(57)【要約】  本発明は、少なくとも３つのステージを含み、各ステージ上に、熱の交換を促進するミリメートルチャネルの少なくとも１つの領域と、ミリメートルチャネルの領域の上流および／または下流の少なくとも１つの分配領域とを有する、熱交換器−反応器または熱交換器に関する。本発明は、前記熱交換器−反応器または熱交換器が種々のステージの間に組立界面がない構成要素であり、ミリメートルチャネルの領域中のチャネルが３ｍｍ未満の厚さの壁で分離されることを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つのステージを含み、各ステージ上に、熱交換を促進する少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンと、前記ミリメートル規模のチャネルゾーンの上流および／または下流の少なくとも１つの分配ゾーンとを有する交換器−反応器であって：
−  前記交換器−反応器または交換器は、種々のステージの間に組立界面を有さない構成要素であり、
−  前記ミリメートル規模のチャネルゾーンのチャネルは、３ｍｍ未満の厚さの壁によって分離され；
前記交換器−反応器は、接触交換器−反応器であり：
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、触媒反応に必要な熱の一部が供給されるように、少なくとも７００℃を超える温度のガス流を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第１のステージと；
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、前記ガス流を反応させるために、触媒で覆われた前記ミリメートル規模のチャネルの長さ方向にガス流試薬を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第２のステージと；
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、前記触媒反応に必要な熱の一部が供給されるように、第２のプレート上で生成したガス流を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第３のステージとを含み；
第２および第３のステージ上で、生成した前記ガス流を第２のステージから第３のステージまで循環させるシステムを有する、
ことを特徴とする交換器−反応器。
【請求項２】
前記ミリメートル規模のチャネルゾーンの前記チャネルが、２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満の厚さの壁で分離されることを特徴とする請求項１に記載の交換器−反応器。
【請求項３】
前記ミリメートル規模のチャネルの断面が円形であることを特徴とする請求項１または２に記載の交換器−反応器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の交換器−反応器を製造するための付加製造方法の使用。
【請求項５】
前記付加製造方法によって、ベース材料として少なくとも１種類のマイクロメートル規模の金属粉末が使用されることを特徴とする請求項４に記載の使用。
【請求項６】
前記付加製造方法が前記交換器−反応器の連結器の製造に使用されることを特徴とする請求項４または５に記載の使用。
【請求項７】
前記付加製造方法によって、エネルギー源として少なくとも１つのレーザーが使用されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の使用。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の交換器−反応器を使用する合成ガスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交換器−反応器、および交換器、ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
特に、本発明は、ミリ構造化交換器−反応器および交換器であって：
（ｉ）高い温度／圧力の組と、
（ｉｉ）最小限の圧力低下と、
（ｉｉｉ）合成ガスの製造のための接触交換器−反応器の使用、または酸素燃焼プロセスの状況で使用される酸素を予熱するための小型プレート式熱交換器の使用などのプロセスを促進できる条件と、
