のガス種を得ること、を含んで良い。従って、特に、反応器が適用されて良く、ここにおいては交互に配置されている複数の触媒区域及び複数の膜区域が集積されている。句「一つの反応器内（within a single reactor）」は、方法が（ここで述べられていた如く）複数の反応器中で平行に作動されて良いことを除外する。用語「一つの反応器内（within a single reactor）」は特に、この中に記載されている如き集積されている触媒及び膜反応器を引用している。
【００２２】
この方法の代わりの概念においては、供給の少なくとも一部位が所定のガス種及び第２の反応生成物へと転化され、そして所定のガス種、特に水素、が膜から（即ち、複数の膜の透過側から）得られ、そして（所望の）第２の生成物が、膜の透過側から所定のガス種を取り除くことにより供給ガスから高い濃度で得られる。これは例えば脱水素化を実行する時の場合であって良い。
【００２３】
これにより、コンパクトさが得られて良く、そして（「機械的な種々の値（engineering values）」に対する速度を増加させることにより）伝熱限界が克服される。それはさらに、触媒及び膜が異なった条件（動作窓（operating window））で動作することが出来ることを許容する。例えば、蒸気改質反応の為には、６８０℃又はそれ以下のような、７００℃以下の如き、７５０℃以下の温度でさえ、非常に高いメタン転化率が得られることが出来、連続したプロセスにおいては（反応−分離−反応−分離−…などを伴っている連続した複数の反応器においては）、より高い温度で、そして大きな数の工程の後でのみ達成されることが出来る。
【００２４】
ここにおいては、用語「集積されている触媒及び膜反応器（integrated catalyst and membrane reactor）」は、１つの単一の反応器（容器）中に複数の膜及び触媒を備えている反応器に関係している。しかしながら、この発明の方法はまた、平行に配置されているか又は直列に配置されている、このような複数の反応器（の適用）を含んで良い。
【００２５】
ここに記載した「膜（membrane）」の特に有利な幾何学的形状は、管状の膜である。さらに特別な実施形態においては、複数の、好ましくは管状の、膜がガス流れ通路中に反流又は交差流れ（cross-flow）配置に配置されていて、即ち供給ガスは複数の（管状の）膜に沿い流れ、透過側は複数の管状の膜内にある。従って、反流又は交差流れ（cross-flow）配置は、膜区域を通って流れるガスの流れの方向、即ち１つの触媒区域から次の触媒区域へと、が、複数の管状の膜の内側（透過）におけるガスの流れに対し実質的に直角である。従って、ガス流れ通路を通って流れる間に、１つ又はそれ以上の反応生成物（所定のガス種を含んでいる）が複数の触媒区域において形成され、そしてガス流れ通路中におけるガス混合物の１つ又はそれ以上の成分（即ち、この実施形態においては、所定のガス種）が膜を通過し、そして複数の膜の透過側を介し反応器から去る。これに対し、ガス流れ通路中におけるガスの１つ又はそれ以上の他の成分は選択膜を通過せず、そして保持側（retentate side）に残る（そして、排出口を介し反応器を去る）。複数の（管状の）膜はここにおいて、（反応器の動作の間に）ガス流れ通路を通る流れに対し（そして膜区域を通る流れに対し）特に直角に配置されている。
【００２６】
連続的なプロセスのお蔭で、供給ガスは複数の触媒区域中で少なくとも所定のガス種へと転化され、そしてガス流れ通路中のガスは供給ガスの複数の出発成分の１つ又はそれ以上が減少される。このようにして、供給ガスの複数の出発成分の１つ又はそれ以上が減少され、そしてガス流れ通路内で供給ガスは１つ又はそれ以上の反応生成物（所定のガス種を含んでいる）に富む。しかしながら、複数の膜の存在のお蔭により、これら反応生成物（即ち、所定のガス種）の１つ又はそれ以上が、ガス流れから分離される。このような分離は、（所定のガス種としての）水素の如き１つ又はそれ以上の反応生成物の形成のプロセスを強化する。化学的な平衡状況との対比においては、複数の反流又は交差流れ（cross-flow）膜の存在が従って、ガス流れ通路中のガス中の所定のガス種の分圧を減少させる。
【００２７】
供給ガスが複数の触媒区域と複数の膜区域を交互に通って流れる時、複数の連続的な反応器を伴っているプロセスは完全ではないがより良き結果を伴う。現在の反応器はより効率的でありそして非常に小さい。特に（流れ通路中に交互の方法で配置されている、１０個の触媒区域及び１０個の膜区域，又は１１個の膜区域及び９個の触媒区域の如き）少なくとも略２０個の区域である、例えば工業用の水素製造プロセスの為には、８０％以上の反応効率を得られると見られる。略３０個の区域では、略９０％又はそれ以上である。従って、１つの実施形態においては、ガス流れ通路は少なくとも１０個の触媒区域（そして従って９乃至１１個の膜区域）を備える。特に、ガス通路流れは、少なくとも１２個の、好ましくは少なくとも１５個以上の触媒区域（そして、従って１１個乃至１３個又は１４個乃至１６個の膜区域）でさえも、備える。
【００２８】
用語「触媒（catalyst）」はまた、複数の触媒を引用して良い。１つの実施形態における触媒は、供給ガスから、適切な触媒条件の下で（１つの実施形態においてはＨ２の如き）所定のガス種を生成するのに適切な触媒を特に引用している。触媒は触媒床中に存在していて良い（また以下を見よ）。
【００２９】
１つの実施形態においては、触媒は、水性ガスシフト反応触媒，蒸気改質触媒，脱水素触媒，Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ触媒，ＣＯ２改質触媒，又は部分的な酸化触媒である。特に、触媒は、蒸気改質触媒の如き改質触媒であって良い。上に記載していた如く、用語「触媒」はまた、予備改質（prereforming）触媒と改質（reforming）触媒との如き複数の触媒を引用して良い。予備改質（prereforming）触媒の使用は、改質触媒でのより低い温度を許容する。これは複数の管状の膜の寿命に貢献する。
【００３０】
さらにもう１つの実施形態においては、触媒は（例えば、シクロヘキサン（cyclohexane）又はプロパン（propane）の）脱水素の為に適している触媒であって良い。
