(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックの中にあり少なくとも１つのプロセス層および少なくとも１つの熱交換層を定める複数のプレートであって、各プレートは活動区域、前記活動区域の少なくとも一部を囲んでいる境界部、および周縁部を有し、各プレートの前記周縁部と前記境界部の一部とは前記隣接する次のプレートの前記周縁部と前記境界部の一部とに溶接されて前記スタックを一体化し、前記スタックに外周封止部を提供し、前記隣接するプレートの間の前記溶接部の前記平均溶け込みに対する前記隣接するプレートのそれぞれの前記平均表面積の比は少なくとも１００ｃｍ２／ｍｍである複数のプレートを含み、
前記スタックは格納容器の中に配置され、前記スタックは大気圧より高い内圧で運転されるようになっており、前記格納容器は大気圧より高い内圧で運転され、前記スタックの前記外側の表面への圧力の前記印加を提供するようになっており、前記格納容器は、前記格納容器内の圧力を前記スタック内の前記内圧と少なくとも同じ高さに維持する制御機構を備えている、装置。
【請求項２】
前記プロセス層は水蒸気メタン改質触媒を含み、前記熱交換層は燃焼触媒を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スタックの前記外側に外部構造体が取り付けられて前記スタックに構造支持を提供する、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記スタックのそれぞれの側に末端プレートが取り付けられて前記スタックに構造支持を提供する、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセス層はプレートの中に形成された複数のプロセスマイクロチャネルを含み、前記装置は前記同じプレートの中で１つのプロセスマイクロチャネルから別のプロセスマイクロチャネルへの流体の前記流れを妨げる内部溶着部を備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記熱交換層はプレートの中に形成された複数の熱交換チャネルを含み、前記装置は前記同じプレートの中で１つの熱交換チャネルから別の熱交換チャネルへの流体の前記流れを妨げる内部溶着部を備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、前記スタックに溶接されて前記プロセス層に入る流体の前記流れを提供する入口プロセスマニホールド、前記スタックに溶接されて前記プロセス層から出る流体の前記流れを提供する出口プロセスマニホールド、前記スタックに溶接されて前記熱交換層に入る流体の前記流れを提供する少なくとも１つの入口熱交換マニホールド、および前記熱交換層から出る流体の前記流れを提供する熱交換出口をさらに含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記プロセス層は平行に整列した複数のプロセスマイクロチャネルを含み、
各プロセスマイクロチャネルは触媒を含む反応ゾーンを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記プロセス層は平行に整列した複数のプロセスマイクロチャネルを含み、
前記プロセス層は前記プロセスマイクロチャネルに流入する実質的に一様な反応体の分布を提供するように構成される複数の内部マニホールドおよび／または前記プロセスマイクロチャネルから流出する実質的に一様な生成物の分布を提供するように構成される複数の内部マニホールドを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記プロセス層は平行に整列した複数のプロセスマイクロチャネルを含み、
前記プロセスマイクロチャネルは表面構成要素および／または毛管構成要素を含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記プロセス層は、反応体層と、前記反応体層と隣接して配置されている生成物層と、前記反応体層および生成物層の一端に配置されて前記反応体層から前記生成物層への流体の前記流れを可能にするプロセス折り返し部とを含み、前記プロセス層は、１つ以上の反応体が反応して生成物を形成し、前記１つ以上の反応体は前記反応体層に流入し、触媒と接触し、反応して生成物を形成し、前記生成物は前記生成物層から流出する反応に用いられるように構成される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記熱交換層は、燃料層と、前記燃料層と隣接して配置された空気層と、前記燃料層と前記空気層との間に配置された熱交換壁と、前記熱交換壁の中の複数の開口であって前記空気層から前記開口を通って前記燃料層に入る空気の流れを可能にする複数の開口と、前記燃料層の中に配置された燃焼触媒と、排気層と、前記燃料層の一端および前記排気層の一端に配置されて前記燃料層から前記排気層への流体の流れを可能にする熱交換折り返し部とを含み、前記熱交換層は、燃料が前記燃料層の中を流れ、空気が前記空気層から前記熱交換壁の中の前記開口を通って前記燃料層に流入して前記燃料と混合して燃料−空気混合物を形成し、前記燃料−空気混合物は前記燃焼触媒と接触して流れて燃焼反応を起こして熱および排気ガスを生じ、前記熱は前記プロセス層に熱を供給し、前記排気ガスは前記排気層を通って前記熱交換層から流出することを可能にするように構成される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記熱交換層は燃料層を含み、前記燃料層は複数の燃料マイクロチャネルと、前記燃料マイクロチャネルに流入する実質的に一様な燃料の分布を提供するように構成される複数の内部マニホールドとを含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記熱交換層は空気層を含み、前記空気層は複数の空気マイクロチャネルと、前記空気マイクロチャネルに流入する実質的に一様な空気の分布を提供するように構成される複数の内部マニホールドとを含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記熱交換層は燃料層を含み、前記燃料層は表面構成要素および／または毛管構成要素を含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱交換層は空気層を含み、前記空気層は表面構成要素および／または毛管構成要素を含む、請求項１から１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
プレートから前記スタックを形成するステップ、および
各プレートの前記周縁部と前記境界部の一部とを前記隣接する次のプレートの前記周縁部と前記境界部の一部とに溶接して前記スタックを一体化し、前記外周封止部を提供するステップ
を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置を形成するためのプロセス。
【請求項１８】
前記プレートの前記周縁部から前記溶着部を除去するステップであって、各プレートの前記境界部の一部を前記溶着部とともに除去するステップ、
前記プレートを分離するステップ、
前記プレートの欠陥を修正するステップ、
前記プレートのスタックを形成するステップ、および
各プレートの前記周辺部と前記境界部の一部とを前記隣接する次のプレートの前記周辺部と前記境界部の一部とに溶接して前記スタックを一体化し、前記スタックに外周封止部を提供するステップ
を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置を刷新するためのプロセス。
【請求項１９】
前記プロセス層の中で前記単位操作を行うステップ、および
前記プロセス層と前記熱交換層との間で熱を交換するステップ
を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置を用いて単位操作を行うためのプロセス。
【請求項２０】
前記プロセス層の中で触媒の存在下に水蒸気をメタンまたは天然ガスと反応させて合成ガスを形成させるステップ、および
前記熱交換層の中で燃焼反応を行って前記プロセス層に熱を供給するステップ
を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置を用いて水蒸気メタン改質反応を行うためのプロセス。
【請求項２１】
前記プロセス層および／または前記熱交換層の中に触媒が存在し、前記触媒は１つ以上のプレートに、前記プレートを溶接して前記スタックを形成する前にエクスサイチュ塗布される、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記プレートの１つ以上はそのようなプレートの１つ以上の表面に腐食防止層および／または固着防止層を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記プレートの１つ以上はそのようなプレートの１つ以上の表面にメタルダスト抵抗層を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記プロセス層および／または熱交換層の中のプレートは表面を含み、前記表面のすべてではなく一部はその上に触媒、腐食防止層および／または固着防止層、および／またはメタルダスト抵抗層を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２５】
前記プレートの１つ以上はその上に１つ以上の表面保護層を有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
１つ以上のプレートがその上に表面保護層を有し、前記表面保護層は２つまたは３つの層を含み、各層は異なる組成の材料を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
１つ以上のプレートがその上に表面保護層を有し、前記表面保護層は３つの層を含み、前記第１の層は銅を含み、前記第２の層はアルミニウム含有金属合金を含み、前記第３の層は金属合金を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
１つ以上のプレートがその上に表面保護層を有し、触媒が前記表面保護層に付着されている、請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
前記プロセス層の中のメタンまたは天然ガスの流れは１秒あたり１０から２００メートルの範囲の空塔速度であり、前記水蒸気メタン改質反応に関する前記平衡到達率は少なくとも８０％であり、前記装置の中の圧力降下あたりの反応熱は２から２０Ｗ／Ｐａの範囲にある、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項３０】
前記水蒸気メタン改質反応に関する接触時間は最大２５ｍｓであり、前記水蒸気メタン改質反応に関する平衡到達率は少なくとも８０％であり、前記装置の中の圧力降下あたりの反応熱は２から２０Ｗ／Ｐａの範囲にある、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項３１】
単位接触時間あたりの反応熱は少なくとも２０Ｗ／ｍｓである、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項３２】
前記装置の中の圧力降下あたりの反応熱は２から２０Ｗ／Ｐａの範囲にある、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項３３】
前記水蒸気メタン改質反応は前記プレートの表面においてメタルダスティング孔が形成されることなく少なくとも２０００時間行われる、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項３４】
前記水蒸気メタン改質反応は少なくとも２０００時間行われ、前記反応が少なくとも２０００時間行われた後の前記プロセス層に関する圧力降下は前記プロセスの前記開始時の前記圧力降下の２０％未満増加する、請求項２０に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）項にもとづき２０１１年７月２１日出願の米国特許仮出願第６１／５１０，１９１号、２０１１年２月９日出願の米国特許仮出願第６１／４４１，２７６号および２０１０年１０月１８日出願の米国特許仮出願第６１／３９４，３２８号の優先権を主張する。これらの仮出願の開示は参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明はマイクロチャネルプロセス装置に関する。より詳しくは、本発明は刷新することができるマイクロチャネルプロセス装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロチャネル技術では、従来、マイクロチャネルプロセス装置の最適な熱伝達はロウ付けまたは拡散接合によってのみ得ることができると考えられてきた。これらの方法は層間における連続的な金属界面の形成に依存する。連続的な界面は発熱反応からの熱を熱除去層へ伝えるかまたは吸熱反応に熱を加える熱伝達のために有利である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ロウ付けまたは拡散接合を用いて層間に連続的な金属界面を設けて作られたマイクロチャネルプロセス装置の問題点は、解体および刷新に直ちに対応することができないことである。刷新は通常、触媒被覆物ならびに他の被覆物、例えば保護障壁被覆物、固着防止被覆物、耐メタルダスティングである被覆物、腐食抑制被覆物および類似物の交換が含まれる。従って、これらのプロセス装置は、長期にわたって使用するとき通常は交換する必要がある。マイクロチャネルプロセス装置は費用が高くなる可能性があり、長期にわたって使用するときに交換する必要があるのでは多くの利用分野において工業的に受け入れられない。本発明はこの問題への解決策を提供する。
【０００５】
本発明は、マイクロチャネルプロセス装置のためのコアアセンブリとして用いることができる装置に関する。装置は、スタックの中にあり少なくとも１つのプロセス層および少なくとも１つの熱交換層を定める複数のプレートを含むとよく、各プレートは周縁部を有し、各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてスタックに外周封止部を提供し、ミリメートル（ｍｍ）で表した隣接するプレートの間の溶接部の平均溶け込みに対する平方センチメートル（ｃｍ２）で表した隣接するプレートのそれぞれの平均表面積の比は、少なくとも約１００ｃｍ２／ｍｍ、または約１００から約１００，０００、または約１００から約５０，０００、または約１００から約３０，０００、または約１００から約２０，０００、または約１００から約１０，０００、または約１００から約５０００、または約１００から約２０００、または約１００から約１８００、または約１００から約１６００ｃｍ２／ｍｍの範囲である。溶接部溶け込みに対するプレート表面積の比がこれらの範囲にある周縁部溶接を用いる比較的大きなマイクロチャネルプロセス装置を用いて成功を収めることができるであろうとは予測されなかったので、これらの比には意味がある。
【０００６】
本発明は、スタックの中にあり少なくとも１つのプロセス層および少なくとも１つの熱交換層を定める複数のプレートであって、各プレートは周縁部を有し、各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてスタックに外周封止部を提供し、プロセス層は水蒸気メタン改質触媒を含み、熱交換層は燃焼触媒を含む複数のプレートを含む装置に関する。
【０００７】
一実施態様において、スタックは格納容器の中に配置されてよく、スタックは大気圧より高い内圧で運転されるようになっており、格納容器は大気圧より高い内圧で運転されてスタックの外表面に圧力を加えるようになっており、格納容器は少なくともスタック内の内圧と同じ高さの格納容器内の圧力を維持する制御機構を備えている。制御機構は逆止弁および／または圧力調整器を含んでよい。一実施態様において、プロセス層の中で反応体気体を用いてよく、格納容器の中で封じ込め気体を用いてよく、制御機構は封じ込め気体によって提供される圧力が低下したときにプロセス気体を格納容器の中に振り分ける配管系統を備えている。
【０００８】
一実施態様において、スタックの外側に外部構造体が取り付けられてスタックに構造支持を提供してよい。
【０００９】
一実施態様において、スタックのそれぞれの側に末端プレートが取り付けられてスタックに構造支持を提供してよい。
【００１０】
一実施態様において、プロセス層は単位操作を行うための少なくとも１つのプロセスマイクロチャネルを含んでよく、熱交換層は熱交換流体を含む少なくとも１つのチャネルを含んでよく、熱交換流体はプロセス層に加熱または冷却を提供する。
【００１１】
一実施態様において、プロセス層はプレートの中に形成された複数のプロセスマイクロチャネルを含んでよく、装置は同じプレートの中で１つのプロセスマイクロチャネルから別のプロセスマイクロチャネルへの流体の流れを妨げる内部溶着部を備えている。
【００１２】
一実施態様において、熱交換層はプレートの中に形成された複数の熱交換チャネルを含んでよく、装置は同じプレートの中で１つの熱交換チャネルから別の熱交換チャネルへの流体の流れを妨げる内部溶着部を備えている。
【００１３】
一実施態様において、各プレートの周縁部は溶接材料を用いて溶接されてよく、プレートは金属または金属合金で作られ、溶接材料は金属または金属合金で作られる。一実施態様において、プレートと溶接材料とは同じ金属または金属合金で作られていてよい。一実施態様において、金属合金はニッケル、クロム、コバルト、モリブデンおよびアルミニウムを含んでよい。
【００１４】
一実施態様において、各プレートの周縁部はレーザーを用いて隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてよい。
【００１５】
プレートは少なくとも約２００平方センチメートル（ｃｍ２）、または約２００から約４８０００ｃｍ２、または約２００から約３０，０００、または約２００から約１５０００、または約１０００から約５０００、または約１５００から約２５００、または約２０００ｃｍ２の表面積を有してよい。プレートの「表面積」という用語はプレートの全長にプレートの全幅を乗じた積を指す。従って、たとえば７５ｃｍの全長と３０ｃｍの全幅とを有するプレートは２２５０ｃｍ２の表面積を有する。
【００１６】
隣接するプレートの間の溶接部の平均溶け込みは最大約１０ミリメートル（ｍｍ）、または約０．２５から約１０ｍｍ、または約０．２５から約８ｍｍ、または約０．２５から約６．５ｍｍ、または約０．２５から約５ｍｍ、または約０．５から約３ｍｍ、または約０．７５から約３ｍｍ、または約１から約２ｍｍ、または約１から約１．５ｍｍ、または約１．２７ｍｍであってよい。用語「溶接部の平均溶け込み」は２つの隣接するプレートの周縁部に溶接材料をあてがったときに２つの隣接するプレートの間の隙間に溶接材料が溶け込む平均深さを指す。図２２にこれが例示されている。図２２においては２つの隣接するプレートの周縁部に溶接部があてがわれ、プレートの間の隙間に溶接部が溶け込む（「溶接部溶け込み」）。
【００１７】
装置は１つまたは複数のプロセス層、たとえば１から約１０００、または１から約１００、または１から約５０、または１から約３０、または約２から約３０、または約４から約３０、または約８から約２４、または約１６のプロセス層と、１つまたは複数の熱交換層、たとえば１から約１０００、または１から約１００、または１から約５０、または１から約３０、または約２から約３０、または約４から約３６、または約８から約２４、または約１６の熱交換層とを設けるのに十分な数のプレートを含んでよい。プレートは水平に整列させて上下に積層してもよく、垂直に整列させて横に並べて配置してもよく、あるいは水平に対してある角度で整列させてもよい。プロセス層と熱交換層とは、プロセス層が熱交換層と隣接し、熱交換層が今度は別のプロセス層と隣接し、別のプロセス層が今度は別の熱交換層と隣接する、等と交互配列で整列させてよい。あるいは、２つ以上のプロセス層および／または２つ以上の熱交換層を互いに隣接させて配置してもよい。
【００１８】