の条件下において、そのような装置の運転を必要とする工業プロセスに使用されるミリ構造化交換器−反応器および交換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
ミリ構造化反応器−交換器は、水力直径などの特性寸法が１ミリメートル程度となるチャネル形状によって、物質および熱の交換が促進される化学反応器である。これらのミリ構造化反応器−交換器の形状を構成するチャネルは、互いに組み立てられ、そのそれぞれが装置の１つのステージを構成するプレート上に一般にエッチングされる。同一のプレートを構成する複数のチャネルは、一般に互いに接続され、使用される流体（気相または液相）が、あるプレートから別のプレートまで移動可能となるように流路が配置される。
【０００４】
ミリ構造化反応器−交換器は、すべてのチャネルに試薬を均一に分配することが役割の１つである分配器または分配ゾーンによって試薬が供給される。ミリ構造化反応器−交換器中で行われる反応の生成物は、装置の外に設けることができるコレクターによって収集される。
【０００５】
以下では以下の定義が適用されるものとする：
（ｉ）「ステージ」：同一レベルに配置され、化学反応または熱交換が行われる一群のチャネル、
（ｉｉ）「壁」：同一のステージ上に配列される２つの連続するチャネルを分離する仕切り、
（ｉｉｉ）「分配器」または「分配ゾーン」：一連のチャネルに接続され、同一のステージ上に配列される容積であって、その中で反応器−交換器の外側から運ばれた試薬を一連のチャネルに向けて循環させる容積、
（ｉｖ）「コレクター」：一連のチャネルに接続され、同一のステージ上に配列される容積であって、その中で一連のチャネルから運ばれた反応生成物を反応器−交換器の外側に向けて循環させる容積。
【０００６】
反応器−交換器を構成するチャネルの一部には、交換を改善するための固体形状、たとえば発泡体、および／または固体形態またはチャネルの壁を覆う堆積物の形態の触媒、ならびに発泡体の壁などのチャネルを満たすことができる要素で満たすことができる。
【０００７】
ミリ構造化反応器−交換器から類推して、ミリ構造化交換器は、ミリ構造化反応器−交換器と同様の特性の交換器であって、（ｉ）「ステージ」、（ｉｉ）「壁」、（ｉｉｉ）「分配器」または「分配ゾーン」、ならびに（ｉｖ）「コレクター」などの前述の定義の要素がこの場合も見られる交換器である。ミリ構造化交換器のチャネルも同様に、熱交換を改善するための発泡体などの固体形態で満たすことができる。このような装置の熱的統合は、数個のステージ上の流体の空間分布と、数個の分配器およびコレクターの使用とによって、種々の温度で装置中を循環する流体間の熱交換の最適化を可能にする広範囲にわたる最適化の主題となりうる。たとえば、ガラス炉中の酸素を予熱するために提案されるミリ構造化交換器は、種々のステージ上に配列され、互いに接続されたチャネルを使用して形成される、多数のミリメートル規模の通路で構成される。これらのチャネルには、１つ以上の分配器によって、たとえば約７００℃〜９５０℃の間の温度の高温流体を供給することができる。冷却および加熱が行われた流体は、１つ以上のコレクターによって装置の外側まで運ばれる。
【０００８】
対象の工業プロセスにおいてミリ構造化反応器−交換器またはミリ構造化交換器を最大限利用するために、このような装置は以下の性質を有する必要がある：
−  一般に、６００℃以上の温度および２０．１０５Ｐａ（２０ｂａｒ）を超える圧力に相当する約１２．１０８Ｐａ．℃（１２，０００ｂａｒ．℃）程度以上の大きな「圧力×温度」の積において運転可能となる必要がある；
−  これらは、壁における現象、特に熱伝達を促進できるように、約４０，０００ｍ２／ｍ３以下および約７００ｍ２／ｍ３以上の表面積対体積比を特徴とする必要がある；
−  これらは、高温流体と低温流体との間で非常に小さい温度、すなわち１０℃未満、典型的には５℃未満、より優先的には２℃未満のアプローチ温度が可能となる必要がある。
【０００９】