【００３１】
特別な実施形態においては、触媒床は、モノリシック（monolithic）触媒を備える（また以下を見よ）。従って、個々の区域はこのようなモノリシック（monolithic）触媒を備えて良い。限定されていない例として、幾つかの可能な反応器が表１中に指摘されている。当該技術分野において習熟している人々には明白になることであるが、反応器中で行われる所定の反応に従い、触媒が選択されて良い。
【表１】
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【００３２】
用語「ガス流れ通路（gas flow channel）」はここでは、そこを通して（供給）ガスが流れて良い通路を引用している。ここにおいては、ガス流れ通路は、そこを通して（供給）ガスが流れる複数の（交互に配置されている）区域を備える。従って、ガスは、中間の膜区域を介して１つの触媒区域から下流の触媒区域へとのみ流れて良い。同様に、ガスは、中間の触媒区域（ＣＳ）を介して１つの膜区域（ＭＳ）から下流の膜区域へとのみ流れて良い。従って、複数の区域の配置は、ＭＳＫ−ＣＳ−（ＭＳ−ＣＳ）ｎ又はＣＳＫ−ＭＳ−（ＣＳ−ＭＳ）ｎであり、ここにおいてｎは一般的には少なくとも１であり、そしてｋは０又は１であって良い。例えば、ｋ＝０そしてｎ＝２の時、複数の区域の連続は、そしてＭＳＫ−ＣＳ−（ＭＳ−ＣＳ）ｎを使用して、触媒区域，膜区域，触媒区域，膜区域，触媒区域，の夫々である。例えば、ｋ＝１そしてｎ＝１の時、そしてＣＳＫ−ＭＳ−（ＣＳ−ＭＳ）ｎを使用して、複数の区域の連続は、触媒区域，膜区域，触媒区域，膜区域，の夫々である。両方の例においては、ガス流れ通路は、２つの触媒区域を備えている。上に指摘されていた如く、ｋは０又は１であって良く、そしてｎは好ましくは少なくとも１０である。
【００３３】
用語「上流」及び「下流」は、ガス源又はこのようなガスの入口から反応器中へのガスの伝搬に関する項目（item）又は特徴（feature）の配置に関係していて、ここにおいてはガス流れ内における第１位置に関係して、ガス源により近いガス流れ内の第２位置は「上流」であり、そして、ガス源からさらに離れているガス流れ内における第３位置は「下流」である。
【００３４】
上に指摘されていた如く、用語「触媒床（catalyst bed）」は特に、例えば複数の触媒粒子の如き又はモノリス（monolith）の如き、触媒の配置を引用している。前者の場合においては、複数の触媒粒子は例えば触媒材料で活性化されている（promoted）粒子支持体（一般的には金属又は金属酸化物）であって良い。後者の場合においては、これは、触媒材料で活性化されている（promoted）特別な構造であって良い。供給ガスは、複数の粒子間の隙間を通って又はモノリス（monolith）中の複数の通路を通って流れて良い。特に、モノリス（monolith）は、大量の（小さな）（真っ直ぐ及び平行な）通路から成るセラミック又は金属ブロックであって良い。従って、１つの実施形態においては、モノリス（monolith）は、セラミック又は金属の発泡体（foam）、特に（また熱交換の観点から）金属の発泡体（foam）、である。
【００３５】
従来技術との対比では、好ましくは触媒及び膜は互いに接触しないで良い。これは特に、触媒と最も近い複数の膜との間、より詳細にはモノリシック（monolithic）触媒と最も近い複数の膜との間、にゼロ（zero）でない距離があって良いことに適用する。従って、好適な実施形態においては、複数の膜の大部分が複数の触媒床と物理的に接触しない。好ましくは、複数の全ての膜が複数の触媒床と物理的に接触しない。これは、固体で構成されている（例えば、自立している又はモノリス（monolith）の）触媒床を選択することにより、又は触媒床を包含しそしてそれを複数の膜から分離している透過可能な壁又は網状スクリーン（screen）を使用することにより、達成されて良い。
【００３６】
さらなる実施形態においては、複数の膜区域の量の少なくとも１０％が複数の膜により占められています。占有は、前記量の少なくとも２０％の如き少なくとも１５％、最も好ましくは少なくとも３０％，しかしながら好ましくは前記量の５０％以下、であって良い。前記容量の残りは開放されていて、そして、（供給）ガスが次の触媒区域へと（又は出口へと）通って流れることを許容するよう使用されている。それらの壁の厚さ及びそれらの含められている透過容量を含む複数の管状の膜により取られている比較的高い量は、増大されているコンパクトさを許容している。
【００３７】
特に、複数の膜区域は、好ましくは管状である、複数の膜の複数の束（好ましくは、複数の膜区域を通るガスの流れに対し反流又は交差流れ（cross-flow）配置にある）を備えて良い。このようにして、複数の膜は複数の膜区域の量を効果的に占めて良く、そして／また反応器中に比較的容易に配置されて良い。複数の束間の空隙は複数の膜区域内のガスの流れを容易にする。
【００３８】
上に指摘されている如く、この発明の反応器は特に水素の生成の為に使用されて良い。このような例においては、供給は水素の触媒生成を許容するよう選択され、触媒は供給の水素の触媒生成を許容するよう選択され、そして、複数の膜は膜の外から透過側への膜を介したＨ２の選択的な分離を許容するよう選択される。膜の外は、上に記載されていた如く反流又は交差流れ（cross-flow）に対しさらされている。従って、特別な実施形態においては、複数の膜は所定のガス種としてのＨ２の為に選択的に透過可能である。しかしながら、反応器は例えばまたＦｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ反応の為にも適用されて良い。
【００３９】
反応器は、交互の複数の触媒区域及び複数の膜区域を伴っている流れ通路の全ての種類の構成であって良い。
【００４０】
特別な実施形態においては、反応器は加熱通路を備える。この加熱通路は、熱を反応器へと提供する為に、そして特に触媒（複数の触媒区域中の（台））を加熱する為に、使用されて良い。このようにして、所望の（所定の）反応が行われることが出来る。従って、１つの実施形態においては、反応器はさらに、加熱通路を備え、ここにおいては加熱通路は複数の触媒区域に隣接されている。さらなる実施形態においては、反応器は、ガス流れ通路の上流に供給通路（もまた）備えていて、ここにおいては、１つの実施形態において、供給通路の少なくとも一部位が触媒（複数の区域）に隣接している。