装置は１つまたは複数の繰り返し単位を含んでよく、各繰り返し単位は同じであり、それぞれが１つ以上のプロセス層と１つ以上の熱交換層とを含む。たとえば、繰り返し単位は１から約１０、または１から約５、または１から約３、または約２のプロセス層と、１から約１０、または１から約５、または１から約３、または約２の熱交換層とを含んでよい。繰り返し単位は水平に整列させて上下に積層してもよく、垂直に整列させて横に並べて配置してもよく、あるいは水平に対してある角度で整列させてもよい。各繰り返し単位内でプロセス層と熱交換層とは、プロセス層が熱交換層と隣接し、熱交換層が今度は別のプロセス層と隣接し、別のプロセス層が今度は別の熱交換層と隣接する、等と交互配列で整列させてよい。あるいは、２つ以上のプロセス層および／または２つ以上の熱交換層を互いに隣接させて配置してもよい。プレートのスタックは任意の数の繰り返し単位、たとえば１から約１０００、または１から約５００、または１から約１００、または１から約５０、または１から約２０、または１から約１０の繰り返し単位を含んでよい。
【００１９】
装置は、スタックに溶接されてプロセス層の中への流体の流れを提供する入口プロセスマニホールド、スタックに溶接されてプロセス層から出る流体の流れを提供する出口プロセスマニホールド、スタックに溶接されて熱交換層の中への流体の流れを提供する少なくとも１つの入口熱交換マニホールド、および熱交換層から出る流体の流れを提供する熱交換出口をさらに含んでよい。熱交換出口は、スタックの末端に溶接され、熱交換層からの排気ガスの流れを提供するようになっている排気出口を含んでよい。
【００２０】
上記に示されているように、コアアセンブリと呼んでもよいスタックは、運転時の圧力に耐えるために、格納容器の中に配置されるかまたはコアアセンブリの周りに機械的補強材を配置させてよい。スタックは大気圧より高い内圧、たとえば最大約１５ＭＰａ、または最大約１２ＭＰａ、または最大約１０ＭＰａ、または最大約７ＭＰａ、または最大約５ＭＰａ、または最大約３ＭＰａ、あるいは約０．１から約１５ＭＰａの範囲、または約０．１から約１２ＭＰａの範囲、または約０．１から約１０ＭＰａの範囲、または約０．１から約７ＭＰａの範囲、または約０．１から約５ＭＰａの範囲、または約０．１から約３ＭＰａの範囲、あるいは約０．２から約１０ＭＰａの範囲、または約０．２から約５ＭＰａの範囲のゲージ圧において運転されるようになっていてよい。スタック内の内圧はプロセス層の中のプロセス活動および／または熱交換層の中の熱交換活動によって発生してよい。プロセス層の中の第１の圧力における第１の単位操作と、熱交換層の中の第２の圧力における熱交換プロセスとを動作させた結果として、スタック内に２つ以上の内圧があってよい。たとえば、プロセス層の中の高圧反応、たとえばＳＭＲ反応と熱交換層の中の比較的低い圧力の反応、たとえば燃焼反応との結果として比較的高い圧力が生じてよい。プロセス層の中の内圧と熱交換層の中の内圧との間の圧力差は最大約１０ＭＰａ、または約０．１から約１０ＭＰａ、または約０．２から約５ＭＰａの範囲であってよい。格納容器も大気圧より高い内圧、たとえば最大約１０ＭＰａ、または最大約７ＭＰａ、または最大約５ＭＰａ、または最大約４ＭＰａ、または最大約３．５ＭＰａ、または最大約３ＭＰａ、あるいは約０．１から約１０ＭＰａの範囲、または約０．１から約７ＭＰａの範囲、または約０．１から約５ＭＰａの範囲、または約０．１から約３ＭＰａの範囲のゲージ圧で運転されるようになっていてよい。格納容器内の内圧は封じ込め気体を用いて維持してよい。封じ込め気体は窒素のような不活性気体であってよい。格納容器内の内圧を用いてスタックの外表面に対して圧力を加え、それによってスタックに構造支持を提供してよい。上記に示されているように、格納容器は少なくともスタック内の内圧と同じ高さのレベルの格納容器内の圧力を維持する制御機構を備えていてよい。このようにすれば、スタックの外側に加わる圧力はスタック内の内圧と少なくとも同じであるかまたは超えることもできる。封じ込め気体によって提供される構造支持のおかげでスタックに構造支持を提供するためのクランプ、外部補強材、外部支持および類似物の使用を避けることができる。クランプ、外部補強材、外部支持、および類似物は刷新が望ましいとき費用を増加させ、かつ問題を生じることがある。
【００２１】
上記に示されているように、格納容器内の圧力を維持するための制御機構は逆止弁および／または圧力調整器を含んでよい。これらの一方または両方をパイプ、バルブ、コントローラおよび類似物の系統と組み合わせて用いて、格納容器内の圧力を少なくともスタック内の内圧と同じ高さのレベルに確実に維持するようにしてよい。これは、スタックを封止するために用いられる周縁溶接部を保護するためもあって行われる。格納容器内の圧力が顕著に低下し、これに対応するスタック内の内圧の低下が伴わないと、費用の高い周縁溶接部の破裂につながる可能性があろう。制御機構は封じ込め気体によって加えられる圧力が低下したときに格納容器の中に１つ以上のプロセス気体を振り分けることを可能にする配管系統を備えていてよい。
【００２２】
上記に示されているように、外部構造体を含んでよい構造支持体をスタックの外側に取り付けてスタックに構造支持を提供してよい。外部構造体は、スタックの末端プレートの主な外表面と密着して保持された（たとえば溶接によって）補強部材のマレイを含んでよい。マレイの部材の剛性は部材が積層方向（すなわちプレートの面と直交する方向）の曲げに抵抗するようにすればよい。あるいは、側面または末端の破裂を最小限にするようにプレートの面に追加された剛性部材があってもよい。図３２にスタックに構造支持を提供するための外部構造体の使用が例示されている。
【００２３】
上記に示されているように、スタックの各側面に取り付けるかまたは溶接した比較的厚い末端プレートを用いることによって構造支持を提供してよい。比較的厚い末端プレートは約１センチメートル以上の厚さを有してよく、反応器に所望される設計温度および圧力に加えスタックの断面積にももとづいてサイズを設定してよい。運転時の内圧を維持するために比較的厚い末端プレートを有する一実施態様において、末端プレートの溶接部溶け込みはスタックの中の内部プレートで用いられる溶接部溶け込みより大きくてよい。したがって、末端プレートの溶接部溶け込みは約０．７５ｍｍより大きく、または約１．５ｍｍより大きく、または約２ｍｍより大きく、または約３ｍｍより大きく、または約５ｍｍより大きく、または約７ｍｍより大きく、または約１０ｍｍより大きくてよい。
【００２４】
装置は、プロセス層の中で少なくとも１つの単位操作を行うのに適したものであってよい。単位操作は、化学反応、蒸発、圧縮、化学分離、蒸留、凝縮、混合、加熱、冷却、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。
【００２５】
化学反応はメタノール合成反応、ジメチルエーテル合成反応、アンモニア合成反応、水性ガスシフト反応、アセチル化付加反応、アルキル化、脱アルキル、水素化脱アルキル、還元アルキル化、アミノ化、芳香族化、アリール化、自己熱改質、カルボニル化、脱カルボニル、還元カルボニル化、カルボキシル化、還元カルボキシル化、還元カップリング、縮合、クラッキング、水素化クラッキング、環化、環状オリゴマ化、脱ハロゲン、二量化、エポキシ化、エステル化、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、水素化ハロゲン化、ホモログ化、水和、脱水、水素化、脱水素、水素化カルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ハイドロメタレーション、ヒドロシリル化、加水分解、水素化処理、異性化、メチル化、脱メチル、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト、スルホン化、テロメル化、エステル交換、三量体化、サバチエ反応、二酸化炭素改質、優先酸化、部分酸化、または優先メタン化反応を含んでよい。化学反応は水蒸気メタン改質（ＳＭＲ：ｓｔｅａｍ  ｍｅｔｈａｎｅ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）反応を含んでよい。化学反応はエチレン、スチレン、ホルムアルデヒドおよび／またはブタジエンを作るためのプロセスを含んでよい。
【００２６】
プロセス層は平行に整列した複数のプロセスマイクロチャネルを含んでよい。各プロセスマイクロチャネルは触媒を含有する反応ゾーンを含んでよい。プロセス層はプロセスマイクロチャネルに流入する反応体の実質的に一様な分布を提供するようになっている複数の内部マニホールドを含んでよい。プロセス層はさらに、プロセスマイクロチャネルから流出する生成物の実質的に一様な分布を提供するようになっている複数の内部マニホールドを含んでよい。プロセスマイクロチャネルは表面構成要素および／または毛管構成要素を含んでよい。
【００２７】
プロセス層は反応体層、生成物層、ならびに反応体層および生成物層の一端に配置されて反応体層から生成物層への流体の流れを可能にするプロセス折り返し部を含んでよい。反応体層は生成物層に隣接させて配置してよい。プロセス層は１つ以上の反応体が反応して生成物を形成する反応において用いられるようになっていてよく、１つ以上の反応体は反応体層に流入し、触媒と接触し、反応して生成物を形成し、生成物は生成物層から流出する。
【００２８】
熱交換層は平行に整列した複数の熱交換チャネルを含んでよい。熱交換チャネルを用いてプロセス層に加熱または冷却を提供してよい。熱交換チャネルはマイクロチャネルを含んでよい。熱交換チャネルは表面構成要素および／または毛管構成要素を含んでよい。熱交換層は熱交換チャネルに入る、熱交換チャネルを通る、および熱交換チャネルから出る熱交換流体の流れを提供するようになっていてよい。熱交換流体は液体、気体、またはそれらの混合物を含んでよい。熱交換層は熱交換層の中で燃焼反応、あるいは他の酸化反応または発熱反応、たとえば部分酸化反応および類似反応を行うようになっていてよい。
【００２９】
熱交換層は燃料層、燃料層に隣接して配置された空気層、燃料層と空気層との間に配置された熱交換壁、空気層から燃料層に入る空気の流れを可能にする熱交換壁の中の複数の開口またはジェット、燃料層の中に配置された燃焼触媒、排気層、ならびに燃料層の末端および排気層の末端に配置されて燃料層から排気層への排気の流れを可能にする熱交換折り返し部を含んでよい。熱交換層は燃料が燃料層の中を流れ、空気が空気層から熱交換壁の中の開口を通って燃料層に流入して燃料と一緒になって燃料−空気混合物を形成し、燃料−空気混合物が流れて燃焼触媒と接触し燃焼反応を提供して熱および排気ガスを生じ、熱はプロセス層に熱を提供し、排気ガスは排気層を通って熱交換層から流出することを可能にするようになっていてよい。燃料層は複数の燃料マイクロチャネルと、燃料マイクロチャネルに流入する実質的に一様な燃料の分布を提供するようになっている複数の内部マニホールドとを含んでよい。空気層は複数の空気マイクロチャネルと、空気マイクロチャネルに流入する実質的に一様な空気の分布を提供するようになっている複数の内部マニホールドとを含んでよい。燃料層および／または空気層は表面構成要素および／または毛管構成要素を含んでよい。
【００３０】
装置は水蒸気メタン改質反応器を含んでよく、プロセス層は水蒸気メタン改質触媒を含み、熱交換層は燃焼触媒を含む。水蒸気メタン改質触媒はロジウムおよびアルミナ担体を含んでよい。燃焼触媒は白金、パラジウムおよびアルミナ担体を含んでよく、アルミナ担体はランタンを含浸される。
【００３１】
装置はプロセス層および／または熱交換層の中に触媒を含んでよく、触媒は１つ以上のプレートにエクスサイチュで塗布され、塗布はこれらのプレートを溶接してスタックを形成する前に行う。
【００３２】
装置は腐食防止層および／または固着防止層を有する１つ以上のプレートを含んでよく、腐食防止層および／または固着防止層はそのようなプレートの１つ以上の表面にある。
【００３３】
装置はメタルダスト抵抗層を有する１つ以上のプレートを含んでよく、メタルダスト抵抗層はそのようなプレートの１つ以上の表面にある。
【００３４】
一実施態様において、プレートの１つ以上がその上に１つ以上の表面保護層を有する。一実施態様において、表面保護層は２つまたは３つの層を含み、各層は異なる組成の材料を含む。一実施態様において、表面保護層は３つの層を含み、第１の層は銅を含み、第２の層はアルミニウム含有金属合金を含み、第３の層は金属合金を含む。一実施態様において、表面保護層には触媒を接着させる。
【００３５】
本発明は上記の装置を形成するためのプロセスに関する。プロセスは、プレートのスタックを形成するステップ、および各プレートの周縁部を隣接する次のプレートの周縁部に溶接して外周封止部を提供するステップを含む。
【００３６】
本発明は上記の装置を刷新するプロセスに関する。プロセスは、プレートの周縁部から溶着部を除去するステップ、プレートを分離するステップ、プレートの欠陥を修正するステップ、プレートのスタックを再形成するステップ、および各プレートの周縁部を隣接する次のプレートの周縁部に溶接してスタックに新しい外周封止部を提供するステップを含む。本発明は、上記の刷新プロセスによって形成された刷新された装置に関する。この刷新プロセスは装置の耐用年数の間に任意の所望の回数、たとえば１回から約２０回、または１回から約１５回、または１回から約１０回、または１回から約５回、または１回から約２回もしくは３回もしくは４回繰り返してよい。装置が１つ以上の触媒を含むとき、触媒はプレートのスタックを再形成する前に交換し、および／または再生してよい。プレートの１つ以上の表面に１つ以上の触媒が接着しているとき、触媒はグリットブラスト法によって除去してよい。１つ以上のプレートが損傷したアルミナスケールを含むとき、アルミナスケールは熱処理によって補充してよい。刷新時に１つ以上のプレートを交換してよく、したがって刷新後の装置は異なる製造日付を有する１つ以上のプレートを含んでよい。刷新時に１つ以上のプレートを交換した結果、刷新された装置では１つ以上のプレートが以前に用いられていた元のプレートの組と異なってよい。交換プレートには、刷新のために最初の溶接の組が除去されたときの元のスタックからの金属損失に合わせて元のプレートより若干小さな断面が必要となるであろう。刷新後に得られる新しいスタックは刷新サイクル毎に断面が若干小さくなってよい。各刷新サイクル時に除去される外周金属の量は約０．１ｍｍから約１０ｍｍ、または約０．５から約２ｍｍの範囲になるであろうと予測される。各刷新サイクル時に失われる外周金属の量は最小限にすることが好ましい。
【００３７】
周縁溶接部は装置の刷新を容易にするために比較的薄くしてよい。たとえば平均溶接部溶け込みは最大約１０ｍｍ、または約０．２５から約１０ｍｍ、または約０．２５から約８ｍｍ、または約０．５から約６．５ｍｍ、または約０．５から約５ｍｍ、または約０．５から約３ｍｍ、または約０．７５から約２ｍｍ、または約０．７５から約１．５ｍｍ、または約０．０５インチ（１．２７ｍｍ）であってよい。各プレートは各プレートの活動区域（たとえばプロセスマイクロチャネル、熱交換チャネル等）を囲んでいる境界部を有してよい。図２１にこれが例示されている。刷新時にたとえば溶着部および境界部を機械加工することによって周縁溶接部と境界部の一部とを除去してよい。従って、溶接部が薄くなるほど各刷新時の境界材料の損失が少なくなる。たとえば各溶接部の平均溶け込みが０．０５インチ（１．２７ｍｍ）、各プレートの各境界部が０．５インチ（１２．７ｍｍ）の幅を有するなら、各プレートは廃棄される前に１０回刷新することができるであろう。多数回の刷新が可能になればマイクロチャネルプロセス装置の耐用年数が顕著に長くなり、それによってその全体コストが低くなるのでこれは重要である。
【００３８】
本発明は上記の装置を用いて単位操作を行うためのプロセスに関する。プロセスは、プロセス層の中で単位操作を行うステップおよびプロセス層と熱交換層との間で熱を交換するステップを含む。
【００３９】
本発明は、上記の装置を用いて化学反応を行うためのプロセスに関する。プロセスはプロセス層の中で化学反応を行うステップ、およびプロセス層と熱交換層との間で熱を交換するステップを含む。
【００４０】
本発明は上記の装置を用いて水蒸気メタン改質反応を行うためのプロセスに関する。プロセスは、プロセス層の中で触媒の存在下で水蒸気をメタンまたは天然ガスと反応させて合成ガスを形成するステップ、および熱交換層の中で燃焼反応を行ってプロセス層に熱を供給するステップを含む。
【００４１】
水蒸気メタン改質反応を実行するための一実施態様において、プロセス層の中のメタンまたは天然ガスの流れは１秒あたり約１０から約２００メートルの範囲の空塔速度であり、水蒸気メタン改質反応に関する平衡到達は少なくとも約８０％であり、装置の中の圧力降下あたりの反応熱は約２から約２０Ｗ／Ｐａの範囲である。
【００４２】
水蒸気メタン改質反応を実行するための一実施態様において、水蒸気メタン改質反応のための接触時間は最大約２５ｍｓであり、水蒸気メタン改質反応に関する平衡到達は少なくとも約８０％であり、装置の中の圧力降下あたりの反応熱は約２から約２０Ｗ／Ｐａの範囲である。一実施態様において、単位接触時間あたりの反応熱は少なくとも約２０Ｗ／ｍｓである。一実施態様において、装置の中の圧力降下あたりの反応熱は約２から約２０Ｗ／Ｐａの範囲である。
【００４３】
本発明の装置の中で水蒸気メタン改質反応を実行するための一実施態様において、水蒸気メタン改質反応はプレートの表面にメタルダスティングの孔が形成することなく少なくとも約２０００時間実行してよい。一実施態様において、水蒸気メタン改質反応は少なくとも約２０００時間実行し、少なくとも約２０００時間反応を実行した後のプロセス層の圧力降下はプロセスの開始時における圧力降下の約２０％未満増加する。
【００４４】
一実施態様において、プロセス層および／または熱交換層の中のプレートは、表面のすべてはないが一部が表面に接着された触媒、腐食防止層および／または固着防止層、および／またはメタルダスト抵抗層を有する表面を含んでよい。装置は新しく構築された装置または刷新された装置であってよい。上記の触媒、腐食防止層および／または固着防止層、および／またはメタルダスト抵抗層は、プレート全体が覆われているであろう連続層と比較して、不連続層の形であると言ってもよい。そのような不連続層の塗布はエクスサイチュ被覆法および下記で考察されるマスク式塗布技法を用いて実現可能である。
【００４５】
添付の図面において同様の部品および構成要素には同じ符号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の装置を形成するために用いられるプレートのスタックを示す略図である。例示のためにプレートの一部は一緒に積層されて示され、他のものはスタックから離して示されている。
【図２】組み立てた形の図１のプレートのスタックと、スタックに出入りするプロセス流体および熱交換流体の流れを提供する個々の流体マニホールドとを示す略図である。
【図３】図２に示されているプレートのスタックと流体マニホールドとの略図であり、流体マニホールドは、スタックに溶接されて組み立てられたマイクロチャネルプロセス装置を提供している。
【図４】格納容器のヘッダの中に取り付けられた図３の組み立てられたマイクロチャネルプロセス装置の略図である。
【図５】図３および図４に示されているマイクロチャネルプロセス装置を収容するために用いられる格納容器の略図である。
【図６】本発明のマイクロチャネルプロセス装置のプロセス層の中の反応体および生成物の流れと、本発明のマイクロチャネルプロセス装置の熱交換層の中の燃料、空気および排気の流れとを示す略図である。
【図７】本発明のマイクロチャネルプロセス装置の中で用いられるプレートのスタックを含む繰り返し単位の略図である。
【図８】本発明のマイクロチャネルプロセス装置の中で用いられるプレートのスタックを含む繰り返し単位の略図である。
【図９】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１０】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１１】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１２】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１３】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１４】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１５】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１６】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１７】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１８】図７および図８に例示されている各プレートの上面および下面を示す略図である。