いくつかの装置製造業者は、ミリ構造化反応器−交換器および交換器を提供している。これらの装置の部品のほとんどは、スプレーエッチングによって得られるチャネルからなるプレートで構成される。この製造方法では、半円形に近い形状を有する断面のチャネルが形成され、それらの寸法は、機械加工方法自体の理由で、製造バッチごとに厳密ではなく、おおまかに再現される。特に、エッチング作業中、使用される浴は、プレートから除去された金属粒子で汚染され始め、浴は再生されるが、操業コストの理由で、プレートの大量生産工程で製造する場合に同じ効率を維持することは不可能である。以下では、「半円形断面」は、前述の寸法の制限が問題となり、化学エッチングおよびダイスタンピングなどの製造方法によって生じる性質のチャネル断面を意味するものと理解される。
【００１０】
このチャネル製造方法は経済的な観点からは魅力的ではないが、従来の機械加工方法によって製造されるプレートを構成するチャネルの場合には想定できる。その場合、これらのチャネルの断面は、半円型ではなく長方形となり、次にこれらは「長方形断面」を有すると記載される。
【００１１】
類推すると、これらの製造方法を、分配ゾーンまたはコレクターの製造に使用すると：
（ｉ）化学エッチングまたはダイスタンピングによって製造される場合に、チャネル底部とその壁との間にある半径の形成、および製造バッチごとに再現できない寸法の形成、または
（ｉｉ）従来の機械加工方法を用いて製造される場合に、直角の形成、
などのチャネルと類似の幾何学的優先権をそれらに付与することができる。
【００１２】
半円形断面または直角を含む断面のチャネルで構成されるこうして得られたプレートは、一般に、拡散接合または拡散ろう付けによって互いに組み立てられる。
【００１３】
半円形または長方形の断面のこれらの装置の部品のサイズ調節は、エッチングされたプレートで構成されるミリ構造化交換器および／または反応器−交換器の機械設計を含むＡＳＭＥ（米国機械学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ））  ｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９の適用に依存している。望ましい機械的完全性を得るために規定すべき値を図１に示している。図１中、Ｈはｍｍの単位での機械加工深さを表し、ｈはｍｍの単位での機械加工幅を表し、ｔ１は側方の縁を表し、ｔ２はｍｍの単位でのチャネル底部の厚さ表し、ｔ３はチャネル間の壁のｍｍの単位での厚さを表す。分配ゾーンおよびコレクターの寸法は、有限要素計算によって求められるが、その理由は、ＡＳＭＥコードではこれらのゾーンの分析的な寸法決定は行われないからである。
【００１４】
寸法が定められた後、この方法によって画定される設計の規定検証のために、ＡＳＭＥ  ＵＧ  １０１に準拠したバースト試験が必要となる。たとえば、拡散ろう付けによって組み立てられ、インコネル（ＨＲ  １２０）合金でできた２５ｂａｒおよび９００℃で動作する反応器−交換器の場合に予想されるバースト値は、周囲温度において３５００ｂａｒ程度である。これは非常に不利となるが、その理由は、この試験がバースト試験に適合させるために反応器の過度な設計を必要とするからであり、そのため反応器は、チャネル壁の厚さの増加の結果として、コンパクトさが失われ熱伝達に関する効率が低下する。
【００１５】
現在のところ、これらのミリ構造化反応器−交換器および／または交換器の製造は、図２に記載の７つのステップにしたがって行われる。これらのステップの中では、４つが重要であり、その理由はこれらによって不適合の問題が生じうるからであり、その唯一の結果は、交換器または反応器−交換器を廃棄すること、またはこの不適合がこの装置を製造するｏｎ製造ライン上で十分早期に検出される場合は、圧力装置を構成するプレートを廃棄することである。
【００１６】
これらの４つのステップは：
−  チャネルの化学エッチングのステップ、
−  エッチングされたプレートの拡散ろう付けまたは拡散接合による組立のステップ、
−  接続頭部であって、その上で溶接される管によって流体の供給または取り出しが行われる接続頭部を、分配ゾーンおよびコレクター上に溶接するステップ、および最後に
−  装置の表面仕上げを劣化させうる現象を誘発する使用が行われる反応器−交換器または交換器の場合の保護コートおよび／または触媒層の塗布作業ステップ、
である。
【００１７】