【００４１】
ここにおいては、用語「隣接（adjacent）」は、「傍らに接近（close by）」(ここでは、例えば、最大略２０ｍｍまでの距離で)を又は１つの実施形態では物理的な接触を、引用している。
【００４２】
特に、加熱通路の少なくとも一部位は複数の触媒区域と物理的に接触している。特に、物理的な接触は、触媒への伝熱を向上させる。加熱通路の一部位、又は加熱通路の全体はまた、バーナー（burner）又はバーナー（burner）区域として指摘されていて良い。この加熱通路内においては、熱を発生させる為に例えばメタンが燃焼されて良い。最後に、例えば天然ガス及び空気が加熱通路に供給されて点火される。
【００４３】
さらなる実施形態においては、加熱通路の少なくとも一部位が供給通路に隣接されている。特に、１つの実施形態においては、加熱通路の少なくとも一部位が供給通路と物理的に接触している。特に、物理的な接触は、供給通路への伝熱を向上させる。
【００４４】
さらなる実施形態においては、供給通路の少なくとも一部位が複数の触媒区域に隣接されている。特に、１つの実施形態においては、供給通路の少なくとも一部位が複数の触媒区域と物理的に接触している。特に、物理的な接触は、触媒への伝熱を向上させる。
【００４５】
特別な実施形態においては、触媒は改質触媒を備えていて、供給通路の少なくとも一部位は予備改質（pre-reforming）触媒を備えている。流れ通路中の複数の触媒区域は、改質触媒を備える。代わりに又は追加的に、流れ通路中の複数の触媒区域は、予備改質（pre-reforming）触媒及び改質触媒の両方を備えて良い。代わりに又は追加的に、流れ通路中の１つ又はそれ以上の触媒区域は予備改質（pre-reforming）触媒を備えていて、そして、流れ通路中の１つ又はそれ以上の（他の）触媒区域が改質触媒を備えていて良い。
【００４６】
特別な実施形態においては、加熱通路が、加熱通路の全長さの少なくとも一部位に渡り供給通路と物理的に接触している。これは、例えば、管‐中‐管（tube-in-tube）構造を許容する。従って、特別な実施形態においては、供給通路が加熱通路の全長さの少なくとも一部位に渡り加熱通路を周方向に取り囲んでいる。
【００４７】
さらなる特別な実施形態においては、ガス流れ通路内で、隣接した複数の触媒区域が複数のバッフル（baffle）により分離されており、そして、ガス流れ通路内で、複数の隣接した膜区域が複数のバッフル（baffle）により分離されている。さらに、これは、例えば、管‐中‐管（tube-in-tube）構造を許容し、ここにおいては供給通路により取り囲まれている加熱通路が中央部分中に配置されて良く、そして、流れ通路が供給通路の回りに配置されて良く、交互の複数の触媒区域及び複数の膜区域がそこを通って例えば供給ガスが蛇行する（流れ通路の少なくとも一部位を通って供給ガスを蛇行流れに案内するよう構成されてよい複数のバッフル（baffle）の存在のお蔭による）。従って、１つの実施形態においては、複数の触媒区域及び複数の膜区域が、流れ通路の複数の触媒区域及び複数の膜区域を通る蛇行流れを許容するよう配置されている。複数のバッフル（baffle）は、例えば複数の円板の形状を有して良い。複数の円板は開口を有して良く、又は、切り欠かれている（truncated）複数の円板であって良い。このようにして、１つの区域から他の区域への（又は複数の区域内での）ガスの流れが容易にされて良い。
【００４８】
特別な実施形態においては、複数の触媒区域及び複数の膜区域は、複数の触媒区域が複数の膜区域と加熱通路との間に配置されている状態で、中央加熱通路の回りに半径方向に配置されている。上で指摘されていた如く、供給通路は複数の触媒区域と中央加熱通路との間に配置されて良い。
【００４９】
上に指摘されていた如きこのような構成は、触媒と膜との分離を許容する。従って、前記膜区域中での（膜区域−触媒区域の界面、即ち界面面積、での触媒床の）触媒界面面積と全膜面積の所望の最適な比は、触媒が膜上に配置されていた又は膜が触媒中に埋設されていた故に従来技術構成においてはこれらは必然的に関連されていなければならなかったのに比べ、選択されて良い。従って、特別な実施形態においては、膜区域−触媒区域の界面での触媒床の界面面積は、前記膜区域により構成されていた複数の膜の表面積よりも小さくなる。特に、膜区域−触媒区域の界面での触媒床の界面面積は、前記膜区域により構成されていた複数の膜の表面積よりも少なくとも２倍と３倍との間で小さくなる。このようにして、触媒床の量が、膜面積から独立して選択されて良い。これは、さらなる設計の自由度を与え、そして、反応器で行われるプロセスの最適化を許容する。
【００５０】
好適な実施形態においては、１つの膜区域中における複数の管状の膜の長さが隣接した触媒区域中の触媒床の高さと略同じで良いので、上の条件はまた、複数の管状の膜に対し直角であるとともに複数のバッフル（baffle）に対し平行である面におけるの如く言い換えることが出来、膜区域中の複数の管状の膜の累積された周囲長さは隣接した触媒区域の周囲長さよりも長く、好ましくは少なくとも５倍長い。
【００５１】
特別な実施形態においては、複数の管状の膜が複数の膜区域を通って貫通している。例えば、複数の膜区域は（例えば、反応器の外方リング中で）積み重ねられて良く、そして複数の管状の膜が積み重ねられている複数の膜区域に貫通している。これは、複数の管状の膜を構成する為の及び／又は所定のガスを収集する為の、経済的な方法であって良い。
【００５２】
特別な実施形態においては、供給は飽和炭化水素（saturated hydrocarbon）及びＣＯ２，Ｈ２Ｏ，そしてＯ２の１つ又はそれ以上を備える。このような飽和炭化水素（saturated hydrocarbon）は特にメタン（ＣＨ４）であって良い。従って、１つの実施形態において、供給は天然ガスを備えて良い。ＣＯ２は、ＣＯ２改質のための供給中に存在して良い。Ｈ２Ｏは、メタン及び／又はより高度な炭化水素の蒸気改質の為に適用されて良い。Ｏ２は、メタンの部分的な酸化の為に適用されて良い。従って、特別な実施形態において、供給は飽和炭化水素（saturated hydrocarbon）、特にメタン、及び蒸気又はＣＯ２を備え、そして、触媒は改質触媒を備える。