【図１９】図１から図４に例示されている種類のプレートのスタックの写真であり、各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてスタックに外周封止部を提供している。
【図２０】図１から図４に例示されている種類のプレートのスタックの写真であり、各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてスタックに外周封止部を提供している。
【図２１】図１から図４に例示されているプレートの１つの一部分の略図であり、境界部によって囲まれている複数のマイクロチャネルを含む活動区域、レートの周縁部の一部を形成する境界部、およびプレートの周縁部にあてがわれ、周縁部の範囲を超えて溶け込んでいる溶接部とともに示されている。
【図２２】図１から図４に例示されている種類の２つのプレートの一部分の略図であり、各プレートの周縁部にあてがわれ、プレートの間の隙間に溶け込んでいる溶接部とともに示されている。
【図２３】ＳＭＲ反応器の概要の略図である。この反応器は実施例２に開示されている。
【図２４】図２３に示されているＳＭＲ反応器の中の空気チャネルから燃料チャネルへの空気の流れを提供するジェットの配置を示す略図である。
【図２５】図２３に示されている反応器の中で用いられている４つの生成物チャネルの接続を示す略図である。
【図２６】図２３に示されている反応器のＰプレートまたはプレート１の略図である。
【図２７】図２３に例示されている反応器のＲＰプレートまたはプレート２の略図である。
【図２８】図２３に例示されている反応器のＣａｔプレートまたはプレート３の略図である。
【図２９】図２３に例示されている反応器のＦＡプレートまたはプレート４の略図である。
【図３０】図２３に例示されている反応器のＡＥプレートまたはプレート５の略図である。
【図３１】図２３に例示されている反応器のＥプレートまたはプレート６の略図である。
【図３２】実施例２に開示されている反応器の略図である。反応器は構造支持を提供するための外部構造体を備えている。
【図３３】図２３に例示されている反応器の反応器セクションの中のＳＭＲ触媒および燃焼触媒の位置を示す略図である。
【図３４】図２３に例示されている反応器の中で用いられるＳＭＲ触媒をスプレー被覆するためのマスクの略図である。
【図３５】図２３に例示されている反応器のＡＥプレートに加えられた再分配構成要素を示す略図である。
【図３６】実施例２に開示されている反応器のＳＭＲプロセス性能を示すプロットである。
【図３７】実施例２に開示されている反応器について燃焼性能を示すプロットである。
【図３８】実施例２に開示されている反応器について圧力降下を示すプロットである。
【図３９】実施例２に開示されている反応器について圧力降下を示すプロットである。
【図４０】実施例２に開示されている反応器について負荷壁温度プロフィールを示すプロットである。
【図４１】実施例２に開示されている反応器の出口における排気ガス温度プロフィールを示すプロットである。
【図４２】実施例２に開示されている反応器について燃料がさまざまなレベルの燃料中メタンを有するときの負荷壁温度プロフィールを示す略図である。
【図４３】実施例２に開示されている反応器について排気温度のばらつきを示すプロットである。
【図４４】実施例２に開示されている反応器の長さ方向の温度プロフィールを燃焼燃料中のメタンの量の関数として示すプロットである。
【図４５】マイクロチャネル反応器の壁に触媒を塗布するためのインサイチュ被覆方法を示す略図である。
【図４６】ＳＭＲ反応器のプレートに触媒を塗布するためのエクスサイチュ被覆方法を例示する略図である。
【図４７】実施例３に記載されている多重チャネルＳＭＲ反応器のＲ−Ｐプレートのためのマスキングプレートの例示である。
【図４８】実施例３に記載されているようにプレートに触媒を被覆した後のマスクされたプレートの写真である。
【図４９】実施例４において考察されているメタルダスティング試験からの銅で被覆されたインコネル６１７のクーポンの一連の写真からなる。
【図５０】実施例４に記載されているメタルダスティング試験からの被覆されていないインコネル６１７のクーポンの一連の写真からなる。
【図５１】実施例４に記載されているメタルダスティング試験時の８６３時間曝露後の銅で被覆されたインコネル６１７のクーポンの断面のＳＥＭである。
【図５２】実施例４に記載されているメタルダスティング試験時のさまざまな段階におけるＴｉＣ／Ａｌ２Ｏ３／インコネル６１７クーポンの一連の写真からなる。
【図５３】実施例４に記載されているメタルダスティング試験からの３つのアルミニウムブロンズで被覆されたクーポンの写真からなる。
【図５４】実施例４に記載されているメタルダスティングに対する保護を提供するための多層被覆物を示す。
【図５５】実施例４に記載されているメタルダスティングに対する保護を提供するための多層被覆物を示す。
【図５６】実施例５に記載されているプレートを刷新するためのグリットブラスト処理手順の前後のＳＭＲ反応器のＣａｔ−プレートの写真からなる。
【図５７】実施例５に記載されているプレートを刷新するためのグリットブラスト処理手順の前後のＳＭＲ反応器のＲ−Ｐプレートの写真からなる。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本明細書および請求項に開示されているすべての範囲および比の限界値はどのように組み合わせてもよい。特に断らない限り、「ａ」、「ａｎ」および／または「ｔｈｅ」への参照は１つ以上を含んでよく、単数形の品目への参照は複数形の品目も含んでよいと理解するべきである。請求項において指定されるすべての組み合わせはどのように組み合わせてもよい。
【００４８】
用語「マイクロチャネル」は高さまたは幅の内部寸法の少なくとも１つが最大約１０ミリメートル（ｍｍ）、または最大約５ｍｍ、または最大約２ｍｍであるチャネルを指す。マイクロチャネルは高さ、幅および長さを有すればよい。高さと幅との両方がマイクロチャネルの中の流体の流れのバルク流方向に垂直であってよい。マイクロチャネルは少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含んでよく、少なくとも１つの入口は少なくとも１つの出口と異なる。マイクロチャネルはオリフィスだけでなくてもよい。マイクロチャネルは、ゼオライトまたはメソ多孔質材料を通るチャネルだけでなくてもよい。マイクロチャネルの長さは高さまたは幅の少なくとも約２倍、または高さまたは幅の少なくとも約５倍、または高さまたは幅の少なくとも約１０倍であってよい。高さまたは幅はマイクロチャネルの対向する内壁の間の隙間と言ってもよい。マイクロチャネルの内部の高さまたは幅は約０．０５から約１０ｍｍ、または約０．０５から約５ｍｍ、または約０．０５から約２ｍｍ、または約０．１から約２ｍｍ、または約０．５から約２ｍｍ、または約０．５から約１．５ｍｍ、または約０．０８から約１．２ｍｍの範囲であってよい。他方の高さまたは幅の内部寸法は任意の寸法、たとえば最大約１０センチメートル（ｃｍ）、または約０．１から約１０ｃｍ、または約０．５から約１０ｃｍ、または約０．５から約５ｃｍであってよい。マイクロチャネルの長さは任意の寸法、たとえば最大約２５０ｃｍ、または約５から約２５０ｃｍ、または約１０から約１００ｃｍ、または約１０から約７５ｃｍ、または約１０から約６０ｃｍであってよい。マイクロチャネルは任意の形、たとえば正方形、長方形、円形、半円形、台形等を有する断面を有してよい。マイクロチャネルの断面の形状および／またはサイズはその長さにわたって変化してよい。たとえば高さまたは幅は比較的大きな寸法から比較的小さな寸法へ、または逆向きに、マイクロチャネルの長さにわたってテーパー形となっていてよい。
【００４９】
用語「プロセスマイクロチャネル」はプロセスが行われるマイクロチャネルを指す。プロセスは任意の単位操作を含んでよい。プロセスは化学反応、たとえば水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）反応を含んでよい。反応はエチレン、スチレン、ホルムアルデヒド、ブタジエンおよび類似物を製造するためのプロセスを含んでよい。反応は部分酸化反応を含んでよい。
【００５０】
用語「マイクロチャネルプロセス装置」はプロセスが行われてよい１つ以上のプロセスマイクロチャネルを含む装置を指す。プロセスは１つ以上の流体が処理される単位操作を含んでよい。プロセスはＳＭＲ反応などの化学反応を含んでよい。
【００５１】
用語「マイクロチャネル反応器」は反応プロセスが行われる１つ以上のプロセスマイクロチャネルを含む装置を指す。プロセスはＳＭＲプロセスなどの任意の化学反応を含んでよい。２つ以上のプロセスマイクロチャネルを用いるとき、プロセスマイクロチャネルは並列で運転してよい。マイクロチャネル反応器は１つ以上のプロセスマイクロチャネルに入る反応体の流れを提供するためのマニホールドと、１つ以上のプロセスマイクロチャネルから出る生成物の流れを提供するマニホールとを備えていてよい。マイクロチャネル反応器はこれらの１つ以上のプロセスマイクロチャネルと隣接している、および／または熱接触している１つ以上の熱交換チャネルをさらに含んでよい。熱交換チャネルはプロセスマイクロチャネルの中の流体に加熱および／または冷却を提供してよい。熱交換チャネルはマイクロチャネルであってよい。マイクロチャネル反応器は熱交換チャネルに入る熱交換流体の流れを提供するためのマニホールドと、熱交換チャネルから出る熱交換流体の流れを提供するマニホールドとを備えていてよい。マイクロチャネル反応器は熱交換チャネルの中で燃焼反応が行われるとき排気マニホールドおよび排気出口も備えていてよい。
【００５２】
用語「溶接」は融合を引き起こすことによって材料、通常は金属または熱可塑性樹脂を結合させる製造プロセスを指す。これは加工材料を溶融させ、および／または充填材料を加え、溶融材料のプール（溶接プール）を形成させることによって実行してよい。この溶融材料のプールは、冷却すると強い継ぎ目となり、圧力を用いて、ときには熱を加え、あるいはそのままで溶接部を形成する。
【００５３】
用語「ロウ付け」は充填材料がその融点より高温に加熱され、密着して合せた２つ以上の部品の間に毛管作用によって分配される金属結合プロセスを指す。充填金属は適当な雰囲気、通常はフラックスによって保護されながら融点より若干高温にされる。充填金属は基材金属の上に流れ（濡れとして知られる）、冷却されて加工材料を一緒に結合する。
【００５４】
用語「拡散接合」は金属部品が力を加えられて一緒に保持され、真空炉の中で加熱され、各部品からの原子を他の部品へ拡散させるプロセスを指す。ロウ付けと異なり、充填材合金は用いない。
【００５５】
用語「接触時間」は、流れが横切り、反応触媒を含む反応器の開放体積を標準状態で計算されたプロセス入口流の流量で除した商を指す。反応体セクション接触時間は、触媒を含有する第１の流路を含むデバイスの反応器セクション内のチャネルの中のプロセス流の全体積と、反応体チャネルと熱接触し同じ軸方向位置によって定められる付随する生成物チャネルの体積とを、標準状態で計算されたプロセス気体のチャネルあたりの全入口流量で除した商を指す。触媒チャネルだけの接触時間は、プロセス触媒を含む反応体チャネルの中だけのプロセス流のチャネルの中の全体積を標準状態で計算されたプロセス気体のチャネルあたりの全入口流量で除した商を指す。反応器コア接触時間は、回収熱交換セクションおよび反応器セクションを含む反応器の中のチャネル回路のチャネルあたりの全流れ体積を標準状態で計算されたプロセス気体のチャネルあたりの全入口流量で除した商を指す。
【００５６】
用語「十分に一様な流れ」は、３本以上のチャネルを有するデバイスの性能が同等なチャネル設計（長さ、幅、高さおよび触媒位置）の単一チャネルデバイスの性能の９５％以内にあるという点で、完璧ではないが流れの非一様さの量がプロセス性能を実質的に低下させない流れの分布を指す。
【００５７】
マイクロチャネル内の体積に関する用語「体積」は、流体が貫流するかまたは側流することができるマイクロチャネルの中のすべての体積を含む。この体積は、マイクロチャネルの中に配置され、貫流方式または側流方式の流体の流れに対応することができる表面構成要素内の体積を含んでよい。
【００５８】
１つのチャネルの位置を別のチャネルの位置に対して指すときの用語「隣接する」は、単数または複数の壁が２つのチャネルを隔てるように直接隣接することを意味する。２つのチャネルは共通の壁を有してよい。共通の壁は厚さが変化してよい。しかし、「隣接する」チャネルはこれらのチャネルの間の熱伝達と干渉する介在チャネルによって隔てられていない。１つのチャネルはチャネルの一部にわたって別のチャネルと隣接してよい。
【００５９】
用語「熱接触」は、互いに物理接触していてもいなくてもよく、あるいは互いに隣接していてもいなくてもよいが、それでも互いに熱を交換する２つの実体、たとえば２つのチャネルを指す。別の実体と熱接触している１つの実体は相手の実体を加熱するかまたは冷却してもよい。
【００６０】
用語「流体」は気体、液体、気体と液体との混合物、あるいは分散した固体、液滴および／または気泡を含有する気体または液体を指す。液滴および／または泡は不規則形状または規則形状であってよく、同様なサイズまたは異なるサイズであってよい。
【００６１】
用語「気体」および「蒸気」は同じ意味を有し、区別なく用いてよい。
【００６２】
用語「滞留時間」または「平均滞留時間」は、チャネル内の空間の、この空間の中を流れる流体が占有する内部体積を、この空間の中を流れる流体の用いられている平均温度および圧力における平均体積流量で除した商を指す。
【００６３】
用語「表面構成要素」は、チャネル内の流れを撹乱するチャネル壁の凹みまたは突起および／またはチャネル内部構造を指す。
【００６４】
用語「毛管構成要素」は、流れが層流型であるときにはチャネル内の流れを撹乱しないチャネル壁の凹みまたは突起および／またはチャネル内部構造を指す。たとえば、毛管構成要素は流れの方向に実質的に垂直である壁の凹みであってよい。毛管構成要素は斜交平行模様であってもよく、あるいは粗面処理によって作り出されるもののような他の不規則形状であってもよい。一般に、毛管構成要素の中で流れは実質的に停滞してよく、この停滞流領域は、反応体が拡散して毛管構成要素に隣接する高速移動流の中に戻る前に触媒と接触し続けるための安全な避難所を作り出すことによって反応速度促進を可能にすることができる。
【００６５】
用語「バルク流方向」は、流体がチャネルの中の開放経路の中を移動することができる方向のベクトルを指す。
【００６６】
用語「バルク流領域」は、チャネル（たとえばプロセスマイクロチャネル）の中の開放区域を指す。連続的なバルク流領域は顕著な圧力降下なくチャネルを通る迅速な流体の流れを可能にすることができる。一実施態様において、バルク流領域の中の流れは層流であってよい。バルク流領域はマイクロチャネルの内部体積および／または断面積の少なくとも約５％、一実施態様においては約５％から約１００％、一実施態様においては約５％から約９９％、一実施態様においては約５％から約９５％、一実施態様においては約５％から約９０％、一実施態様においてはマイクロチャネルの内部体積および／または断面積の約３０％から約８０％を含んでよい。
【００６７】
チャネル（たとえばプロセスマイクロチャネル）の用語「断面積」は、チャネルの中の流体のバルク流の方向に垂直に測定された面積を指し、存在してよい任意の表面構成要素を含むチャネル内のすべての面積を含んでよいが、チャネル壁を含まない。長さに沿って湾曲するチャネルの場合、断面積は、長さに平行でありチャネルの（面積での）中央にある線に沿って選ばれた点におけるバルク流の方向に垂直に測定してよい。高さおよび幅の寸法は１つのチャネル内壁から反対側のチャネル内壁まで測定してよい。これらの寸法は表面構成要素、表面粗さおよび類似物が原因となって生じる変化を考慮した平均値であってよい。
【００６８】
用語「プロセス流体」は、反応体、生成物、希釈剤、および／またはプロセスマイクロチャネルに入り、流入および／または流出する他の流体を指す。
【００６９】
用語「反応体」は、化学反応において用いられる反応体を指す。ＳＭＲ反応の場合、反応体は水蒸気およびメタンを含んでよい。燃焼反応の場合、反応体は燃料（たとえば水素、炭化水素たとえばメタン等）および酸素源たとえば空気を含んでよい。
【００７０】
用語「反応ゾーン」は化学反応が起こる、すなわち少なくとも１つの化学種の化学変換が起こるマイクロチャネル内の空間を指す。反応ゾーンは１つ以上の触媒を含んでよい。
【００７１】
用語「熱交換チャネル」は熱を放出し、および／または熱を吸収する熱交換流体を中に有するチャネルを指す。熱交換チャネルは、隣接するチャネル（たとえばプロセスマイクロチャネル）、および／または熱交換チャネルと熱接触している１つ以上のチャネルから熱を吸収するかまたは熱を放出してよい。熱交換チャネルは、互いに隣接しているが熱交換チャネルとは隣接していないチャネルから熱を吸収するかまたは熱を放出してよい。一実施態様において、１つ、２つ、３つまたはそれ以上のチャネルが互いに隣接し、２つの熱交換チャネルの間に配置されてよい。
【００７２】
用語「熱伝達壁」は、プロセスマイクロチャネルと、隣接する熱交換チャネルとの間の共通の壁を指し、熱は共通の壁を通って一方のチャネルから他方に移動する。
【００７３】
用語「熱交換流体」は熱を放出および／または熱を吸収することができる流体を指す。
【００７４】
用語「反応体の変換」はマイクロチャネル反応器に流入する流体とマイクロチャネル反応器から流出する流体との間の反応体モル数変化をマイクロチャネル反応器に流入する流体の中の反応体のモル数で除した商を指す。
【００７５】
用語「ｍｍ」はミリメートルを指せばよい。用語「ｎｍ」はナノメートルを指せばよい。用語「ｍｓ」はミリ秒を指せばよい。用語「μｓ」はマイクロ秒を指せばよい。用語「μｍ」はミクロンまたはマイクロメートルを指せばよい。用語「ミクロン」と用語「マイクロメートル」とは同じ意味を有し、区別なく用いてよい。用語「ｍ／ｓ」は１秒あたりメートルを指せばよい。用語「ｋｇ」はキログラムを指す。特に断らない限り、すべての圧力は絶対圧で表される。
【００７６】
本発明の装置は１つ以上のプロセス層および１つ以上の熱交換層を含んでよい。装置を用いて任意の単位操作を行ってよい。単位操作は装置のプロセス層の中で行ってよく、熱交換層によって加熱または冷却を提供してよい。２つ以上のプロセス層および２つ以上の熱交換層を用いるとき、それらを交互配列で整列させてもよく、あるいは２つ以上のプロセス層および／または２つ以上の熱交換層を互いに隣接させて配置してもよい。
【００７７】
１つ以上のプロセス層の中で行なわれてよい単位操作は化学反応、蒸発、圧縮、化学分離、蒸留、凝縮、混合、加熱、冷却、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。
【００７８】
化学反応は任意の化学反応を含んでよい。化学反応は、メタノール合成反応、ジメチルエーテル合成反応、アンモニア合成反応、水性ガスシフト反応、アセチル化付加反応、アルキル化、脱アルキル、水素化脱アルキル、還元アルキル化、アミノ化、芳香族化、アリール化、自己熱改質、カルボニル化、脱カルボニル、還元カルボニル化、カルボキシル化、還元カルボキシル化、還元カップリング、縮合、クラッキング、水素化クラッキング、環化、環状オリゴマ化、脱ハロゲン、二量化、エポキシ化、エステル化、フィッシャー・トロプシュ反応、ハロゲン化、水素化ハロゲン化、ホモログ化、水和、脱水、水素化、脱水素、ヒドロカルボキシル化、ヒドロホルミル化、水素化分解、ヒドロメタル化、ヒドロシリル化、加水分解、水素化処理、異性化、メチル化、脱メチル、メタセシス、ニトロ化、酸化、部分酸化、重合、還元、改質、逆水性ガスシフト、スルホン化、テロメル化、エステル交換、三量体化、サバチエ反応、二酸化炭素改質、部分酸化、優先酸化、または優先メタン化反応を含んでよい。化学反応はＳＭＲ反応を含んでよい。化学反応はエチレン、スチレン、ホルムアルデヒド、ブタジエンおよび類似物を製造するための化学反応を含んでよい。
【００７９】
