(57)【要約】      （修正有）【課題】プレートが互いに溶接されラミネートされたデバイスを、ろう付け又は拡散接合なしに作製する方法の提供。【解決手段】第１のサブアセンブリ及び第２のサブアセンブリであって、前記第１のサブアセンブリは、チャネルの第１の平行アレイを備え、前記第２のサブアセンブリは、チャネルの第２の平行アレイを備え、前記第１のサブアセンブリと前記第２のサブアセンブリとの間には交差点がないものを提供することと、前記第１のサブアセンブリの端部を、前記第２のサブアセンブリの端部に溶接して、前記第１及び第２のサブアセンブリの溶接端部の組み合わされたサブアセンブリ層を形成し、組み合わされたサブアセンブリ層を形成することと、前記組み合わされた層を１つ以上の層と積層し、前記積層された層を結合してラミネートされたデバイスを形成することと、を含む。【選択図】図２
2018196884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラミネートされたデバイスを作製する方法であって、
第１のサブアセンブリ又は第１のシート及び第２のサブアセンブリ又は第２のシートであって、前記第１のサブアセンブリ又は第１のシートは、チャネルの第１の平行アレイを備え、前記第２のサブアセンブリ又は第２のシートは、チャネルの第２の平行アレイを備え、前記第１のサブアセンブリ又は第１のシートと前記第２のサブアセンブリ又は第２のシートとの間には交差点がないものを提供することと、
前記第１のサブアセンブリ又は第１のシートの端部を、前記第２のサブアセンブリ又は第２のシートの端部に溶接して、前記第１及び第２のサブアセンブリ又はシートの溶接端部の組み合わされたサブアセンブリ層を形成し、組み合わされたサブアセンブリ層又は溶接された単一シートを形成することと、
前記組み合わされた層又は溶接された単一シートを１つ以上の層又はシートと積層し、前記積層された層又はシートを結合してラミネートされたデバイスを形成することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１のサブアセンブリ又は第１のシートは、前記第２のアセンブリ又は第２のシートと同じ長さを有する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１０月１８日出願の米国仮特許出願第６１／３９４，３２８号、及び２０１１年２月９日出願の米国仮特許出願第６１／４４１，２７６号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
緒論
マイクロチャネル技術において、従来、マイクロチャネル熱交換器における最適な熱伝達は、拡散接合及び／又はろう付けによってのみ得ることができると考えられている。これらの方法は、層間の連続金属界面の形成に依存する。連続界面は、層間の接触熱抵抗を排除し、発熱反応からの高レベルの熱を熱除去チャンバに移動させるために、又は熱を吸熱反応に加えるために必要と考えられている。
【０００３】
ろう付けには、構築材料の融点を下回る温度で溶融する中間層材料の添加が必要である。中間層は、拡散ろう付け又はろう付けプロセス中に液体となる。液体の中間層は、材料が互いに結合されるように、流動して隙間又は空隙を充填する。中間層はまた、流動すると、拡散を生じ、中間層からの材料は母材内に拡散することができ、母材からの材料は中間層内に拡散することができる。拡散が進行すると、中間層材料の局所的組成が変化する。さらに、最大温度に達した後に温度が降下すると、液体中間層は固化し、２つの母層の間の空隙を充填する。固化は、温度又は組成により引き起こされ得る。後者の場合、複合中間層を母材よりも低い温度で溶融させるために、リン又はホウ素等の融点降下剤が添加される。類似の例において、拡散接合されたデバイスはまた、熱伝達層間の密な熱接触を形成する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様において、本発明は、ラミネートされたデバイスを作製する方法であって、底部シートと頂部シートであって、頂部シートの表面と底部シートの表面との間には隙間が配置されるもの（頂部及び底部シートは、サブアセンブリの一部であってもよいことに留意されたい）を提供することと、隙間の高さより少なくとも１％高い（好ましくは少なくとも２％高い、いくつかの実施形態においては１％から１０％高い）高さを有する熱伝導性フィンインサートを提供し、フィンインサートを隙間に配置することと、フィンインサートが変形して隙間内に適合するように、シートを互いに押し付けることと、を含む方法を提供する。
【０００５】
インサートは、触媒コーティングを有してもよい、又は有さなくてもよい。いくつかの好ましい実施形態において、得られるデバイスは、インサートが不規則な様式で変形する不規則な構成を有し、例えば、潰された壁が全て同じ方向に、又は交互方向に撓まない。いくつかの実施形態において、フィンは、主として（５０％超、好ましくは８０％超）同じ方向に撓む。圧縮されたフィンは、波形シートに存在するような規則的な形状を有さない。
【０００６】
いくつかの好ましい実施形態において、底部及び／又は頂部シートの表面は、表面から突出する溶接線を有し、いくつかの好ましい実施形態において、シートは、シートの長さ又は幅の少なくとも５０％（好ましくは少なくとも８０％）の連続した長さを有する１つ以上の内部溶接線を備え、フィンインサートの少なくとも一方側は、少なくとも部分的に（好ましくは完全に）１つ以上の溶接線上に載る。好ましくは、インサートを通る流動の方向は、溶接線に垂直である。驚くべきことに、我々は、溶接線が反応チャンバ（すなわち、圧入及び触媒を含有するチャンバ）と熱交換器との間に介在する場合であっても、これらの溶接線の存在下において、良好な熱輸送が得られることを発見した。いくつかの実施形態において、フィンインサートは、頂部又は底部表面にタック溶接され、より好ましい実施形態において、フィンインサートは、圧入により適所に保持され、溶接によりいずれの表面にも結合されない。好ましくは、フィンがマイクロチャネル内に配置され、及び／又は、隣接する熱交換器がマイクロチャネルを備える。
【０００７】
本明細書に記載の全ての方法と同様に、本発明はまた、当該方法により形成されるデバイスも含む。本発明はまた、１つ以上の単位動作を行うための方法により形成されるデバイスの動作も含む。好ましくは、本明細書において言及されるデバイスは、１つ以上の単位動作を行うように適合される化学処理機である。
【０００８】
別の態様において、本発明は、ラミネートされたデバイスであって、処理チャンバに接続された流体入口と、処理チャンバに接続された流体出口とを備えるデバイスであって、処理チャンバは、隙間と、隙間内に配置され、隙間の頂部及び底部に接触する熱伝導性フィンインサートとを備え、さらに、フィンインサートは、隙間内のフィンインサートの少なくとも１％の圧縮によりもたらされる不規則形状を有する、デバイスと、処理チャンバと熱接触する熱交換器とを備える、ラミネートされたデバイスを提供する。このデバイスにおいて、不規則形状は、フィンインサートの高さが、フィンの高さ（高さは、積層高さと同じ方向である）の少なくとも１％、好ましくは少なくとも２％、いくつかの実施形態においては少なくとも５％、いくつかの実施形態においては１％から１０％の範囲で変形するような、隙間のいずれかの側でのシートの圧縮によりもたらされる。
【０００９】
このデバイスは、本明細書において言及される特徴のいずれかを含有し得る。例えば、いくつかの好ましい実施形態において、インサートは、触媒コーティングを有さず、いくつかの好ましい実施形態において、触媒粒子が隙間内に存在する。伝導性フィンインサートは、フィンセクション内で生じるプロセスからの熱を隣接した熱交換層に移動するフィンである。フィンインサートは、好ましくは、熱伝達層の構築材料より高い熱伝導率を有する材料から作製される。いくつかの好ましい実施形態において、伝導性フィンインサートは、伝導性フィン構造内に配置される触媒の有効熱伝導率の１０倍超、より好ましくは１００倍超の熱伝導率を有する。ほとんどの材料において、熱伝導率は知られており、知られていない場合は、標準的ＡＳＴＭ法を使用して測定することができる。
【００１０】
さらなる態様において、本発明は、化学反応を行う方法であって、少なくとも１種の反応物質を請求項２に記載のデバイスの処理チャンバに通過させることと、チャンバ内でプロセスを行うことと、同時に、処理チャンバと熱交換器との間で熱を交換することとを含む方法を提供する。
【００１１】
別の態様において、本発明は、ラミネートされたデバイスを作製する方法であって、第１のアセンブリ又は第１のシート及び第２のサブアセンブリ又は第２のシートあって、第１のサブアセンブリ又は第１のシートは、チャネルの第１の平行アレイを備え、第２のサブアセンブリ又は第２のシートは、チャネルの第２の平行アレイを備え、第１のサブアセンブリ又は第１のシートと第２のサブアセンブリ又は第２のシートとの間には交差点がないものを提供することと、第１のアセンブリの端部を、第２のアセンブリの端部に溶接して、第１及び第２のシートの組み合わされたサブアセンブリ層又は溶接端部を形成し、溶接された単一シートを形成することと、組み合わされた層又は溶接された単一シートを１つ以上の層又はシートと積層し、積層された層又はシートを結合してラミネートされたデバイスを形成することと、を含む方法を提供する。
【００１２】
第１及び第２のシートにおけるチャネルのチャネル間混合はないが、平行チャネルの第１及び第２のアレイは、共通のヘッダ及び／又はフッタを共有することができる。この方法の一例において、シート（又は複数のシートを備えるサブアセンブリ）は、４つの部分に切断され、４つの部分はそれらの端部に沿って再び互いに溶接される−これは、シートを切断し、以前に切断された端部に沿って再結合していることから、直感とは相反するプロセスである。それにもかかわらず、このプロセスは、反りを大幅に低減し、したがって優れたラミネートされた物品をもたらすことが判明している。この方法のいくつかのより広い態様において、第１及び第２のシート（又はサブアセンブリ）は、共通部分から切断されず、むしろ別個に得られてもよい。好ましくは、積層された層は、（いくつかの実施形態においては、長さ及び幅の５％以内、いくつかの実施形態においては、長さ及び幅の１％以内で）等しい幅及び長さである。切断（及び溶接部の再結合）は、チャネル長さに平行であるべきであり、この方位においては、ブロックされた、又は不連続的なチャネルを形成する危険性がない。
【００１３】
いくつかの好ましい実施形態において、幅：高さ及び長さ：高さにおける第１のサブアセンブリのアスペクト比は、２より大きく、より好ましくは１０より大きい。いくつかの好ましい実施形態において、幅：高さ又は長さ：幅における第１のシート又は第１のサブアセンブリのアスペクト比は、１．５以上、より好ましくは２以上、いくつかの実施形態においては４以上である。高さは、積層高さを指し、幅及び長さは、互いに垂直であり、長さは、シートに沿った流体流動の方向である。好ましくは、第１のサブアセンブリ又は第１のシートは、少なくとも５つの第１の平行チャネル（好ましくはマイクロチャネル）を備え、第２のサブアセンブリ又は第２のシートは、少なくとも５つの第２の平行チャネル（好ましくはマイクロチャネル）を備え、第１及び第２のサブアセンブリ又はシートは、端部に沿って結合されて、第１の平行チャネルが第２の平行チャネルに平行なシート又はサブアセンブリをもたらし、好ましくは、単一の多岐管が、第１及び第２の平行チャネルの両方の役目を果たす。好ましくは、第１及び第２のサブアセンブリ又はシートは、第１及び第２のアセンブリ又はシートにおける隣接した平行チャネルが、幅方向において（長さは、デバイスを通る流動の正味の方向に平行である）２ｃｍ以内にある、より好ましくは１ｃｍ以内にあるように結合される。得られたデバイスは、シートのセグメントを接続する溶接シームを有するシートを含有する。いくつかの好ましい実施形態、特に、幅：高さ又は長さ：高さにおける第１のシート又は第１のサブアセンブリのアスペクト比が１より大きい実施形態において、１つ以上の（好ましくは全ての）サブアセンブリを平坦化するステップが、端部を互いに溶接する前に行われる。
【００１４】
本明細書に記載の全ての方法と同様に、本発明は、この方法から得られる物品を含む。
【００１５】
本発明は、ラミネートされたデバイスであって、長さ及び幅の寸法を有する第１の層であって、第１の複数の平行チャネルを備える第１のセクションと、第２の複数の平行チャネルを備える第２のセクションとを備え、第１及び第２の複数のチャネルは平行であり、第１及び第２のセクションは、結合部により互いに結合され、結合部は平行チャネルに平行である第１の層と、第２の層であって、第１の層上に溶接される第２の層と、を備えるラミネートされたデバイスを含む。いくつかの好ましい実施形態において、第１の層は、サブアセンブリであり、第２の層は、サブアセンブリであり、層は、層の周縁部に沿った溶接部により結合される。
【００１６】
さらなる態様において、本発明は、より平坦なサブアセンブリを作製するために事前反曲処理する方法を提供する。このラミネートされたデバイスを作製する方法は、金属シートを提供することと、金属シートを変形させることと、変形させた金属シートをラミネートされたデバイスに接合することとを含む。
【００１７】
好ましい実施形態において、金属シートは、平坦面から少なくとも１０度の曲率、いくつかの実施形態においては平坦面から１０度から８０度の範囲の曲率の弧状に変形する。部品は、好ましくは、溶接（特にレーザ溶接）の応力が部品に加えられると平坦に近い状態まで戻るように、平坦な状態からゆがみを形成するように事前反曲処理されている。平坦状態からの弧の曲率は、９０度未満、好ましくは１０度から８０度の間である。より好ましい範囲は、３０度から７０度である。いくつかの好ましい実施形態において、金属シートは、ステンレススチールである。
【００１８】
別の態様において、本発明は、ラミネートされたデバイスを作製する方法であって、サブアセンブリを提供することと、サブアセンブリを平坦化することと、サブアセンブリをシート又は第２のサブアセンブリに溶接することとを含む方法を提供する。好ましくは、サブアセンブリは、入口又は出口用の開口部が存在する場所以外の、その周縁部に沿って溶接される。いくつかの好ましい実施形態において、この方法は、本明細書に記載の方法のいずれかと組み合わされる。
【００１９】
別の態様において、本発明は、引張から圧縮に、又はその逆方向に変化するチャネル層におけるプロセスを行う方法であって、第１のチャネル層、及び第１のチャネルに直接隣接する第２のチャネル層を備えるデバイスであって、第１の時点で、第１のチャネル層は、第１の圧力における第１の流体を備え、第２のチャネル層は、第２の圧力における第２の流体を備え、第１の圧力は、第２の圧力よりも高いものを提供することと、第１の時点で、第１のチャネル層において単位動作を行うことであって、第２の時点で、第１のチャネル層は、第３の圧力における第３の流体を備え、第２のチャネル層は、第４の圧力における第４の流体を備え、第４の圧力は、第３の圧力よりも高いとする単位動作を行うことと、第２の時点で、第１のチャネル層において単位動作を行うことと、を含む方法を提供する。
【００２０】
引張下では、第１のチャネル層における圧力は、第２のチャネル層よりも大きく、圧縮下では、第１のチャネル層における圧力は、第２のチャネル層よりも小さい。高さ方向において、層は、床及び屋根により画定され、張力又は圧縮力は、層の床又は屋根に加えられる。いくつかの好ましい実施形態において、第１及び第３の流体は同じであり、第２及び第４の流体は同じであり、例えば、第１及び第３の流体は、フィッシャー・トロプシュ（「ＦＴ」）プロセスストリームであってもよく、第２及び第４の流体は、熱交換流体、典型的には部分沸騰を生じている水（又は他の熱交換流体）である。他のプロセスの例は、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メタノール、アンモニア、スチレンの合成、並びに水素化及び水素処理を含み得る。好ましくは、方法は、第１のチャネルが第１の層に配置され、第２のチャネルが隣接した層に配置されるラミネートされたデバイスにおいて行われる。より好ましくは、プロセスは、第１及び第２のチャネルの複数の（例えば少なくとも１０個の）交互層を備えるラミネートされたデバイス内で行われる。いくつかの好ましい実施形態において、第１のチャネルは、圧入インサートを備え、いくつかの好ましい実施形態において、第１のチャネルは、好ましくは圧入インサートと併せて使用される触媒を備える。我々は、驚くべきことに、拡散接合又はろう付けなしに作製されたデバイス（例えば、圧入デバイス）は、これらの条件下で成功裏に動作することができることを発見した。好ましくは、この方法は、停止中又は起動中に生じるのではなく、連続動作中に生じるものとして定義される。プロセスは、例えば、固体がプロセスチャネル内に蓄積する際、及び／又は触媒が活性を失う際に生じ得、プロセス条件は反応器内の変化に対応するように調節される。
【００２１】
さらなる態様において、本発明は、ハロー（後述される）がデバイスのセクションを接続するデバイスを提供する。したがって、本発明は、複数の積層されたシートを備える第１のラミネートされたアセンブリを備え、第１のラミネートされたアセンブリの第１の側面は、複数の入口又は出口を備え、第１の側面には筐体が結合されて第１の側面から延在し、複数の入口及び出口を包囲する。典型的には、筐体は、金属であり、第１のラミネートされたアセンブリの第１の側面に溶接される。
【００２２】