【００５３】
代わりの実施形態においては、水性ガスシフト方法の適用の為に、供給はＣＯ及びＨ２Ｏを備える。
【００５４】
蒸気改質触媒は、当該技術分野において知られている如き如何なる触媒であることが出来る。使用されることが出来る典型的な蒸気改質触媒は、それに限定されないが、グループＶＩＩＩ遷移金属（transition metal）、特にニッケル、を含む。
【００５５】
この発明の装置及びプロセス中における使用の為に適切である複数の膜は、それに限定されないが、（ｉ）周期表のグループＩＩＩＢ，ＩＶＢ，ＶＢ，ＶＩＩＢ，そしてＶＩＩＩＢから選択された水素透過可能な遷移金属及びこのような金属の合金又は金属水酸化物（metal hydride）の如き種々の金属，（ｉｉ）分子の篩（sieve），セラミック，ゼオライト，シリカ，アルミナ，耐熱金属酸化物，カーボン，（ｉｉｉ）有機ポリマー及びこれらの混合物、を含む。このような複数の膜を使用している水素分離装置の図示されているが、限定してはいない、複数の例は、ＵＳ５，２１７，５０６，ＵＳ５，２５９，８７０，そしてＵＳ５，４５１，３８６，そしてＵＳ６，１５２，９８７中に記載されている複数の膜を含む。
【００５６】
用語「実質的に（substantially）」はここにおいて、当該技術分野において習熟した人々により、「全くの（entirely）」，「完全な（completely）」，「全て（all）」，その他を伴った複数の実施形態を含むと理解されるだろう。適用される場合、用語「実質的に（substantially）」は、９５％又はそれ以上，特に９９％又はそれ以上，さらに特に１００％を含む９９．５％又はそれ以上でさえも、の如き９０％又はそれ以上に関係していて良い。用語「備える（comprise）」もまた、用語「備えている（comprises）」が「から成る（consists of）を意味する複数の実施形態を含む。
【００５７】
さらには、明細書の記載および特許請求の範囲における第１，第２，第３そしてそれらと同様なものは、同様な構成要素間を区別する為に使用されていて、順番（sequential）又は時系列（chronological）を記載する為に使用されていない。そのように使用された複数の用語は適切な状況下で交換可能であり、そして、ここに記載されている発明の複数の実施形態は、ここに記載されている又は図示されている以外の他の順序で動作が可能である。
【００５８】
上に記載されていた複数の実施形態はこの発明を限定するのではなく図示されていて、そして当該技術において習熟してる人々には添付の特許請求の範囲の範囲から離れることなく多くの代わりの実施形態を設計することが出来ることが、注目されなければならない。特許請求の範囲においては、括弧間に置かれているいかなる参照符号も特許請求の範囲を限定するとして解釈されてはならない。列挙されている幾つかの手段，これらの手段の幾つかは、ハードウェアー（hardware）の１つ及び同じ項目（item）により具体化されて良い。或る特徴が異なった従属請求項において記載されていた場合、これらの特徴の組み合わせもまた意図されている。
【００５９】
この発明はさらに、明細書中に記載されている及び／又は添付の図面中に示されている特別な特徴の１つ又はそれ以上を備えている装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
この発明の複数の実施形態が、例示の為のみにより、添付の概略的な図面を参照しながらこれから記載されるが、これらの図面においては対応した参照符号が対応した部位を指摘している。
【図１】図１は、この発明に従っている反応器の一実施形態を概略的に示している。
【図２】図２は、図１の概略的に示されている実施形態の横断面を概略的に示している。
【図３】図３は、図１及び図２中に概略的に示されている如き反応器の壁から中央部位に向かう方向における透視図を概略的に示されている。
【図４ａ】図４ａは、束中に配置されている複数の膜を概略的に示している。
【図４ｂ】図４ｂは、（その中に触媒を伴っている）複数の膜及び複数のバーナー/ヒーター管を概略的に示している。
【図４ｃ】図４ｃは、集積されていない設計を概略的に示している。
【図４ｄ】図４ｄは、（５つの連続した反応及び分離工程の為の）個々の膜の入り口（FS，供給側）及び出口における供給及び浸透側（PS）での水素分圧を示している。
【図５ａ】図５ａは、反応器のもう１つの実施形態を概略的に示している。
【図５ｂ】図５ｂは、反応器のもう１つの実施形態を概略的に示している。
【図５ｃ】図５ｃは、反応器のもう１つの実施形態を概略的に示している。
【図６】図６は、反応器のさらにもう１つの実施形態を概略的に示している。
【００６１】
概略的な図面は縮尺である必要はない。この発明は、複数の管状の膜及び複数の反流又は交差流（cross-flow）配置を参照してさらに詳細に記載される。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
図１は、集積されている触媒及び膜反応器の一実施形態を概略的に示していて、さらに反応器１はガス流れ通路３を備えている。ここにおいてガス流れ通路３は複数の交互の触媒区域１０６及び膜区域１０５を備えている。個々の触媒区域は、触媒床６を備える。個々の膜区域１０５は、複数の管状のガス膜７０を備える。複数の管状のガス膜７０（さらにまた複数のガス膜７０として指摘されている）は、ガス流れ通路３を通る（供給ガス３０の）ガス流れに対し交差流（cross-flow）配置に構成されている。管状のガス膜７０は、所定のガス種の為に選択的に透過可能である。当該技術分野において習熟している人々には明らかになることであるが、この図面は概略にすぎない。例えば、反応器１は概略的に描かれているのよりも多くのガス膜７０を備えていて良い。
【００６３】
概略的に描かれている如く、管状ガス膜７０は複数の触媒床６と物理的に接触していない（この実施形態においては、全く全ての管状のガス膜７０が複数の触媒床６と物理的に接触していない）。