図面を参照する。最初に図１から図４を参照する。本発明の装置はプレートのスタック１００を含んでよい。スタック１００はマイクロチャネルプロセス装置のためのコアアセンブリとして用いることができる。スタック１００は互いに隣接するかまたは互いに熱接触して配置されている１つ以上のプロセス層と１つ以上の熱交換層とを含んでよい。スタック１００はたとえば１から約１，０００、または１から約５００、または１から約２００、または１から約１００、または１から約５０、または１から約３０、または１から約２０のプロセス層と、これらのプロセス層と隣接しているかまたは熱接触している対応する熱交換層とを含んでよい。スタック１００はプレートの周縁部によって形成される側面１０１、１０２、１０３および１０４を備えてよい。側面１０１、１０２、１０３および１０４のそれぞれにある各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてよい。このようにして、スタック１００は溶接部によって形成される外周封止部を側面１０１、１０２、１０３および１０４のそれぞれに含んでよい。溶接部はスタック１００に構造一体性を提供するためにも用いてよい。
【００８０】
スタック１００はプレートを垂直に整列させて横に並べて配置してプロセス流体および熱交換流体の流れを促進してもよい。あるいは、スタック１００は水平に配向するかまたは水平に対してある角度で配向するプレートを提供するように整列させてもよい。スタック１００はその側面にマニホールド１５０、１６０、１７０および１８０を溶接してよい。これらのマニホールドはスタック１００に入る反応体、スタック１００から出る生成物、ならびにスタックに入る熱交換流体およびスタックから出る熱交換流体の流れを提供するために用いてよい。熱交換層の中で燃焼反応が行われるときに２つのマニホールドを用いてスタック１００の中への燃料および空気の流れを提供してよい。熱交換層の中で燃焼反応が行われる場合、スタック１００の上面に排気を取り出すための排気出口１９０も溶接してよい。
【００８１】
マニホールド１５０、１６０、１７０および１８０を側面に溶接し、上端に排気出口１９０を溶接したスタック１００はマイクロチャネルプロセス装置１９２と言ってもよい。図４および５を参照すると、マイクロチャネルプロセス装置１９２は格納容器１９３の中に配置してよい。格納容器１９３は上部ヘッド１９４、格納セクション１９５、支持脚部１９６、封じ込め気体入口１９７、温度制御ポート１９８、および格納セクション１９５の底にある液抜きポート（図面には示されていない）を備えていてよい。入口パイプおよび出口パイプ１５１、１６１、１７１および１８１が対応するマニホールド１５０、１６０、１７０および１８０から延在し、上部ヘッド１９４を通って突き出ている。同様に、排気出口開口１９１が排気出口１９０から上部ヘッド１９４を通って延在している。格納容器１９３はその内部におよび／またはその外部表面に適切な断熱材を備えていてよく、所望の最終用途に構造一体性を提供することができる任意の材料を用いて構築してよい。これらの材料は鋼（たとえばステンレス鋼、炭素鋼および類似物）、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、前述の金属のいずれかを含有する合金、モネル、インコネル、真鍮、ポリマー（たとえば熱硬化性樹脂）、セラミック、ガラス、１つ以上のポリマー（たとえば熱硬化性樹脂）とガラス繊維とを含む複合材料、石英、シリコン、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。格納容器は炭素鋼で構築してよく、２６０℃において４５０ｐｓｉｇ（３．１０ＭＰａ）の定格であってよい。格納容器１９３の外径（ＯＤ）は意図された目的に合わせた任意の所望の寸法であってよい。たとえば、ＳＭＲ反応器の場合、格納容器のＯＤは約３０インチ（７６．２ｃｍ）、または約３２インチ（８１．３ｃｍ）、または約３６インチ（９１．４ｃｍ）であってよい。格納容器の高さは約２４から約２００インチ（約６１から約５０８ｃｍ）、または約４８から約７２インチ（約１２２から約１８３ｃｍ）、または約６０インチ（約１５２ｃｍ）であってよい。
【００８２】
格納容器は格納容器内の圧力を少なくともスタック内の内圧と同じ高さのレベルに維持する制御機構を備えていてよい。格納容器内の圧力を維持するための制御機構は逆止弁および／または圧力調整器を含んでよい。逆止弁または調整器は格納容器のための任意の所望の内圧、たとえば約４００ｐｓｉｇ（２．７６ＭＰａ）で起動するようにプログラムしてよい。これらの一方または両方は、格納容器の中の圧力を少なくともスタック内の内圧と同じ高さのレベルに維持することを確実にするように、パイプ、バルブ、コントローラおよび類似物の系統と組み合わせて用いてよい。これは、スタックを封止するために用いられている周縁溶接部を保護するためにも行われる。格納容器内の圧力が顕著に減少し、スタック内の内圧が対応して減少しないと、費用の高い周縁溶接部の破裂につながる可能性があろう。制御機構は、閉じ込め気体によって加えられている圧力が減少した場合に１つ以上のプロセス気体を格納容器の中に振り分けることが可能になるように設計してよい。
【００８３】
代りの一実施態様において、外部構造体を用いてスタック１００に構造支持を提供してよい。図３２にこれが示されている。外部構造体はスタックの末端プレートの主な外表面と密着して保持されている補強部材のアレイを含んでよい。アレイの部材の剛性は部材が積層方向（すなわちスタックの面に直交する方向）の屈曲に抵抗するようにすればよい。外部構造体はスタックに溶接してよい。あるいは、外部構造体はロウ付け、接着または他の手段によってスタックに取り付けてよい。
【００８４】
外部構造体がある場合、溶接された補強部材は、曲げ応力に抵抗する剛性の増加を提供するように、長い方の側が負荷の加わる方向と平行になるように配向した長方形の断面を有するようにしてもよい。これによってより薄いプレートを用いることが可能になり、同等な負荷を支えるために必要な材料の重量および費用を低減することができる。
【００８５】
外部構造体はクランプより優れていることがある。クランプは、特にボルトで適所に固定するかまたは簡易離脱機構で作れば、外部構造体より容易に取り外すことができる。外部構造体は取り外すために通常は切断または研削が必要である。締結ネジを有する厚いプレートを有するクランプを用いることができる。しかし、これらのクランプ用のプレートは曲げ応力に十分強い必要があろう。この方向の負荷を締結ネジにはかけられないからである。締結ネジはプレートに作用する圧力によって生み出される力が原因となる引張り応力全体に対して十分強い必要があろう。他方、外部構造体はどちらの場合にもプレートに追加の支持を提供する。
【００８６】
スタック１００は１つまたは複数の繰り返し単位を含んでよく、各繰り返し単位は同じであり、それぞれが１つ以上のプロセス層と１つ以上の熱交換層とを含む。たとえば繰り返し単位は１から約１００、または１から約２０、または１から約１０、または１から約５、または１から約３、または約２のプロセス層と、１から約１００、または１から約２０、または１から約１０、または１から約５、または１から約３、または約２の熱交換層とを含んでよい。繰り返し単位は水平に整列させて上下に積層してもよく、垂直に整列させて横に並べて配置してもよく、あるいは水平に対してある角度で整列させてもよい。各繰り返し単位内でプロセス層と熱交換層とは、プロセス層が熱交換層と隣接し、熱交換層が今度は別のプロセス層と隣接し、別のプロセス層が今度は別の熱交換層と隣接する、等と交互配列で整列させてよい。あるいは、２つ以上のプロセス層および／または２つ以上の熱交換層を互いに隣接させて配置してよい。
【００８７】
図６を参照すると、スタック１００がＳＭＲ反応の実行に用いられるようになっているとき、プロセス層は、反応体層、生成物層、および反応体層から生成物層への流体の流れを可能にするように反応体層および生成物層の末端に配置されたプロセス折り返し部を含んでよい。反応体層は生成物層と隣接させて配置してよい。プロセス層の中で、反応体は触媒と接触し、反応して生成物を形成してよく、生成物は次に生成物層から流出する。熱交換層は、燃料層、燃料層と隣接して配置された空気層、燃料層と空気層との間に配置された熱交換壁、空気層から燃料層の中への空気の流れを可能にする熱交換壁の中の複数の開口またはジェット、燃料層の中に配置された燃焼触媒、排気層、および燃料層から排気層への排気の流れを可能にする燃料層の末端および排出層の末端に配置された熱交換折り返し部を含んでよい。
【００８８】
スタック１００がＳＭＲ反応器として用いられるようになっているとき、図７および８に示されている繰り返し単位１１０を用いてスタックを構築してよい。図７に示されているように、繰り返し単位１１０は互いに隣接して配置された２つの熱交換層、およびこれらの熱交換層のそれぞれの側に配置されたＳＭＲプロセス層を含む。繰り返し単位１１０は１０枚のプレートを含む。これらのプレートは説明のために互いに離れているように図８に示されているが、実際に用いられるときプレートは互いに接触することになる。各プレートの周縁部は隣接する次のプレートの周縁部に溶接されてスタックに周縁部シールを提供してよい。繰り返し単位１１０はプレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０を含む。各プレートのそれぞれの側はその表面に形成されたマイクロチャネル、内部マニホールド、毛管構成要素および／または表面構成要素を含んでよく、各プレートはプレートを貫いて突き出し、２つのＳＭＲプロセス層および２つの燃焼層の機能を提供する空気開口またはジェット、および／または折り返し部、あるいは開口またはスロットを含んでよい。プレートのそれぞれはワイヤー放電機械加工、従来型機械加工、レーザー切削、光化学機械加工、電気化学機械加工、スタンピング、エッチング（たとえば化学エッチング、光化学エッチングまたはプラズマエッチング）、およびそれらの組み合わせを含む公知の技法を用いて作製してよい。
【００８９】
プレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０の配置に関する以下の考察においては、図８に示されているように各プレートの上面および下面を参照するが、上記に示されているように、プレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０は、スタック１００の中に配置され、ＳＭＲ反応に用いられるときには、図８に示されているように水平に整列させるのではなく垂直に整列させてよい。
【００９０】
図８を参照すると、プレート２００は上面２０１および下面２０２を有する。プレート２１０は上面２１１および下面２１２を有する。プレート２２０は上面２２１および下面２２２を有する。プレート２３０は上面２３１および下面２３２を有する。プレート２４０は上面２４１および下面２４２を有する。プレート２５０は上面２５１および下面２５２を有する。プレート２６０は上面２６１および下面２６２を有する。プレート２７０は上面２７１および下面２７２を有する。プレート２８０は上面２８１および下面２８２を有する。プレート２９０は上面２９１および下面２９２を有する。運転時、矢印３１０および３１１によって示されているように右から左へ（図８に例示されているように）ＳＭＲ反応からの生成物が流れる。ＳＭＲプロセスのための反応体は矢印３００および３０１によって示されているように左から右へ流れる。矢印３２０および３２１によって示されている方向に左から右へ燃料が流れる。矢印３３０および３３１によって示されている方向に左から右へ空気が流れる。それぞれの場合に、空気層と熱交換層とを隔てている壁は、空気が空気層から燃料層の中に流れ、燃料と一緒になって燃料−空気混合物を形成し、次に燃焼を行うことを可能にする開口またはジェット３３２または３３３を含んでいる。矢印３４０および３４１によって示されるように右から左へ燃焼反応からの排気が流れる。ＳＭＲ反応を触媒するためにＳＭＲ触媒層３５０、３５１、３５２および３５３が提供されている。燃焼反応を触媒するために燃焼触媒層３６０および３６１が提供されている。
【００９１】
繰り返し単位１１０に均一なまたは平らな側面ならびに均一なまたは平らな上面および下面を提供するためにプレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０は共通の長さおよび幅を有してよい。各プレートの長さはたとえば約３０から約２５０センチメートルの範囲、または約４５から約１５０センチメートル、または約２９インチ（７３．６６ｃｍ）であってよい。各プレートの幅は約１５から約９０ｃｍの範囲、または約２０から約４０ｃｍ、または約１０．７４インチ（２７．２８ｃｍ）であってよい。各プレートの高さまたは厚さは同じであっても異なっていてもよいが、製造を簡易にするために各プレートが同じ高さまたは厚さを有すると有利である。各プレートの高さまたは厚さは約０．８から約２５ｍｍの範囲、または約１．５から約１０ｍｍ、または約０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）であってよい。繰り返し単位１１０の全体高さは約０．１から約５インチ（約０．２５４から約１２．７ｃｍ）、または約０．５から約３インチ（約１．２７から約７．６２ｃｍ）、または約０．７５から約２．５インチ（約１．９１から約６．３５ｃｍ）、または約１から約１．５インチ（約２．５４から約３．８１ｃｍ）、または約１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）であってよい。スタック１００の全体高さは約１から約５０インチ（約２．５４から約１２７ｃｍ）、または約３から約２４インチ（約７．６２から約６０．９６ｃｍ）、または約７から約１５インチ（約１７．７８から約３８．１ｃｍ）、または約１０．１２５インチ（２５．７２ｃｍ）であってよい。１つを例外として、プレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０のそれぞれはプレート表面に形成されたマイクロチャネル、内部マニホールド、毛管構成要素および／または表面構成要素、および／またはプレートを貫いて突き出して反応体、生成物、燃料、空気および排気の流れを提供する開口またはジェットあるいは折り返し部開口またはスロットを有する。この１つの例外はプレート２００の上面２０１である。プレート２００はスタック１００のための末端プレートとして用いてよいという事実により、上面２０１にはなにもない。以下の考察において、使用用語「空気」、「空気層」、「空気チャネル」および類似用語は燃焼層の中で行なわれる燃焼反応の成分としての空気を指すために用いられる。しかし、下記に示されているように、燃焼反応は、空気に代るものとして酸素源、たとえば純酸素、酸素富化空気、または酸素と不活性気体とを含む気体混合物を使用してよい。従って、本発明の装置の構造に関して空気層、空気チャネルおよび類似物が参照されたとき、前記の選択肢のいずれが空気の代わりになってもよいと理解するべきである。
【００９２】
各マイクロチャネルの深さは約０．０５から約１０ｍｍ、または約０．０５から約５ｍｍ、または約０．０５から約２ｍｍ、または約０．１から約２ｍｍ、または約０．５から約２ｍｍ、または約０．５から約１．５ｍｍ、または約０．０８から約１．２ｍｍの範囲であってよい。各マイクロチャネルの幅は最大約１０ｃｍ、または約０．１から約１０ｃｍ、または約０．５から約１０ｃｍ、または約０．５から約５ｃｍであってよい。
【００９３】
内部マニホールドを用いてマイクロチャネルに入るかまたはマイクロチャネルから出る質量流の一様な分布を提供することができる。各内部マニホールドを用いて約２から約１０００のマイクロチャネル、または２から約１００のマイクロチャネル、または約２から約５０のマイクロチャネル、あるいは約２から約１０、または２から約６、または約４のマイクロチャネルに入るかまたはこれらから出る流体の流れを提供することができる。各マニホールドの深さは、マニホールドに接続されているマイクロチャネルの深さに対応してよい。各マニホールドの幅は、マイクロチャネルに入るかまたはマイクロチャネルから出るときに所望の流れ抵抗を提供するために、マニホールドに接続されているマイクロチャネルの合計幅、あるいは合計幅の約１から約９９パーセント、または約１から約９０パーセントに対応してよい。マイクロチャネルの間の質量流の分布の一様さは、下式に示されている品質指標因子（Ｑ因子）によって定めることができる。０％のＱ因子は絶対一様分布を意味する。
【００９４】
【数１】
0005922137.tif 000002
【００９５】
上式において、「ｍ」は質量流を指す。断面積が変化すると壁におけるせん断応力に差異が生じることがある。一実施態様において、本発明のマイクロチャネルプロセス装置についてのＱ因子は約５０％未満、または約２０％未満、または約５％未満、または約１％未満であってよい。
【００９６】
表面構成要素および／または毛管構成要素はプレート表面の１つ以上にある凹みおよび／またはプレート表面の１つ以上からの突起を含んでよい。表面構成要素は円、球、半球、フラストラム（ｆｒｕｓｔｒｕｍｓ）、長円、正方形、長方形、四辺形、格子、Ｖ字形、羽根、翼、波形、および類似物の形であってよい。上述の２つ以上の組み合わせを用いてよい。表面構成要素は部分構成要素を含んでよい。この場合、表面構成要素の主壁はより小さな表面構成要素をさらに含み、より小さな表面構成要素は切れ目、波、歯、孔、ギザギザ、格子、スカラップおよび類似物の形であってよい。表面構成要素は受動表面構成要素または受動混合要素と呼んでよい。表面構成要素を用いて流れを撹乱し（たとえば層流の流線を撹乱し）、バルク流方向に対してある角度の移流を生み出すことができる。各表面構成要素の深さまたは高さは約０．０５から約５ｍｍ、または約０．１から約５ｍｍ、または約０．１から約３ｍｍ、または約０．１から約２ｍｍ、または約０．４から約２ｍｍ、または約０．５から約１．５ｍｍ、または約０．０８から約１．２ｍｍの範囲であってよい。
【００９７】
熱交換層において、空気チャネルを燃料チャネルから隔てているプレートは空気チャネルから燃料チャネルへの空気の流れを可能にする開口またはジェット３３２または３３３を備えていてよい。これらの開口またはジェットは約０．１から約１０ｍｍの範囲、または約０．１から約５ｍｍ、または約０．１から約２．５ｍｍ、または約０．２５から約１．２５ｍｍ、または約０．２５から約０．７５ｍｍ、または約０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の平均直径を有してよい。流れ分布を制御し、空気チャネルの中への炎の拡散を防ぐために、複数の開口またはジェット、たとえば約２から約５、または２から約４、または約３の開口またはジェットをそれぞれの位置において平行に設けてよい。あるいは、ジェットは反応チャネルの長さの方向または横方向にずらしてもよい。用いられてよい開口またはジェットの数は１ｃｍ２あたり約０．１から約１２の範囲の開口またはジェット、または１ｃｍ２あたり約０．１から約５の開口またはジェットとすればよい。
【００９８】
複数のプレートが１つのプレート表面から別のプレート表面への流体の流れを可能にする折り返し部開口またはスロットを備えている。各折り返し部開口またはスロットの隙間または幅は約０．２５から約５ｍｍの範囲、または約０．５から約２．５ｍｍ、または約０．０４インチ（１．０２ｍｍ）であってよい。
【００９９】
各プレートは、その側面のそれぞれにある周縁部および各周縁部と隣接する境界部を有する。各境界部は約１から約１００ｍｍ、または約１から約７５ｍｍ、または約５から約５０ｍｍ、または約１０から約３０ｍｍの範囲の厚さを有してよい。
【０１００】
プレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０は所望の最終用途のために意図される温度および圧力において動作する構造一体性のために必要な特性を有する任意の金属または金属合金で構築してよい。金属および金属合金は鋼（たとえばステンレス鋼、炭素鋼および類似物）、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、前述の金属のいずれかを含有する合金、モネル、インコネル、真鍮、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。下記に記載されているインコネル６１７を用いてよい。
【０１０１】