ミリ構造化交換器または反応器−交換器の製造に使用される機械加工方法がいかなるものであっても、得られるチャネルは、化学エッチングの場合は断面が半円形であり（図３）、２つの直角で構成され、または従来の機械加工の場合の断面は長方形であり、４つの直角で構成される。この複数の角は、表面全体にわたって均一な保護コーティングを得るためには好ましくない。その理由は、コーナーなどの形状の不連続性の現象によって、不均一な堆積物が形成される確率が高まり、それによって、たとえば腐食、炭化、また窒化の現象などの回避が意図される母材の表面仕上げの劣化現象の開始が不可避となるからである。化学エッチングまたは従来の機械加工技術によって得られる角のあるチャネル部分のために、そのような組立体の機械的完全性を最適化できない。特に、圧力に耐えるためのこのような部分の寸法の設計に使用される計算は、壁の厚さおよびチャネル底部の厚さの増加の効果を有し、したがって装置はそのコンパクトさが失われ、熱伝達に関する効率も失われる。
【００１８】
さらに、化学エッチングでは、幾何学的形状に関する制限が課せられ、それによってその幅以上の高さのチャネルを有することができず、このため表面積／容積比の制限が生じ、最適化が制限される。
【００１９】
エッチングされたプレートの拡散接合を用いた組立は、高い一軸応力（典型的には２ＭＰａ〜５ＭＰａ程度）をエッチングされたプレートのスタックで構成される母材に加えることによって行われ、数時間持続する保持時間の間、高温でプレスによって加えられる。この技術の使用は、たとえば、４００ｍｍ×６００ｍｍの容積中に収容される装置などの小型の品目の装置の製造に適合している。これらの寸法を超えると、一定応力を維持するために加える必要がある力が大きくなりすぎて、高温プレスによって加えることができなくなる。
【００２０】
拡散接合プロセスを使用するある製造業者は、自己集合（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ）と呼ばれる組立の使用によって、高応力の実現の問題を克服している。この技術は、装置に加えられる応力を効果的に制御することができず、チャネルの破砕が生じることがある。
【００２１】
エッチングプレートの拡散ろう付けを用いた組立は、高温および数時間の保持時間で、プレスまたは自己集合設定によって加えられる低い一軸応力（典型的には０．２ＭＰａ程度）を、エッチングされたプレートで構成される母材に加えることによって行われる。各プレートの間に、ろう付けされる溶加材が工業的塗布方法を用いて塗布されるが、この塗布の完全な制御は保証できない。この溶加材は、プレート間に機械的接続が形成されるようにろう付け作業中に母材中に拡散することが意図される。
【００２２】
さらに、製造時の装置の温度維持中、ろう付け用金属の拡散は制御できず、このため、ろう付け結合が不連続となり、したがって装置の機械的完全性を損なう影響が生じることがある。例として、本発明者らが製造した、拡散およびろう付け方法により製造し、ＡＳＭＥ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９に準拠して設計し、ＨＲ  １２０から製造した装置は、バースト試験中の８４０．１０５Ｐａ（８４０ｂａｒ）の圧力の印加に耐えられなかった。この劣化を克服するため、各プレート間の接触領域を増加させるために、壁の厚さおよび分配ゾーンの形状を適応させた。これによって、表面積／容積比を限定し、圧力低下を増加させ、装置のチャネル中での不十分な分散を誘発する結果が得られた。
【００２３】
さらに、この種類のろう付けされた装置を設計するのに使用されるＡＳＭＥコードｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９では、たとえば一酸化炭素などの致死性ガスを含有する流体を使用する装置に拡散ろう付け技術を使用することができない。したがって、拡散ろう付けによって組み立てられた装置は合成ガスの製造には使用できない。
【００２４】
拡散ろう付けによって製造された装置は、最終的に、ろう付けされた接合部が間に配列される、エッチングされたプレートのスタックから構成される。結果として、この装置の面上で行われたそれぞれの溶接作業によって、ほとんどの場合、溶接作業によって生じた熱の影響を受けた領域中でろう付け結合の破壊が生じる。この現象は、ろう付け結合に沿って広がり、ほとんどの場合では組立体がばらばらになる。この問題を軽減するために、ろう付け結合を有さない連結器の溶接のためのフレーム状支持体が提供されるように、ろう付けされた母材の組立時に厚い補強プレートを加えることが場合により提案される。
【００２５】