【００６４】
複数の触媒床６は、特に、モノリシック（monolithic）上に配置された改質（reforming）の為に適した触媒の如き、モノリシック（monolithic）触媒を備えていて良い。反応器１は特に、例えば、蒸気改質プロセス（steam reforming process）での、水素の生成に適していて良い。
【００６５】
この実施形態における反応器１はさらに、バーナー（burner）としても指摘されて良い、加熱通路１５を備えている。概略的に示されている如く、加熱通路１５は複数の触媒区域１０６に隣接されている。反応器１はさらに、ガス流れ通路３の上流に、供給通路１０７を備えていて、そこにおいては、供給通路１０７の少なくとも一部位が複数の触媒区域１０６に隣接している。
【００６６】
概略的に描かれている如く、供給通路１０７の少なくとも一部位が複数の触媒床６に物理的に接触している。この実施形態においては、供給通路１０７が、加熱通路１５の全長さの少なくとも一部位上で加熱通路１５を周方向に取り囲んでいる。従って、加熱通路１５は、加熱通路１５の全長さの少なくとも一部位上で供給通路１０７と物理的に接触している。この実施形態においては、複数の触媒区域１０６が複数の膜区域１０５と加熱通路１５との間に配置されている状態で、複数の触媒区域１０６及び複数の膜区域１０５が中央加熱通路１５の回りに半径方向（radially）に配置されている。
【００６７】
この実施形態においては、隣接している複数の触媒区域１０６が、ガス流れ通路３内で複数のバッフル（baffle）８０により分離されている。また隣接している複数の膜区域１０５がガス流れ通路３内で複数のバッフル（baffle）８０により分離されている。さらには、この実施形態においては、複数の触媒区域１０６が積み重ねられていて、そして複数の膜区域１０５が積み重ねられている。複数の例が、積み重ねられている複数の触媒区域１０６（１），１０６（２），そして１０６（３）、及び積み重ねられている複数の膜区域１０５（１），１０５（２），そして１０５（３）により指摘されている。番号付けは理解の手助けの為のみである。
【００６８】
概略的に描かれている構成はまた、流れ通路３の複数の触媒区域１０６及び複数の膜区域１０５を通る蛇行した流れを許容する。供給ガス３０が供給通路１０７の底に到達したと仮定すると、参照番号３０（１）で指摘された供給ガスは第１の触媒区域１０６（１）に入る。供給ガス３０は触媒床６を通して流れ、そして、第１の膜区域１０５（１）に到達する。供給ガス３０は第１のバッフル（baffle）８０（１）を越えて流れ（ここで供給ガス３０は参照番号３０（２）で指摘される）、そして次に、第２の触媒区域１０６（２）に到達する。供給ガス３０は、第２のバッフル（baffle）８０（２）の回りで、第２の触媒区域１０６（２）を通して流れ（ここで供給ガス３０は参照番号３０（３）で指摘される）、そして次に第２の膜区域１０５（２）に到達する。供給ガス３０は第３のバッフル（baffle）８０（３）の回りを流れ、そして、それが第３の触媒区域１０５（３）に到達するまで、第３のバッフルと第４のバッフル８０（４）との間を供給ガス３０（４）としてさらに移動し、第３の触媒区域１０５（３）においては供給ガスは第４のバッフルの回りで次の膜区域１０６へと流れる。この蛇行は引き続き行われる。
【００６９】
好適には、少なくとも１０回、供給ガス３０が触媒区域１０６及び膜区域１０５中で連続して入手可能である。このガス流れの間、複数の触媒区域１０６内で、複数の膜を複数の管状の膜７０の内部中へと選択的に通過して良い、所定のガス（特にＨ２）が形成される。このようなガスの成分の流れは参照番号４５で指摘されている。反応器１、より詳細には流れ通路３、は、従って、少なくとも１０の触媒区域１０６、特に少なくとも１５の触媒区域１０６、を備えて良い。
【００７０】
メタン、例えば天然ガスの形態で、が、例えば入口区域１０１（時々は、「充填（plenum）」として指摘される）を介し、加熱通路１５に燃料１０として入っても良い。さらに、酸素、例えば空気の形態で、もまた、入口区域１０１を介し、加熱通路１５にガス２０として入っても良く、ここにおいて燃料は反応器の熱を提供する為に燃焼されている。この実施形態において加熱通路１５は、供給通路１０７，複数の触媒区域１０６，そして複数の膜区域１０５（加熱通路１５から距離を増加させる順に）の如き他の複数の構成要素により取り囲まれている中央構成要素である。ここで、加熱器１はさらに、反応器１からの燃焼した燃料ガス（時々は、燃料ガスとしても指摘されている）の排気を許容する、加熱排気通路２５を備えている。ある実施形態においては、ここに描かれている如く、加熱排気通路２５は少なくとも部分的に１つ又はそれ以上の触媒区域１０６中に埋設されている。排気ガスは参照番号５０により指摘されている。この概略的に描かれている実施形態においては、中間区域１０８が、加熱通路１５の下流で加熱排気通路２５の上流に、設けられている。加熱排気通路２５は従って排気の機能を有しているばかりでなく、（さらなる）加熱通路の機能も有して良い。加熱通路は従って、主として（例えば、予備―改質触媒（pre-reforming catalyst）を伴っている、以下もまた参照）供給通路１０７を加熱して良く、そして加熱排気通路２５は主として複数の触媒区域１０６を加熱して良い。
【００７１】
概略的に描かれている実施形態においては、反応器１はさらに排気区域１０３を備えていて、ここにおいては、反応器からの最終的な排気の以前に、（燃料ガスの如き）排気ガス５０が加熱排気通路２５から収集されて良い。好ましくは、反応器１は、複数の加熱排気通路２５を備える。このようであれば、熱が、全触媒区域に渡り効果的に分散されて良い。
【００７２】
供給ガス３０は、例えば入口区域１０２を介し、反応器１に入り、そして、それが流れ通路３に到達するまで供給通路１０７を通って流れて良い。供給通路１０７は、予備―改質触媒（pre-reforming catalyst）の如き、触媒を少なくとも部分的に含んで良い。上に指摘されている如く、流れ通路内で、供給ガス３０は複数の触媒区域１０６に出会う。複数の触媒区域１０６の全数の少なくとも一部位が、例えば改質触媒（reforming catalyst）であって良い、触媒６５を含む。