いくつかの好ましい実施形態において、デバイスは、複数の積層されたシートを備える第２のラミネートされたアセンブリを含み、第２のラミネートされたアセンブリの第１の側面は、第２の複数の入口又は出口を備え、筐体は、第１の複数の入口又は出口を第２の複数の入口又は出口に接続する。
【００２３】
別の態様において、ラミネートされたマイクロチャネルデバイスは、長さ及び幅を有し、シート長さにシート幅を乗じることにより定義される断面積は、１００ｃｍ２（いくつかの実施形態においては５００ｃｍ2より大きい）より大きく、頂部プレートと結合されて、マイクロチャネルデバイス内のシートの表面の断面にわたり、０．０５ｃｍ／ｃｍ2から２０ｃｍ／ｃｍ2（好ましくは０．１ｃｍ／ｃｍ２から１０ｃｍ／ｃｍ２）の間のレーザ溶接された結合部の線密度を有する溶接されたアセンブリを形成し、この断面は、主要表面の連続領域の少なくとも５０％（好ましくは少なくとも９０％、いくつかの実施形態においては１００％）を占める（シートは２つの主要な表面を有する。）。ほとんどの場合、シートは、より大きなデバイス内のサブアセンブリの表面を形成する。溶接部は、２つ以上のシートを互いに保持する。溶接部はまた、２つの隣接する内部フローチャネル間のシールを提供する。このデバイスにおいて、「連続領域の１００％」は、表面全体を意味し（単に選択された矩形領域の１００％ではない）、同様に、５０％及び９０％は、表面全体の５０％及び９０％を意味する。好ましくは、シートの幅に対する長さの比は、２より大きい。上記線形密度に加えて、又はその代替として、本発明のデバイスは、デバイスの周囲（周縁部）よりも少なくとも１０倍大きい、好ましくは少なくとも１００倍大きい内部溶接（すなわち、周縁部ではなくシートの内部上の溶接部）を有するものとして定義され得る。
【００２４】
別の態様において、本発明は、第１のシート及び第２のシートを備えるラミネートされたマイクロチャネルアセンブリであって、各シートは、長さ及び幅を有し、シート長さにシート幅を乗じることにより定義される断面積は、１００ｃｍ２より大きく（いくつかの実施形態においては、５００ｃｍ２より大きい）であり、第１及び第２のシートは、実質的に平坦であり（シートはある程度の反りを有してもよいが、シートは波形ではない）、第１のシートは、平行マイクロチャネルのアレイを備え、マイクロチャネルは、バリア壁により互いに分離され（マイクロチャネルは、第１のシートの厚さの一部まで延在してもよく（例えば、エッチングされたチャネル）、又は、第１のシートの厚さ全体を貫通してもよい）、第１のシート及び前記第２のシートは、隣接しており、バリア壁の長さに沿って伸び、第１のシートを第２のシートに結合する溶接部（溶接部は、連続的又は不連続的であってもよい）を備える、ラミネートされたマイクロチャネルアセンブリを提供する。
【００２５】
「沿って伸びる」という用語は、溶接部が、バリア壁と同じ方向に伸び、バリア壁に接触することを意味する。
【００２６】
本明細書に記載の方法のいずれにおいても、アセンブリは、２つ以上の溶接されたサブアセンブリを結合することにより形成することができ、２つ以上のサブアセンブリを溶接してアセンブリを形成する方法は、同じ溶接方法又は異なる溶接方法であってもよい。いくつかの実施形態において、溶接されたサブアセンブリはまた、溶接以外の技術により形成された結合部を含有してもよい。
【００２７】
さらなる態様において、本発明は、アセンブリを形成する方法であって、頂部シートを底部シートに溶接して、頂部シートの頂部表面と底部シートの底部表面との間に配置される複数のチャネルを形成することを含み、溶接は、複数のチャネルにおけるチャネル間のシールを形成するために使用される、方法を提供する。頂部及び底部表面は、ラミネートされたアセンブリの頂部及び底部表面である。例えば、底部シートは、エッチングされたチャネルを含有してもよく、頂部シートは、エッチングされていない平坦シートであってもよい。好ましくは、シートをアセンブリに結合する方法は、２つの隣接する内部フローチャネル間をシールするためにレーザ溶接することを含む。本明細書に記載の実施形態のいずれにおいても、チャネルは、好ましくはマイクロチャネルであってもよい。
【００２８】
別の態様において、本発明は、１次溶接ステップにおけるリーク又は穴をシールするための修復プロセスを受けた、溶接された基板アセンブリを提供し、修復プロセスは、１次溶接（典型的にはレーザ溶接）と同じ溶接方法を含んでもよく、又は、溶接基板アセンブリにおけるリーク点の数を低減するための、ＴＩＧ溶接、パルスレーザ、ＣＭＴ、若しくは他の技術等の２次プロセスを使用してもよい。
【００２９】
さらなる態様において、本発明は、周囲温度において１００ｐｓｉｇを超える（より好ましくは、周囲温度において５００ｐｓｉｇを超える、さらにより好ましくは８００ｐｓｉｇを超える）差圧を保持し得る、溶接された基板アセンブリを提供する。溶接されたアセンブリは、動作中、流体の流動が主としてシート厚さに垂直である、ラミネートされたデバイスである。溶接されたアセンブリにおいて、差圧を維持するためのシールは、拡散接合又はろう付けされない。
【００３０】
別の態様において、本発明は、ラミネート及び溶接されたデバイスを形成する方法であって、水平テーブル上に置かれた場合に１ｃｍを超える曲率を有する溶接された基板アセンブリを得ることと、溶接された基板アセンブリを平坦化プロセスに供し、水平テーブル上に置かれた場合に平坦面から上の隆起が１ｃｍ以下である、実質的に平坦な部品を形成することと、平坦化された基板アセンブリをサブアセンブリに溶接して、ラミネート及び溶接されたデバイスを形成することとを含む、方法を提供する。
【００３１】
さらなる態様において、本発明は、溶接によりシールされた複数のチャネルを備え（シールは、ポリマーガスケット、ろう付け、拡散接合又は他の従来の技術の結果ではない）、１５分間当たり約０．５ｐｓｉｇ未満のリーク速度、又は、窒素中で１００ｐｓｉｇ及び周囲温度で加圧された場合に１０ｓｃｃｍ窒素（好ましくは１ｓｃｃｍ窒素）未満のリーク速度を有する、溶接された基板アセンブリを提供する。
【００３２】
さらなる態様において、本発明は、耐圧性のラミネートされたデバイスであって、（好ましくは溶接により）互いに結合されたシートの積層であって、積層内の複数のチャネルと、複数のチャネルに接続された少なくとも１つの入口及び１つの出口とを備える、シートの積層と、シートの積層内の空隙を構成する、連続的な付着していないスパンと、ラミネートされたデバイスの対向する側面上の第１及び第２の末端プレートと、を備え、末端プレートの主要外面と密着して（例えば溶接により）保持され、連続的な付着していないスパンと配列した領域にわたり連続的に延在する補強部材のアレイをさらに備える、耐圧性のラミネートされたデバイスを提供する。アレイの部材の剛性は、積層方向（すなわち、薄層の面に直交する方向）における屈曲に抵抗するような剛性である。好ましくは、システムは、複数のチャネルを通過する水素及び／又は炭化水素を含むプロセスストリームをさらに備える。
【００３３】
本発明はまた、溶接されたデバイスの修復を提供する。デバイスは、１つ以上の溶接部を除去することにより改修され得る。チャネルの一方の端のプレートを除去することにより、選択されたチャネルを塞ぐことができ、これは、高温点を低減する、又は別様に、発達した欠陥を有するチャネルを回避する。代替として、デバイスは、周縁溶接部を除去することにより開くことができ、次いで、サブアセンブリが除去又は交換され得る。いくつかの実施形態において、サブアセンブリが除去され、デバイスに再び挿入される前に改修され得る。サブアセンブリの除去及び／又は交換後、再び溶接を使用してデバイスを封鎖することができる。解体を補助するために、サブアセンブリの１つ以上の表面が、ジルコニア若しくはイットリアのコーティング等の剥離層でコーティングされてもよく、又は、グラフォイル若しくはセラミックペーパーをサブアセンブリ間に挿入してもよい。
【００３４】
本発明はまた、溶接部を開き、触媒（例えば微粒子触媒）、フィン若しくは波形、又はサブアセンブリを除去又は交換することにより、反応器をメンテナンスする方法を含む。次いで、デバイスは、再び互いに溶接され得る。本発明は、さらに、メンテナンス又は修復から得られる溶接構造を有するデバイスを含む。
【００３５】
さらなる態様において、本発明は、積層状態の複数のシートを備える、ラミネートされた化学処理機であって、積層は、高さ、幅、及び長さの互いに垂直な寸法を有し、高さは、積層方向であり、積層内の開いた空間に対して、長さは、最も長い寸法であり、幅は、長さに垂直であり、積層は、少なくとも１つのシート間の界面を備え、動作中、積層内の開いた空間及び界面おいて内部圧力が印加され、開いた空間は、少なくとも０．０７ｍの幅を有する、以下のような耐リーク性を有するラミネートされた化学処理機を提供する：Ｎ２ガスが入口を通して前記界面の空隙空間内に供給され、圧力が３０ｋＰａ／分から５０ｋＰａ／分の速度で増加し、空隙空間内の圧力が７９０ｋＰａに増加されてその圧力で１５分間維持されるように出口が閉鎖され、次いでＮ２ガスを解放することにより周囲圧力に戻され、次いで入口を通る圧力を３００ｋＰａ／分から４００ｋＰａ／分の速度で上昇させるのに十分な速度で水を供給し、圧力が増加して空隙空間内の圧力が約３０００ｋＰａに増加されるように出口が閉鎖され、次いで約１００ｋＰａ／分の速度で圧力を６０００ｋＰａまで増加させ続け、次いで２５０ｋＰａから３００ｋＰａの速度で圧力を５３００ｋＰａ未満に降下させ、次いで圧力を周囲圧力まで降下させ続け、水を排出して処理機を乾燥させ、再び入口を通して、圧力が３０ｋＰａ／分から５０ｋＰａ／分の速度で増加するような速度でＮ２ガスを前記界面における空隙空間内に供給し、圧力が増加し、空隙空間内の圧力が７９０ｋＰａまで増加するように出口が閉鎖され、それ以上ガスが空隙空間に進入しないように入口が閉鎖された場合、デバイスのリークは、その後１５分間にわたり１００ｋＰａ未満である。
【００３６】
本発明は、試験プロトコルを受けた処理機だけでなく、請求される耐リーク性を有する処理機を含む。より好ましくは、処理機は、その後１５分間にわたり３０ｋＰａ未満、いくつかの実施形態においては１ｋＰａから５０ｋＰａの範囲内の耐リーク性を有する。いくつかの好ましい実施形態において、開いた空間は、少なくとも０．１ｍの幅、いくつかの実施形態においては、少なくとも０．３ｍの幅を有する。処理機は、任意の形状であってもよく、いくつかの実施形態において、処理機は、矩形シートの積層を備え、一方、いくつかの他の実施形態において、処理機は、円形シートの積層を備える。
【００３７】
好ましくは、処理機は、３ｃｍを超える厚さを有する末端プレートを有さず、好ましくは、１ｃｍを超えず、いくつかの実施形態においては０．５ｃｍを超えない。好ましくは、処理機は、少なくとも０．３ｍ、いくつかの実施形態においては、少なくとも０．５ｍの幅及び長さを有する。本発明は、本説明全体にわたり記載された特徴の任意の組み合わせ、例えば、少なくとも０．３ｍの幅及び長さを有し、３ｃｍを超える厚さを有する末端プレートを有さない処理機を含む。界面は、平面であってもよいが、平面である必要性はない。
【００３８】
いくつかの実施形態において、デバイスは、０．１ｋｍを超える内部線形溶接部、いくつかの実施形態においては、１ｋｍを超える内部線形溶接部及び外骨格を備える。好ましくは、ラミネートされた化学処理機は、外骨格及び溶接部により互いに保持される。好ましくは、ラミネートされた化学処理機は、拡散接合又はろう付けされず、またガスケットを有さない。ラミネートされた化学処理機を互いに保持するためにクランプは必要ではなく、また、その耐リーク性に起因して（これはクランプによるものではない）、処理機は、圧力格納容器内にある必要はない。いくつかの好ましい実施形態において、ラミネートされた化学処理機全体の少なくとも６０体積％（いくつかの実施形態においては少なくとも８０体積％）は、マイクロチャネル及び他の空隙空間で構成される。
【００３９】
上述の耐リーク性試験において、「出口が閉鎖される」という記述は、Ｎ２が、シート間の界面を通して漏出する場合を除いて、空隙空間内に捕捉されることを意味する。さらに、この試験は、入口により対応される単一のインターフェース又は全てのインターフェースの合計の平均に適合することを理解されたい。デバイスは、特定のパラメータを有する少なくとも１つの流体回路が試験に適合する場合に適合し、好ましいデバイスは、試験に適合する少なくとも２つの流体回路を有し、より好ましくは、全ての流体回路が試験に適合する（例えば、デバイスが、それぞれが１つの入口及び１つの出口により対応される２つの流体回路を有する場合、両方の回路が試験に適合する）。デバイスは、前記入口に接続されたデバイスの領域を除いて、周囲圧力下である。
【００４０】
本発明はまた、外骨格を有する、及び本明細書に記載の特徴の１つ以上（任意の組み合わせを含む）を有する、ラミネートされた化学処理機を含む。内部圧力境界内の連続的な付着していないスパンは、ラミネートされたデバイスにおける所与の圧力に曝された界面内の薄層間の所与の付着点と、それらの同じ薄層間の隣接する付着点との間の最小距離である。好ましい実施形態において、外骨格は、デバイスに溶接され、一方、他の実施形態において、外骨格は、ろう付け、接着、又は他の手段により保持される。
【００４１】
外骨格は、クランプより優れている。クランプは、より容易に除去することができる（外骨格は、切断又は研削により除去する必要がある）。さらに、外骨格溶接強化部材は、屈曲応力に抵抗するための増加した剛性を提供するために、負荷の印加方向に平行なより長い側面に配向した矩形断面を有してもよい。これにより、より薄いシェルプレートを使用することができ、等しい負荷を支持するために必要な材料の重量及びコストが削減される。外骨格の代わりに、ねじ締結具を備える厚いプレートを有するクランプを使用することができるが、ねじ締結具はこの方向に負荷を受けないため、プレートは、屈曲応力に対する十分な強度を有する必要がある。ねじ締結具は、プレートに作用する圧力により生じる力によりもたらされる十分な引張応力に対する十分な強度を有する必要がある。外骨格は、いずれの場合においても、プレートに追加的な支持を提供する。さらに、クランプは、反復するサイクルの間に、より緩み易く落ち易い。
【００４２】
また、本発明は、ラミネートされた化学処理機を操作する方法であって、処理機の入口にガスを流入させ、処理機の内部の圧力を第１の圧力に増加させることと、随意にリークを検出及び随意にリークを修復することと、ガスを解放することと、処理機に流体を流入させ、処理機の内部の圧力を第２の圧力に増加させることであって、第２の圧力は、第１の圧力よりも高くなるよう増加させることと、流体を除去することと、処理機の入口にガスを流入させ、処理機の内部の圧力を第３の圧力に増加させることであって、第２の圧力は、第３の圧力よりも高くなるよう増加させることと、処理機が第３の圧力に保持されている間に、リークを測定することと、を含む方法を含む。いくつかの好ましい実施形態において、流体は、液体である。この方法は、加圧流体をデバイスに投入してリークを試験する単一ステップの技法より優れている。
【００４３】
さらに別の態様において、本発明は、ラミネートされたデバイスであって、溶接により結合されたシートの積層を備え、シートの積層は、シートの周縁部に沿った溶接により結合されたシートのコア積層と、シートの積層内の歪み緩和結合部と、を備え、歪み緩和結合部は、積層内に保持されるが、２つの隣接するシートの周縁部に沿って実質的に互いに結合されていない２つの隣接シートを備える、ラミネートされたデバイスを提供する。
【００４４】
本開示全体を通して、「隣接」は、介在するシートなしに直接隣接することを意味する。
【００４５】
本発明は、本明細書に記載の装置のいずれかを使用する任意の方法を含み、例えば、本明細書に記載の装置のいずれかを使用する化学プロセスを含む。同様に、本発明は、本出願において記載される方法のいずれかを実行するための任意の装置を含む。本発明は、さらに、本明細書において言及される方法及び／又は構造の任意の組み合わせを含む。シート及びインサート（存在する場合）は、好ましくは全て金属を含む。完成したデバイスにおいて、金属は、保護コーティング及び／又は触媒コーティング、例えば金属酸化物上に分散した触媒金属を有する多孔質金属酸化物層でコーティングされてもよい。
【００４６】
本発明は、様々な代替例において、本明細書に記載の、及び当技術における当業者により合理的に推察され得る広範な概念及び／又は特定の特徴のいずれかを含むことが意図される。例えば、本発明の装置は、本明細書に記載の特徴の組み合わせのいずれかを有してもよい。
【００４７】
本発明は、上で特定された具体的な概念に限定されず、本明細書に記載の方法、システム、及び装置のいずれかを含む。本発明は、本明細書において言及される任意の特徴又は特徴の任意の組み合わせを含む。また、本発明は、化学処理（例えば、熱伝達、化学反応、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成反応を含む）の方法を含み、例えば、本明細書において言及される条件、変換率等の１つ以上（任意の順列を含む）を含む。プロセスがグラフ又は表を参照して説明される場合、本発明は、本明細書に記載の条件、範囲、及び／又は値の＋／−２０％、より好ましくは約１０％、より好ましくは約５％、いくつかの実施形態においては約１％以内の値を有するプロセスを含む。例えば、本発明は、約９０ｍｓから約２７８ｍｓの範囲の接触時間、約５８％から約７３％の間のＣＯ変換率及び約８％から約３４％の間のメタン選択性で実行されるＦＴ合成の方法を含み（「約」という用語は、＋／−２０％以内の値を含む）、本発明は、デバイス構造によりさらに定義される方法を含み、本発明は、代替として、装置の特徴並びに流体組成及び／又は条件の両方を含むシステムとして定義されてもよく、例えば、システムは、１８０℃を超える温度の水素ガス及び一酸化炭素を含有する装置であってもよい。