図９〜１８にプレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０のそれぞれの上面および下面がそれぞれ例示されている。図９を参照すると、プレート２００はなにもない上面２０１を有する。これは、この表面がスタック１００のための末端プレートの外側の面として用いられるという事実による。下面２０２は矢印３１０によって示されるスタック１００から出るＳＭＲ反応からの生成物の流れを提供するために用いることができる内部マニホールド２０３を備えている。プレート２００のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２０１および２０２は境界部２０８を有する。プレート２００はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２０９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき各周縁部２０９に溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２０９を超えて溶け込み、少なくともプレート２００の表面２０２で境界部２０８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２０９から除去してよく、結果として境界部２０８の一部も除去してよい。
【０１０２】
図１０にプレート２１０が例示されている。上面２１１は矢印３１０によって示される方向のＳＭＲ反応からの生成物の流れを提供するために用いることができるマイクロチャネル２１３および内部マニホールド２１３Ａを備えている。マイクロチャネル２１３はプロセスマイクロチャネル２１３を通って流れる生成物の流れを撹乱するために用いることができる表面構成要素２１４を備えている。下面２１２は矢印３００によって示される方向のＳＭＲ反応体の流れを提供するために用いることができるマイクロチャネル２１５および内部マニホールド２１６を備えている。マイクロチャネル２１５はＳＭＲ反応のための触媒がマイクロチャネルに塗布されている反応ゾーン２１７を備えている。メタンと水蒸気との混合物を含んでよい反応体が反応ゾーン２１７を通って流れ、触媒と接触し、反応して生成物を形成する。生成物は一酸化炭素と水素との混合物を含んでよい。プレート２１０はプロセスマイクロチャネル２１５からプロセスマイクロチャネル２１３への生成物の流れを提供する折り返し部開口２１７Ａを備えている。プレート２１０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２１１および２１２は境界部２１８を有する。プレート２１０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２１９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２１９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２１９を超えて溶け込み、プレート２１０のそれぞれの側で境界部２１８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２１９から除去してよく、結果として境界部２１８の一部も除去してよい。
【０１０３】
図１１にプレート２２０が例示されている。上面２２１はＳＭＲ触媒を塗布されたプロセスマイクロチャネル２２３と、ＳＭＲ反応体の流れを再分配するためおよび／または塗布された触媒をチャネルの中に保持するための表面構成要素２２４とを備えている。下面２２２は燃焼触媒を塗布されたマイクロチャネル２２５と、燃料の流れを再分配するためおよび／または塗布された触媒をチャネルの中に保持するための表面構成要素または毛管表面構成要素２２６とを備えている。プレート２２０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２２１および２２２は境界部２２８を有する。プレート２２０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２２９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２２９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２２９を超えて溶け込み、プレート２２０のそれぞれの側で境界部２２８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２２９から除去してよく、結果として境界部２２８の一部も除去してよい。
【０１０４】
図１２にプレート２３０が例示されている。上面２３１は矢印３２０によって示される方向の燃料の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２３３および内部マニホールド２３４を備えている。下面２３２は矢印３３０によって示される方向の空気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２３５および内部マニホールド２３６を備えている。プレートはマイクロチャネル２３５からプレートを貫いてマイクロチャネル２３３に入り、そこで燃料と一緒になって燃料−空気混合物を形成することができる空気の流れを提供する開口またはジェット３３２を備えている。プレート２３０はマイクロチャネル２３３からの排気の流れのための折り返し部を提供する開口またはスロット２３７を備えている。プレート２３０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２３１および２３２は境界部２３８を有する。プレート２３０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２３９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２３９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２３９を超えて溶け込み、プレート２１０のそれぞれの側で境界部２３８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２３９から除去してよく、結果として境界部２３８の一部も除去してよい。
【０１０５】
図１３にプレート２４０が例示されている。上面２４１は矢印３３０によって示される方向の空気の流れを提供するために用いられる内部マニホールド２４３を備えている。上面２４１は空気の流れの再分配を提供する表面構成要素２４４も備えていてよい。下面２４２は矢印３４０によって示される方向の排気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２４５を備えている。プレート２４０はプレート２３０のマイクロチャネル２３３からプレート２５０のマイクロチャネル２５３への排気の流れに折り返し部を提供する開口またはスロット２４６を備えている。プレート２４０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２４１および２４２は境界部２４８を有する。プレート２４０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２４９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２４９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２４９を超えて溶け込み、プレート２４０のそれぞれの側で境界部２４８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２４９から除去してよく、結果として境界部２４８の一部も除去してよい。
【０１０６】
図１４にプレート２５０が例示されている。上面２５１は矢印３４０によって示される方向の排気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２５３を備えている。下面２５２は矢印３４１によって示される方向の排気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２５４を備えている。プレート２５０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２５１および２５２は境界部２５８を有する。プレート２５０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２５９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２５９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２５９を超えて溶け込み、プレート２５０のそれぞれの側で境界部２５８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２５９から除去してよく、結果として境界部２５８の一部も除去してよい。
【０１０７】
図１５にプレート２６０が例示されている。上面２６１は矢印３４１によって示される方向の排気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２６３を備えている。下面２６２は矢印３３１によって示される方向の空気の流れを提供するために用いられる内部マニホールド２６３を備えている。下面２６２は空気の流れの再分配を提供する表面構成要素２６５も備えている。プレート２６０はプレート２８０のマイクロチャネル２８３からプレート２５０のマイクロチャネル２５４への排気の流れに折り返し部を提供する開口またはスロット２６６を備えている。プレート２６０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２６１および２６２は境界部２６８を有する。プレート２６０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２６９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２６９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２６９を超えて溶け込み、プレート２６０のそれぞれの側で境界部２６８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２６９から除去してよく、結果として境界部２６８の一部も除去してよい。
【０１０８】
図１６にプレート２７０が例示されている。上面２７１は矢印３３１によって示される方向の空気の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２７３および内部マニホールド２７４を備えている。下面２７２は矢印３２１によって示される方向の燃料の流れを提供するために用いられるマイクロチャネル２７５および内部マニホールド２７６を備えている。プレートはマイクロチャネル２７３からプレート２７０を貫いてマイクロチャネル２７５に入る空気の流れを提供する開口またはジェット３３３を備えている。空気はマイクロチャネル２７５の中で燃料と一緒になって燃料−空気混合物を形成することができる。プレート２７０はマイクロチャネル２７５からの排気の流れに折り返し部を提供する開口またはスロット２７７を備えている。プレート２７０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２７１および２７２は境界部２７８を有する。プレート２７０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２７９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２７９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２７９を超えて溶け込み、プレート２７０のそれぞれの側で境界部２７８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２７９から除去してよく、結果として境界２７８の一部も除去してよい。
【０１０９】
図１７にプレート２８０が例示されている。上面２８１は燃焼触媒で被覆されたプロセスマイクロチャネル２８３および燃料の流れを再分配するための表面構成要素２８４を備えている。下面２８２はＳＭＲ触媒で被覆されたマイクロチャネル２８５およびＳＭＲ反応体の流れを再分配するための表面構成要素２８６を備えている。プレート２８０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２８１および２８２は境界部２８８を有する。プレート２８０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２８９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２８９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２８９を超えて溶け込み、プレート２８０のそれぞれの側で境界部２８８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２８９から除去してよく、結果として境界部２８８の一部も除去してよい。
【０１１０】
図１８にプレート２９０が例示されている。上面２９１は矢印３０１によって示される方向のＳＭＲ反応体の流れを提供するために用いることができるマイクロチャネル２９３および内部マニホールド２９３Ａを備えている。下面２９２は矢印３１１によって示される方向のＳＭＲ反応体の流れを提供するために用いることができるマイクロチャネル２９４および内部マニホールド２９５を備えている。マイクロチャネル２９４はプロセスマイクロチャネル２９４を通って流れる生成物の流れを撹乱するために用いることができる表面構成要素２９６を備えている。マイクロチャネル２９３はＳＭＲ反応のための触媒がマイクロチャネルに塗布されている反応ゾーン２９７を備えている。メタンと水蒸気との混合物を含んでよい反応体が反応ゾーン２９７を通って流れ、触媒と接触し、反応して生成物を形成する。生成物は一酸化炭素と水素との混合物を含んでよい。プレート２９０はプロセスマイクロチャネル２９７からプロセスマイクロチャネル２９４への生成物の流れを提供する折り返し部開口２９７Ａを備えている。プレート２９０のそれぞれの側、すなわちプレートの表面２９１および２９２は境界部２９８を有する。プレート２９０はプレートの４つの側のそれぞれに周縁部２９９を備えている。スタック１００または繰り返し単位１１０を形成するとき周縁部２９９のそれぞれに溶接材料があてがわれる。溶接材料があてがわれると通常それは周縁部２９９を超えて溶け込み、プレート２９０のそれぞれの側で境界部２９８の一部と接触する。刷新時、溶接材料はたとえば磨砕、研削および／または切削によって周縁部２９９から除去してよく、結果として境界２９８の一部も除去してよい。
【０１１１】
ＳＭＲ触媒層３５０、３５１、３５２および／または３５３、および／または燃焼触媒層３６０および／または３６１はマイクロチャネルの内壁に直接ウォッシュコートしてもよく、または溶液から壁に成長させてもよい。触媒層はマスクを用いてマイクロチャネルの壁に選択的にスプレーして被覆物を所望の区域、例えば流れチャネル内だけに保ち、標的とする流路ではないプレート間の境界区域から実質的になくしてもよい。本発明の利点はプレートを積層する前に触媒層をプレートに塗布してよいことである。各触媒の断面積はマイクロチャネルの断面積の約１から約９９％、または約１０から約９５％を占めてよい。触媒層はＢＥＴによって測定して約０．５ｍ２／ｇより大きな、または約２ｍ２／ｇより大きな表面積を有してよい。触媒は任意の表面積を有してよく、約１０ｍ２／ｇから１０００ｍ２／ｇ、または約２０ｍ２／ｇから約２００ｍ２／ｇの範囲にあると特に有利である。
【０１１２】
触媒層は、界面層と、界面層の上に堆積させるかまたは界面層と混合した触媒材料とを含んでよい。マイクロチャネル表面と界面層との間に緩衝層を配置してよい。緩衝層はマイクロチャネル表面に成長させてもよく、または堆積させてもよい。緩衝層は界面層と異なる組成および／または密度を有してよい。緩衝層は金属酸化物または金属炭化物を含んでよい。緩衝層はＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、またはそれらの組み合わせを含んでよい。Ａｌ２Ｏ３はα−Ａｌ２Ｏ３、γ−Ａｌ２Ｏ３、またはそれらの組み合わせであってよい。緩衝層を用いてマイクロチャネルへの界面層の接着性を増加させてもよい。界面層は窒化物、炭化物、硫化物、ハロゲン化物、金属酸化物、炭素、またはそれらの組み合わせを含んでよい。界面層は、担持される触媒に高い表面積および／または触媒−担体相互作用を提供してよい。界面層は触媒担体として用いてよい任意の材料を含んでよい。界面層は金属酸化物を含んでよい。用いてよい金属酸化物の例はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、酸化タングステン、酸化マグネシウム、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、酸化亜鉛、酸化モリブデン、酸化スズ、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、ランタン系列酸化物（単数または複数）、ゼオライト（単数または複数）、およびそれらの組み合わせを含んでよい。界面層は、その上に別の触媒的に活性な材料をまったく堆積させずに触媒活性層として用いてよい。界面層は触媒的に活性な材料または層と組み合わせて用いてよい。界面層は２つ以上の組成的に異なる部分層で形成してもよい。界面層の厚さは約０．５から約１００μｍ、または約１から約５０μｍの範囲であってよい。触媒材料は界面層の上に堆積してよい。あるいは、触媒材料は界面層と同時に堆積させてよい。触媒材料は界面層の上におよび／または界面層の中に密接に分散してよい。触媒材料が界面層「の上に分散」または「の上に堆積」してよいとは、微視的な触媒粒子が界面層の表面の上に、界面層の割れ目の中に、および／または界面層の開いた細孔の中に分散してよいという通常の理解を含む。
【０１１３】
あるいは、ＳＭＲ触媒層３５０、３５１、３５２および／または３５３、および／または燃焼触媒層３６０および／または３６１はそれぞれが固体微粒子の固定床を含んでよい。中央値粒子直径は約１から約１０００μｍ、または約１０から約５００μｍの範囲であってよい。
【０１１４】
ＳＭＲ触媒層３５０、３５１、３５２および／または３５３、および／または燃焼層３６０および３６１は触媒粒子を保持するための発泡体を含んでよい。触媒層は、グラファイト発泡体を含む被覆された発泡体、炭化ケイ素、金属（たとえばＦｅ、Ｃｒ、ＡｌおよびＹを含む合金であるフェクラロイ（Ｆｅｃｒａｌｌｏｙ））、セラミック、および／または高熱伝導率被覆物のためのグラフェンの内部被覆物を含んでよい。
【０１１５】
ＳＭＲ触媒および／または燃焼触媒は多孔質担持構造体、たとえば発泡体、フェルト、詰め物、またはそれらの組み合わせに担持してよい。用語「発泡体」は本明細書においては連続壁を有する構造体であって、連続壁が構造体の長さに沿ってまたは構造体全体にわたって配置されている細孔を備えている構造体を指すために用いる。細孔は連続壁の表面にあり、発泡構造体の壁に触媒材料（たとえば触媒金属粒子）を接着させるために用いてよい。用語「フェルト」は本明細書においては繊維の構造体であって繊維の間に隙間の空間を有する構造体を指すために用いる。用語「詰め物」は本明細書においてはスチールウールのような絡み合った糸の構造体を指すために用いる。触媒はモノリス、ハニカム構造体、１つ以上のフィンを含むフィン構造体または微細な溝を有する担体に担持してよい。
【０１１６】
ＳＭＲ触媒層３５０、３５１、３５２および／または３５３、および／または燃焼層３６０および３６１は傾斜触媒を含んでよい。傾斜触媒は変化するターンオーバー速度の触媒活性部位を有してよい。傾斜触媒は反応経路に沿った距離または層の中の位置の関数として変化する物理的性質および／または形を有してよい。
【０１１７】