【００７３】
上に指摘された如く、流れ通路３内（又は、既に、予備―改質触媒（pre-reforming catalyst）の如き、適切な触媒を含んでいる時の供給通路１０７内でさえ）、Ｈ２の如き、所定のガスが生成される。複数の管状の膜７０の透過側からの所定のガスのさらに可能な除去の為に、これら複数の膜７０は、例えばスウィープガス（sweep gas）入口区域１１０を介して反応器１に入って良い、スウィープガス（sweep gas）４０で清掃されて良い。スウィープガス（sweep gas）は複数の管状の膜７０へと供給され、そして、所定のガス４５とともに反応器を去る。反応器はさらにガス出口区域１０９を備え、そこにおいては、複数の管状の膜７０の透過側からのガスが、それが反応器１に存在する前に、収集される。
【００７４】
図２は、反応器１の一部位の横断面を概略的に示している。中央部位の回りに構成されている複数の管状の膜７０が示されている。中央部位又は部分が参照番号８で指摘されている。複数の管状の膜（の一部位）を含んでいる、膜区域１０５から半径方向（radially）の内方に、複数の触媒区域１０６が構成されている。また、複数の触媒区域１０６は、複数の加熱排気通路２５（の一部位）を含む。詳細には、反応器１は、複数の触媒区域１０６の積み重ねられている構成を貫通していて良い、このような複数の加熱排気通路２５の少なくとも４つ、より詳細には少なくとも６つ、を備えている。複数の触媒区域１０６から半径方向の内方に、供給通路１０７及び加熱通路１５が構成されている。従って、加熱通路１５及び供給通路１０７の管‐中‐管（tube-in-tube）構造が、反応器１の長さの実質的な部位に渡り存在して良く、ここにおいては加熱通路が、供給通路１０７により少なくとも部分的に取り囲まれている中央通路を形成して良い。複数の管状の膜７０の蓄積された周囲長さは、触媒床の周囲長さよりも（好ましくは５倍）長くなる。膜の周囲長さは、参照番号７９により指摘されている。触媒床６の周囲長さ、ここでは実質的に丸い断面であると仮定、は参照番号９で指摘されている。それは物理的には自立的な（freestanding）触媒床の外であって良く、即ちそれは細目網（gauze）又は透過可能（permeable）又は多孔性の（perforated）壁であって良い。
【００７５】
図３は、反応器１の壁２を通して見た時の、半径方向の内方図を概略的に描いている。上の部位で指摘されていた如く、供給ガス３０が壁２から（モノリス（monolith）触媒の形態であるがごとき）触媒６５/触媒床６へと向かう方向に流れると仮定すると、ガス供給３０は触媒表面に出会い、触媒床中に透過し，触媒床から下流に逃げ，そして下流の膜区域１０５（図の下方部位）に入る。この表面は湾曲されていて良く、即ち、触媒ベッドは湾曲されていて良く、また図２中の複数の触媒区域の外方リングを参照。特に、膜区域‐触媒区域の界面での触媒床６の界面面積は、前記膜区域により備えられている複数の膜の表面積よりも小さい。
【００７６】
複数のバッフル（baffle）が交差流（cross-flow）中の供給流を複数の膜の管の束を横断して流れるよう案内し、そこでは供給流が個々の通路を伴っている触媒床を通して流れる。図３中では、上方バッフル（baffle）８０が外方壁２へと外方に連続していて、そして、従って、上方膜１０５を下方膜区域１０５から分離し、一方ではそれは触媒床（の全体）中へと連続せず、描かれている如く、ガスが触媒床６のより高い部位からより低い部位へと通過するのを許容している。次に、下方のバッフル（baffle）８０は外方の壁２へと連続しておらず、ガスが下方の膜区域１０５から次の下方の膜区域（描かれていない）へと通過するのを許容し、一方では、それはこの区域において触媒床６５を次の下方の触媒床（描かれていない）（の部位）から分離させている。図３のこの形態（mode）においては、反応器中の大部分のガスの流れの方向が下向きである。しかしながら、ガスの流れは逆位であってもよく、そして、図１中の如く、大部分のガスの流れの方向が上向きである、ことは直ちにわかることである。
【００７７】
さらには、外部バーナー配管の壁温度を減少させるよう、触媒とバーナー領域との間に予備−改質（pre-reforming）又は一次改質（primary reforming）ベッドを伴っている中央バーナー（burner）が適用されて良い。その中を供給ガスがバーナーに向かい実質的に半径方向に流れる触媒台が、軸方向にそして半径方向であるよりもむしろ外向き方向に異なった温度の複数の領域を通って通過することが好ましい。さらには、複数のバッフル（baffle）と周囲のバーナーパイプとの間に適合する「リング（ring）」又は泡又は他の構造的な詰め物（structured packing）の使用は有利なように見える。
【００７８】
膜反応器は、水素が反応から連続的に除去されているので（平衡（equilibrium）以上の）高い転化率（conversion）を達成することを許容している。
【００７９】
膜反応器の設計における関連性のあるパラメータは、供給成分に基づいた水素の最大量と比較した膜の透過側において回収された純粋な水素の比率を指摘している水素回収率（recovery）であって良い。１つおき（alternatingly）に集積されているシステムにおいて達成されることが出来る最大水素回収率は、完全（fully）に集積されているシステムでの回収率よりは低く、そして工程の数に従っている。我々の計算においては、我々は連続した工程の数が多いことが好ましいことを示している。例えば、７０％よりも高い転化率を伴っている工業的に適切な条件（蒸気／炭素比＝３，供給圧力＝３０バール，窒素スウィープ（sweep）を使用した５．５バールでの水素回収（Ｈ２／Ｎ２比＝３）の下での高い転化率を達成する為に要求されている工程の数は、これらの条件の下ですでに２０以上である。経済的な実行可能性は水素回収率が７０％よりも充分高いことを要求しているので、計算は、多数の反応及び分離工程を集積させる為の効果的な解決が要求されていることを示している。
【００８０】