用語解説
【００４８】
「アセンブリ」は、互いに結合されてラミネートを形成する２つ以上のプレートである。アセンブリは、典型的には、複数の「サブアセンブリ」で構成され、機能性デバイス又はデバイスの前駆体であってもよい。「サブアセンブリ」は、より大きなラミネートされたアセンブリの構成要素である（又はそうであることが意図される）「アセンブリ」である。いくつかの好ましい実施形態において、アセンブリは、入口及び出口以外完全にシールされている。アセンブリは、完全に機能するデバイスである必要はなく、例えば、アセンブリは、完全に機能するデバイスの前駆体又は中間産物であってもよい。例えば、いくつかの場合において、入口及び出口の流通経路を開くために、２次的なトリミングステップが必要である。いくつかの実施形態において、アセンブリは、完成したデバイスの幅及び長さ寸法を有するプレートで構成され、いくつかの他の実施形態において、アセンブリは、複数のサブアセンブリに切断されてもよく、又は、代替として、結合されてより大きなアセンブリを形成してもよい。いくつかの好ましい実施形態において、アセンブリ（又はサブアセンブリ）は、１ｃｍ以下の厚さを有し、いくつかの好ましい実施形態において、０．１ｃｍから１．０ｃｍの間の厚さを有し、いくつかの実施形態において、０．２ｃｍから０．４ｃｍの間の厚さを有する。アセンブリ内のプレートは実質的に平坦であること、並びにアセンブリは平坦な頂部及び底部表面を有することが好ましい。
【００４９】
本開示全体にわたり、「プレート」、「シート」、「ラミネート」、及び「シム」は、交換可能に使用される。プレートは、１ｃｍ以下、好ましくは０．５ｃｍ以下、より好ましくは０．３ｃｍ以下の厚さを有し、典型的には、少なくとも０．０２ｃｍの厚さを有する。
【００５０】
「外骨格」は、ラミネートされた化学処理機の末端プレートの主要外面と密着して（例えば溶接により）保持され、補強部材のアレイの内部圧力境界と外部圧力境界との間に介在する末端プレートに沿って連続的に延在する、補強部材のアレイである。アレイの部材の剛性は、積層方向（すなわち、薄層の面に直交する方向）における屈曲に抵抗するような剛性である。外骨格は、クランプではなく、ねじ又はボルトを必要としない。
【００５１】
「隙間」は、マイクロチャネルの最小寸法である。典型的には、ラミネートされたデバイスにおいて、隙間は、積層方向（すなわち高さ方向）にある。「隙間」という用語が使用される場合、好ましい実施形態は、代わりにマイクロチャネルの高さとして説明され得る。
【００５２】
「マイクロチャネル」は、１０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下、及び１μｍを超える（好ましくは１０μｍを超える）、いくつかの実施形態においては５０μｍから１５００μｍ、触媒の微粒子と共に使用される場合特に好ましくは５００ミクロンから１５００ミクロンの、少なくとも１つの内部寸法（壁と壁との間、触媒を考慮しない）を有するチャネルであり、好ましくは、マイクロチャネルは、少なくとも１ｃｍ、好ましくは少なくとも２０ｃｍの長さにわたりこれらの寸法内を維持する。いくつかの実施形態において、５ｃｍから１００ｃｍの範囲内の長さであり、いくつかの実施形態において、１０ｃｍから６０ｃｍの範囲内である。また、マイクロチャネルは、少なくとも１つの出口とは異なる少なくとも１つの入口の存在により画定される。マイクロチャネルは、ゼオライト又はメソ多孔性材料を通る単なるチャネルではない。マイクロチャネルの長さは、マイクロチャネルを通る流動の方向に対応する。マイクロチャネルの高さ及び幅は、チャネルを通る流動の方向に実質的に垂直である。マイクロチャネルが２つの主要な表面（例えば、積層及び接合されたシートにより形成される表面）を有するこれらのラミネートされたデバイスの場合、高さは、主要表面から主要表面までの距離であり、幅は、高さに垂直である。本発明のいくつかの好ましい実施形態において、マイクロチャネルは、直線的又は実質的に直線的であり、これは、マイクロチャネルを通して直線的な遮られない線を引くことができる（「遮られない」は、固体触媒、吸着剤、又は他の別個の固体材料の挿入前を意味する）ことを意味する。典型的には、デバイスは、共通のヘッダ及びフッタを共有する複数のマイクロチャネルを備える。いくつかのデバイスは、単一のヘッダ及び単一のフッタを有するが、マイクロチャネルデバイスは、複数のヘッダ及び複数のフッタを有してもよい。マイクロチャネルはまた、少なくとも１つの出口とは異なる少なくとも１つの入口の存在により画定されるが、マイクロチャネルは、ゼオライト又はメソ多孔性材料を通る単なるチャネルではない。反応マイクロチャネルの高さ及び／又は幅は、好ましくは約２ｍｍ以下であり、より好ましくは１ｍｍ以下である。マイクロチャネルの側面は、反応チャネル壁により画定される。これらの壁は、好ましくは、ステンレスチール、又はＮｉ系、Ｃｏ系、若しくはＦｅ系超合金、例えばＦｅＣｒＡｌＹ等の硬質材料で作製される。プロセス層は、熱交換チャネルとは異種の材料を含んでもよく、好ましい一実施形態において、プロセス層は、銅、アルミニウム又は３０Ｗ／ｍ−Ｋを超える熱伝導率を有する他の材料を含む。反応チャネルの壁用の材料の選択は、反応器が意図される反応に依存し得る。いくつかの実施形態において、反応チャンバ壁は、丈夫で良好な熱伝導性を有するステンレススチール又はＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）を含む。典型的には、反応チャネル壁は、マイクロチャネル装置のための主要な構造的支持を提供する材料で形成される。マイクロチャネル装置は、既知の方法により作製することができ、いくつかの好ましい実施形態においては、交互に配置したプレート（「シム」としても知られる）をラミネートすることにより作製され、���ましくは、反応チャネル用に設計されたシムは、熱交換用に設計されたシムと交互に配置される。いくつかのマイクロチャネル装置は、デバイス内にラミネートされた少なくとも１０個の層（又は少なくとも１００個の層）を含み、これらの層のそれぞれは、少なくとも１０個のチャネル（又は少なくとも１００個のチャネル）を含有するが、デバイスは、より少ないチャネルを有する他の層を含有してもよい。
【００５３】
いくつかの装置において、プロセスチャネルは、触媒粒子を含有する。好ましくは、粒子は、５ｍｍ以下、いくつかの実施形態においては２ｍｍ以下のサイズ（最大寸法）を有する。粒子サイズは、篩又は顕微鏡法又は他の適切な技術により測定することができる。比較的大きな粒子に対しては、篩い分けが使用される。プロセスチャネル内に含まれる微粒子材料は、触媒、吸着剤、又は不活性材料であってもよい。
【００５４】
熱交換流体は、プロセスチャネル（好ましくは反応マイクロチャネル）に隣接する熱伝達チャネル（好ましくはマイクロチャネル）を通って流動することができ、気体又は液体であってもよく、蒸気、液体金属、又は他の知られた熱交換流体であってもよいが、システムは、熱交換器内で相変化を有するように最適化され得る。いくつかの好ましい実施形態において、複数の熱交換層が複数の反応マイクロチャネルと交互に配置される。例えば、少なくとも１０個の熱交換器が、少なくとも１０個の反応マイクロチャネルと交互に配置され、好ましくは、反応マイクロチャネルの少なくとも１０個の層と連結した熱交換マイクロチャネルアレイの１０個の層が存在する。いくつかの好ましい実施形態において、「ｎ」個の層のプロセスマイクロチャネルが存在する場合、「ｎ＋１」個の層の熱交換層が存在し、それにより熱交換層が全てのプロセス層に接触している。これらの層のそれぞれは、単純な直線チャネルを含有してもよく、又は、層内のチャネルは、より複雑な構造を有してもよい。本発明は、装置及び装置内に存在する流体の両方を含むシステムを含む。「接合」においては、部品の結合に熱プロセスが使用され、１つの部品から別の部品への元素の拡散があり、界面の近く（又は、接合前に界面であった箇所の近く）で元素が拡散した結合物品がもたらされる。
【００５５】
ろう付けは、部品間に挟まれた中間層を使用し、中間層は、部品より低い融点を有する。
【００５６】
溶接は、部品の結合又はシールに熱を使用する。ろう付けとは異なり、溶接は、より低い融点の材料を必要としないが、溶接部は、同じ材料又は若干低い融点を有してもよい同様の材料の溶接ワイヤを使用し得るものの、結合部は溶接された結合部とも呼ばれ、シールは、ラミネートされたデバイスの周縁部にあり、物品の全体ではなく周縁部においていくらかの溶け込み深さを有する。完成した部品における「溶接部」は、熟練した作業者により識別され得、例えば、冶金学者は、顕微鏡検査又は当技術分野において知られた他の技術により、溶接部を識別することができる。
【００５７】
「結合」は、溶接、接合、接着剤、ろう付けを含む。結合は、２つ以上の部品を互いに連結する任意のプロセスである。
【００５８】
「基板アセンブリ」は、互いに取り付けられて密着したラミネートされた積層を形成する複数のシートで構成される。「基板アセンブリ」は、パネルと呼ばれることもあり、流路を画定する頂部及び底部シートで構成されてもよく、より典型的には、複数の流路を画定する積層内の複数のシートを備える。
【００５９】
本発明はまた、本明細書に記載の装置内で単位動作を行う方法を含む。「単位動作」は、化学反応、蒸発、圧縮、化学的分離、蒸留、濃縮、混合、加熱、又は冷却を意味する。「単位動作」は、流体伝達のみを意味しないが、伝達は、単位動作と共にしばしば生じる。いくつかの好ましい実施形態において、単位動作は、混合のみではない。
【００６０】
マイクロチャネル反応器は、１．０ｃｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下（いくつかの実施形態においては約１ｍｍ以下）、及び１００ｎｍを超える（好ましくは１μｍを超える）、いくつかの実施形態においては５０μｍから５００μｍの少なくとも１つの寸法（壁と壁との間、触媒を考慮しない）を有する、少なくとも１つの反応チャネルの存在により特徴付けられる。触媒を含有するチャネルは、反応チャネルである。より一般的には、反応チャネルは、反応が生じるチャネルである。反応チャネルの長さは、典型的にはより長い。好ましくは、反応チャネルの長さは、１ｃｍを超え、いくつかの実施形態においては５０ｃｍを超え、いくつかの実施形態においては２０ｃｍを超え、いくつかの実施形態においては１ｃｍから１００ｃｍの範囲内である。
【００６１】
「圧入」は、フィン（好ましくは銅製波形）が装置内の空間内に配置される様式を説明している。圧入フィンは、圧縮されることにより適所に保持されるか、又はデバイス若しくはサブアセンブリ内の空隙内に収まる。少量のタック溶接が存在してもよいが、圧入フィンは、全ての接触点において所定位置にろう付け又は溶接されない。好ましくは、圧入フィンは、いかなる接着剤又はいかなるそのような化学的接合によっても所定位置に保持されない。
【００６２】
開いた空間は、引張に抵抗する接合された内部支持体が存在しない、プロセッサ内の空間を指す。開いた空間は、圧縮下での支持を提供するリブ又は他の構造を含有してもよいが、これらの構造は、界面の両側に接合されず、したがって引張に抵抗しない。「開いた空間」は、より大きな空間の一部として存在してもよいが、好ましい実施形態において、ラミネートされたデバイスは、周縁部のみにおいて溶接又は別様に結合される。
【００６３】
空隙空間は、デバイスの１つ以上の入口に通されたＮ２ガスに到達可能な、デバイス内の空間である。空隙空間の容積は、空間を少なくとも１０秒間排気し、次いで空間にＮ２ガスを通して、空間を満たすＮ２ガスの量を測定することにより測定することができる。
【００６４】
内部線形溶接部は、外部周縁部溶接されたデバイスの周縁部内で、２つ以上のラミネートを互いに結合する溶接部である。
【００６５】
標準的な特許用語と同様に、「備える」は、「含む」を意味し、これらの用語のいずれも、追加的又は複数の構成要素の存在を除外しない。例えば、デバイスが薄層、シート等を備える場合、本発明のデバイスが、複数の薄層、シート等を含み得ることを理解されたい。代替の実施形態において、「備える」という用語は、より制限的な語句である「本質的に〜からなる」又は「〜からなる」で置き換えられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】プロセス層を組み立てることができるいくつかの要素を示す図である。
【図２】サブアセンブリ及び積層されたサブアセンブリを形成するための、構成要素の積層を示す図である。それぞれの図示されたプロセス層は、３つのフィンインサートを含有する。
【図３】圧縮下のラミネートされた積層及びデバイスの角を示す図である。
【図４Ａ】歪み緩和結合部を形成する２つのプレートを示す図である。
【図４Ｂ】反応器コアの頂部及び底部に溶接された伸縮結合部アセンブリを示す図である。
【図５】ラミネートされたデバイスの外部に設置される「ハロー」を示す図である。
【図６】冷却剤チャネルアセンブリ及び末端プレート面取り面を有する、冷却剤面配列を示す図である。
【図７】触媒保持アセンブリのためのより均一な枠組みを形成するように追加された隅肉溶接部（右側の写真）を示す写真である。図７の右側に示される不規則なフィン形状は、圧縮によりもたらされる。
【図８】本発明の反応器用のプロセス多岐管を示す。図は、多岐管（上及び下）並びにラミネートされた反応器コア（中央）を示す。
【図９】本発明のデバイス用の冷却剤多岐管を示す。
【図１０】部分沸騰への遷移及び全て溶接された反応器の安定な性能を示す図である。
【図１１】７０ｍｓの接触時間での本発明の全て溶接された反応器における熱散逸のプロットを示す図である。
【図１２】曲率を低減するために、事前反曲が冷却剤チャネルに平行な、事前反曲処理を示す図である。
【図１３】レーザ溶接プロセスから形成された突起部に隣接する圧入フィンの解体写真である。フィンは突起部に接触し、次いで、フィンと熱伝達壁との間に小さな割れ目の亀裂が観察される。
【図１４】底部プレートに形成された平行及び隣接する冷却剤チャネルの間のリブの頂部を結合するレーザ溶接線を示す図である。
【図１５】ラミネートされた反応器コア（左）及び外部支持（外骨格）を有する反応器を示す図である。
【図１６】スポット溶接により結合された４つのサブアセンブリから形成されたアセンブリを示す図である。
【図１７】外部支持を含む実施例８のデバイスを示す図である。デバイスコアは、約０．６ｍ×０．６ｍ×０．０８ｍであった。
【図１８】実施例８のデバイスのプロセス回路の静水圧試験に使用された圧力サイクルのプロットを示す図である。
【図１９】実施例８のデバイスの冷却剤回路の静水圧試験に使用された圧力サイクルのプロットを示す図である。
【図２０】床の中心線に沿った触媒温度のプロットを示す図である。フィンの高さは０．２２５”（０．５６３ｃｍ）である。
【図２１】実施例１０：充填床の中心線に沿った触媒温度を示す図である。フィンの高さは０．５”である。
【図２２】実施例１０：充填床の中心線に沿った触媒温度を示す図である。フィンの高さは１．０”（２．５ｃｍ）である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
説明される発明は、デバイスを作製する方法、及びその方法により作製され得るデバイスを提供する。本発明は、さらに、デバイスにおいて単位動作を行う方法を含む。単位動作は、化学反応、相変化、混合、熱伝達、及び分離を含んでもよい。デバイスは、マイクロチャネルであってもよく、又は、マイクロチャネルは、より大きな特徴的寸法を有するデバイスに使用されてもよい。特徴的マイクロチャネル寸法は、１０ｍｍ以下、約０．００１ｍｍから１０ｍｍの範囲、好ましくは０．０１ｍｍから２ｍｍの範囲、いくつかの実施形態において０．１ｍｍから２ｍｍとして定義される。
【００６８】
いくつかの実施形態において、方法は、少なくとも２つのシート、すなわち底部シート及び頂部シートからサブアセンブリを形成する第１のステップを含む（底部シートは、エッチングされたチャネルを含有してもよく、代替として、貫通チャネルを有するシートが、頂部及び底部シートの間に配置されてもよい）。いくつかの実施形態において、サブアセンブリは、３つ以上のシートから作製されてもよい。わずかなリークが存在してもよいが、第１のサブアセンブリを通って横断する流体は、実質的に第１のサブアセンブリ内に留まる。第２のステップにおいて、第１のサブアセンブリは、プロセス層に隣接して積層され、サブアセンブリ及びプロセス層は、圧入されて熱接触し、少なくとも２つ以上の流体通路を含むアセンブリを形成する。
【００６９】
サブアセンブリを結合する１つの方法は、２つ以上の層を備える層の短い積層を形成して流体通路を形成することである。代替の実施形態において、２つ以上の層が結合されて、平行流体通路のアレイ、又は２種以上の流体の流体通路を可能とするアセンブリを形成してもよい。
【００７０】
第１のサブアセンブリを形成するための一実施形態の例として、予め形成されたチャネルを含有するシム又は薄層（チャネルは、エッチングにより形成され得る）が、頂部プレートと結合される。サブアセンブリの端部は、流体が側面から漏出しないように端部に沿って実質的に密封され、流通が意図されない側面又は他の経路から漏出するのではなく、第１の入口から進入する流体の９５％以上、好ましくは９９％以上、さらにより好ましくは９９．９％以上が、第１の出口からサブアセンブリを出るように流路の連続性を維持する。代替の実施形態において、ラミネート構造により画定される１つ以上の入口及び／又は出口が存在してもよい。