プロセス促進の観点から、エッチングされたプレートを互いに組み合わせるということは、この種類の装置の設計者が流体の分配に対して段階的方法に限定することによって、交換器または反応器−交換器の中の熱的最適化を制限する二次元的方法で装置を設計する必要があることを意味する。
【００２６】
環境を考慮した製造の観点から、これらすべての製造ステップは異なる業界によって行われるので、これらは一般に、地理的に異なる場所に位置するさまざまな異なる下請け業者によって行われる。このため、製造が非常に遅れ、多量の部品の輸送が行われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
本発明は、現在の製造方法に関連する欠点の克服を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の解決策の１つは、少なくとも３つのステージを含み、各ステージ上に、熱交換を促進する少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンと、ミリメートル規模のチャネルゾーンの上流および／または下流の少なくとも１つの分配ゾーンとを有する交換器−反応器または交換器であって：
前記交換器−反応器または交換器は、種々のステージの間に組立界面を有さない構成要素であり、
ミリメートル規模のチャネルゾーンのチャネルは、３ｍｍ未満の厚さの壁によって分離される、
ことを特徴とする交換器−反応器または交換器である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】半円形または長方形の断面のこれらの装置の部品のサイズ調節は、エッチングされたプレートで構成されるミリ構造化交換器および／または反応器−交換器の機械設計を含むＡＳＭＥ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９の適用に依存しており、望ましい機械的完全性を得るために規定すべき値を示す。
【図２】ミリ構造化反応器−交換器および／または交換器の製造のための７つのステップを示す。
【図３】ミリ構造化交換器または反応器−交換器の製造に使用される機械加工方法がいかなるものであっても、得られるチャネルは、化学エッチングの場合は断面が半円形であることを示す。
【図４】従来の機械加工技術または化学エッチング技術とは異なり、付加製造方法では：（ｉ）圧力により十分に耐えることができ、したがってチャネル壁の厚さを大幅に減少させることができ、（ｉｉ）ＡＳＭＥコードのｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９によって要求されるような設計の有効性を実証するために行われるバースト試験を必要としない圧力装置の設計ルールを使用することができる、という利点が得られる円筒形断面のチャネルが形成可能となることを示す。
【図５】この付加製造技術を使用することによる、生産性の側面における改善は、製造ステップ数の減少によっても可能となり、付加製造を使用する反応器の形成ステップ数は７から４に減少することを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
ミリメートル規模のチャネルとは、水力直径が数ミリメートル程度、言い換えると１ｃｍ未満であるチャネルを意味する。好ましくは、この場合、ミリメートル規模のチャネルは、流路の断面の４倍と濡れ縁との間の比として定義される水力直径が０．３ｍｍ〜４ｍｍの間で構成され、長さが１０ｍｍ〜１０００ｍｍの間で構成される。
【００３１】
状況によるが、本発明による交換器−反応器または交換器は、以下の特徴の１つ以上を示すことができる：
−  ミリメートル規模のチャネルゾーンのチャネルが２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満の厚さの壁によって分離される；
−  ミリメートル規模のチャネルの断面が円形である；
−  前記交換器−反応器は接触交換器−反応器であり：
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、触媒反応に必要な熱の一部が供給されるように、少なくとも７００℃を超える温度のガス流を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第１のステージと；