図４ａ乃至図４ｄは、複数の例の部位中で以下に説明される。図５ａ乃至図５ｃはさらなる実施形態及び変形例を概略的に描いており、ここにおいて反応器１は複数の管状のガス膜７０を備えている。この実施形態においては、複数の管状のガス膜７０が長手方向の円筒中心軸線（描かれていない）に対し直角に配置されていて、これに対し図１乃至図３中に概略的に描かれている複数の実施形態においては、複数の管状のガス膜７０は長手方向の円筒中心軸線（描かれていない）に対し平行である。このようにして、複数の管状のガス膜７０の層が提供されている。この実施形態においては複数のバッフル（Baffle）８０が複数の（集積されている）層を分離していて、そして供給ガス３０が蛇行しているガス流れ通路３を再び経験して良い。供給ガスは、複数の触媒区域１０６と複数の膜区域１０５とを通って交互に流れる。これに対し、図１乃至図３中に概略的に描かれている複数の実施形態においては、複数の触媒床６が反応器１の中央部位中に配置されていて、ここでは複数の触媒床６が反応器１の縁に配置されていて良い。１つ又はそれ以上の加熱通路１５が、複数の触媒床６を通って貫通して良い。ここでは、複数のバッフル（Baffle）８０が、例えば開口を有している円板又は切り欠かれた円板（truncated disk）の如き円板の形状を有して良い。
【００８１】
図５ａは長手方向の円筒中心軸線に対し直角な横断面図であり、そして図５ｂは長手方向の円筒中心軸線に対し平行な（そして図５ａに対し直角な）横断面図である。図５ｃは、供給ガス３０の流れ，複数の管状のガス膜７０の配置，そしてガス出口３５を概略的に描いている。
【００８２】
従って、複数の触媒区域及び複数の膜区域は、複数の触媒区域（及び加熱通路）が複数の膜区域の１つ又はそれ以上の縁に配置されている状態で、層状構造（ここで個々の「層（layer）」は例として管状の膜の４層を備えている）に配置されている。
【００８３】
図６は、さらなる実施形態を示している。この実施形態は、図１乃至図３中に概略的に描かれていた複数の実施形態と同様である。複数の管状のガス膜７０は長手方向の円筒中心軸線に対し平行であって良いが、ここでは複数のバッフル（baffle）もまた長手方向の円筒中心軸線に対し平行である。流れ通路は、複数の触媒通路１０６により遮断されている長方形状の螺旋である。ここでは、例えば個々の「環（circle）」（又は「通路」）が１回遮断されている。当該技術分野において習熟している人々には明らかになることであるが、環（circle）当たりのより多くの遮断もまた可能である。供給ガス３０は入口を介して第１の膜区域３０中に入り、所定の成分が減少された製造ガス３５は出口３５において最後の膜区域から去る。
【００８４】
従って、複数の膜区域を遮断する複数のセグメント（segment）として複数の触媒区域を伴って、複数の膜区域が円形状に配置されて良い。ここでは、複数のバッフル（baffle）は、例えば複数の内部反応壁又はパネルの形状を有して良い。
【００８５】
図１乃至図３及び図５乃至図６中に図示されている如く、全ての種類の構成が可能である。さらなる複数の構成が考えられ、そして、特許請求の範囲は概略的に描かれた複数の実施形態に限定されていない。ここでは、全ての概略的に描かれている複数の実施形態は共通して、それらが、ガス流れ通路を備えている集積された触媒及び膜反応器を示しており、ここではガス流れ通路が交互の複数の触媒区域及び複数の膜区域を備えていて、ここでは個々の触媒区域が触媒床を備えていて、ここでは個々の膜区域が複数の管状のガス膜を備えていて、ここでは複数の管状のガス膜が、ガス流れ通路を通るガス流れに対し交差流（cross-flow）配置に構成されていて、そしてここでは複数の管状のガス膜が所定のガス種の為に選択的に透過可能である。この結果、コンパクトさ（compactness）が得られて、（「工学評価（engineering value）」に対する速度の増加により）熱伝導限定（heat transfer limitation）が克服されて良い。それはさらに、触媒及び膜を異なった条件（窓操作（operating window））で操作することを可能にする。
【００８６】
複数の例
例１：新規な膜反応器における複数の管状の膜の詰め込み密度と標準的な膜反応器における複数の管状の膜の詰め込み密度との比較
計算された：膜区域の為に、膜横断面積／全横断面積［％］及びｍ２当たりの複数の膜の数。新規な概念の為の出発点：
○膜直径＝ｄｍ（例の膜の典型はｄｍ＝１．４ｃｍ）
○フランジ（flange）の為に、複数の膜間に或る距離が必要であり、そして我々はフランジが複数の膜間の最小距離ｆ＝１／２ｄｍ（又は１．４／２ｃｍ）となることを仮定した。
【００８７】
３角形状の配置の為に、図４ａ中に示されて如く、膜面積と全面積との間の比率は１５００膜／ｍ２に対応している２３％に等しい。
【００８８】
図４ｂ中に示されている典型的な管‐中‐管（tube-in-tube）構造（参照例）においては、複数の膜／触媒管及びバーナー（burner）又は複数の加熱チューブがある。参照記号ｄｃは触媒層の厚さを指摘している。この場合においては、典型的な配置は、個々のバーナー（burner）が６つの膜により取り囲まれていて、そして対応して個々の膜が３つのバーナー（burner）／加熱管（Ｂで指摘されている）に対し隣接している場合が仮定されている。
【００８９】
○膜直径＝ｄｍ（我々の膜の典型の為にはｄｍ＝１．４ｃｍ）
○膜は厚さｄｃを伴っている触媒の一層により取り囲まれている（我々は、最小触媒床厚さｄｃが５ｍｍに対応していると仮定している）
○この例におけるバーナー（burner）直径ｄｂは、入手可能な最もコンパクトなバーナー（burner）システムの１つ（ｄｂ＝２．５４ｃｍ）を提示しているＷＯ  ２００４／０２２４８０に基づかれている。バーナー（burner）の為のフランジ厚さは、同じ手法（ｆ＝１／２ｄｂ）で見積もられている。
【００９０】
上と同様な方法においては、膜面積と全面積との間の比率（６％）及び１平米当たりの複数の膜管の数（４００膜）に見積もられている。
【００９１】
もしも我々が、新規な概念における触媒及びバーナー（burner）を１０００個の膜管の為に交差横断面積の３０％まで作り上げると仮定すると、要求される面積は管‐中‐管（tube-in-tube）システムの最もコンパクトな設計の為である新たな概念の為に０．９ｍ２であり、反応器の交差区域は２．５ｍ２になる。この発明では、実質的により高度なコンパクトさが達成されることが出来る。