【００７１】
ラミネートはまた、好ましくは、連続的な金属又は材料の通過路に沿ったサブアセンブリの頂面及び／又は底面に沿ってシールされ、いくつかの好ましい実施形態においては、通過路の少なくとも５０％が、少なくとも頂面及び／又は底面上に長さ方向において連続的なシールを有し、典型的には、シールは、チャネルを分離するチャネル壁に沿っている。結合は、サブアセンブリにおいて積層された場合に、金属が層間で接触する領域においてのみ生じてもよい。デバイスが製造された後に流体が横断するためのフローチャネル又は空隙を備える領域は、閉鎖されないことが理解される。シールを形成するには２種の材料が接触する必要がある。また、サブアセンブリの１つ以上の面に沿ったサブアセンブリの結合は、流路に沿って連続的であってもよく、又は、デバイスの構造的動作要件により必要に応じて断続的であってもよい。流体は、動作可能なデバイスとして試験される際に、又は動作前の品質管理チェック中に、第１のサブアセンブリ内で１つの平行チャネルから次の平行チャネルへリーク又は横断し得る。この少量の横断流量は、チャネル流量当たり２０％未満、より好ましくは１０％未満、さらにより好ましくは２％以下であり、これらのパーセンテージは、全チャネルにわたる横断流量平均、又は任意の選択されたチャネルからの横断流量に基づいてもよい。
【００７２】
サブアセンブリの結合は、少なくとも２つの層を含むが、３つ以上の層を含んでもよい。一実施形態において、２０個以上の層がサブアセンブリにおいて結合される。第１のサブアセンブリを結合するための方法は、これらに限定されないが、レーザ溶接、抵抗溶接、摩擦撹拌溶接、超音波溶接、拡散接合、ろう付け又は拡散ろう付け又は遷移液相ろう付け、接着剤結合、反応結合、機械的結合等を含む。特定の種類のレーザ溶接（ファイバレーザ及びＹｂファイバレーザ、特に、結合後の金属歪みの量を制限するその低いエネルギー入力のため）によるレーザ溶接の使用が好ましい実施形態である。
【００７３】
サブアセンブリの面を結合するための方法は、サブアセンブリの端部をシールするための方法と同じであってもよく、又はそれとは異なってもよい。一実施形態においては、周縁部に沿ってシールするためにファイバレーザが使用され、別の実施形態においては、パルスレーザが使用される。周縁部に沿ってシールするために、他の溶接又は結合方法もまた同様に使用され得る（流通経路が層に進入またそこから出る領域を除く）。
【００７４】
結合又はシールされたサブアセンブリは、好ましくは、アセンブリに積層する前に品質がチェック（「ＱＣ」）される。全てのサブアセンブリが評価されてもよく、又は、サブアセンブリの統計的サンプリングがＱＣされてもよく、又は、サブアセンブリの無作為サンプリングが品質に関して評価されてもよい。品質チェックは、リークをチェックするための圧力試験、圧力降下をチェックするための流量試験、又は、別途意図されないシールされた内部平行チャネル間の流量を示唆し得る滞留時間分布をチェックするための染料試験を含み得る。
【００７５】
結合又はシールされたサブアセンブリは、次いで、結合されたサブアセンブリを、第２のサブアセンブリ又は流体通路の第２のアレイと交互に配置する、又は散在させることにより、アセンブリに結合され、流体通路の２つ以上の組を有するデバイスを形成してもよい。
【００７６】
流体通路は、波形若しくはフィン構造、又は、フォーム、フェルト、束、エアロゲル等の気泡構造、ハニカム等、化学処理に有用な代替の構造を含んでもよい。いくつかの好ましい実施形態において、波形又はフィン構造は、１より大きいアスペクト比（高さ対幅）を有するチャネル又はチャンバを形成し、高さは、２つのサブアセンブリ間の距離であり、幅は、反復するフィン又は波形の隣接する脚（波面）の間の距離である。代替の実施形態において、第２の流体通路は、任意の熱伝導性構造を含有し得る。
【００７７】
好ましい実施形態において、第２の流体通路はプロセスチャネルであり、第１のサブアセンブリは熱伝達チャネルを備えるが、いくつかの実施形態においては、この機能性は逆であってもよい。
【００７８】
プロセス流体通路を構築するために使用され得る要素の例を図１に示すが、波形は、平面箔から形成される。流体通路の外面は、端部ストリップ（周縁部ストリップ又はｐ−ストリップとしても定義される）又はサイドバーの使用によりシールされ、またさらに支持ストリップ（ｓ−ストリップ）の使用を含んでもよい。
【００７９】
第１のサブアセンブリは、第２の流体通路の層（波形層として示されている）との間に設置又は積層される。これは、図２に示されている。単一の連続した第２の流体通路があってもよく、又は、第２の流体通路のために各層において複数の連続した流体通路（図２においては３つが示されている）が積層されてもよい。
【００８０】
プロセス波形は、フィンの頂点に沿った溶接の使用により、又は、第１のサブアセンブリと第２の流体通路との間の接点の熱伝導性を高める、熱的に接続された接着剤若しくは他の材料により、第１のサブアセンブリに結合されてもよい。一実施形態において、２つの層は、熱的接続を高めるために添加される追加の材料なしに、積層及び溶接中に互いに押し込まれる（ろう付け又は溶接結合部品を使用しないこの実施形態は、「圧入」と呼ばれる）。別の実施形態において、第１のサブアセンブリと第２の流体通路との間の接触抵抗を低減するために、追加的な材料が添加される。別の実施形態において、化学処理中の熱接触は、複数段階プロセスの使用により促進され、圧入プロセス構造とサブアセンブリとの間の狭い間隔又は隙間に、毛管力により処理中に液体が充填される。液体は、優先的に隙間を充填し、化学処理ユニットとして操作される場合、複合構造の伝導性を促進し得る。
【００８１】
第１のサブアセンブリ及び第２の流体通路の両方を含むハイブリッド積層を積層した後、本発明のデバイスは、これらに限定されないが、外部溶接、接着剤、及び反応結合等の方法により結合されて積層を形成する。積層溶接は、とりわけ、ＴＩＧ、ＭＩＧ、レーザ溶接、電子ビーム溶接を含む異なる種類の溶接方法を使用してもよい。外部溶接は、優先的には、再現性及びコスト低減のために自動化される。化学処理機の使用温度及び圧力が半田と共に使用可能であるほど十分穏やかである場合は、半田付けもまた周縁部の結合のための選択肢となり得る。
【００８２】
最終アセンブリの結合前、層を接触させ、層間の空隙を低減して最終的なデバイス結合を生じさせるように、積層が圧縮されてもよい。圧縮は、例えば、ボルトアセンブリにより負荷を加えるクランプされた固定具の使用により、又は、積層に負荷を加えるための外部圧縮を使用して行われてもよい。圧入波形は、圧縮中に変形してもよく、圧縮が取り除かれた後に変形したままであってもよい。
【００８３】
サブアセンブリは、積層前に平坦化を必要とし得る。平坦化の１つの方法は、平滑化機械を使用した、レーザ溶接されたサブアセンブリの圧延平坦化を含む。この方法は、６”×２４”（１５ｃｍ×６０ｃｍ）パネルと共に使用されると、変形を低減した。これらのパネルは、１つの寸法の変形、すなわち溶接線の長さに沿った変形を有していた。圧延平坦化は、２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）サブアセンブリの場合、よりうまくいかず、部品は２つの方向における変形を有していた（ボウル形状又は３次元放物線形状）。従来の平滑化機械を使用して歪んだ部品を平坦化したが、レーザ溶接部の破壊がもたらされた。従来的ではない緩やかな手動圧延機を使用して、歪んだ部分をより穏やかにより平坦な状態まで屈曲した。従来的ではない手動圧延機は、いくらかの変形の低減をもたらしたが、部品を実質的に平坦な状態まで低減せず、実質的に平坦とは、平坦表面上に横たえた場合に、任意の角が１ｃｍを超えて起き上がらない部品として定義される。したがって、緩やかな平坦化は、特に異なる幅及び長さを有するサブアセンブリ（すなわち、非正方形サブアセンブリ）の場合に、優れたデバイスを生成し得る。いくつかの好ましい実施形態において、平坦化は、約１５ｃｍ以下の幅を有するサブアセンブリに対して行われ、いくつかの実施形態において、約１０ｃｍから２０ｃｍの幅を有するサブアセンブリに対して行われる。
【００８４】
サブアセンブリ間のＶ字溝は、溶接隅肉がＶ字溝を充填するように施され得るため有利である。サブアセンブリは、サイドバー又は端部ストリップ領域から若干突出し得る。代替の実施形態において、サブアセンブリは、末端ストリップと実質的に面一である。実質的に面一とは、サブアセンブリの厚さの５倍以内の増分を意味する。例として、サブアセンブリが厚さ０．０１”（０．０２５ｃｍ）であった場合、サブアセンブリの端部は、端部ストリップの端部から０．０５”（０．１２５ｃｍ）を超えて突出又は陥凹しない。０．０６”（０．１５ｃｍ）のサブアセンブリの場合、面一端部からのずれは、約０．３”（０．７５ｃｍ）以内であり、好ましいずれの程度は、平坦面から０．０６”（０．１５ｃｍ）以下であり、例えば、好ましい実施形態として、０．０６”（０．１５ｃｍ）突出しているか、又は０．０６”（０．１５ｃｍ）陥凹している。
【００８５】
この複合的製造方法の主要な利点は、拡散接合及び／又はろう付けのための表面調製要件を低減することである。表面は、高品質の拡散接合及び／又はろう付けのためには、非常に清浄で、平坦で、近接した据付のための厳密な許容差を有さなければならない。ろう付け及び／又は接合ステップの排除はまた、大型デバイスを拡散接合及び／又はろう付けに必要な高温に曝す必要性を排除する。大型デバイスを加熱及び冷却するために必要なエネルギーは大きく、同様に、過度の機械的熱歪み及び結果的な変形を招くことなく、接合又はろう付け時間まで大型デバイスを加熱及び冷却するために必要な時間も長い。主要な平面内部薄層で構成されるステンレススチールで作製されたデバイスの場合、最も外側の角から中心点までの内部熱勾配は、層の機械的変形を防止するために、約３０℃未満から５００℃超までであるべきである。０．５ｍ×０．５ｍを超える断面積を有するデバイスの場合、真空に基づく熱プロセスにおいてろう付け又は接合された際に、デバイスを加熱するために数日、及び冷却するために数日を要し得る。必要な処理時間及び部品の表面調製は、反応器の全体的コストを増加させる。
【００８６】
デバイス製造のための本発明の方法は、反応器の拡散接合及び／又はろう付けステップの必要性を回避する。本発明の方法は、より低コスト及びより短時間で、より高品質で作製された反応器をもたらすことができる。
【００８７】
本発明の圧入デバイスによる驚くべき結果は、層間の接触抵抗の効果である。層の圧入は、密着した熱接触を保証するものではなく、これは、デバイスのサイズが増加して出発部品の平坦性が完璧に満たない場合、さらに悪化する。熱は、流体ストリームを分離するより低品質の接触領域を通って、第１のサブアセンブリと第２の流体通路との間で移動する。拡散接合又はろう付けされたデバイスにおいては、まさにその接合又はろう付けの性質により、各層は密着した熱接触下にあり、一方で、局所的表面粗度及び／若しくは部分的不規則性又は初期変形が、層間の熱伝達の効率を低減する。
【００８８】
層間の熱接触の重要性は、反応器又はデバイスに対するプロセス動作要件に依存する。いくつかの実施形態において、２つの層の間の内部空隙は、動作中、プロセス流体により充填される。別の実施形態において、２つの流体層（その少なくとも１つは圧入層である）の間の接触抵抗を低減するために、接着剤若しくはパテ等の熱的接続材料又は液体又はグラファイト等の変形可能な固体又はそれに匹敵する中間層が、圧入層内に導入されてもよい。
【００８９】
いくつかの実施形態において、介在熱接触層は必要ではない。プロセス側波形と冷却剤側レーザ溶接サブアセンブリとの間の熱接触を促進するために介在層を使用せずに、本発明の反応器においてフィッシャートロプシュ反応を試験した。性能は、同様の設計の全てろう付けされた反応器から測定された性能に実質的に匹敵した。
【００９０】
また、これらに限定されないが、水素化、水素化分解、又は水素化処理反応を含む、水素及び／又は液体のいずれかが関与する反応又は単位動作は、第１のサブアセンブリと第２の流体通路との間の介在熱伝導層を必要としないことが想定される。これらの流体は、良好な熱伝導性を有し、またこれらの流体が空隙を充填する場合、良好な熱伝導性を得ることができる。液体は全て、フィンと隣接熱伝達表面との間の空隙内に吸い込むための十分な毛細管吸引力を有する。さらに、油の表面張力は、ステンレススチールよりも銅に対して大幅に低く、これが、フィッシャートロプシュ反応器の場合、反応中の銅とステンレス（又は他の金属）との間の空隙内への油又はワックスの毛細管吸引力をさらに促進することが留意される。ステンレスに対する油又は液化ワックスのより高い表面張力は、同じ効果を有さない可能性があり、又は、液体を空隙内に吸い込むために、より大幅に小さい隙間を必要とし得る。銅製のフィンはまた、製造の不規則性に対してより寛容であることが想定される。
【００９１】
酸化反応が関与する反応は、介在熱導電性材料を必要とし得ることが想定される。一実施形態において、第２の流体通路上のウォッシュコートされた触媒又は他の保持性流体もまた、２つの層の間の空隙を充填して熱伝達及び反応の熱制御を補助するため、介在熱伝導性材料として機能し得る。
【００９２】
歪み緩和結合部
互いに溶接された２つのプレートで作製された歪み緩和結合部が、コア内の隣接する層を結合する溶接部に付加される歪みを低減するために、積層に追加されてもよい。結合部は、動作中に反応器が加圧されると開放する（伸縮する）ように設計される。そうすることにより、反応器の外側表面上に位置するシール溶接部は歪みのない状態を維持し、これによりユニットの寿命が増加する。
【００９３】
伸縮結合部は、２つの金属プレート、典型的には同じ幅及び長さの積層で作製される。例えば、本明細書の別の箇所で説明されるデバイスにおいて、プレートは、積層の他のプレートの寸法と一致するように、幅約２４”（６０ｃｍ）×長さ２４”（６０ｃｍ）である。好ましくは、下部プレートは、歪み緩和結合部における頂部プレートよりも薄く、例えば、基部プレート（すなわち、積層と同一平面にあり、積層に接触しているプレート）は、厚さ約０．２５”（０．６２５ｃｍ）であり、頂部プレート（外部主要表面により近いプレート）は、厚さ約０．０４”（０．１ｃｍ）であってもよい。いくつかの好ましい実施形態において、基部プレートは、複数の穴を含有し、頂部プレートは、特徴を有さない。プレートは、互いに重なって配置され、端部で配列している。次いで、プレートは、レーザ溶接プロセスにより溶接される。伸縮結合部プレートの端部は、連続的に溶接されず、これにより、デバイスの動作中のプレートの移動が可能になる。好ましくは、溶接パターンは、プレートの端部が角以外結合されないようなパターンである。これにより、端部は、動作中、反応器の任意の膨張を吸収するために、反応器上のシール溶接部を歪めることなく必要に応じて分離し、異なる内部ストリームを互いから隔離することができる。基部プレートにおける穴により、反応器への組み立て前にリークについて溶接部を個々にチェックすることができる。伸縮結合部が認定試験に合格したら、標準的ＴＩＧ溶接プロセスを使用して基部プレートの穴を埋めることができる。
【００９４】
好ましくは、２つの伸縮結合部アセンブリが、完成した反応器コアにおいて使用され、１つはコアの頂部、１つは底部に使用される。好ましくは、歪み緩和結合部の１つのプレートが、反応器コアに対して設置され、周縁部全体にわたり冷却剤サブアセンブリに溶接される。
【００９５】
動作中、反応器は加圧される。圧力は、外部支持体のある程度の弾性的伸張をもたらす。歪み緩和結合部が存在しないと、これは、反応器コア自体の対応する伸張をもたらし、シール溶接部において応力誘導歪みが発生する。伸縮結合部が存在すれば、弾性的伸張が結合部の開放により吸収され、これが溶接部に対する応力を軽減する。
【００９６】
ハロー（１つの連続的な中空の正方形又は矩形金属リングから、又はコアの面の上に突出する連続的リングを形成するように互いに溶接された２つ以上の部分から作製される）への溶接の随意のステップ。ハローは、改修中、後の動作期間中にマクロ多岐管とデバイスとの間の接続を切断し、再び溶接又は結合することができるように、デバイス及び最終的な動作可能な多岐管（マクロ多岐管）の中間的構造を形成する。このハローの使用は、反応器コア内に含有される触媒を除去又は改修するための手段として特に有利である。ハロー、ハローを備えるデバイス、ハローを有するデバイスを作製する方法、及びハローを有するデバイスを使用する方法は、本発明の追加的な発明の態様である。
【実施例】
【００９７】
実施例
実施例１．溶接されたサブアセンブリ−溶接された反応器−圧入伝導性フィン
溶接された反応器を製造し、フィッシャートロプシュを試験反応として使用して、ろう付けされた反応器と等価の性能を検証するために動作させた。反応器は、ストリームに対して２０００時間を超える期間動作し、サブアセンブリに対するプロセスフィンを含有する触媒の圧入接触が、反応器の性能に十分であり、同じ設計のろう付けされた反応器による性能に匹敵することを実証した。
【００９８】
デバイスの説明
２層フィッシャートロプシュ全溶接デバイスを設計し、製造して、本発明の製造プロセスを検証した。複数チャネルマイクロ反応器設計は、３つの冷却剤反復ユニットの間に交互に配置される２つのプロセス反復ユニットからなる。冷却剤チャネルは、プロセスチャネルに対してクロスフローの配向にある。
【００９９】