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、ガス流を反応させるために、触媒で覆われたミリメートル規模のチャネルの長さ方向にガス流試薬を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第２のステージと；
−  少なくとも１つの分配ゾーンと、触媒反応に必要な熱の一部が供給されるように、第２のプレート上で生成したガス流を循環させるための少なくとも１つのミリメートル規模のチャネルゾーンとを含む少なくとも１つの第３のステージとを含み；
第２および第３のステージ上で、生成したガス流を第２のステージから第３のステージまで循環させるシステムを有する。
【００３２】
本発明の別の主題の１つは、本発明による交換器−反応器または交換器の製造のための付加製造方法の使用である。
【００３３】
好ましくは、付加製造方法では：
ベース材料としての少なくとも１種類のマイクロメートル規模の金属粉末、および／または
エネルギー源としての少なくとも１つのレーザー
が使用される。
【００３４】
特に、付加製造方法は、複雑な三次元形状の完成品目を製造するために１つ以上のレーザーによって溶融させるマイクロメートル規模の金属粉末を使用することができる。所望の形状および所望の堆積速度の精度にしたがって、この品目は１層ずつ積み重ねられ、それらの層は５０μｍ程度である。溶融させる金属は、粉末の層として供給することができるし、またはスプレーノズルによって供給することもできる。粉末を局所的に溶融させるために使用されるレーザーは、ＹＡＧレーザー、ファイバーレーザー、またはＣＯ２レーザーであり、粉末の溶融は不活性ガス（アルゴン、ヘリウムなど）下で行われる。本発明は１つの付加製造技術に限定されるものではなく、あらゆる周知の技術を使用することができる。
【００３５】
従来の機械加工技術または化学エッチング技術とは異なり、付加製造方法では：
（ｉ）圧力により十分に耐えることができ、したがってチャネル壁の厚さを大幅に減少させることができ、
（ｉｉ）ＡＳＭＥコードのｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９によって要求されるような設計の有効性を実証するために行われるバースト試験を必要としない圧力装置の設計ルールを使用することができる、
という利点が得られる円筒形断面のチャネルを形成可能となる（図４）。
【００３６】
特に、円筒形断面のチャネルの形成を可能にする付加製造により製造される交換器または反応器−交換器の設計は、「通常の」圧力装置の設計ルールに依拠しており、このルールが、ミリ構造化反応器−交換器または交換器を構成する円筒形断面のチャネル、分配器、およびコレクターの寸法決定に適用される。
【００３７】
例として、ＡＳＭＥ（米国機械学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ））  ｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１  ａｐｐｅｎｄｉｘ  １３．９に準拠した寸法での、ニッケル合金（ＨＲ  １２０）でできた交換器−反応器の長方形の断面のまっすぐなチャネルの壁の寸法（図１中の値ｔ３）は１．２ｍｍである。円筒形断面のチャネルを使用することによって、ＡＳＭＥ  ｓｅｃｔｉｏｎ  ＶＩＩＩ  ｄｉｖ．１によって計算されるこの壁の厚さの値はちょうど０．３ｍｍとなり、圧力に耐えるために必要な壁の厚さが４分の１に減少することを示している。
【００３８】
この節約に関連して材料の体積が減少することで、（ｉ）目標生産能力の実現に必要なチャネル数が減少し、それによって占有する空間が少なくなるのであれば、同じ生産能力で装置の全体のサイズを減少させることができるし、または（ｉｉ）装置の全体のサイズを維持しながら、その生産能力を高めることができ、したがって含まれるチャネル数を増やすことができ、それによって処理される試薬の処理量を増やすことができる。
【００３９】
たとえば、付加製造によって得られるチャネル形状の変化によって可能となる壁の厚さの減少によって、化学的に機械加工されたプレートを組み立てることによって製造された交換器−反応器と同じ水素生産能力が得られる交換器−反応器は、全体積を３０％減少させることが可能である。
【００４０】
さらに、高ニッケル含有量の貴合金から製造されるミリ構造化交換器−反応器または交換器の場合、材料の必要な減少によって、原材料のコストを削減しながら、環境に対して有益となる環境に配慮した設計に役立つ。