スタック１００または繰り返し単位１１０はプレートを所望の順序で上下に積層することによって組み立てることができる。次にスタックを圧縮してプレート同士を接触させ、プレート同士の間の空隙を減らしてよい。圧縮はボルトアセンブリによって荷重を加える締め付け器具を用いて、またはスタックに荷重を加える外付けプレスを用いて加えてよい。次にプレートは各プレートの周縁部を隣接する次のプレートの周縁部に溶接することによって一緒に結合してよい。これはスタックの４つの側面のそれぞれにおいて行ってよい。このように、スタックに周縁部シールを提供してよい。締め付け器具または外付けプレスは溶接が完了した後に取り外すことができる。各溶接部の厚さは最大約１０ｍｍ、または約０．２５から約１０ｍｍの範囲、または約０．２５から約８ｍｍの範囲、または約０．２５から約６．５ｍｍの範囲、または約０．２５から約５ｍｍ、または約０．５から約３ｍｍ、または約０．７５から約３ｍｍ、または約１から約２ｍｍ、または約１から約１．５ｍｍ、または約１．２７ｍｍであってよい。できるだけ薄い溶接部を用いてできるだけ多くの回数の刷新を可能にすると有利である。溶接ワイヤーの形であってよい溶接材料は任意の金属または金属合金を含んでよい。溶接材料は鋼（たとえばステンレス鋼、炭素鋼および類似物）、アルミニウム、チタン、ニッケル、白金、ロジウム、銅、クロム、前述の金属のいずれかを含有する合金、モネル、インコネル、真鍮、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。溶接材料とプレートとは同じ金属または金属合金、あるいは異なる金属または金属合金で作られてよい。プレートおよび溶接材料は下記で考察されるインコネル６１７を含んでよい。溶接技法はタングステン不活性気体溶接、金属不活性気体溶接、電子線溶接、レーザ溶接および類似方法を含んでよい。レーザ溶接が特に有利であってよい。
【０１１８】
この製造方法の利点は、拡散接合および／またはロウ付けに必要となる表面調製要件がなくてよいことである。高品質の拡散接合および／またはロウ付けのために表面は非常に清浄かつ平らでなければならない。ロウ付けおよび／または接合ステップがなくなると、拡散接合および／またはロウ付けに必要とされる組み立てられたスタックを高温に加熱することも必要なくなる。ロウ付けおよび／または接合のためにスタックを加熱および冷却するのに必要なエネルギーは、過度の歪みおよびその結果生じる変形を招くことなくスタックを接合またはロウ付けの間加熱および冷却するのに必要な時間に劣らずかなりのものであろう。本発明の製造方法では接合ステップおよび／またはロウ付けステップが用いられず、その結果マイクロチャネルプロセス装置はコストが低くなり、時間が短縮され、高い品質で製造することができる。
【０１１９】
マイクロチャネルプロセス装置はスタック１００を加圧格納容器から取り出し、溶接されたマニホールドをスタックから取り外すことによって刷新することができる。次に、スタック１００は、プレートの周縁部から溶接材料を除去するステップ、プレート同士を分離するステップ、プレートの不具合を修正するステップ、プレートのスタックを再形成するステップ、および各プレートの周縁部を隣接する次のプレートの周縁部に溶接してスタックに新しい外周封止部を設けるステップによって刷新することができる。溶接材料は磨砕などの任意の従来技法を用いて除去してよい。スタック１００が１種以上の触媒を含むとき、触媒はスタックを再形成する前に交換および／または再生してよい。修理することができない個々のプレートは交換してよい。
【０１２０】
スタックを組み立てるときに各プレートの周縁部に比較的薄い溶接部を用いて周辺溶接部の溶け込みを制限することが望ましい。周辺溶接部の溶け込みを制限することによってプレート２００、２０１、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および２９０は、プレートにもはや機能がないところまで各プレートの境界部が減少する前に、多数回の刷新手順を行うことができる。たとえば各プレートの境界部は約１５ｍｍの厚さを有してよく、各刷新時に１．５ｍｍの境界部が磨砕除去されるならプレートは廃棄される前に１０回刷新することができる。
【０１２１】
代りの一実施態様において、プレート２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、２７０、２８０および／または２９０の１つ以上は、同じプレートの中で１つのマイクロチャネルから別のマイクロチャネルへの流体の流れを妨げる内部溶着部を備えていてよい。内部溶着部はレーザー溶接機械を用いて適用してよい。溶接機械は各プレートの所望のマイクロチャネル壁を追尾するようにプログラムするか、自動化するかまたは半自動化してよく、プレートは周縁溶着部を溶接する前に内部溶接される。プレートと同じ材料で作られた溶接ワイヤーを用いてよい。
【０１２２】
ＳＭＲ反応では触媒の存在下でメタンと水蒸気とが次の化学式に従って反応して一酸化炭素と水素との混合物を形成する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
反応体混合物は水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、および類似物の１つ以上を含んでよい。この反応によって形成される生成物は合成ガスまたはシンガスと呼んでよい。ＳＭＲ反応は加熱を必要とする吸熱反応である。反応のための熱は熱交換層の中で行われる燃焼反応によって供給してよい。燃焼反応は燃料と酸素または酸素源との反応を含んでよい。燃料は水素、メタン、炭化水素燃料（たとえばディーゼル燃料、燃料油、バイオディーゼル、および類似物）、またはそれらの２つ以上の混合物を含んでよい。酸素源は酸素、空気、酸素富化空気、または酸素と不活性気体（たとえばヘリウム、アルゴン等）とを含む気体混合物を含んでよい。
【０１２３】
ＳＭＲ触媒は任意のＳＭＲ触媒を含んでよい。ＳＭＲ触媒のための活性触媒材料または元素はＮｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、またはそれらの２つ以上の混合物を含んでよい。活性触媒材料または金属はＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＣｅＯ２、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、またはそれらの２つ以上の組み合わせに担持させてよい。
【０１２４】
燃焼触媒は任意の燃焼触媒を含んでよい。活性触媒材料または元素は１つ以上の貴金属、たとえばＰｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、これらの金属のいずれかの酸化物、ペロブスカイト型化合物および／またはアルミン酸塩を含んでよい。燃焼触媒は活性を増強する促進剤、たとえばＣｅ、ＴｂまたはＰｒ、それらの酸化物、またはそれらの２つ以上の組み合わせを伴ってよい。燃焼活性触媒材料または元素は任意の適当な担体に担持させてよい。担体はＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、またはそれらの２つ以上の組み合わせを含んでよい。
【０１２５】
マイクロチャネルの中で触媒が使用されるとき、マイクロチャネルはバルク流路を有することを特徴としてよい。用語「バルク流路」はプロセスマイクロチャネル内の開いた通路（連続的なバルク流領域）を指す。連続的なバルク流領域は大きな圧力降下なくマイクロチャネルを通る迅速な流体の流れを可能にする。一実施態様において、バルク流領域の中の流体の流れは層流であってよい。代りの一実施態様において、バルク流領域の中の流体の流れは遷移流または乱流であってよい。さらに別の一実施態様において、流れは流れの回路全体にわたって２つ以上の流動様式を有してよい。この場合、流路の少なくとも一部において流れは約２０００から約５０００の間のレイノルズ数によって定められる遷移流様式である。バルク流領域は、触媒を含んでいるマイクロチャネルの断面積の約５％から約９５％、一実施態様においては約３０％から約８０％を含んでよい。
【０１２６】
燃焼反応以外の方法を用いて熱交換層の中の加熱または冷却が提供されてよい。燃焼反応を用いる以外の加熱または冷却が使用されるとき、熱交換流体を用いてよく、熱交換流体は任意の流体であってよい。流体は空気、水蒸気、液体の水、水蒸気、気体窒素、不活性気体を含む他の気体、一酸化炭素、溶融塩、鉱油などの油、気体炭化水素、液体炭化水素、熱交換流体、例えばダウ−ユニオンカーバイド（Ｄｏｗ−Ｕｎｉｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ）から入手可能なダウサームＡ（Ｄｏｗｔｈｅｒｍ  Ａ）およびサーミノール（Ｔｈｅｒｍｉｎｏｌ）、またはそれらの２つ以上の混合物を含んでよい。「ダウサーム」および「サーミノール」は商標である。熱交換流体は１つ以上の反応体および／または生成物の流れを含んでよい。
【０１２７】
熱交換チャネルは吸熱プロセスまたは発熱プロセスが行われるプロセスチャネルを含んでよい。これらの熱交換チャネルはマイクロチャネルであってよい。熱交換チャネルの中で行われるプロセスはプロセスマイクロチャネルの中で行われる反応と反対の熱性の化学反応を含んでよい。たとえば、プロセスマイクロチャネルの中で吸熱反応であるＳＭＲ反応が行われてよく、熱交換チャネルの中で発熱反応である燃焼反応が行われてよい。熱交換チャネルの中で行われてよい吸熱プロセスの例は脱水素または改質反応を含んでよい。発熱反応は燃焼反応、他の発熱酸化反応、および類似反応を含んでよい。加熱または冷却のために熱交換チャネルの中で発熱反応または吸熱反応を用いると、発熱反応または吸熱反応を用いないで得られるであろう熱流束より通常大体１桁以上大きな熱流束が可能になる加熱効果または冷却効果の増強を得ることができる。
【０１２８】
熱交換流体は熱交換チャネルを通って流れる際に部分的な相変化または完全な相変化を行ってよい。この相変化は対流冷却によって提供されるもの以外のプロセスマイクロチャネルからの上積みの熱除去を提供することができる。蒸発しつつある液体熱交換流体の場合、プロセスマイクロチャネルから伝わる上積みの熱は熱交換流体が必要とする蒸発潜熱に由来するものであってよい。そのような相変化の例は熱交換流体、たとえば部分沸騰を行う油または水であろう。
【０１２９】
熱交換チャネルの中の熱交換流体は約１００℃から約８００℃、または約２５０℃から約５００℃の範囲の温度であってよい。プロセスマイクロチャネルの中の熱交換流体とプロセス流体との間の温度差は最大約５０℃、または最大約３０℃、または最大約１０℃であってよい。熱交換チャネルの中の熱交換流体の滞留時間は約１から約１０００ｍｓ、または約１から約５００ｍｓ、または１から約１００ｍｓの範囲であってよい。熱交換流体が熱交換チャネルの中を流れるときの圧力降下は最大約０．０１ＭＰａ／ｃｍ、または最大約１０ＭＰａ／ｃｍであってよい。熱交換チャネルの中の熱交換流体の流れは層流または遷移流であってよい。熱交換チャネルの中の熱交換流体の流れのレイノルズ数は最大約５０，０００、または最大約１０，０００、または最大約２３００、または約１０から約２０００の範囲、または約１０から約１５００であってよい。
【０１３０】
反応体は触媒と接触しながら反応ゾーンの中を流れて最大約１０００００、または最大約１００００、または最大約１００のレイノルズ数を生じてよい。レイノルズ数は約２００から約８０００の範囲であってよい。
【０１３１】
マイクロチャネルプロセス装置の中の熱交換のための熱流束はマイクロチャネルプロセス装置の中の熱伝達壁の１平方センチメートルの表面積あたり約０．０１から約５００ワット（Ｗ／ｃｍ２）、または約０．１から約３５０Ｗ／ｃｍ２、または約１から約２５０Ｗ／ｃｍ２、または約１から約１００Ｗ／ｃｍ２、または約１から約５０Ｗ／ｃｍ２の範囲であってよい。
【０１３２】
マイクロチャネルの中の反応体と触媒（ＳＭＲ触媒および燃焼触媒を含む）との接触時間は約１から約２０００ミリ秒（ｍｓ）、または１から約１０００ｍｓ、または約１から約５００ｍｓ、または約１から約２５０ｍｓ、または約１から約１００ｍｓ、または約１から約５０ｍｓ、あるいは約２から約１０００ｍｓ、または約２から約５００ｍｓ、または約２から約２５０ｍｓ、または約２から約１００ｍｓ、または約２から約５０ｍｓの範囲であってよい。
【０１３３】
マイクロチャネルの中の流体の流れの気体毎時空間速度（ＧＨＳＶ）は約５００から約２，０００，０００ｈｒ−１の範囲であってよい。
【０１３４】
流体がマイクロチャネルの中を流れているときの圧力降下はマイクロチャネルの１センチメートルの長さあたり最大約０．０１ＭＰａ（ＭＰａ／ｃｍ）、または最大約０．１ＭＰａ／ｃｍ、または最大約１ＭＰａ／ｃｍ、または最大約１０ＭＰａ／ｃｍの範囲であってよい。
【０１３５】
マイクロチャネルの中のプロセス流体の流れは層流または遷移流、あるいは乱流であってよい。マイクロチャネルの中の流体の流れのレイノルズ数は最大約１０，０００、または最大約５０００、または最大約２５００、または最大約２３００、または約１００から約５０００の範囲、または約１００から約３５００の範囲、または約１００から約２３００の範囲であってよい。
【０１３６】
プロセス層のマイクロチャネルの中を流れている流体の空塔速度は１秒あたり少なくとも約１０メートル（ｍ／ｓ）、または約１０から約２００ｍ／ｓの範囲、または約２０から約１５０ｍ／ｓの範囲、または約３０から約１００ｍ／ｓの範囲、または約５０から約９０ｍ／ｓの範囲であってよい。
【０１３７】
本発明の溶接されたＳＭＲ反応器は熱伝達のレベルの増強または増加に関わる利点を提供する。反応器の触媒セクションの中の単位接触時間あたりの全反応熱は約９０から約１５０ｋＷ／ｍｓ、または約１１０から約１３０ｋＷ／ｍｓの範囲であってよい。反応器の反応器セクションの中の単位接触時間あたりの全反応熱は約５５から約７５ｋＷ／ｍｓ、または約６０から約７０ｋＷ／ｍｓの範囲であってよい。反応器の反応器コア全体の中の単位接触時間あたりの全反応熱は約３０から約５０ｋＷ／ｍｓ、または約３０から約４０ｋＷ／ｍｓの範囲であってよい。反応器の単位圧力降下あたりの全反応熱は約２から約２０Ｗ／Ｐａ、または約２から約１０Ｗ／Ｐａ、または約２から約５Ｗ／Ｐａの範囲であってよい。
【実施例１】
【０１３８】
ケムキャド（Ｃｈｅｍｃａｄ）を用いて図１〜図２０に例示されている種類のマイクロチャネル反応器を用いるＳＭＲプロセスをシミュレーションした。ケムキャドはケムステーションズ・ドイッチラント・ゲーエムベーハー（Ｃｈｅｍｓｔａｔｉｏｎｓ  Ｄｅｕｔｓｃｈｌａｎｄ  ＧｍｂＨ）から入手可能なプロセスシミュレーションのソフトウェアプログラムである。反応器は図７および図８に示されている繰り返し単位１１０を８つ使用する。各繰り返し単位は１０枚のプレートを有し、従って合計８０枚のプレートが繰り返し単位によって提供される。スタックの底部においてプレート２９０の表面２９２に８１番目のプレートが結合される。８１枚のプレートのそれぞれは２９インチ（７３．６６ｃｍ）の長さ、１０．７４インチ（２７．２８ｃｍ）の幅および０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）の厚さを有する。各プレートの表面積は２００９．４ｃｍ２である。スタック全高は１０．１２５インチ（２５．７２ｃｍ）である。プレートの周縁部はレーザー溶接を用いて一体化溶接される。各プレートの各周縁部が隣接する次のプレートの周縁部に溶接される。平均溶接部溶け込みは１．２７ｍｍである。溶接部の平均溶け込み（１．２７ｍｍ）に対する各プレートの平均表面積（２００９．４ｃｍ２）の比は１５８０ｃｍ２／ｍｍである。
【０１３９】
各プレートならびに溶接材料はニッケル、クロム、コバルト、モリブデンおよびアルミニウムを含有する金属合金であるインコネル６１７でできている。インコネル６１７はＡ−１ワイヤ・テック・インコーポレイテッド（Ａ−１  Ｗｉｒｅ  Ｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．）から入手可能であり、以下の組成および性質を有する。
化学組成  重量％
Ｎｉ．−４４．５最小
Ｃｒ−２０．０〜２４．０
Ｃｏ−１０．０〜１５．０
Ｍｏ−８．０〜１０．０
Ａｌ−０．８〜１．５
Ｃ−０．０５〜０．１５
Ｆｅ−３．０最大
Ｍｎ−１．０最大
Ｓｉ−１．０最大
Ｓ−０．０１５最大
Ｔｉ−０．６最大
Ｃｕ−０．５最大
Ｂ−０．００６最大
破裂強度（１０００時間）  ＭＰａ
６５０℃                  ３２０
７６０℃                  １５０
８７０℃                  ５８
９８０℃                  ２５
１０９５℃                １０
物理定数および熱的性質
密度：  ８．３６ｍｇ／ｍ３
融解範囲：  １３３０〜１３８０℃
比熱：  ４１９Ｊ／ｋｇ・℃
熱伝導率：  １３．６Ｗ／ｍ・℃
【０１４０】
各プレートのマイクロチャネルは０．０４０インチ（１．０１６ｍｍ）の深さを有する。各マイクロチャネルの幅は０．１６０インチ（４．０６４ｍｍ）である。空気チャネルと燃料チャネルとの間の熱交換壁の中の開口またはジェットのそれぞれは０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の直径を有する。
【０１４１】
ＳＭＲ反応器の容量については、６４０のプロセスマイクロチャネルをＳＭＲ反応に用いる場合約３５００ＳＬＰＭのメタンまたは天然ガスを供給する。ＳＭＲ反応器は中間プロセス回収装置と直列に運転される１、２または３以上のフィッシャー・トロプシュ反応器に用いられる合成ガスを製造するために用いてよい。フィッシャー・トロプシュ反応器は合成燃料を製造するために用いてよい。合成ガスはフィッシャー・トロプシュ反応器の前に中間プロセス装置（たとえば膜または他の単位操作）を通して進ませて一酸化炭素に対する水素の比を約２：１に引き下げてよい。ＳＭＲ反応器に合わせた炭素に対する水蒸気の比は反応器入口において約２．３：１である。メタンに対する水蒸気の比は２：１である。燃焼反応には約１５％過剰の空気を用いる。約５％から約５０％の範囲の過剰の空気を用いてもよい。もっと高いレベルの過剰の空気を用いてもよいが、そのような高いレベルを用いると使われない空気を予熱する必要があるので効率が低くなることがある。ＳＭＲ反応におけるメタンの変換率に関するプロセス平衡は２２３．２ｐｓｉｇ（１．５４ＭＰａ）の圧力および８５０℃の温度において７６．１％である。２２３．２ｐｓｉ（１．５４ＭＰａ）および８５０℃におけるＣＯ／（ＣＯ＋ＣＯ２）は６８．８％である。反応器コア圧力降下はＳＭＲプロセス側で最大６０ｐｓｉ（０．４１４ＭＰａ）、燃料／空気側で最大３４ｐｓｉｄ（０．２３４ＭＰａ）である。次の表１に反応器の定格設計基準が示されている。
【０１４２】
【表１】
0005922137.tif 000003
【実施例２】
【０１４３】
４チャネル全長ＳＭＲ溶接型反応器を構築し、運転し、刷新し、その後に運転する。実物規模の反応器は大体１０回の刷新サイクルを経て２０年の寿命を有すると予測される。反応器は実物規模のマイクロチャネルＳＭＲの内部構成要素および長さを真似している。刷新プロセスはマニホールド取り外し、プレート分離、選ばれた数のプレートの調節および清掃、刷新されたプレートへの触媒の付加、および再組み立てを含む。反応器容量および反応性能は刷新の後に再現可能である。
【０１４４】
図２３に反応器の概要が示されている。図２３を参照すると、反応器は２つの層、すなわちプロセス層および燃焼層を有する。プロセス層は反応体チャネルおよび生成物チャネルを備えている。燃焼層は燃料チャネル、空気チャネルおよび排気チャネルを備えている。反応体チャネルおよび生成物チャネルの中でＳＭＲ反応が行われる。燃料チャネルの中で燃焼反応が行われてＳＭＲ反応に必要な熱を供給する。
【０１４５】
反応器は３つのセクションに分けられる。
１．熱交換器−このセクションは排気流および生成物流から熱を回収し、この熱を用いて燃料流、空気流および反応体流を予熱する。
２．反応器セクション−このセクションでＳＭＲ反応器および燃焼反応器が行われる。
３．入口セクション（図２３には示されていない）−このセクションは入口／出口接続およびマイクロチャネルへの流れの分配を提供する。
【０１４６】
熱交換器セクションの長さは８インチ（２０．３ｃｍ）である。反応器セクションの長さは１３インチ（３３ｃｍ）である。反応器は各種類（反応体、生成物、燃料、空気および排気）の４つのチャネルを有する。各チャネルの幅は０．１６インチ（４．０６ｍｍ）である。各チャネルのギャップすなわち高さは０．０４インチ（１．０２ｍｍ）である。
【０１４７】