プロセスチャネルは、長さ１５．７５ｃｍ（６．２インチ）×幅７．６２ｃｍ（３インチ）及び高さ０．６３５ｃｍ（０．２５６インチ）の銅製波形から形成される。波形の厚さは、０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）である。得られるデバイスは、２つの層において２７４個のプロセスチャネルを有する。これらのチャネルのそれぞれが、幅０．０９５ｃｍ（０．０３７５インチ）、高さ０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）及び長さ７．６２ｃｍ（３インチ）の平均寸法を有する。フィンは、優れた熱接触を保証するために、隣接する端部ストリップの公称寸法から０．００６”（０．０１５ｃｍ）だけ大きかった。
【０１００】
デバイスの冷却剤チャネルは、５０ミクロンから１５０ミクロンの間の溶接厚さを有する、５００ミクロンの頂部プレートを通って１０００ミクロンの底部チャネルプレートに進入するがそれを突き破らないＹｂファイバレーザ（ＩＰＧモデル  ＹＬ  −６００−ＳＭ  ：６００ワットイッテルビウムファイバレーザ、波長１．０７ミクロン）で頂部プレートに結合された、レーザ溶接されたサブアセンブリを備えていた。サブアセンブリは、２つのシムから形成され、シムは、頂部又は被覆シート又は壁、及びそれに伴う熱伝達流体用のフローチャネルを含有するチャネルシムを含む。これらの冷却剤サブアセンブリは、約３”Ｌ×約１０”Ｗ×約２．７”Ｈ（８ｃｍ×２５ｃｍ×７ｃｍ）デバイスにおいて積層され、融接及び隅肉溶接により周縁部にシールされた。
【０１０１】
コアコンポーネントの溶接後、デバイスを清浄化し、６６．５グラムのＯｘｆｏｒｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ，  Ｌｉｍｉｔｅｄから入手した高活性コバルト触媒、及びＡｔｌａｎｔｉｃ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓから供給された１２０グリット材料から得た炭化ケイ素を投入した。
最終製造ステップは、ヘッダ及びフッタ溶接（マクロスケールへの、すなわちより大きな配管への外部接続用の冷却剤及びプロセスチャネルのため）及び支持体溶接からなっていた。支持体溶接は、デバイスが圧力格納システム（ＰＣＳ）を必要とすることなく安全に動作することができるようにもするこの設計に対して、構造的に必要であった。
【０１０２】
コアコンポーネント製造
全溶接反応器は、銅製波形及びそれぞれ２つのステンレススチール製端部ストリップを備える２つのプロセス層を有する。３つの冷却剤層は、プロセス層と交互に配置され、ステンレススチール製頂部プレート又は壁及びステンレススチール製チャネルシムを互いにレーザ溶接することによりサブアセンブリとして製造される。壁シムは、厚さ０．０２０”（０．０５ｃｍ）のストックＳＳシート材料から小さくせん断された。冷却剤シムは、部分ＰＣＭ（光化学加工）により厚さ０．０４０”（０．１ｃｍ）のＳＳシートとして形成された非直線的及び直線的チャネル特徴を有し、直線的チャネルに対しては、深さ０．０２０”（０．０５ｃｍ）×幅０．１００”（０．２５ｃｍ）のチャネル及び０．０４０”（０．１ｃｍ）のリブを形成し、非直線的セクションに対しては、深さ０．０１５”（０．０３７５ｃｍ）×幅０．０１７”（０．０４２５ｃｍ）のチャネルを形成する。非直線的セクションは、２２個の屈曲部を有する波状又は蛇行パターンで構成された。レーザ溶接は、各リブに対して、チャネル間及び最も外側のチャネル間のシールを形成するためにシムの全長に対して、並びに外部からのチャネルをシールするために周縁部に対して行った。次いで、サブアセンブリをリークチェックした。サブアセンブリをリークチェックする能力を有することにより、デバイスにおける組み立て前のリークの識別及び修復、並びに欠陥デバイスの製造の回避が可能になった。冷却剤層をサブアセンブリとして事前に製造することの別の利点は、アセンブリにおいて積層させる部品の少なくとも約２０％の削減である。
【０１０３】
プロセス側の端部ストリップは、標準的材料厚さ（公称厚さ０．２５０”）（０．６２５ｃｍ）から、並びに必要最小限の機械加工、つまりある長さ及び幅への切断と端部の面取りのみにより製造された。銅製波形は、薄いコイルが規則的に屈曲されて反復フィン構造が生成される、標準的フィン形成プロセスにより製造された。フィンは、高さ０．２５６”（０．６４ｃｍ）を有するように作製された。末端プレートもまた、所望の長さ、幅及び面取りを達成するために最小限の機械加工を必要とした。全ての部品は、ろう付けされたデバイスに関連する厳密な厚さの許容差を必要としないので、ストック材料が使用され得る。
【０１０４】
実施例１のためのデバイスアセンブリ
デバイスのコア（すなわち、２つの末端プレート間に挟まれたプロセス及び冷却剤層）は、交互に配置されたプロセス及び冷却剤層を形成するようにコンポーネントを積層させることにより形成される。プロセス層の数は、ＦＴ生成物の所望の容量により決定されるが、冷却剤層の数は、プロセス層がその両面に冷却剤層を有するように、プロセス層の数より１つ多い。積層プロセス中、部品を配列させ、またアセンブリ及び初期溶接ステップ全体にわたり配列を維持するために固定具が必要である。クランプ固定具は、積層するための、及び溶接ステップへの移送のために積層されたコアを固定するためのプラットフォームを形成するように設計された。クランプ固定具は、細長いプラス記号のような形状の２つのプレートからなる。それぞれ、１／２”（１．２５ｃｍ）の全ねじ棒に適合するように、四（４）つのスロットを有する。支持体プレートは、底部側の全ねじ末端部及びナットのための余地を形成するように、底部クランプの下に配置された。プロセス面の配列のために、ｃ字クランプによりクランプ固定具のいずれかの側に、４つの直線状端部が適所に保持された。５つ目の直線状端部を使用して、２つの冷却剤面の１つを配列させた。
【０１０５】
積層及び配列固定構成に関して、第１のステップは、クランプ固定具上に末端プレートを配置し、プロセス面の直線状端部の間に中心付けることである。次いで、冷却剤面の直線状端部が、第１の層を積層する前に適所に配置される。積層された第１の層は、冷却剤サブアセンブリであった。プロセス層は、２つの冷却剤層の間に配置される。サブアセンブリは、末端プレート上まで下げられて、冷却剤面の直線状端部に対し適所に摺動され、末端プレート上の面取り面間に中心付けられる（図６）。配列が十分となったら、第１のプロセス層が、冷却剤サブアセンブリの上に積層された。このステップにおいて、端部ストリップは、冷却剤面と面一であった。融接の場合、これにより端部ストリップと冷却剤サブアセンブリとの間、及び端部ストリップと末端プレートとの間の界面がシールされる。第１の端部ストリップは、冷却剤の直線状端部と面一に配置され、次いで波形が配置され、次いで第２の端部ストリップが配置される。波形は、第１の端部ストリップに対して密接して配置され、冷却剤サブアセンブリ上に中心付けられる。第２の端部ストリップは、波形に対して密接して配置され、他の冷却剤面との配列がチェックされる。両方の冷却剤面上の端部ストリップが、隣接する層の＋／−０．０１０”（０．０２５ｃｍ）以内に配列される場合、配列は許容範囲であった。この冷却剤サブアセンブリ及びプロセス層を積層するプロセスは、もう一度反復され、続いて別の冷却剤サブアセンブリが積層された。全積層は、二（２）つのプロセス層及び三（３）つの冷却剤層からなっていた。積層上に配置されるべき最後のコアコンポーネントは、頂部末端プレートであった。頂部末端プレートは、４つ全てのプロセス側の直線状端部及び冷却剤面の直線状端部と面一に配置される。
【０１０６】
コア溶接を完了するために、２つの溶接ステップがあった。第１の溶接ステップは、幅２”（５ｃｍ）の端部ストリップに沿って隅肉溶接部を作製した。各プロセス面上に６つの隅肉溶接部で充填されたＶ字溝があった。クランプ固定具上の湾曲切り抜き領域により、これらのＶ字溝に到達してこの溶接ステップを完了することができた。最初の隅肉溶接部は、波形を損傷することを回避するために、波形に最も近い端部ストリップ末端の寸前で止まるように設計された。後に、隅肉溶接部は、触媒保持アセンブリと一致するように、端部ストリップの内側端部内に充填された。これらの隅肉溶接の前後の写真を、図７に示す。これらの隅肉溶接が完了したら、クランプ固定具を取り外し、次の溶接ステップのために冷却剤面への到達を可能とした。各冷却剤面上に３つの冷却剤サブアセンブリがあり、したがって、それぞれ面の全長を融接する６つのシーム（各サブアセンブリの上下に１つのシーム）があった。次いで、コアは、清浄化及び触媒投入のための調製の準備が整う。
【０１０７】
清浄化及び触媒投入
触媒投入前に、デバイスのプロセス側を清浄化し、触媒保持アセンブリを適所に溶接した。
【０１０８】
触媒を投入する前に、コアを垂直位置に配向させながら、触媒を保持するために触媒保持アセンブリを挿入し、１つのプロセス面上の適所に溶接する。触媒保持アセンブリは、スクリーン、スクリーン保持リング、フォーム及びフォーム保持リングの４つの部品からなる。スクリーンは、触媒をデバイス内に保持するように機能する。スクリーン保持リングは、スクリーンをプロセス面に対して密接して適所に保持する薄いＳＳ枠である。スクリーン保持リングの周縁部の周りの小さな溶接部が、スクリーンを適所に固定し、デバイス内での良好な触媒保持を確実にする。また、端部ストリップ上の隅肉溶接部も、端部ストリップの内側端部まで延長され、より良好な触媒保持が提供された。アルミニウム製遮蔽プレートを使用して、スクリーン保持リングに対する周縁部溶接中、銅製波形を保護してもよい。
【０１０９】
触媒保持アセンブリが１つのプロセス面上の適所にある状態で、触媒投入を行った。投入は、４ステッププロセスであった。４つの末端チャネル（各プロセス層において各末端に１つ）は、部分フィンを有し、スクリーン保持リングによりブロックされ、したがって不活性チャネルとみなされた。これらのチャネルは、第１の投入ステップにおける触媒とほぼ同じ粒径の不活性材料である、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で完全に充填された。残りのチャネルには、３つの層、すなわち、プロセス入口における約０．６６５”（１．６６２５ｃｍ）のＳｉＣ、約１．５”のＦＴ（３．７５ｃｍ）触媒床、及びプロセス出口における約０．７５”（１．８７５ｃｍ）のＳｉＣが投入された。３つの層のそれぞれの深さを得るために、材料を少しずつデバイスに投入し、続いてデバイスの側面（末端プレート）をゴム製ハンバーで叩き、投入した材料を高密度化した。それぞれの少しずつの投入及び高密度化の後、ゲージ高さピンを使用して、全てのチャネルの深さを測定した。所与の層に対してこのプロセスを完了したら、超音波により材料をさらに高密度化し、ＰＡＢＤ（材料のｅｘ−ｓｉｔｕ測定充填平均床密度）に可能な限り近い密度を得た。高密度化後に頂部層が端部ストリップと面一に維持された時に、投入を完了した。超音波照射により触媒がさらに高密度化されない時に、触媒床は完全に高密度化されたとみなした。３つ全ての層（２つのＳｉＣ層、１つの触媒層）が投入されたら、他のプロセス面に関して以前に説明されたのと同じ手順を使用して、触媒保持アセンブリをデバイスの開いたプロセス面上に設置し、溶接した。
【０１１０】
実施例１のための最終溶接
３つの最終溶接ステップ、すなわち、プロセス多岐管、冷却剤多岐管及び支持体プレートの取り付けで、デバイス製造が完了した。ろう付けされたデバイスとは異なり、全体的にシールされた全溶接ＦＴデバイス用の内部コンポーネントのみが、冷却剤サブアセンブリである。残りのコンポーネント（波形、端部ストリップ及び末端プレート）は、全て、周縁部で隣接するコンポーネントに取り付けられるのみである。支持体プレートは、動作中の大きな差圧下で完全性を維持するために、デバイスに対し必要な支持を提供する。支持体プレートはまた、ろう付けされたデバイスに使用される圧力格納シェル（ＰＣＳ）を置き換えるように機能する。ストリーム及び液体の水を別個に除去するために、冷却剤に２つの出口が使用される。
【０１１１】
プロセス多岐管は、ステンレススチール３０４Ｌから構築され、近似的に長さ９．１”（２２．７５ｃｍ）×幅２．７”（６．７５ｃｍ）×深さ１．９”（４．７５ｃｍ）である。８．１”×１．７”×１．２”（２０．２５ｃｍ×４．２５ｃｍ×３．００ｃｍ）の近似的寸法を有する内部ポケットは、完全にプロセス波形開口部を封入し、触媒保持機構に支持を提供する。多岐管は、従来のＴＩＧ溶接プロセスを使用して、コアの周縁部にわたり溶接される。直径１インチの管が、両方のプロセス多岐管の中心から延在し、コアに対するプロセスガスの流入及び流出を可能にする。多岐管は、動作中のプロセス圧力を支持するために、約０．５”（１．２５ｃｍ）の最小壁厚を有するように設計される。図８を参照されたい。
【０１１２】
冷却剤入口多岐管は、ステンレススチール３０４Ｌから構築され、近似的に長さ５．６”（１４ｃｍ）×幅２．７”（６．７５ｃｍ）×深さ１．７”（４．２５ｃｍ）である。４．８”×１．９”×１．３”（１２ｃｍ×４．７５ｃｍ×３．２５ｃｍ）の近似的寸法を有する内部ポケットは、完全に冷却剤入口チャネルを封入し、冷却剤を冷却剤入口面上に等しく分配するように設計される。多岐管は、従来のＴＩＧ溶接プロセスを使用して、周縁部にわたり溶接される。直径１インチの管が、多岐管から延在し、コアに対する冷却剤の流入を可能にする。多岐管は、動作中の冷却剤圧力を支持するために、約０．３８”（０．９５ｃｍ）の最小壁厚を有するように設計される。
【０１１３】
冷却剤出口多岐管は、ステンレススチール３０４Ｌから構築され、近似的に長さ５．６”（１４ｃｍ）×幅２．７”（６．７５ｃｍ）×深さ４．４”（１１ｃｍ）である。４．８”×１．９”×４．０”（１２ｃｍ×４．７５ｃｍ×１０ｃｍ）の近似的寸法を有する内部ポケットは、完全に冷却剤出力チャネルを封入し、障害なしに冷却剤流を反応器コアから流出させるように設計される。多岐管は、従来のＴＩＧ溶接プロセスを使用して、周縁部にわたり溶接される。反対側から、直径１”（２．５ｃｍ）の２つの管が多岐管から延在する。上の管は、スチーム蒸気を流出させ、下の管は、液体の水を流出させる。多岐管は、動作中の冷却剤圧力を支持するために、約０．３８”（０．９５ｃｍ）の最小壁厚を有するように設計される。
【０１１４】
２つの冷却剤多岐管は、固体金属コア末端プレート及びプロセス多岐管に直接溶接される。そうすることにより、コア溶接部は、完全にプロセス及び冷却剤多岐管のパラメータ内に封入され、したがって、反応器のいかなる外部表面にも直接露出しない。図９を参照されたい。
【０１１５】
次いで、支持体（外骨格）が、従来のＴＩＧ溶接プロセスを使用して追加される。垂直（プロセス流）方向に反応器を覆う支持体の４つの組、及び冷却剤出口多岐管上を水平に延在する１つの追加の組がある。垂直支持体の各組は、長さ８．８”（２２ｃｍ）×高さ３．３”（８．２５ｃｍ）×厚さ０．２５”（０．６２５ｃｍ）の近似的な全体寸法を有する、ステンレススチール３０４Ｌの２つの同一の部品から構築される。支持体の各組は、それらの末端が接触する点で互いに溶接されると共に、その周縁部にわたり反応器にステッチ溶接される。支持体の４つの組は、約２”（５ｃｍ）だけ互いに離間しており、第１の組は、冷却剤入口多岐管の端部から約２．７”（６．７５ｃｍ）の位置にある。垂直な支持体の４つの組は、反応器コア及びプロセス多岐管に対する支持を提供するが、水平な組は、大きすぎる冷却剤出口多岐管への追加的支持を提供する。２つの水平な支持体は、ステンレススチール３０４Ｌから構築され、近似的に長さ５．４”（１３．５ｃｍ）×高さ２’（６０ｃｍ）×厚さ０．２５”（０．６２５ｃｍ）である。それらは、冷却剤出口多岐管のいずれかの側に中心付けられてその多岐管に溶接されると共に、コアの末端プレート及び最も外側の垂直支持体に溶接される。
【０１１６】
実施例１のための実験装置
プロセス側
フィッシャー・トロプシュ合成マイクロチャネル固定床反応器に供給される合成ガス（シンガス）の流量及び組成は、Ｂｒｏｏｋｓ質量流コントローラを使用して個々のガス（一酸化炭素、水素、及び窒素）の流速を設定することにより制御された。ガスは、いかなる不純物も除去するために、活性炭及び分子篩１３×トラップを通して供給された。供給物は、反応器に進入する前に、ステンレススチール製マイクロチャネル熱交換器内で予熱された。反応器は、クラムシェル型３０００Ｗ  Ｗａｔｌｏｗ加熱器内に封入され、さらに、熱損失を最小限化するために断熱された。動作データは、圧力変換機及び３１６ＳＳシースＫ熱電対を使用して測定された。
【０１１７】
生成物ストリームは、高圧の３つの回収容器を通して配送され、水相と共に、より重質の炭化水素生成物からより軽質の炭化水素生成物を大まかに分離するために、段階的に冷却された。第１の生成物タンク（約１００℃に保持）及び第２のタンク（周囲温度、約２５℃に保持）が、生成物の大部分を回収した。水相及びより重質の炭化水素（ワックス）生成物は、第１のタンクに回収され、一方水相及び透明な液体炭化水素相は、第２のタンクに回収された。第３のタンクからの排ガスは、換気された。
反応器のちょうど下流側及び第１の生成物回収タンクの上流側に位置する試料ポートから、生成物ガス試料を回収し、２つのカラム、分子篩５Ａ及びＰｌｏｔＱを備えるＡｇｉｌｅｎｔ  Ｍ２００Ｈ  マイクロガスクロマトグラフを使用して分析した。
【０１１８】
冷却剤側
冷却水を格納するために、２０ガロン（７６Ｌ）炭素鋼タンクを使用した。水の化学的性質は、Ｃｏｒｔｒｏｌ  ＯＳ５３００及びＯｐｔｉｓｐｅｒｓｅ  ＡＰ３０２の追加により維持された。タンクは、蒸気ループ圧力を維持するために窒素で加圧された。Ｃａｔポンプ（モデル２３１．３０００）を使用して、冷却回路に水をポンピングした。Ａｐｐｌｅｔｏｎ  ＦＬＳＣ−６２Ａ流量計を使用して、冷却剤流量を測定及び制御した。供給水は、反応器に進入する前に、２５ｃｍ、５ミクロン微粒子フィルタバンク及び６０ミクロンＳｗａｇｅｌｏｋフィルタに通過させた。反応器蒸気出口は、冷却剤圧力を制御するために窒素源に接続され、一方、水（冷却剤フッタにおいて分離される）は、２リットルのステンレススチール製Ｓｗａｇｅｌｏｋ容器に流入するが、これはシステム内の適切な水レベルを維持するために使用された。