【００４１】
付加製造技術では、拡散ろう付けまたは拡散接合などの組立技術とは異なり、それぞれのエッチングされたプレートの間に組立界面を全く有さない、「一体化」されたといえる品目を得ることが最終的に可能となる。この性質は、構成によって脆弱線の存在を排除し、それによって可能性のある破壊原因をなくすことによって、装置の機械的完全性を改善するのに役立つ。
【００４２】
付加製造によって一体化された部品を得て、拡散ろう付けまたは拡散接合の界面をなくすことで、ろう付け結合中または拡散接合界面中の不連続性などの可能性のある組立品の欠陥の影響を制限するために設計される壁の形状に制限されることなく、多数の設計の可能性を考慮することが可能となる。
【００４３】
付加製造によって、従来の製造方法を用いては想像もつかない形状を形成することが可能であり、したがって、ミリ構造化反応器−交換器または交換器の連結器の製造を装置の本体の製造と連続して行うことができる。次にこれによって、連結器の本体への溶接作業を行う必要性をなくすことができ、それによって装置の構造的完全性を損なう原因を解消することが可能となる。
【００４４】
付加製造を用いてチャネル形状を制御することで、円形断面のチャネルを形成することができ、それによって、この形状によって得られる良好な圧力完全性のほかに、保護コーティングおよび触媒コーティングの堆積に最適となり、それによってそれらのコーティングがチャネルの全長に沿って均一となるチャネル形状を有することも可能となる。
【００４５】
この付加製造技術を使用することによる、生産性の側面における改善は、製造ステップ数の減少によっても可能となる。特に、付加製造を使用する反応器の形成ステップ数は７から４に減少する（図５）。完成した装置または反応器を構成するプレートを廃棄する場合がある重要なステップは、化学エッチングされたプレートを組み立てることによる従来の製造技術を用いる場合は４つであったが、付加製造の採用によって２つに減少する。したがって、付加製造ステップ、ならびにコーティングおよび触媒を塗布するステップのみが残存するステップである。
【００４６】
例として、本発明による反応器−交換器は、合成ガスの製造に使用することができる。さらに、本発明による交換器は、酸素燃焼プロセス中の酸素の予熱に使用することができる。
【００４７】
５Ｎｍ３／ｈ未満の水素製造の状況で、以下の寸法特性：
−  ニッケル系材料（Ｉｎｃｏｎｅｌ  ６０１−６２５−６１７−６９０）
−  「試薬」チャネルおよび「リターン」チャネル用の直径２ｍｍのチャネル
−  「熱供給」チャネル用の直径１ｍｍのチャネル
−  壁の厚さ０．４ｍｍ
−  チャネルの有効長さ２８８ｍｍ
−  「試薬」チャネル数４３２
−  「リターン」チャネル数２１６
−  「熱供給」チャネル数９１８
−  交換器−反応器の幅６６ｍｍ
−  交換器−反応器の全長３５０ｍｍ
−  交換器−反応器の高さ９５ｍｍ
−  「試薬」チャネルおよび「リターン」チャネルは、腐食に対する保護材料で被覆される、
−  「試薬」チャネルは触媒で被覆される、
を有する交換器−反応器の例を以下の入力条件から考慮してみる。
【００４８】
【表１】
2018521841.tif 000003
【００４９】
上記の装置によって以下の性能を実現できる。
【００５０】
【表２】
2018521841.tif 000004
【００５１】
上記例と同じ性質を示し、化学的機械加工とろう付けまたは拡散溶接による組立との従来技術により製造される同等の構成要素の場合、特に機械的強度の制約によって決定される構成要素の寸法は３５０ｍｍ×１２６ｍｍ×８４ｍｍとなる。したがって、付加製造によって製造される構成要素の全体積は、従来の製造方法を用いて製造される同等の交換器−反応器と比較して大幅に減少する。
【図１】
2018521841.tif 000005
【図２】
2018521841.tif 000006
【図３】
2018521841.tif 000007
【図４】
2018521841.tif 000008
【図５】
2018521841.tif 000009
【国際調査報告】
2018521841.tif 000010
2018521841.tif 000011
2018521841.tif 000012
2018521841.tif 000013
2018521841.tif 000014
2018521841.tif 000015