空気チャネルから円形の開口またはジェットを通って空気が燃料チャネルに流入する。空気は燃料チャネルの中で燃料と混合して燃料−空気混合物を形成し、燃料−空気混合物は燃焼を行ってＳＭＲ反応のための熱を発生する。空気と燃料との混合はジェットセクションで行われ、ジェットセクションの長さは８．５インチ（２１．６ｃｍ）である。ジェット反応には０．３４インチ（０．８６ｃｍ）の間隔で互いに離れた２６の軸方向位置があり、各位置に１つ以上のジェットが配置されている。各ジェットは０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）の直径を有する。特定の軸方向位置に空気分配のための複数のジェットがある。
【０１４８】
図２４にある略図はある軸方向位置において燃料チャネルの０．１６インチ（４．０６ｍｍ）の幅方向の２つのジェットおよび３つのジェットの位置を示している。１つのジェットを有する軸方向位置の場合、ジェットは燃料チャネルの幅の中央に位置する。
【０１４９】
燃焼反応からの排気は図２３に示されている折り返し部屈曲を通って流れ、排気流として排気チャネルに入る。排気流は反応器から出る前に熱交換器セクションの中で燃料流および空気流を予熱するために用いられる。
【０１５０】
燃焼反応によって発生した熱は固体の壁を通って反応体チャネルおよび生成物チャネルに伝えられてＳＭＲ反応を加熱する。ＳＭＲ反応体は反応体チャネルの中を流れ、触媒と燃焼反応からの燃焼熱との存在下で反応して合成ガスである所望の生成物を形成する。生成物流は図２３に示されている折り返し部を通って流れる。生成物流は反応器から出る前に熱交換器セクションの中で反応体流を予熱する。
【０１５１】
図２５に示されるようにチャネル閉塞の場合に必要なら流れの再分配を可能にする間の空いた柱を用いて４つの生成物チャネルの間の連絡が提供される。チャネル閉塞はコーキング、触媒剥離または外来微粒子の結果として起こることがある。
【０１５２】
図２３に毛管構成要素が示されている。これらの構成要素は浅い溝の形である。溝は約１０から約５００ミクロンの範囲、または約３０から約２５０ミクロン、または約５０から約１００ミクロン、または約８０ミクロンの深さを有してよい。溝は示されているチャネルの幅の一部または全体を横断してよい。これらの構成要素はチャネル壁に形成されて触媒の接着性の向上を提供する。
【０１５３】
図２３は反応器コアの概観を提供する。図２３に示されている反応器コアは上下に積層された６つのプレートを用いて作られている。プレートにマイクロチャネルが形成され、プレートを組み立てたものが燃焼流およびＳＭＲ流のための流路を形成する。プレートは次のように特定される。
・プレート１：生成物プレートまたはＰプレート
・プレート２：反応体／生成物プレートまたはＲＰプレート
・プレート３：触媒プレートまたはＣａｔプレート
・プレート４：燃料／空気プレートまたはＦＡプレート
・プレート５：空気／排気プレートまたはＡＥプレート
・プレート６：排気プレートまたはＥプレート
【０１５４】
プレート２からプレート５の厚さは０．１２５インチ（３．１８ｍｍ）である。プレート１およびプレート６の厚さは０．２５インチ（６．３５ｍｍ）である。
【０１５５】
プレート１：Ｐ−プレート
図２６にＰ−プレートの略図が示されている。Ｐ−プレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．２５“（６．３ｍｍ）である。これはＳＭＲ反応器コアスタックの最も外側のプレートである。プレートの外側の面において標示Ｒ、Ｐ、Ａ、ＦおよびＥは反応体流、生成物流、空気流、燃料流および排気流の入口／出口マニホールドの位置をそれぞれ示している。スタックと向かい合う面には生成物マニホールドのためのサイズ０．１６”（４．０６ｍｍ）×１．３２”（３．３ｃｍ）×０．０４”（１．０１６ｍｍ）のポケットが機械加工されている。スタックと向かい合う面（図２６の示図２に示されている）の外周は溶接物のために面取り（０．０３１”（０．８ｍｍ）×４５°）されている。
【０１５６】
プレート２：ＲＰ−プレート
図２７にＲＰプレートの略図が示されている。ＲＰプレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．１２５”（３．１ｍｍ）である。このプレートはＰ−プレートとｃａｔ−プレートとの間に配置されている。Ｐ−プレートに隣接する面（図２７の視点１に示されている）に４つの生成物チャネルが機械加工されている。生成物チャネルの間の壁は流体連通のための連絡部を有する。これらは不連続リブと呼ばれる。図２７に不連続リブの寸法が示されている。生成物チャネルの深さは０．０４”（１．０１６ｍｍ）である。不連続リブゾーンの全長は２１．５”（５４．６ｃｍ）である。
【０１５７】
Ｃａｔ−プレートと向かい合うＲＰプレートの反対側の面は、図２７の示図２に示されているように反応体チャネルを有する。図２７に示されているように反応体入口マニホールドに接続されている４つの反応体チャネルがある。４つの反応体チャネルおよび反応体マニホールドの幅および深さはそれぞれ０．１６”（４．０６ｍｍ）および０．０４”（１．０１６ｍｍ）である。４つの反応体チャネルは０．０６”（１．５２ｍｍ）の幅のリブによって隔てられている。このプレートの反応器セクションには毛管構成要素が機械加工されている。毛管構成要素セクションの長さは１３”（３３ｃｍ）である。図２７にこれが示されている。毛管構成要素および反応体チャネル同士を隔てるリブの側壁にＳＭＲ触媒が塗布されている。プレートの外周は溶接部のために面取り（０．０３１”（０．７９ｍｍ）×４５°）されている。
【０１５８】
燃焼排気が排気チャネルへ流れることが可能になるように０．８２”（２．０８ｃｍ）×０．１”（２．５４ｍｍ）の寸法を有する貫通スロットが機械加工されている。
【０１５９】
プレート３：Ｃａｔ−プレート
図２８にｃａｔ−プレートの略図が示されている。ｃａｔプレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．１２５”（３．１ｍｍ）である。このプレートはＲＰプレートとＦＡプレートとの間に配置されている。図２８の示図１に示されているようにＲＰプレートと向かい合う側面に毛管構成要素が機械加工されている。ＳＭＲ触媒が塗布されるゾーンは図２７のＲＰプレートの毛管構成要素のゾーンと重なる。毛管構成要素にＳＭＲ触媒が塗布されている。
【０１６０】
ＦＡプレートと向かい合うｃａｔ−プレートの側面も毛管構成要素を有する。このゾーンの毛管構成要素は図２８の示図２に示されているようにこのプレートの反対側（ＲＰプレートと向かい合う）の毛管構成要素を再現する。毛管構成要素から０．２５”（６．３５ｃｍ）離れて寸法０．８２”（２．０８ｃｍ）×０．３”（７．６ｃｍ）×０．０２”（０．５１ｍｍ）のポケットが機械加工されている。すべてのプレートを組み立てた後にこのポケットは運転上の不安定性の原因となり得るであろう燃料の逆流燃焼を防ぐ。
【０１６１】
反応器の運転時に温度を測定するためにプレートの軸方向の２１箇所でプレートの厚さ方向に孔があけられている。これらの孔は直径が０．０３４”（０．８６ｍｍ）、深さが０．９１”（２．３１ｃｍ）である。
【０１６２】
プレートの外周は溶接部のために面取り（０．０３１”（０．７８ｍｍ）×４５°）されている。
【０１６３】
プレート４：ＦＡ−プレート
図２９にＦＡ−プレートの略図が示されている。ＦＡ−プレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．１２５”（３．１ｍｍ）である。このプレートはＣａｔ−プレートとＡＥ−プレートとの間に配置されている。
【０１６４】
Ｃａｔ−プレートと向かい合う側には燃料マニホールドに接続されている４つの燃料チャネルが機械加工されている。燃料マニホールドならびに燃料チャネルの幅は０．１６”（４．０６ｍｍ）であり、マニホールドおよびチャネルの深さは０．０４”（１．０１６ｍｍ）である。燃料マニホールドの長さは１．３２”（３．４ｃｍ）である。燃料チャネルは燃料マニホールドに最も近いプレートの短辺から９．２７”（２３．５ｃｍ）のところで途切れている（図２９に示されている）。燃料チャネルの途切れは燃料の逆流燃焼を防ぐＣａｔ−プレートのポケット構成要素と重なっている。
【０１６５】
このプレートの反対側（ＡＥプレートと向かい合う）には空気マニホールドに接続されている４つの空気チャネルが機械加工されている。マニホールドならびにチャネルの寸法（幅および深さ）は燃料チャネルおよびマニホールドの寸法と同じである。
【０１６６】
燃料チャネルと空気チャネルとはジェットによって連絡し合っている。図２９にこれらのジェットの位置が示されている。各ジェットの直径は０．０１５”（０．３８ｍｍ）である。０．３４”（８．６ｍｍ）間隔で離れた２６の軸方向ジェット位置がある。一部の軸方向位置には複数のジェットがある。表３にさまざまな軸方向位置におけるジェットの数およびジェットの配置の要約が示されている。
【０１６７】
燃焼反応からの排気が排気チャネルへ流れることが可能になるように寸法０．８２”（２．１ｃｍ）×０．０４”（１ｍｍ）を有する貫通スロットが機械加工されている。
【０１６８】
プレートの外周は溶接部のために面取り（０．０３１”（０．８ｍｍ）×４５°）されている。
【０１６９】
プレート５：ＡＥ−プレート
図３０にＡＥ−プレートの略図が示されている。ＡＥプレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．１２５”（３．１ｍｍ）である。このプレートはＦＡ−プレートとＥ−プレートとの間に配置されている。
【０１７０】
ＦＡプレートと向かい合うＡＥプレートの側には図３０の示図１に示されているようにマニホールドスロットおよび１０の再分配スロットが機械加工されている。すべてのスロットの幅は０．１６”（４．０６ｍｍ）であり、スロットの深さは０．０４”（１．０１６ｍｍ）である。ＡＥプレートのマニホールドスロットはＦＡ−プレートのマニホールドスロットと重なってマニホールドを形成する。空気マニホールドスロットと第１の再分配スロットとの間の間隔は０．１６”（４．０６ｍｍ）であり、第１の再分配スロットと第２の再分配スロットとの間の間隔は０．１６”（４．０６ｍｍ）である。他の再分配スロットの間の間隔は０．０６”（１．５２ｍｍ）である。
【０１７１】
ＡＥプレートの反対側（Ｅ−プレートと向かい合っている）は、下記に記載されている貫通スロットを除けば構成要素はない。
【０１７２】
燃焼排気が排気チャネルへ流れることが可能になるように寸法０．８２”（２．０８ｃｍ）×０．０４”（１．１０６ｍｍ）を有する貫通スロットが機械加工されている。
【０１７３】
プレートの外周は溶接部のために面取り（０．０３１”（０．８ｍｍ）×４５°）されている。
【０１７４】
プレート６：Ｅ−プレート
図３１にＥ−プレートの略図が示されている。Ｅ−プレートの全体寸法は２３．３２”（５９．２ｃｍ）×１．８２”（４．６ｃｍ）×０．２５”（６．３ｍｍ）である。これはＳＭＲ反応器コアスタックの最も外側のプレートであり、Ｐ−プレートから最も離れている。プレートの外側の面において標示Ｒ、Ｐ、Ａ、ＦおよびＥが反応体流、生成物流、空気流、燃料流および排気流のための入口／出口マニホールドの位置をそれぞれ示している。スタックと向かい合う面に４つの排気チャネルが機械加工されている。各チャネルは幅０．１６”（４．０６ｍｍ）および深さ０．０４”（１．０１６ｍｍ）である。排気チャネルの長さは２２．７８”（５７．９ｃｍ）である。
【０１７５】
スタックと向かい合う面（図２６の示図２に示されている）の外周は溶接部のために面取り（０．０３１”（０．８ｍｍ）×４５°）されている。
【０１７６】
高いプロセス圧力を支えてマイクロチャネルを保全するために反応器コアの周りに外部構造体の形の支持体が設けられる。図３２にこれが示されている。図３２は最終的な反応器の略図である。
【０１７７】
反応器は厚さ０．１２５インチ（０．３１８ｃｍ）のインコネル６１７プレートを用いて構築される。プレートおよびプレートの中のマイクロチャネル構成要素は従来の機械加工法を用いて作られる。レーザー加工法、光化学磨砕法または機械加工法、あるいは他の金属除去方法によって毛管構成要素が追加されてよい。レーザー穿孔法を用いてジェットが作製されてよい。
【０１７８】
プレートおよびプレートの中の構成要素の製造後に、プレートは化学蒸着（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）アルミニウム被覆プロセスを用いてアルミニウム被覆され、１０５０℃において熱処理されて接着性のアルミナスケールを形成する。アルミナスケール層は運転時にプレートが固着することを防いで刷新を容易にするかまたは可能にすることできる。
【０１７９】
熱処理後、プロセスチャネルの両側に約３０ｍｇ／ｉｎ２（４．６５ｍｇ／ｃｍ２）のＳＭＲ触媒（２８％ＭｇＯ−７２％Ａｌ２Ｏ３スピネルの担体上の２０％Ｒｈ）が塗布される。スプレーコート法を用いて燃焼触媒（ランタンを有するヒュームドＡｌ２Ｏ３担体上の３５重量％Ｐｔおよび８重量％Ｐｄ）がジェットの衝突面または燃料壁に約３０ｍｇ／ｉｎ２（４．６５ｍｇ／ｃｍ２）の適用被覆レベルで塗布される。触媒は開いたプレートに溶接の前に塗布される。この方法によって面を直接取り扱い、塗布された触媒の品質管理を行うことが可能になる。直接取り扱うことによって、使用済み触媒を剥がし再塗布する刷新を容易なものにすることもできる。開いたプレートにより、プロセス性能を調整または最適化するために、プロセス層内で、またはプロセスプレートの両面で、または層から層へ１つまたは２つまたは３つ以上の触媒を用いることが可能になる。触媒は運転前に４００℃でインサイチュ焼成される。
【０１８０】
触媒（ＳＭＲおよび燃焼）は反応器セクションの中でだけ塗布される。図３３にＳＭＲおよび燃焼触媒の位置を示す略図が示されている。ＳＭＲ触媒はＲＰプレートとＣａｔ−プレートとによって形成される反応体チャネルの毛管構成要素ならびに側壁にスプレーコートティングされる。触媒塗布を容易にするために炭素鋼で作られたマスクが用いられる。図３４にＳＭＲ触媒塗布に用いられるマスクの略図が示されている。
【０１８１】
ｃａｔ−プレートとＦＡプレートとによって形成される燃料チャネルの中の毛管構成要素に燃焼触媒が塗布されている。ＦＡプレートの燃料壁は触媒で部分的に被覆されている。ＡＥプレートとＥ−プレートとによって形成される排気チャネルは燃焼触媒で被覆されている。
【０１８２】
これらのプレートは溶接され、一体となって反応器コアを形成する。タングステン不活性気体溶接が用いられる。各プレートの周縁部が隣接する次のプレートの周縁部に溶接されるところでは外部溶接が用いられる。溶接部の平均溶け込みは約０．０３インチ（０．７６２ｍｍ）から０．０８インチ（２．０３２ｍｍ）である。各プレートの表面積は２７２．３ｃｍである。従って、平均溶接部溶け込みに対する平均表面積の比は１３４．０から３５７．４ｃｍ２／ｍｍである。溶接の前に縁のアルミナイドが研削除去される。支持リブ、マクロ−マニホールドおよびチューブの形の外部構造体がコアに追加される。
【０１８３】
反応器は、多重チャネル試験デバイスの形であり、組立て前に熱処理され触媒で被覆された６つのＣＶＤアルミニウム被覆プレートからなる。刷新プロセスは、外部構造体の取り外し、排気マニホールドの取り外しおよびプレート同士の分離を含む。
【０１８４】
刷新時、コアを外部構造支持体から取り外す。次のステップは反応体マニホールド、生成物マニホールド、燃料マニホールド、空気マニホールドおよび排気マニホールドを取り外すことである。排気マニホールドを最後に取り外す。最初の４つのマニホールドはそれらの０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）チューブを最初に取り外す必要がある。ＣＡＤ入力またはプログラミングロジックを用いて部品を正確に機械加工するコンピュータ数値制御（ＣＮＣ：ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）フライス盤を用いて各マニホールドの溶接部外周を機械加工する。そうするには各マニホールドの溶接部外周を機械加工して削り取り、マニホールドをデバイスから引き離すことができるようにする。排気マニホールドも溶接部を機械加工除去することによって取り外す。コアからマニホールドがなくなったら外周溶接部の磨砕によってプレート同士を分離する。初回の磨砕は４０ミル（１．０２ｍｍ）の材料の除去を目標とする。プレート同士は区域によっては分離されたように見えるが引き離すことができないことがあるだろう。外周からさらに２０ミル（０．５１ｍｍ）の材料を除去する。コアを再び所定の場所に固定する。プライヤーを用いてすべてのプレートを引き離す。プレート同士を分離することが可能になるように溶接部を十分に除去するには全部で６０ミル（１．５３ｍｍ）の材料を機械加工して除去する。
【０１８５】
プレート同士が分離されたら各プレートを点検する。折り返し部は刷新プロセス時に調節される。元のサイズを小さくするために折り返し部の中に直方体のインサートが追加される。このインサートは所定の場所に溶接され、それ以上の表面調製または処理はない。燃焼側の３つのプレート（ＦＡ、ＡＥおよびＥ）を調節する。
【０１８６】
脱イオン水浴、続いてアセトン浴中で低出力かつ低周波数の超音波を用いてすべてのプレートを清浄にする。各ステップを３０分間行う。触媒の剥離または損傷は起こらない。
【０１８７】
調節済みのジェットに近いＦＡプレートの部分に触媒を塗布する。最初の１６のジェットの区間は、調節された被覆レイアウトを適用する。ここでは、０．１６”（４．０６４ｍｍ）の幅のチャネルの外縁部に触媒を配置し、それぞれの側では１ｍｍの触媒被覆をし、中央の２ｍｍを被覆しないままにする。
【０１８８】
上部排気チャネル壁と下部排気チャネル壁との両方に燃焼触媒を塗布する。触媒は４つのチャネルのそれぞれの０．１６”（４．０６４ｍｍ）の幅全体にわたって塗布する。チャネルとチャネルとの間を途切れさせる壁とリブとの間の金属から金属への接触部分を形成する区域では触媒をマスクする。
【０１８９】
上記の調節作業が完了した後に反応器を再び積層する。Ｐプレートに約０．２インチ（５．０８ｍｍ）の若干の曲がりがある。これは積層後にプレートを整列させて所定の場所に固定することによって軽減される。コアを周縁部溶接し、新しい外部構造支持体をスタックに溶接する。
【０１９０】
反応器を高容量および熱流束の条件で運転する。２組の運転条件を検討する。次の表２および表３にこれらが示されている。
【０１９１】
【表２】
0005922137.tif 000004
【０１９２】
【表３】
0005922137.tif 000005
0005922137.tif 000006
【０１９３】
プロセス不調の後に反応器の開始および再開が数回ある。表３にこれらが示されている。開始２は下流の接続部品の圧力降下の増加の後に発生する。シャットダウン後、運転を再開する前にステンレス鋼接続部品である接続部品をインコネル接続部品に取り替える。開始３はプロセス水入口における低下の後に発生する。この場合、ＳＭＲには約２分間水蒸気が供給されない。この不調時に反応器の器壁におけるピーク記録温度はシステムインターロックする前に１０６５℃に上昇する。インターロックの時点でピーク温度は４０秒間に約２００℃降下し、その後にもっと緩やかな冷却が始まる。開始４は熱損失を減らすために数個の外部ヒーターを加えた後に発生する。すべての場合において、反応器性能は同等であり目標とする性能に復帰する。図３６から図４０に結果が示されている。
【０１９４】
燃焼燃料にさらにメタンを追加することを含む追加の試運転をこの反応器で行う。メタンは水素より燃焼させるのが著しく困難である。報告されているように、条件１および２においては燃料の中に１．５体積％のメタンがある。燃焼燃料中のメタンの量は１８％まで増加しており、この範囲（１．５％、３％、６％、１０％および１８％）にわたっては検出可能なメタン放出はない。検出限界は大体１００ｐｐｍメタンである。すべての場合に対して余剰の空気の名目量は１５％であるが、一部の試運転においては余剰の空気の量はもっと少ない。６％メタン燃料で余剰の空気が１０％に低下すると出口排気温度がいくらか不安定になる。図４１から４４に結果が示されている。
【実施例３】
【０１９５】
溶接されたＳＭＲ反応器の中のエクスサイチュ触媒塗布
ＳＭＲ反応器は２種類の触媒を有する。すなわち、１）ＳＭＲ反応にエネルギーを供給する、燃料を燃焼させる触媒、および２）ＳＭＲ反応のための触媒である。触媒は、反応が起こるべく予め定められた位置のマイクロチャネルの壁の部分にだけ優先的に塗布される。
【０１９６】