【０１１９】
性能データ
本発明の全溶接反応器は、圧力格納シェルを使用せずに、約２１５０時間動作した。反応器は、この高圧反応に対し圧力支持を提供するために、外部に溶接された外骨格を有していた。
【０１２０】
反応器は、熱散逸の点（プロセス側で約７０ミリ秒の接触時間）まで、徐々に厳しい動作条件で動作した。熱散逸事象の後、触媒に対する損傷の程度を評価するために、反応器を再生した。再生後、触媒は、初期活性の約５０％を回復した。
【０１２１】
始動及び妥当性確認試験
反応器の始動は、以下のように行った：触媒活性化の完了後、反応器を周囲温度まで冷却し、次いで３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）まで加圧した。冷却水を目標流速で冷却剤ループに導入し、反応器を約１７０℃のシンガス導入温度まで加熱した。次いで、段階的にシンガスの流動を開始し、反応器を目標動作温度まで加熱した。
【０１２２】
始動の完了後、反応器は、Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．８％、ＣＴ約２９０ｍｓの条件に到達した。２列の熱電対を、触媒床の開始から約１．１７ｃｍ（０．４６ｉｎ）及び３．２ｃｍ（１．２６ｉｎ）（反応器入口から３．２０ｃｍ及び５．２３ｃｍ）で外部反応器表面上にタック溶接した。本発明の全溶接マイクロチャネル反応器は、完全な等温反応器動作を行わなかったが、測定された温度勾配は、約５℃未満であった。さらに、ＦＴ触媒での内部勾配は測定されなかったが、反応器壁において測定される測定熱勾配よりも大きいと予測される。
反応器の面にわたる温度プロファイルは、平均温度の±２℃以内に制御された。
【０１２３】
同じフィッシャートロプシュ触媒に基づく本発明の（全溶接）反応器の性能とろう付けされた反応器との直接的比較を、表１にまとめる。
【表１】
2018196884.tif 000003
*注：温度測定箇所は、２つの反応器の間で若干異なる。ろう付けされた反応器の場合、温度は冷却剤シム表面で測定され、一方本発明の（全溶接）反応器の場合、反応器壁表面の外部上で測定されている。
【０１２４】
本発明の全溶接反応器の稼動時間性能は、同じ条件において、他のろう付けされた単一チャネルの反応器に匹敵する。
この妥当性確認期間中に回収された生成物ワックスを、炭素数分布について分析した。結果は、短い及び長い単一チャネル反応器を用いた同様の条件における以前の試験、並びにろう付けされたパイロット規模反応器の試験からのワックスとの優れた一致を示した。
【０１２５】
プロセスの乱れに対する堅牢性
約２１１時間の稼動時に、冷却剤流量計が故障してインターロック事象を引き起こした。冷却剤流量計の故障は、（ポンプは正常に機能しているにもかかわらず）ゼロ流量アラームを誘引し、バックアップ用ポンプを始動させ、著しく高い冷却剤流量をもたらしてインターロックを引き起こした。５分以内に、システムはリセットされた。反応器は、その期間中、約１９７℃まで冷却された。システムがリセットされると、ＣＯ及びＨ2流が即時にＯＮになった。Ｎ2流は、２分後にＯＮになった。反応器温度は即時に増加し始め、冷却剤流がないために、（システムリセットから）９分以内に反応器外側表面上で記録される最高温度が約２４０Ｃに達した（冷却剤チャネルが排水されなかったため、以前の動作からの水のプールが冷却剤側に滞留し、これが蒸発し始めた可能性がある）。温度が２４０℃に達した時に（システムリセットから９分）、冷却剤ポンプが手動で始動された。反応器温度は、再び正常なレベルまで降下し始めた。２８分（システムリセットから３７分）以内には、状況は制御下にあり、反応器は約１９２Ｃまで冷却された。次いで、反応器温度は、インターロック前の値（約２０６．６Ｃ）まで徐々に増加した。リセット後、Ｈ２流量は目標より高い値に設定され、Ｈ２：ＣＯ比は（２．００ではなく）２．１７となった。
【０１２６】
この実験結果は、冷却剤供給を失った数秒以内には熱散逸が生じないという点、及び冷却剤の損失と４０℃を超える反応器温度の上昇との間に９分が経過しているという点で、驚くべき結果であった。冷却剤を再始動し、目標温度に到達した後、触媒性能は期待されるレベルまで回復した。触媒体積に対する金属反応器ブロック体積の高い比が、システムの乱れが逆転する間の数分間、反応の発熱を吸収するための熱シンクを生成する。これは、冷却剤の一時的損失が熱散逸事象及び触媒性能の損失をもたらす従来の管状固定床ＦＴ反応器に比べて、特に有利である。本発明のＦＴ反応器は、冷却剤流がない９分後に期待される性能に戻ることが示された通り、望ましくない熱的乱れに対する適度な一時的緩衝をもたらす。反応器温度は、期待されるように上昇したが、金属構造の高い熱容量が、触媒の永久的な焼結を回避した。
【０１２７】
全溶接パイロット反応器において、触媒体積は前反応器体積の約７％であった（０．９３４Ｌの反応器ブロック−１０”×３”×１．９”（２５ｃｍ×７．５ｃｍ×４．７５ｃｍ））において６３．１ｍｌの触媒）。約１４：１の触媒体積に対する反応器体積のこの比において、冷却剤のない９分の熱シンク時間が許容されることが示された。
【０１２８】
触媒体積に対する反応器体積の比が１４：１未満、より典型的には１０：１未満、さらにより好ましくは３：１又は２：１未満である、より大型のデバイスにおいては、冷却剤流のない許容される時間は９分未満であり、５分以内、いくつかの実施形態においては３０秒以内であることが予測される。いくつかの好ましい実施形態において、反応器体積に対する触媒体積の比は、２％から６０％の間であり、本発明による反応器のいくつかの実施形態においては、５％から４０％の間であり、全反応器体積は、チャネル、チャネル壁、一体化された多岐管、及び外壁の体積を含むが、外部配管又は圧力格納容器を含まない。
【０１２９】
さらに、約３４６時間の稼動時に、出口流量に対する低い乾式試験メータ（ＤＴＭ）読取値のため、一酸化炭素質量流コントローラを交換した。新しいＣＯ  ＭＦＣを、目標よりも低い値に設定すると、増加したＨ２：ＣＯ比が得られた。その後の１７時間の期間中（最大約３６３時間の稼動）、Ｈ２：ＣＯ比は、約２．３６であり、ＣＯ変換率は、８５％を超える値まで増加した。
【０１３０】
驚くべきことに、我々は、高いＣＯ変換率であっても、不活性化の速度は増加せず、供給比を調節した後、性能は以前のレベルに復帰することを発見した。反応器は、ＣＯに対するＨ２のより高いレベルを含む、様々な範囲の条件に対する堅牢な動作を有していた。従来の管状固定床ＦＴ反応器は、反応からの放出熱の急激な増加を含む熱出力の迅速な変化に対して、良好に応答しない。本発明の反応器は、反応熱がより高いＨ２対ＣＯ比を伴って増加しても、安定に動作し続けた。さらに、シンガス比が目標値に復旧された後、性能は、期待される性能に戻った。
【０１３１】
部分沸騰評価実験
本発明の反応器の実証の次の段階において、冷却剤の部分沸騰を試験し、沸騰流制御特徴（主要冷却剤チャネルの前の入口側におけるより小さい断面積のチャネルの２２個の波状屈曲部）のみを、波状特徴の輪郭に沿うのではなく、平行波状特徴の間の線形シームに沿ってシールした本発明の全溶接反応器の熱制御及び安定性を検証した。冷却剤フローチャネル当たり１つの波状形状セクションがあり、平行冷却剤チャネルの間の単純な線形シールは、高い熱フラックス部分沸騰制御反応における安定な動作を維持するのに十分であり、例えば、流動は、前線の圧力降下を低め、沸騰中の冷却剤流の不安定化をもたらす可能性がある蛇行特徴に隣接するランドに沿った屈曲部を迂回しないようであった。
【０１３２】
「ホーム」条件（Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．８％、ＣＴ約２９０ｍｓ）に相当する動作条件が維持された。約６３４時間の稼動時に開始して、冷却剤流量は、約１〜３％沸騰の出口蒸気品質が達成されるように、約２ＬＰＭから低下した。反応器温度はまた、約７０％のＣＯ変換率を維持するように調節された。約６７９時間の稼動時に、冷却水流速は０．４ＬＰＭに減少し、１．５％の出口蒸気品質が達成された。反応器温度は、目標ＣＯ変換率を維持するために、２０４．３℃に低下させた。性能は、単一相動作と実質的に同様であった。さらに、部分沸騰の使用により、反応器は、最初の２９０ｍｓよりも短い接触時間で動作されたＦＴ反応器からの、より高い正味熱フラックス又は発熱を伴って動作することができる。
【０１３３】
部分沸騰条件は、約３００時間の稼動期間保持されたが、この期間中の性能は図１０に要約される。
本発明の反応器は、２９０ｍｓの「ホーム」条件において、水の部分沸騰及び１．５％の出口蒸気品質を伴って２５０時間を越える稼動期間動作し、単一相冷却剤の性能に実質的に匹敵した。
【０１３４】
熱安定性評価実験
次の試験段階において、反応の熱負荷を増加させることにより、熱を効果的に除去する本発明の反応器の能力を試験した（接触時間を短縮することによってより多くのシンガスを処理するとともに、温度を調節することによってＣＯ変換率を維持する）。プロセスフィンは、冷却剤サブアセンブリに接触する圧入のみであったことが留意される。冷却剤サブアセンブリとの圧入プロセスフィンの接触抵抗は、発熱ＦＴ反応器の性能を実質的に変化させなかった。
さらに、１つの壁に対するフィンの圧入は、サブアセンブリを製造するレーザ溶接法に起因する、高さ約０．０１３ｍｍから０．１３ｍｍ（０．５ミルから５ミル）、及び幅０．０２５ｍｍから０．５０８ｍｍ（１ミルから２０ミル）の、隆起したリブ又は突起により妨げられた。
【０１３５】
１６．５％希釈、Ｈ２：ＣＯ＝２、及び３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）の動作圧力を維持しながら、プロセス反応接触時間を２９０ｍｓから約７０ｍｓまで段階的に低減した。例えば、６６．５グラムの触媒及び６３．１ｃｍ3の触媒床体積を仮定すると、２９０ｍｓ（１３．１ＳＬＰＭ流量）から７０ｍｓまでの変化は、反応器へのシンガス流量を５４．１ＳＬＰＭに増加させる。シンガスの組成及び遷移の詳細を、以下の表２に示す。温度を約２０６．６℃から約２６３℃まで増加させ、約７０％のＣＯ変換率を維持した。このより高い熱負荷の結果として、熱を除去する冷却剤の能力を試験した。この動作段階中の主要データを、以下の表２に示す。
【０１３６】
【表２】
2018196884.tif 000004
【０１３７】
上記データに基づき、本発明の溶接された反応器設計は、２９０ミリ秒の接触時間条件で生成された熱負荷よりも４倍を超える熱負荷に対応することができる（平均蒸気品質は、約１．５％から約１０％に増加する）。
【０１３８】
動作の個々の段階及び他のデバイス（ろう付けされた単一チャネル反応器）を用いた試験からの同様の試験条件との比較を、以下に示す。
【０１３９】
本発明の溶接された反応器を、９４５時間から１１３１時間の稼動時間、２１０ｍｓの接触時間で試験した。他のプロセスパラメータは、Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．５％で一定に保持した。反応器温度は、目標ＣＯ変換率を維持するために、約２１４．６℃に増加させた。
【０１４０】
本発明の溶接された反応器を、１１３２時間から１１８２時間の稼動時間、１５０ｍｓの接触時間で試験した。他のプロセスパラメータは、Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．５％で一定に保持した。反応器温度は、目標ＣＯ変換率を維持するために、約２２１．７℃に増加させた。
【０１４１】
本発明の反応器を、１２０５時間から１３５０時間の稼動時間、１００ｍｓの接触時間で試験した。他のプロセスパラメータは、Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．５％で一定に保持した。反応器温度は、目標ＣＯ変換率を維持するために、約２４１．２℃に増加させた。約１２２１〜１２２８時間の稼動期間中、水滴によりＣＯ質量流コントローラが故障してインターロック事象を引き起こし、交換しなければならなかった。
【０１４２】
次いで、接触時間をより緩やかに５ｍｓずつ１００ｍｓから７０ｍｓに短縮した。他のプロセスパラメータは、Ｈ2：ＣＯ＝２．０、Ｐ＝３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）、希釈剤約１６．５％で一定に保持した。７０ｍｓの接触時間及び約２６３．１℃（約１５４２時間の稼動）の反応温度で、反応器上の複数の熱電対の場所で不安定な散逸挙動が見られた。図１１中のグラフに示されるように、一定条件において（反応器温度を低下させることにより散逸が制御される前に）温度の急激な増加が見られる。
【０１４３】
図２２において説明される温度は、最も外側の冷却剤チャネルと接触している厚さ１．２７ｃｍ（０．５ｉｎ）の支持体プレートの反対表面上にある反応器の外部金属壁上で測定される。金属温度上昇は１０℃未満であるが、５０℃を超えると予測される触媒床上の温度上昇を示す。
【０１４４】
この動作期間中、本発明の溶接された反応器のより高い容量もまた実証された。２９０ｍｓ、２１０ｍｓ及び１５０ｍｓ接触時間動作からのワックス材料を分析して、アルファ数を計算した。デバイス性能は、以下の表３に要約される。
表３．生成物ワックスに対し０．８９以上のアルファ値を有する、本発明の全溶接反応器の実証された高容量性能。２１０ミリ秒を超える接触時間の間、アルファ値は、０．９１以上であった。アルファは、古典的にフィッシャートロプシュ化学の分野における当業者により知られているように定義される。
【表３】
2018196884.tif 000005
【０１４５】
蒸気品質／部分沸騰安定性評価実験
１６６２時間の稼動から１７８３時間の稼動までの研究のこの部分において、冷却剤流量は、０．５ＬＰＭ（他の動作パラメータをＨ２：ＣＯ＝２、１６．５％希釈、３５０ｐｓｉｇ（２４１３ｋＰａ）プロセス圧力）で一定に保持）から低下し、同じ熱負荷で沸騰の程度を増加させ、より高い出口蒸気品質を達成した。約１７１２時間の稼動時に、０．２ＬＰＭの流量で、流量計はその読取下限値に達し、水流速度はそれ以上低下しなかった。この試験段階中の平均蒸気品質は、以下の表４に示されるように、約１５％に増加した。
【０１４６】
【表４】
2018196884.tif 000006
【０１４７】
レーザ溶接サブアセンブリに対する圧力
ＦＴ反応器の動作中、レーザ溶接されたサブアセンブリは、冷却剤サブアセンブリ内の流体圧力が稼動時間と共に増加すると、サブアセンブリに対する圧縮から引張へと推移する。具体的には、プロセス層に隣接する冷却剤サブアセンブリのセクションは、冷却剤サブアセンブリ全体より小さい。この例において説明される全溶接反応器において、サブアセンブリの約６０％が、フィン付プロセス層に隣接し、圧縮及び引張下で変化する。２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）サブアセンブリを有するより大型の反応器は、沸騰温度が圧力と共に変化すると圧縮と引張との間で移行する、サブアセンブリ表面積の８０％超を有する。反応温度は、触媒がワックスの蓄積により不活性化するため、フィッシャートロプシュ反応においては典型的に増加する。典型的な開始温度は、２００℃と２１０℃との間であり、蒸気曲線からの沸騰温度は、約２１０ｐｓｉｇから２６０ｐｓｉｇ（１４４８ｋＰａから１７９３ｋＰａ）の間である。プロセス供給圧力は、典型的には、２５０ｐｓｉｇから４５０ｐｓｉｇ（１７２４ｋＰａから３１０１ｋＰａ）の間である。温度は、冷却剤側の圧力を増加させることにより上昇する。２２０℃において、沸騰（フィッシャートロプシュの反応の発熱を除去するための好ましい方法）中の蒸気圧は、約３２０ｐｓｉｇ（２２０６ｋＰａ）である。２３０℃において、蒸気圧は、約３８０ｐｓｉｇ（２６２０ｋＰａ）である。この例において説明される実験において、プロセス温度は２５０℃超に上昇したが、蒸気圧は約５６０ｐｓｉｇ（３８６１ｋＰａ）であり、プロセス反応圧力を大幅に超える。実験の開始時、レーザ溶接部は、フィン又はプロセス側でのより高い圧力により圧縮下にあった。最高温度において、レーザ溶接部は圧縮下にあり、圧力は高く、プロセス側よりも冷却剤側において３３２ｐｓｉｇ（２２８９ｋＰａ）高かった。再生前及び再生後、反応温度は２２０℃未満まで降下し、レーザ溶接部は、引張下に置かれるのではなく圧縮に戻った。レーザ溶接されたサブアセンブリは、圧縮及び引張下の両方で動作し、１０００時間を超える稼動期間内で圧縮に戻る程堅牢であった。さらに、レーザ溶接部が圧縮又は引張下で動作して再び戻る程堅牢であるだけでなく、フィン及び触媒圧密の熱接触は、デバイス内の圧力変化により影響を受けなかった。本発明の反応器の良好な性能を維持するための重要なパラメータは、良好に投入された触媒床であり、好ましくは、触媒充填密度は、微粒子材料に対するＡＳＴＭ法により外部で決定されるように、理論的ＰＡＢＤ（充填平均床密度）の２％以内、好ましくは１％である。低温流動圧力降下試験を使用して、実際の圧力降下とＥｒｇｕｎの式から予測される圧力降下とを比較してもよい。圧力降下が、Ｅｒｇｕｎの式からの予測値の５％以内でない場合（２％が好ましい）、床の充填は低い。床の充填が低い場合、反応器内のフローチャネルに悪影響がある可能性があり、プロセス及び冷却剤チャネルに関して、圧縮と引張との間の変化は、磨耗又は研削が生じ得るように触媒粒子への望ましくない力の増加をもたらす可能性がある。触媒粒子が粉砕された場合、結果生じる微小粒子が、いくつかのチャネルにおいて他のチャネルよ��大きな圧力降下をもたらす可能性があり、また、流動の不均衡配分、高温点、又は時期尚早の熱散逸をもたらし得る。