【００９２】
例２：（蒸気メタン改質膜反応器：ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→４Ｈ２＋ＣＯ２を基にしている）管‐中‐管（tube-in-tube）概念の為の膜反応器中の速度の計算
管‐中‐管（tube-in-tube）構成においては、供給流れが膜を通る水素フラックス（flux）により決定される。理論的には、膜により取り除かれたＨ２の各４モルの１００％の転化では、メタンの１モルが供給される必要がある。典型的には、メチレンの１モル当たり蒸気の２−３モルが供給される。
【００９３】
典型的な例として我々は仮定した：
○膜直径＝１．４ｃｍ
○触媒床厚さ：５ｍｍ
○触媒粒子寸法：１ｍｍ
６．５ｍの触媒／膜管の仮想された長さに基づいて、ガスの速度が供給側入口で０．２ｍ／ｓになる。１３２２モル／ｓの水素製造の為に、これは５５３モル／ｓのフラックス（flux）を与える。例えば、より短い管の為には、速度がより低くなり、即ち、もし管の長さが３．５ｍであったら、速度はわずか０．０２ｍ／ｓである。より多くの水素が管に沿い混合物から移動された時には、管の出口での速度はより低くなる。１ｍ／ｓの速度では、触媒床上での平均水素分圧低下は膜上でのＨ２分圧Δｐよりも５倍も低く、そして同じ水素製造の為には水素フラックス（flux）は８５３モル/ｓへと上昇する。
【００９４】
従って、管‐中‐管（tube-in-tube）概念中での大量の物質移動を除去することは困難になる。
【００９５】
例３：高い転化率を達成する為に如何に多くの工程が連続システム（反応‐分離‐反応―分離，その他）中で要求されるか
再び我々は、膜反応器を使用した蒸気メタン反応を通した水素製造を考える。以下の出発点が使用されている：
○水素回収圧力（透過圧力＝５．５バール）。これは、典型的な工業用水素製造システムの為に決定されている経済的な最適性（圧縮⇔膜面積の為に要求されているコスト）
○膜面積Ａｍｅｍ＝１０００００Ｎｍ３／ｈプラントの為に５１００ｍ２。これは再び経済的な最適化が決定されている（投下資本コストと転化率との間の妥協）
○動作温度＝６５０℃（複数の膜の幾つかの為の最大動作温度）
基本の場合は、充分に集積されている管‐中‐管（tube-in-tube）システムである。これらの条件の為に、我々は９６％に等しいメタン転化率及び水素回収率＝９５％を見い出した。
【数１】
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【００９６】
非‐集積設計（反応−分離−反応−分離−反応−分離−…）の為に、また図４ｃを見ると、我々は、共流（co-current）モード及び反流（counter-flow）モードの両方において５及び１０工程で転化（conversion）を計算していた。
【表２】
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【００９７】
図４ｄは、（５つの連続した反応及び分離工程の為の）個々の膜の入口及び出口における供給及び透過側での水素分圧を示している。流れ図式は共流（co-current）流れの為に与えらえている（Ｍｉｎ−膜入り口，Ｍｏ又はＭｏｕｔ−膜出口，数字は工程数を表す）。ジグザグ（zigzag）ＦＳ（三角）は、共流（co-current）における供給側に関係している。ＰＳ線又は線部分（正四角）は、共流（co-current）における透過側を指摘している。ジグザグ（zigzag）点線ＦＣＣ（三角）は、供給側での反流（counter-flow）を指摘している。ＰＣＣ線又は線部分（正四角）は、反流（counter-flow）における透過側を指摘している。三角は（そこでＨ２が形成されている）供給側での水素（Ｈ２）分圧を指摘していて、正四角は膜の他方側、即ち透過側、でのＨ２圧力を指摘している。
【００９８】
反応に従う時、即ち、左から右への連結されている線に従った時、交互に圧力における減少（Ｈ２の除去）及び圧力における増加（Ｈ２製造）がある。反応の進行は、供給と透過におけるＨ２圧力における差である駆動力が急速に減少する故に大きく抑制されている。反流（counter-flow）モードの為の非‐集積の場合においては、転化がわずかに向上されている。
【００９９】
従って、集積されている場合は、工程の少ない数において、非‐集積よりもより良い転化率を与える。この問題はこの発明で解決された。また以下を見よ。
【０１００】
例４
要求された工程の数を計算する為に、以下の表が計算された。
【表３】
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【０１０１】
この基本的な計算は、連続した反応／分離により高度な転化率を達成することの困難さを示している。この問題は、この発明により解決された。また以下を見よ。
【０１０２】
例５：反応の為のより高い温度が何故に高度な転化率の為に有利なのか
膜反応器の動作温度は、複数の膜の寿命により制限されている。もしも温度があまりにも高くなると（＞６００−６５０℃）、幾つかの膜の寿命は十分でなくなるかもしれない。同時に、高い温度は化学反応の為に有利であり：反応ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＞４Ｈ２＋ＣＯ２の平衡がより高い温度で右へと移る。
【０１０３】
この発明の文書における全ての膜反応器概念においては、触媒及び膜の密な集積がそれらが同じ温度で動作されることを意味している。我々の設計は、原則として複数の膜と触媒との間の温度差が可能であるという新たな自由度を創出している。
【０１０４】
我々は、触媒におけるより高い温度が何故に有利なのかを図示する為に、以前の例において使用されたのと同じ出発点であるがより高い温度であることを基に多数の計算を行った。従って、この発明は、触媒におけるより高い温度を可能にとともに大きな数の工程を提供することによりこの問題を解決する。
【表４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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