拡散接合を用いるＳＭＲ反応器の製造は非常に高い温度（たとえば約１０００℃超）におけるシムおよびプレートの接合を含む。これらの高温の結果として、反応器コアを拡散接合した後にだけ触媒が塗布される。しかし、反応器コアを拡散接合した後はマイクロチャネルを目視する手段がなく、マイクロチャネルを触媒溶液またはスラリーで満たし、次に液抜きし、重力によって液抜きを支援する充填および液抜き技法を用いてマイクロチャネルの壁に触媒が塗布される。これはインサイチュプロセスまたは手法と呼んでよい。それはインサイチュウォッシュコート法と呼んでもよい。マイクロチャネルの壁に触媒を塗布するこのインサイチュ手法には以下の不利な点がある。
【０１９７】
１．触媒被覆物を壁に塗布するために通常は複数回の充填および液抜きのサイクルが必要であった。
２．壁の触媒担持率は一般に低かった（４回の充填および液抜きサイクルの後に約５から１０ｍｇ／ｉｎ２）。
３．マイクロチャネルを目視する手段がなかったので、この方法はマイクロチャネルの中の触媒の流れを制御しにくかった。触媒を特定の軸方向または横方向の位置に選択的に塗布することは難しかった。反応チャネル長さの一部に触媒が塗布され、触媒のない中断領域がそれに続き、その次に触媒のある第３の領域となる軸方向に不連続な被覆物を作り出すことも可能でなかった。
４．インサイチュウォッシュコート法は時間のかかるプロセスである。単一マイクロチャネルデバイスでさえ触媒塗布に最大１週間を必要としかねなかった。工業規模の装置（＞１００ｋｇ／ｈｒのプロセス流量）に触媒を塗布するには、塗布のために複雑な追加のマニホールドが必要であった。図４５は多重マイクロチャネルを有するＳＭＲ反応器に塗布するための装置の略図を示す。
５．触媒を反応器の中の特定の高さに容易に維持することができなかった。これは、特にデバイスの隅または割れ目において溶液をより高い位置に吸い上げる毛管力のためであった。
６．触媒を塗布するインサイチュ法は小さな面積に塗布するために大きな体積の触媒を必要とする。触媒溶液を充填および液抜きするためのマニホールド系統を使用するので、最初に大きな体積の触媒溶液が必要であった。しかし、実際にはこの触媒溶液のごく一部だけが反応器の中に残った。反応器から液抜きされた触媒溶液はしたがって用途が限られ、多くの場合に１回または２回だけの使用後に処分またはリサイクルしなければならなかった。
【０１９８】
本発明によってＳＭＲ反応器を製造するための溶接型手法は、簡単、迅速かつ正確な触媒のための塗布法を可能にする。溶接型手法を用いて多重シムの高温拡散接合をより少ないプレートの溶接によって置き換えることができる。溶接に必要な高い温度はプレートの縁に局部限定してよく、触媒を塗布する必要のあるマイクロチャネルに影響を及ぼさない。したがって、触媒はプレートの溶接の前にエクスサイチュ塗布することができる。
【０１９９】
触媒を塗布するエクスサイチュ法では、触媒溶液は、エアブラシを通るエアジェットを用いるなどの簡単な方法を用いて塗布してよい。マイクロチャネルを十分に目視することが可能なので、触媒が必要でない場所は図４６に示されているように簡単にマスクして隠すことができる。同じマイクロチャネルの中の特定の場所に異なる触媒を塗布して良好な性能を実現することもできる。被覆物の被覆率レベルは参照クーポンを用いて決定することができる。参照クーポンは塗布の前後に重さを秤量して塗布された触媒の量を決定する。
【０２００】
触媒を塗布した後、プレートは溶接してＳＭＲ反応器を構築する前に空気中で乾燥させてよい。次に、ＳＭＲ反応器を約４５０℃で焼成してマイクロチャネルの壁の上に最終的な触媒を形成してよい。
【０２０１】
エクスサイチュ触媒塗布法には従来のインサイチュ触媒塗布法と比べていくつかの利点がある。利点として以下を挙げることができる。
１．エクスサイチュ技法はインサイチュ塗布技法より顕著に速い。インサイチュ触媒塗布では通常約１週間を要し得る反応器を、エクスサイチュ法を用いると１日のうちに塗布することができる。
２．エクスサイチュ塗布によって、塗布する触媒の位置、種類および量を制御することが可能になる。
３．エクスサイチュ塗布法を用いると触媒担持率レベルの良好な再現性を実現することができる。
４．触媒が塗布される前か後のどちらかのプレートに、あるいは触媒を含んでいないアセンブリのプレートに触媒以外の被覆物も加えることができる。
５．エクスサイチュ塗布法は塗布位置を制御する能力があるため、調製される触媒溶液の体積を小さくすることができ、したがって無駄になる触媒溶液が少なくなる。
【０２０２】
多重チャネルＳＭＲ反応器を設計し、製造し、性能を試験する。エクスサイチュ法を用いて燃焼触媒およびＳＭＲ触媒をプレートに塗布する。Ｃａｔ−プレート（反応体チャネルと向かい合う）およびＡ−Ｅプレート（反応体チャネル）に燃焼触媒を塗布する。Ｃａｔプレート（反応体チャネルと向かい合う）およびＲ−Ｐプレート（反応体チャネル）にプロセス触媒を塗布する。
【０２０３】
触媒塗布のために、塗布されるプレートに合わせた所望の触媒を含むスラリーを調製する。図４７に示されているマスキングプレートを用いる。マスキングプレートの断面図も図４７に示されている。マスキングプレートは炭素鋼から作られているが、任意の硬い材料または可撓性材料からも作ることができるであろう。マスクは多重チャネル反応器の中の４つのプロセスチャネルを塗布するために設計されている。触媒を塗布される各チャネルの断面積は０．１６インチかける１３インチ（０．４１ｃｍかける３３．０ｃｍ）である。マスキングプレートの外の領域は建築現場用のテープを用いてマスクする。
【０２０４】
触媒溶液はパーシェ・エアブラシ・セット（Ｐａａｓｃｈｅ  Ａｉｒｂｒｕｓｈ  Ｓｅｔ）を用いて、単動、サイフォン給液、外部混合法で塗布し、スラリーの吹き付けには３２〜３５ｐｓｉ（０．２２〜０．２４ＭＰａ）の圧力を用い、＃１ノズル装置を用いる。図４８は被覆後のマスクされたプレートの写真を示している。Ｒ−Ｐプレートの触媒担持率は２５ｍｇ／ｉｎ２（３．８７ｍｇ／ｃｍ２）である。
【実施例４】
【０２０５】
ＳＭＲ反応器の中のメタルダスティングを防ぐ被覆物または層の追加
鉄、ニッケルまたはコバルトを主な成分とする合金は一酸化炭素（ＣＯ）ガスが存在するとメタルダスティング腐食を受けやすくなることがある。メタルダスティング腐食に対する耐性を高めた新しい金属合金を開発する努力が重ねられてきたが、今のところメタルダスティング腐食を受けない市販の合金はない。合金をメタルダスティング腐食から保護する被覆物を開発することが求められている。本実施例で用いられている合金はインコネル６１７（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、ＡｌおよびＣｏを含有する合金）であるが、メタルダスティングの問題はいずれのニッケルまたは鉄含有金属または金属合金でも起こり得る。
【０２０６】
メタルダスティングが始まると、生じた孔はチャネルの圧力境界を通って侵食することがある。さらに、孔はＣＯ＋ＣＯからＣ（固体）およびＣＯ２へのブドアール反応（Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）によるコーキングの開始を招く可能性を高めることがある。コークは始まると通常はフィラメント状の形で成長し続け、フィラメントがマイクロチャネルを完全にまたは部分的に閉塞することがある。チャネル閉塞すると多重チャネルデバイスの中の流れ分布不良、性能低下およびより一層の圧力降下を招くことがある。
【０２０７】
被覆物を用いてＣＯなどの気体分子が金属合金に到達するのを防ぐことができる。被覆物それ自体はメタルダスト形成しないことがあり、使用環境と適合することがある。
【０２０８】
被覆物は単層被覆物を含んでよい。被覆物材料はアルミナなどのセラミックを含んでよい。
【０２０９】
下にある合金に気体分子が到達するのを防ぐため、被覆物はピンホールまたは微小亀裂などの欠陥があってはならない。被覆物は気密であってよい。セラミックは一般にもろく、亀裂が入りやすい。金属は、一般にセラミックより延性が高く、従って亀裂が入りにくい。金属被覆物は、銅、クロム、銀、金、それらの２つ以上の混合物、ならびに他の不活性金属または貴金属を含んでよい。金属被覆物の使用には問題が伴うことがある。１つの問題は金属被覆物と基質合金との間で相互拡散が起こり得ることである。メタルダスティングは約４５０℃から約７５０℃の温度範囲で起こる可能性がある。この温度範囲においては金属被覆物と合金との間の相互拡散が予測されることがある。時間の経過とともにＮｉ、ＣｏおよびＦｅが合金から被覆物に拡散し、被覆物の耐性または保護性を低下させることがある。合金の内部への被覆物材料の拡散も合金の特性に好ましくない変化を引き起こすことがある。被覆物からピンホールなどの欠陥をなくすことには別の問題が関係している。欠陥のない被覆物を作り出すことは難しいが、一般に被覆物の厚さが増加すると、ピンホールのような欠陥の個体群密度（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｎｓｉｔｙ）が低下することがある。
【０２１０】
図４９は、様々な継続期間についてメタルダスティング環境に曝露された後の銅で被覆されたインコネル６１７のクーポンを示している。クーポンはその明るい銅の外観を徐々に失うがメタルダスティング腐食は起こらない。２，０００時間経過後に測定可能な重量変化もない。図４９にこれが示されている。比較すると、被覆されていないインコネル６１７のクーポンは１０００時間の時点で明らかに孔食を受け、２４００時間経過の時点でひどく腐食されている。図５０にこれが示されている。図５０に示されている重量低下は腐食のさらなる証拠である。
【０２１１】
８６３時間の曝露後の銅で被覆されたクーポンの断面分析はＣｕ被覆物の中へのＮｉの拡散および被覆物の中の微小亀裂の成長を示す。図５１にこれが示されている。これは銅がメタルダスティングに対する短期間の保護被覆物になり得ることを示している。
【０２１２】
被覆物と基質との間の相互拡散を防ぐために拡散障壁が用いられることがある。金属は通常はセラミックを通って拡散しないので、アルミナなどのセラミック被覆物が良好な障壁となることがある。
【０２１３】
２層被覆物系の方がメタルダスティング耐性に関して単層被覆物より良好に機能することがある。第１の層は拡散障壁、たとえばアルミナ被覆物層などのセラミック被覆物層を含んでよい。アルミナ被覆層は基質の上に直接堆積させてもよく、またはアルミニウム含有金属合金の熱処理由来の熱成長アルミナスケールとして形成させてもよい。一部の市販合金はアルミナ形成材である。そのようなアルミニウム含有金属合金の例はインコネル６９３（ニッケル、クロムおよびアルミニウムを含有する合金）およびヘインズ（Ｈａｙｎｅｓ）２１４（ニッケル、クロム、アルミニウムおよび鉄を含有する合金）を含んでよい。他の合金の場合には、アルミニウム被覆によって合金の表面を拡散被覆物としてのアルミニナイドに変換してよい。そうすればアルミニウム被覆された合金の熱処理によってアルミナスケールが熱成長することがある。
【０２１４】
第２の層は、延性があり被覆性のある金属被覆物を含んでよい。用いることができる材料はＣｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、それらの２つ以上の混合物ならびにメタルダスティングされにくい他の素材、たとえば金属炭化物を含んでよい。これらは２つ以上の金属の複合材料を合金、または２層被覆物、または３層被覆物のいずれかとして含んでよい。
【０２１５】
第２の層はセラミック被覆物を含み、被覆物の系をすべてセラミックにしてもよい。セラミック被覆物は亀裂が入りやすいが、２つの層を用いると、両方の被覆物の中の亀裂の位置が揃って下にある基質合金が露出される可能性を減らすことができる。図５２はインコネル６１７のクーポンを用いてアルミナ上の炭化チタンのそのような２層セラミック被覆物の性能を示している。図５２に示されているように、小さな重量低下はあるが、被覆されたクーポンは図５０に示されている被覆されていないクーポンより良好な性能を示している。
【０２１６】
第２の層は依然として延性ではあるがより良好に基質と適合するＣＴＥ（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：熱膨張率）を有する合金被覆物を含んでよい。例としてＡｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ−Ａｇ合金、Ａｌ−Ｃｒ合金、Ｃｕ−Ｃｒ合金および類似物を挙げることができる。第２の層としてアルミニウム含有合金を用いる別の利点は、使用する前の専用の熱処理によるかまたは使用する間の自然形成によるかのどちらであっても、それが表面においてアルミナスケールを形成する可能性に関連する。
【０２１７】
アルミニウム含有被覆物の上にアルミナスケールが形成されると、被覆物の系は３層系になる。層の数が増加するとすべての層を通してピンホールの位置が揃って下にある基質合金の好ましくない曝露を引き起こす可能性を低くすることができる。アルミナ被覆物は金属被覆物の上に直接堆積させてもよい。アルミナ堆積は物理蒸着法（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または化学蒸着法（ＣＶＤ）を用いることによって実行することができる。
【０２１８】
層の数がさらに増加すると有利なことがある。例として、インコネル６１７のクーポンをアルミニウム被覆し、熱処理して熱成長アルミナスケールを発生させてよい。アルミナスケールは約０．５から約１．０ミクロンの厚さを有してよい。次に、陰極アーク堆積法によってクーポンをアルミニウムブロンズの層で被覆してよい。２つの厚さのアルミニウムブロンズ被覆物を試験する。一方は２０ミクロンの厚さであり、他方は４０ミクロンの厚さである。クーポンを９５０℃において水素中で４時間処理する。処理後、クーポンの表面はアルミナの表層によって覆われている。これらのクーポンを１００℃から８５０℃の間で１２回熱サイクルにかける。各クーポンは亀裂、破砕またはフレーク化などの被覆物の損失または損傷の徴候を示さない。
【０２１９】
次に、クーポンのメタルダスティング耐性を保護されていないクーポンと共に試験する。試験条件は過酷であり、３８０ｐｓｉｇ（１．６２ＭＰａ）の圧力および６２０℃の温度において行われる。気体環境は５８．４％Ｈ２、１８．４％ＣＯ、１２．３％ＣＯ２、６．１％Ｎ２および４．９％ＣＨ４を含む。気体環境に水蒸気がないので試験は極めて腐食性が高くなる。７００時間の試験後、アルミニウムブロンズで被覆されたクーポンは目に見える不良も重量低下も示さない。図５３にこれが示されている。比較すると、ＳＳ３０４クーポンはわずか２５０時間でひどく腐食している。保護されていないインコネル６１７の孔食は１００から１，０００時間の間に起こる。
【０２２０】
メタルダスティングからの効果的な保護には以下の一連のステップを含めてよい。
ステップ１：アルミナスケールの中に亀裂があれば、ＣＯ含有気体流に対処する第１のアルミナスケールが、金属に向かう気体の進入に対する第１の防御線となってよい。
ステップ２：被覆物の中に亀裂があれば、Ｃｕ−Ａｌ合金など本質的にＣＯによって攻撃されない浸炭耐性被覆物が、金属に向かうＣＯ進入に対する第２の防御線を構成してよい。
ステップ３：アルミナスケールの中に亀裂があれば、金属に向かう気体の進入に対する第３の防御線を提供する第２のアルミナスケール。
ステップ４：アルミニウム被覆プロセスから形成されてよいＣｒ−Ｍｏ相互拡散層がメタルダスティングに対する耐性を増強してよい。図５４および図５５にこれが示されている。図５５はこのゾーンにおいて金属の攻撃が止まった場合を示している。
ステップ５：ＣＯ含有流を含む相互接続されたチャネルを有する製品設計。最初の４つの防御線が功を奏さず、孔食の結果であるコーキングが起こったら、気体をデバイス全体に再分布させて反応器の供用を続ける。
ステップ６：刷新−時間の経過とともに炭素蓄積が進み、もはや再分布に効果がなくなったら、溶接されたプレートを分解して表面からコークを除去することができる。プレートを供用に戻すために孔食を受けたゾーンに追加の障壁被覆物を配置してよい。
ステップ７：交換−メタルダスティングを含むプレートを修理することができないなら、反応器全体を再び供用するときに特定のプレートを新しいプレートと交換する。このように、全体を守るために一部を犠牲にする。
【０２２１】
耐メタルダスティング性被覆物は、メタルダスティングが起こりやすい温度（たとえば約４５０から約７５０℃）で運転されるように設計された反応器位置を選択的に被覆することができる。本発明の反応器技術によれば、マスクまたは他の手段を使用して、より高温またはより低温の領域から、あるいはメタルダスティングを発生しない流体を処理するチャネルから被覆物を遮断することが可能になる。
【実施例５】
【０２２２】
触媒被覆物の刷新
ＳＭＲ触媒および燃焼触媒は時間とともに活性低下すると予測されることがある。さらに、不適当な運転条件に起因するコーキングなどの望ましくない条件がマイクロチャネルの部分的または全体的な詰まりを引き起こし、不十分な性能に至ることがある。そのような状況において、ＳＭＲ反応器に触媒被覆物を刷新するかまたは望ましくない堆積物を除去する能力があったなら有利であろう。接合型のマイクロチャネルの内部から被覆された触媒を除去する直截的な方法はない。
【０２２３】
本発明によって提供される溶接型の製造手法ならＳＭＲ反応器を個別プレートへ解体することが可能になり、したがって反応器を溶接する前に可能であったのと同じようにすべてのプレートに接近できるようになる。ＳＭＲ反応器の中の触媒を刷新するステップは以下のようであってよい。
１．反応器の個別プレートへの解体
プレートおよびマニホールドの周りの溶接部を除去してプレートを取り外してよい。従来の研削および機械加工などの方法を用いて溶接部を除去してよい。プレートを取り外したら、あらゆる変形を点検する。プレートが変形していたら、機械的平坦化の熱アニーリングステップで矯正するかまたは新しいプレートと交換してよい。
２．プレートからの触媒の除去
触媒を除去する場所を特定する。これらの場所を高純度白色アルミナ粒子（２２０グリットサイズ）で選択的にグリットブラストしてよい。アルミナ粒子の強度は触媒だけが除去されるように調節してよい。壁から触媒を除去するために他のサイズのグリットまたは材料を用いてもよい。壁から使用済み触媒を除去するための代りの方法は音波処理および機械的振動を含んでよい。図５６はＣａｔ−プレートのグリットブラスト処理前後の比較を示している。図５７はＲ−Ｐ−プレートのグリットブラスト処理前後の比較を示す。
３．熱処理（任意選択）
プレート上のアルミナスケールが損傷を受けたらプレートを熱処理してアルミナスケールを補充してよい。熱処理の例としては以下挙げることができる。
ａ．Ａｒ中１８ｐｐｍのＯ２の制御された環境においてプレートを環境温度から１０５０℃に加熱する。
ｂ．Ａｒ中２１％（モル）のＯ２中、プレートを１０５０℃で１０時間熱処理する。
ｃ．Ａｒ中２１％（モル）のＯ２中、プレートを環境温度に冷却する。
あるいは、プレートを開放箱形炉の中で、あるいは希釈空気または未希釈空気の代りの組み合わせを用いて加熱してよい。
４．触媒を塗布する
前と同じ方法を用いて触媒を塗布する。プレートの上でマスクを用いて所望の場所だけに触媒を塗布してよい。触媒を塗布した後にそれを空気中で乾燥させてよい。
５．プレート同士を溶接する
上記と同じ製造ステップを用いてプレート同士を溶接して一緒にしてよい。コアを最初に溶接し、続いてマニホールドの取り付けおよび入口／出口管接続を行ってよい。
６．触媒を活性化し、反応器を運転する
反応器を設備に設置し、そこで触媒を活性化してよい。そうすれば反応器は運転準備完了である。
【実施例６】
【０２２４】
２つの別個の反応器を用いてＳＭＲ反応を行う。「溶接型」反応器と呼ばれる第１の反応器は本発明に従って周縁部溶接およびエクスサイチュ触媒塗布を用いて作られる。「接合型」反応器と呼んでよい他方の反応器は拡散接合およびインサイチュ触媒塗布を用いて作られる。以下の表４に結果が示されている。
【０２２５】
【表４】
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【０２２６】
さまざまな一実施態様に関連して本発明を説明してきたが、本明細書を読めばそれらのさまざまな変更形が当業者には自明であることを理解するべきである。したがって、本明細書に開示されている発明はそのような変更形を添付の特許請求の範囲に属するものとして包含するものであることを理解するべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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