【０１４８】
要約すると、全溶接反応器の性能が検証され、ろう付け及び／又は拡散接合が必要ではないことが実証された。全溶接製造技術により可能となった熱接触は、望ましい結果を提供した。
【０１４９】
プロセス圧力を超える初期冷却剤圧力は、本発明の反応器のレーザ溶接部のサイズ、及び同様のサイズのレーザ溶接された部品のバースト試験に基づいて、冷却剤チャネルの間の溶接部の破裂及び波形の変形を防止するために、約５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）に制限された。実験中、この過剰の圧力を約３３２ｐｓｉ（２２８９ｋＰａ）に増加させたが、外部から認め得る変形は見られなかった。試験後、反応器の分解により、反応器内部が圧縮若しくは変形していない、又は別様に望ましくない変化を示していないことが確認された。この驚くべき結果は、触媒が投入されたフィンが、これらの幅０．００２インチ（０．００５ｃｍ）の小さいレーザ溶接部に対し構造的支持を提供したことを示唆している。レーザ溶接部は、触媒投入プロセスチャネルからの支持を必要とすることなく冷却剤に対する十分に高い圧力を可能とするために、より広く、例えば０．００６インチ（０．０１５０ｃｍ）以上とすることができる。したがって、好ましい実施形態において、本発明による装置及び方法は、０．０１５ｃｍ以上の幅を有するレーザ溶接部を使用する。
【０１５０】
実施例３  大型シートレーザ溶接部
レーザ溶接されたサブアセンブリの異なる部品厚さの影響を示すために、本発明の反応器に対し３種類の部品を試験した。本来、溶接部を形成するために入力されるエネルギーがより低いことから、より薄い頂部シートはより小さい歪みを形成すると理論付けられた。驚くべきことに、より薄い頂部シートは、より小さいのではなくより大きな歪みをもたらすことが判明した。より厚い頂部シートが好ましかった。
【０１５１】
・冷却剤チャネルシムに溶接された頂部シートは、０．０２０”（０．０５ｃｍ）壁、０．０１０”（０．０２５ｃｍ）壁、及び０．００５”（０．０２５ｃｍ）（０．１２５ｃｍ）壁の範囲であった。
・部品の固定を補助するために、断続的レーザ溶接で初期溶接を行った（例えば、５列毎）。長いシーム溶接線が作製される前に、溶接長さ寸法に沿った断続的レーザ溶接を、５列毎に追加した。断続的なステッチは、長さ約２ｃｍから４ｃｍであり、長さ５ｃｍから２０ｃｍの未溶接セクションにより分離されていた。
・次いで、頂部プレートを除去し、全長溶接を行った。
・２つのより薄い壁のシナリオにおいて、出力設定及び焦点を調節する必要があった。
０．０１０”（０．０２５ｃｍ）壁に対しては６０％出力設定
０．００５”（０．０１２５ｃｍ）壁に対しては５０％出力設定。
【０１５２】
最初の考えは、壁厚及び出力が低減されると、歪みがより小さくなるという考えであったが、逆が生じた。０．０２０”（０．０５ｃｍ）壁サブアセンブリを測定すると、約２．７５０”（６．８７５ｃｍ）の歪みを示した。
【０１５３】
続く０．０１０”（０．０２５ｃｍ）及び０．００５”（０．０１２５ｃｍ）壁に対する試験は、以下の応力変形数値を示した。
・  ０．０１０”（０．０２５ｃｍ）のサブアセンブリは、２．９０６”（７．２６５ｃｍ）と測定された。
・  ０．００５”（０．０１２５ｃｍ）のサブアセンブリは、２．９６１”（７．４０２５ｃｍ）と測定された。
【０１５４】
試験されたサブアセンブリにおいて、アセンブリの２４”（６０ｃｍ）の幅に沿って、１６１個の２４”（６０ｃｍ）の長さの溶接部があり、これらのコンポーネントにおいて見られる応力は、驚くべきものではないが、長い溶接を行った場合、通常長さ方向及び過渡的な応力が見られる。課題は、溶接プロセス中の応力を軽減すること、又はサブアセンブリプロセス後の応力を低減及び／若しくは除去することである。
【０１５５】
好ましくは、個々の頂部シートは、０．０４ｃｍ以上、いくつかの実施形態においては、０．０４ｃｍから０．２ｃｍの範囲内、より好ましくは、０．０５ｃｍから０．１ｃｍの厚さを有する。「頂部シート」とは、チャネル又は他の空隙を含有するシート又は複数のシート上に設置されるシートを指し、頂部シートは、高さ方向においてチャネル又は空隙をシールしてサブアセンブリを完成させる。
【０１５６】
大型部品に対する事前反曲処理試験
溶接の応力を軽減するための１つの方法は、コンポーネントの事前反曲（事前屈曲）処理を用いたものであり、次いで動作の実行を試行した。以下のプロセスを使用した。
・プロセス
ｏ冷却剤壁及び冷却剤チャネルシムを１つのユニットとして事前反曲処理する。
ｏレーザ溶接テーブルに固定具を載せ、設定及びレーザアラインメントを実行する。
ｏレーザステッチプログラムを実行する。
ｏレーザ溶接テーブルに再び固定する。
ｏ完全溶接プログラムを実行する。
【０１５７】
事前反曲処理されたコンポーネントは、コンポーネントの制御された一貫した湾曲を可能とするために、クランプ及び締結ストラップからなる固定具を使用することにより作製された（図１２を参照されたい）。シートは、チャネル長さに垂直な方向に屈曲された。２つのシートは、この技術により事前反曲処理され、次いで溶接された。得られたサブアセンブリは、同様であるが事前反曲処理なしで作製されたサブアセンブリと、目視により比較された。
・４００℃未満の温度での応力緩和は、許容される実践ではあるが、軽度の応力緩和のみとなる。８７０℃で１時間が、典型的に約８５％の残留応力を緩和する。しかしながら、この温度範囲における応力緩和はまた、粒界炭化物を析出させ、多くの媒体中での耐腐食性を大きく低下させる感受性化をもたらす可能性がある。これらの影響を回避するためには、特に長い応力緩和が必要である場合、安定化ステンレススチール（グレード３２１若しくは３４７）又は極低炭素型（３０４Ｌ若しくは３１６Ｌ）を使用することが推奨される。大型部品の応力緩和を、４００Ｃ及びより高い温度である１１００Ｃにおいて試行した。両方の場合において、成功は限られることが分かった。１つの端部が平坦面から上に起き上がる距離により測定されるように、元の反りの約４０％の、軽度の変形の低減が観察された。
・アニール（しばしば固溶化処理と呼ばれる）は、作業硬化粒を再結晶化するだけでなく、炭化クロム（感受性化されたスチール内の粒界において析出）を、オーステナイト中の固溶体に戻す。この処理はまた、樹枝状溶接金属構造を均質化し、低温作業による残留応力を全て緩和する。通常、アニール温度は１０４０℃を超えるが、いくつかの種類は、微細な粒径が重要である場合、１０１０℃もの低い厳密に制御された温度でアニールされ得る。その温度での時間は、多くの場合、表面スケーリングが最小限となるように、又は形成中「オレンジの皮」状をもたらし得る粒子成長を制御するために、短く維持される。
【０１５８】
実施例４．溶接された反応器におけるフィンの影響
高いアスペクト比を有する圧入フィンを備える波形は、直線状にならない可能性があるが、フィンに対するいくらかの撓み又は屈曲を有する。フィンのいずれかの側の２つの固体ストリップと接触するように圧縮された後、フィンはさらに屈曲する、又は撓む。本発明の溶接された反応器において、フィンは、ろう付け若しくは接合されるのではなく、隣接する表面に押し付けられ、フィンと隣接する表面との点接触においてより多くの接触抵抗又は熱抵抗をもたらす。発熱又は吸熱反応において、反応熱は、フィンと隣接する表面との間で伝達される。圧入による熱接触を改善するために、フィンは、支持端部ストリップより高い。外部負荷によりフィンが接触するように圧縮されると、フィンは屈曲又は湾曲する。フィンが屈曲すると、フィンは固有強度を維持しにくくなる。
【０１５９】
厚さ０．００６”（０．０１５ｃｍ）、高さ０．２５６”（０．６４ｃｍ）のＣｕ１１０の圧入フィンが、高さ０．２５”（０．６３ｃｍ）の端部ストリップに対し圧縮された。フィンは、隣接する熱伝達壁に対して押し付けられると、より偏心する。図１３中の写真において、クロスフロー熱交換チャネルをシールするレーザ溶接線の頂部上にフィンが位置する水平線が観察され得る。
【０１６０】
実施例１に記載の圧入反応器は、熱接触のより良好な点への軸方向の伝導による補助を含む、より多くの熱を熱伝達壁に伝導する銅性フィンの高い熱伝導率、及び／又は、反応中に生成される水素及び／又はフィッシャートロプシュ液体による、小さい隙間（推定値は５ミクロンから１５０ミクロンの間）の充填の組み合わせに起因して、驚くほど良好に機能し、フィンを熱伝達壁から分離するレーザ溶接隆線を有さないろう付けされた反応器の性能に匹敵した。水素及び液体油の熱伝導率は、ほとんどの気体より実質的に高く、したがって、圧入フィンと熱伝達壁との間の低い接触抵抗の影響を低減する。さらに、非常に高い熱伝導率を有する銅の有利な使用は、高温点を増大させることなく、及び望ましくない副反応を生成又は増幅することなく熱伝達界面に熱を移動させる、効率的な軸方向伝導を可能にする。
【０１６１】
２６００ｐｓｉ（１７，９２６ｋＰａ）の負荷を積層に印加し、積層を接触させた。負荷の好ましい範囲は、フィンの高さ、フィン材料、フィンの厚さ、及び開始フィンの偏心度に依存して、５００ｐｓｉ（３４４７ｋＰａ）から５００，０００ｐｓｉ（３，４４７，０００ｋＰａ）であってもよい。圧縮及びサイドバー又は端部ストリップに沿った最初のＴＩＧ溶接が完了した後、熱伝達サブアセンブリにフィンが接触される。
【０１６２】
実施例５．サブアセンブリの単位面積当たりの、溶接部の大型レーザ溶接サブアセンブリ線密度
この実施例は、レーザ溶接線が冷却剤流の方向に０．６ｍの長さに沿って伸びる、２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）のレーザ溶接されたサブアセンブリについて説明する。冷却剤チャネル間でデバイスをシールし、圧力下での動作中の機器の変形を防止するための構造的支持を提供するための、このパネル上の１６１個の冷却剤チャネル及び１６２個のレーザ溶接線があった。
【０１６３】
この試料に対し、０．６ｍ×０．６ｍの部分における９７．２ｍの線形溶接部、又は表面積ｍ２当たり２７０ｍの線溶接密度がある。或いは、線密度は、この実施形態に対して、３６００ｃｍ２サイズの部分において２．７ｃｍ／ｃｍ２と言うことができる。他の実施形態に対しては、溶接部の線密度は、２．７ｃｍ／ｃｍ２超又は未満であってもよく、好ましい実施形態において、０．１ｃｍ／ｃｍ２から１０ｃｍ／ｃｍ２の範囲であってもよい。
【０１６４】
実施例６：レーザ溶接レジストレーション
図１４は、底部プレートに形成された平行及び隣接する冷却剤チャネルの間のリブの頂部を結合するレーザ溶接線を示す。レーザ溶接部は、底部チャネルプレートを頂部プレートに結合する。レーザ溶接部は、底部又はチャネルプレートに形成されるリブの頂部に沿って施されてもよい。この実施例において、リブは、幅０．０３７”（０．０９３ｃｍ）であり、レーザ溶接幅は、０．００２”（０．００５ｃｍ）から０．０１”（０．０２５ｃｍ）の幅まで変動し得る。レーザ溶接部は、リブの中央、又はリブの幅に沿ったいずれかの側若しくはいずれかの箇所に施されてもよい。
【０１６５】
実施例７：大型ＦＴ反応器の製造
全溶接フィッシャー・トロプシュ反応器コアは、主として、交互の冷却剤及びプロセス部分の二重層アセンブリとして構築される。この設計の特徴は、冷却剤サブアセンブリが、スタンドアロン型ユニットとしての機械的完全性を維持するように溶接されるという点である。そのようなサブアセンブリを形成する１つのプロセスは、レーザ溶接を使用して、リブに平行に伸びる各チャネル間に溶接部を設けることにより、頂部固体シムを特徴化されたシムに結合することによるものである。必要とされる機械的完全性は、そのような手法により得ることができることが実証されている。考慮しなければならない第２のパラメータは、部品の平坦性のパラメータである。そのような様式で２つの薄いシートを溶接することは、ステンレススチールの溶接に関連した材料収縮に起因する著しいサブアセンブリ変形を引き起こし得る。サブアセンブリ変形は、複雑性の追加、及び部品を再び平坦化する、又は積層プロセスを変形した部品に対処するように適応させるために必要な取り組みをもたらし得る。
【０１６６】
溶接による歪みを最小限化することが判明している１つの方法は、サブアセンブリの全体のサイズを制限することである。チャネル間に長さ２４”（６０ｃｍ）の溶接部を組み込むが、幅約６”（１５ｃｍ）に制限されるサブアセンブリを使用すると、許容されるレベルの平坦性を維持するが、一方、２４”（６０ｃｍ）の幅を含む同様のサブアセンブリは、許容されるレベルの平坦性を維持しないことが判明している（例えば、部品全体は、６”×２４”対２４”×２４”（１５ｃｍ×６０ｃｍ対６０ｃｍ×６０ｃｍ））。さらに、複数のこれらの６”（１５ｃｍ）幅サブアセンブリは、互いにステッチ溶接されて妥当な平坦性を維持することができる。このようにして、２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）の平坦サブアセンブリは、４つの６”×２４”（１５ｃｍ×６０ｃｍ）のサブアセンブリを互いにステッチ溶接することにより構築することができ、これは、２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）の部品から出発して溶接された２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）のサブアセンブリよりも実質的に平坦である。
【０１６７】
溶接されたサブアセンブリに組み込むことができる別の有用な特徴は、全体的なＦＴ溶接積層の構築に使用する前に、リーク及び機械的完全性に関して部品を正確にチェックできるようにするものである。これは、最初のサブアセンブリを若干大きなサイズとし、それを通して圧力を印加することができるポートを追加し、レーザ溶接プロセスの一環として最初にサブアセンブリの末端をシールすることにより達成することができる。この圧力試験は、静水圧又は空気圧によるものであってもよい。個々の部品が溶接され、認定された後、アセンブリには、それらを正確に６”×２４”（１５ｃｍｘ６０ｃｍ）のサイズに切断してチャネルの流動末端を開くトリミングステップが施され、続いて４つの６”（１５ｃｍ）サブアセンブリを互いにステッチ溶接して、１つの２４”×２４”（６０ｃｍ×６０ｃｍ）冷却剤サブアセンブリを形成する。
【０１６８】
次いで、最終的なサブアセンブリが、プロセス層の間に交互に配置され、主反応器コアを形成する。積層プロセスは、まず厚さ２”（５ｃｍ）のクランププレートを設置し、続いて厚さ１”（２．５ｃｍ）の末端プレートを、次いで交互の冷却剤及びプロセス層を設置することからなる。積層は、最終的な冷却剤サブアセンブリを設置し、続いて頂部末端プレート及び頂部クランププレートを設置することにより終了する。銅製波形を予め圧縮するために圧力を積層に印加しながら、全てのコンポーネントに金属同士の接触をもたらす。印加される圧力は、２０ｐｓｉ（１３８ｋＰａ）から５００，０００ｐｓｉ（３４４７０００ｋＰａ）の範囲であってもよく、好ましい範囲は２０ｐｓｉから２０，０００ｐｓｉ（１３８ｋＰａから１３８０００ｋＰａ）であり、より好ましい範囲は、２０ｐｓｉから５，０００ｐｓｉ（１３８ｋＰａから３４４７４ｋＰａ）である。次いで、印加した圧力を解除する前に、クランプシステムを使用して積層を適所に固定する。クランプシステムは、コア溶接が生じ得るように積層をこの圧縮状態に維持する。
【０１６９】
コア溶接は、主として、両方のプロセス面に耐力溶接を追加するステップ、両方の冷却剤面にシール溶接を追加するステップ、及び迂回を防止するために各プロセス面上に２つの末端プレートシール溶接を追加するステップの３つのステップからなる。反応器は、これらの溶接ステップのそれぞれの間、クランプ状態を維持し、コア内で可能な限り最善の熱接触を確実にする。３つのコア溶接ステップのそれぞれは、独自の目的を果たすことに留意されたい。プロセス面上で生じる耐力溶接が最初に施され、積層全体に、他の２つの溶接ステップ及び全ての後続の製造ステップの間コアが容易に操作され得る（隆起、回転、又は別様に配向され得る）十分な機械的強度を与える。２つの冷却剤面に生じるシール溶接は、反応器内の内部クロスリーク（プロセスから冷却剤又はその逆）を防ぐ主要な溶接である。末端プレートシール溶接は、最も外側の冷却剤サブアセンブリを頂部及び底部末端プレートにシールするために使用される。これらは、クロスリークを回避するために冷却剤面上にシールされるが、これらの部品間を移動し、したがって触媒床を迂回するプロセスガス流を回避するためにプロセス面上にもシールされなければならない。触媒は、最終アセンブリ後に反応器内及びプロセスフィン間に投入されることが留意される。
【０１７０】
コアがアセンブリ内に溶接される前に、反応器は、実質的にリークを有さないべきである。溶接された反応器は、まだいかなる大きな内部圧力にも耐えるように準備されていないため、支持を提供するためにボルト締めクランプ機構を使用することができる。反応器コアが認定されたら、冷却剤ヘッダの適所への溶接に進む。このステップが行われたら、反応器を、所望又は保証される場合、冷却剤側流動試験に供することができる。次いで、対応する冷却剤フッタが適所に溶接される。両方の冷却剤多岐管が動作に好適であり、反応器の外部支持システムの基礎の一部を提供する。
【０１７１】
冷却剤サブアセンブリを除いて、全ての溶接がコアの周縁部に対して行われたため、反応器は、圧力により誘引される負荷によって頂部及び底部末端プレートを屈折させることなしに大きな内部プロセス圧力に耐えることができず、したがって反応器は、その現在の状態において動作条件を達成することができない。反応器の機械的完全性を提供するために、外部支持のシステム（外骨格）が反応器コアの周囲に溶接される。これらの支持体は、内部プロセス圧力に拮抗し、したがって、いかなる圧力により誘引される頂部及び底部プレートの屈折も許容されるレベルまで制御するように設計される。外部支持体は、反応器の頂部及び底部末端プレートの両方にわたり溶接された補強剤として機能し、次いでこれらは、頂部から底部に結合される。それらは、内部加圧により形成されるいかなる負荷にも拮抗し、したがって、さもなければ生じ得るいかなる変形も防止する。それらは、反応器に沿って広がる複数の組により、高さよりも薄い（図１５を参照されたい）。好ましくは、それぞれの補強要素は、厚さよりも少なくとも３倍、より好ましくは少なくとも５倍高い（高いとは、積層方向における高さを指す）。いくつかの実施形態において、支持体の組の間の間隔、並びにそれらの厚さ及び高さは、拮抗するプロセス負荷に基づいて決定される。１つの例において、支持体は、間に約３”の間隔を備える頂部及び底部末端プレートにわたり高さ約８”で延在する０．７５インチ厚のステンレススチールプレートから形成される。最終認定ステップとして、コアは、プロセス面上に溶接された一時的多岐管を有してもよく、反応器が設計基準を満たすことを確認するために高圧試験に供されてもよい。このステップの後、プロセス多岐管が取り外され、コアは触媒投入の準備が整うことができ、その後、最終的プロセス多岐管が適所に溶接される。
【０１７２】
図１６は、４つの６”×２４”（１５ｃｍ×６０ｃｍ）サブアセンブリが並んで配置され、いくつかの場所で溶接されて２４”×２４”（６０×６０ｃｍ）アセンブリに結合される例を示す。連続的溶接は、より多くの変形をもたらすことが判明したため、この様式でサブアセンブリを結合するためにはスポット溶接が好ましい。
【０１７３】
実施例８．
実施例８のデバイスは、２つの流体ストリーム間の交差流熱伝達を提供する溶接された反応器又はデバイスである。交互流構成を使用することができるが、具体的に説明される例は交差流である。外部支持体は、アレイとして（図１７を参照されたい）デバイスコアの外側に溶接され、デバイスの完全性に影響を与えることなく、又は閉じ込めを損なうことなく、低圧外部環境に対するデバイス内の内部通路の加圧を可能とした。「外骨格」又は外部支持体のアレイにより、デバイスは、外部環境に対する高い圧力差に耐えることができる。デバイスは、外部支持体を含めて、３０４Ｌステンレススチールで構築された。外骨格の使用により、外部圧力容器を使用することなく、フィッシャートロプシュ反応及び他の反応、又は熱交換用途若しくは高圧動作のための、溶接された反応器の動作が可能となる。デバイスは、本発明の反応器又はデバイスを高圧流体が包囲する外部圧力容器に関して存在するような圧力下ではなく、引張下にある。
【０１７４】
添付の出願書において記載されるように、周縁部で溶接された層で実施例８の６１ｃｍ×６１ｃｍ×６．５ｃｍのデバイスコアを作製した。外部支持体は、厚さ１．９×長さ１０５ｃｍであり、末端近くで約１４ｃｍ、６１ｃｍ×６１ｃｍ面に隣接した領域で約１７ｃｍの幅であった。支持体は、１０．２ｃｍ離間し（中心間）、厚さ１．９ｃｍの交差部材がデバイスの各末端に沿って支持体間に設置されていた（交差部材の２つの列が約６０ｃｍ離間するように）。外部支持体と交差部材との間の溶接は、完全溶け込み傾斜溶接であった。
【０１７５】
プロセスストリーム流回路に対して、まず静水圧試験を行った。使用した手順（図１８においてグラフで示されている）は、以下の通りであった。
１．窒素を用いた約６９０ｋＰａ（ｐｓｉｇ）での圧力試験中に、ベースラインリーク速度を決定する。
２．ポンプ（この実施例においてはＬａｂ  Ａｌｌｉａｎｃｅ  ＨＰＬＣ「Ｐｒｅｐ  Ｐｕｍｐ」を使用した）を使用して、デバイスに水を充填する。
３．ポンプを使用して、周囲圧力（すなわち、４５０ｋＰａ未満）から約３３００ｋＰａ（４６４ｐｓｉｇ）に約３００〜４００ｋＰａ／分の速度で圧力を上昇させる。
４．約５０〜１００ｋＰａ／分の速度で、約３０００ｋＰａ（４２０ｐｓｉｇ）未満まで圧力を降下させる。
５．ポンプを使用して、約３０００ｋＰａ（４２０ｐｓｉｇ）から約３７００ｋＰａ（５２２ｐｓｉｇ）に約５０〜１００ｋＰａ／分の速度で圧力を上昇させる。
６．ポンプを使用して、約３７００ｋＰａから６０００ｋＰａ（８５５ｐｓｉｇ）超に約１００〜１５０ｋＰａ／分の速度で圧力を上昇させる。
７．約２５０〜３００ｋＰａ／分の速度で、５３００ｋＰａ（７５４ｐｓｉｇ）未満まで圧力を降下させる。
８．周囲条件に達するまで圧力降下を継続し、デバイスから水を排出する。
９．ステップ１を反復する。
【０１７６】
次いで、冷却剤ストリーム流回路に対し、第２の静水圧試験を行った。使用した手順（図１９においてグラフで示されている）は、以下の通りであった。
１０．ポンプ（この実施例においてはＬａｂ  Ａｌｌｉａｎｃｅ  ＨＰＬＣ「Ｐｒｅｐ  Ｐｕｍｐ」を使用した）を使用して、デバイスに水を充填する。
１１．ポンプを使用して、周囲圧力（すなわち、２５０ｋＰａ未満）から約３５００ｋＰａ（４９５ｐｓｉｇ）に約２０００〜２５００ｋＰａ／分の速度で圧力を上昇させる。
１２．ポンプを使用して、約３５００ｋＰａから６０００ｋＰａ（８５５ｐｓｉｇ）超に約８００〜９００ｋＰａ／分の速度で圧力を上昇させる。
１３．約４００ｋＰａ／分の速度で、５２００ｋＰａ（７４０ｐｓｉｇ）未満まで圧力を降下させる。
１４．周囲条件に達するまで圧力降下を継続し、デバイスから水を排出する。
１５．約６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）でリーク速度を再チェックし、ベースライン圧力試験リーク速度と比較する。
【０１７７】
冷却剤及びプロセス回路の静水圧試験は、上記プロトコルを使用して行われた。デバイスは、静水圧試験中、機械的不具合の兆候を示さなかった。冷却剤回路における６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）の初期圧力での１５分の期間にわたる圧力降下として測定される、この静水圧試験前後の冷却剤回路からプロセス回路へのリーク速度は、それぞれ、０．６ｋＰａ（０．０９ｐｓｉ）及び２１ｋＰａ（３．０５ｐｓｉ）であった。次いで、デバイスを溶接により修復すると、冷却剤回路からプロセス回路へのリーク速度は、６９０ｋＰａ（１００ｐｓｉｇ）の初期圧力で１５分間にわたり２．２ｋＰａ（０．３２ｐｓｉ）の圧力降下として測定された。修復溶接は、ファイバレーザを使用して行った。代替として、ＴＩＧ、ＭＩＧ、又は他の従来の溶接方法を使用してもよい。
【０１７８】
レーザ溶接された冷却剤サブアセンブリから、溶接された反応器コアを組み立て、最終反応器に溶接した。続いて、反応器を、高圧での使用を可能とする外骨格内に格納した。フィッシャートロプシュ反応器においては、静水圧試験は、８５５ｐｓｉｇ（５８９５ｋＰａ）である。代替として、最終的な所望の動作条件に依存して、より高い又はより低い静水圧試験をフィッシャートロプシュでの使用に使用することができる。この実施例における説明された静水圧試験は、２５０Ｃのピーク設計温度及び５６２ｐｓｉｇ（３８７５ｋＰａ）のピーク設計圧力での使用に対し反応器を認定するものである。動作温度及び圧力は、動作の安全性の余裕を可能とするために、ピーク設計圧力よりも低い。フィッシャートロプシュ反応器のための所望のより高い動作圧力に対しては、より高い動作圧力に対する反応器を認定するために、図１７に示される外部支持体の間隔が減少され、追加的な支持体が追加される。
【０１７９】
より高い温度又は圧力において動作した場合の他の反応は、本発明の外骨格により可能となるが、より高密度の間隔の追加的支持体を必要とし得る。代替として、必要とされるプロセス設計圧力又は温度がより低かい場合、よりまばらに配備された溶接された支持バーが使用される。本発明の溶接された反応器は、圧力格納容器内に配置されることなく、又はろう付け若しくは接合された反応器コアを有することなく、高温及び高圧で動作することができる。
【０１８０】
本発明の外骨格により、反応器又はデバイスは、静水圧試験に合格することができ、それにより、高い内部圧力及び低い外部圧力において、反応器は機械的完全性を維持し、使用に適合する。
【０１８１】
実施例９−リーク試験
全溶接デバイスリークチェック試験
概要
全溶接ＦＴデバイスを、プロセス側及び冷却剤側の両方に対して、独立して最大１００ｐｓｉｇ（６９０ｋＰａ）まで（これを含む）空気圧によりリークチェックした。いくつかの実施形態において、リークチェック圧力は、２００ｐｓｉｇ（１３８０ｋＰａ）又は５００ｐｓｉｇ（３４５０ｋＰａ）まで高くてもよく、一実施形態において、１０００ｐｓｉｇ（６９００ｋＰａ）まで高くてもよい。任意のリークの場所を特定するためにデバイスリーク及び界面がスヌープ（リーク試験）されているかを決定するために、経時的な圧力降下が記録される。いずれかの側の加圧を可能とするために、全ねじクランプ構成でガスケット付ヘッダ及びフッタがデバイスに固定される。デバイスは、１０〜２０ｐｓｉｇ（９０〜１８０ｋＰａ）の増分で加圧し、各増分後に停止して圧力降下速度をチェックし、リークがないかガスケット及び全ての接続具をチェックし、デバイス内のいかなるリークも特定する。
【０１８２】
実施例１０．フィッシャートロプシュ及びその他の化学に対する本発明の反応器により可能な超高層フィン
プロセス層（フィン構造を有する）が冷却剤サブアセンブリに隣接して配置されて最終デバイスアセンブリを形成する全溶接反応器は、超高層フィンを備えるものを含む、従来的でないプロセス層の使用を可能とする。超高層フィンは、任意の構造的支持が存在するとしても、接合又はろう付けプロセス中にほとんど利益をもたらさず、したがって弛む、変形する、又は別様に、使用が可能であるとしても使用前に修正若しくは矯正を必要とする構造をもたらすため、ろう付け又は接合中に問題を生じる。ろう付け又は接合後の超高層フィン（例えば約０．５ｉｎ又は１．２５ｃｍ以上）からの過度の変形は、デバイスを使用不可能とする。
ケースＡ：フィンの高さ０．２２５”（０．５６２５ｃｍ）
【０１８３】
マイクロチャネル反応器においてフィッシャートロプシュ反応を行う。マイクロチャネル反応器は、ＦＴ触媒で充填された複数の平行プロセスチャネルを含有する。反応熱は、水が冷却剤であるプロセスチャネル間の冷却剤チャネルにより除去される。触媒床内で生成された反応熱の除去は、埋め込み型フィン構造により促進される。プロセスチャネル内の連続フィンは、一連の平行流路を形成する。この例において、フィンは、銅１１０で作製される。プロセスチャネルの高さは、０．２２５”（０．５６２５ｃｍ）であり、長さは、２３”（５７．５ｃｍ）である。フィンは、同じ長さを有し、隣接するフィンのリブとの間の間隔は、０．０４”（０．１ｃｍ）であり、フィンの厚さは、０．００６”（０．０１５ｃｍ）である。フィンとプロセスチャネル壁との間には接触抵抗がないと仮定される。プロセスチャネル壁の厚さは、０．０２”（０．０５ｃｍ）であり、ステンレススチールで作製される。
【０１８４】
プロセスチャネルは、ある特定量のＣｏ触媒を含有し、第１の実施例において説明されている。触媒床の空隙比は、約０．４であり、有効熱伝導率は、約０．３Ｗ／ｍ−Ｋである。触媒投入は、１０６０ｋｇ／ｍ３である。
【０１８５】
複雑なＦＴ反応は、６つの容積反応（表５を参照されたい）による単純化された反応網としてモデル化される。速度表現におけるパラメータ（表６）は、実験室規模ＦＴ反応器における触媒試験データを使用して回帰される。
【０１８６】
【表５】
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【０１８７】
【表６】
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【０１８８】
ＦＴ反応器モデルにおいて使用した動作条件は以下の通りである。
・プロセスチャネル壁上の温度：２３０Ｃ
・触媒床の始まりにおける圧力：４１２ｐｓｉｇ（２８４０ｋＰａ）
・供給物中のＨ２／ＣＯ比：２．１。
・供給物中の窒素希釈：３１．３％（体積）
・プロセス供給物は、チャネル壁上の温度と同じ温度に予熱される。
・０．０４”（０．１ｃｍ）×０．２２５”（０．５６３ｃｍ）×２３”（５７．５ｃｍ）の１つの単位触媒充填にわたる供給物流速：１１９７ＳＣＣＭ。触媒体積に基づいて計算される接触時間は、０．１７秒である。
【０１８９】
反応器長さの関数としての予測触媒床温度を、図２０に示す。温度は、曲線のピークが触媒床の最高温度を表すように、触媒床の中心に沿ってサンプリングする。この場合、最高温度は２３９Ｃであり、触媒床の始まりから短い距離に位置する。ＣＯ変換率は、７６．０％と推定され、メタン選択性は１５．３％である。
【０１９０】
ケースＢ：フィンの高さ０．５”（１．２５ｃｍ）
マイクロチャネル反応器においてフィッシャー・トロプシュ反応を行う。反応器の構成は、ケースＡにおける反応器と同様である。唯一の相違点は、プロセスチャネル及び銅製フィンの高さが０．５”（１．２５ｃｍ）であることである。公称０．５”（１．２５ｃｍ）のフィンの高さに対しては、始まりのフィンの高さは０．５０１”（１．２５３ｃｍ）から０．０５２”（０．１３ｃｍ）の範囲であり、好ましい範囲は０．５０４”（１．２６ｃｍ）から０．５１０”（１．２７５ｃｍ）であり、公称０．５”（１．２５ｃｍ）の高さのサイドバー又は端部ストリップ又はｐ−ストリップの隣に設置されることが期待される。
【０１９１】
この例において、動作条件は同じであるが、ただし、供給物流速は、０．１７秒での同じ反応接触時間を維持するために、全触媒投入体積に従いスケールアップされる。流速は、２６６１ＳＣＣＭである。
【０１９２】
この例において、同じ触媒及び反応速度論が使用される。触媒床の特性もまた、ケースＡの場合と同じである。
【０１９３】
反応器長さの関数としての予測触媒床温度を、図２１に示す。温度は、曲線のピークが触媒床の最高温度を表すように、触媒床の中心に沿ってサンプリングする。この場合、最高温度は２４６Ｃであり、触媒床の始まりから短い距離に位置する。ＣＯ変換率は、８１．９％と推定され、メタン選択性は１７．０％である。動作上、蒸気側圧力により決定される動作温度は、ＣＯ変換率が約７６％未満となるように２２６Ｃから２２９Ｃに若干低下し得ることが予測され、またそれに対応する選択性測定は、予測される１７％より若干低いと予測される。全体的に、反応器は、０．５”（１．２５ｃｍ）のフィンの高さでも、まだ熱制御下にあることが予測される。本発明の全溶接反応器は、フィッシャートロプシュ反応器用の０．５”（１．２５ｃｍ）の銅製フィンの高さに対応し得ることが見込まれる。この超高層フィン（０．２５”（０．６２５ｃｍ）以上）への動きは、フィッシャートロプシュ又はろう付けされた反応器用のステンレススチール製フィンに対応することができない。ろう付けされた反応器からの超高層フィンは、高温及び高負荷ろう付けプロセス中に著しい圧縮を受け、崩壊する。全溶接反応器プラットフォームの使用は、より有利な高層フィン及び超高層フィンフィッシャートロプシュ反応器を可能とする。
【０１９４】
ケースＣ：フィンの高さ１”（２．５ｃｍ）
マイクロチャネル反応器においてフィッシャー・トロプシュ反応を行う。反応器の構成は、ケースＡにおける反応器と同様である。唯一の相違点は、プロセスチャネル及び銅製フィンの高さが１．０”（２．５ｃｍ）であることである。
【０１９５】
この例において、動作条件は上記と同じであるが、ただし、供給物流速は、０．１７秒での同じ反応接触時間を維持するために、全触媒投入体積に従いスケールアップされる。流速は、５３２１ＳＣＣＭである。
【０１９６】
この例において、同じ触媒及び反応速度論が使用される。触媒床の特性もまた、ケースＡの場合と同じである。
【０１９７】
反応器長さの関数としての予測触媒床温度を、図２２に示す。温度は、曲線のピークが触媒床の最高温度を表すように、触媒床の中心に沿ってサンプリングする。この場合、温度は６００Ｃ超である。触媒量がケースＡにおけるＦＴ反応器における触媒量の約４倍であることから、各フィンのリブを通過する全反応熱は、同じ倍率で増加する。このレベルの反応熱においては、銅製リブ内の低い熱伝達抵抗であっても重大となる。これは、中心から端部への大きなフィン温度変動から分かる。触媒床の広い部分における高温に起因して、ＣＯ変換率は、９０％超と推定され、メタン選択性もまた、より短いフィンの高さの場合より著しく高い。この種の発熱においては、ＦＴ触媒が急速に不活性化すること、またそれに対応して、火のついた煙草にはるかに類似して、発熱が下流の軸方向の場所に移動し続けることが予測される。ＦＴ触媒が燃え尽きた後、全体の変換率は低く（同様の流量、温度及び圧力条件に対して、通過当たり４０％未満）、対応するメタンは高い（１０％超）。
【０１９８】
上述の実施例は、壁に対するフィンの完全な熱接触、及び、ブロックされた、又は低流量の冷却剤チャネルのない、冷却剤側の完全な流量分布を仮定している。微粒子ＦＴ触媒を使用した実際に製造された大規模反応器において、堅牢なフィンの高さは、動作中の冷却剤側の潜在的な汚損による製造の不完全性又は動作の不完全性に対応するために、好ましくは１．３ｃｍ（０．５インチ）未満であることが期待される。
【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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